电力系统继电保护ppt课件--第八章.ppt

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1、第八章 微机保护(Microcomputer Protection)第一节微机保护系统简介第二节 微机保护装置的硬件系统 第三节 微机保护的算法基本要求1、了解微机保护的发展和特点。2、掌握微机保护的基本组成。3、掌握微机保护的常用算法。第一节 微机保护系统简介(Brief Introduction of Microcomputer Protection)l 电磁型继电保护：用电磁型继电器构成的继电保护。l 微机保护：用微型计算机构成的继电保护。一、微机保护的发展(Development of Microcomputer Protection)l 20世纪60年代末期，开始倡议用计算机构成继电

2、保护。l 20世纪70年代，掀起了研究热潮。l 20世纪70年代末期，开始进入实用化阶段。l 1979年后，推出各种定型的商业性微机保护产品，并迅 速推广。1.世界微机保护的发展历史2.我国微机保护的发展历史n 70年代后半期开始，对国外计算机继电保护的发展作了广泛的介绍和综述分析。n 70年代末至80年代初广泛地开展各种算法以至样机的研制。n 1984年，华北电力学院杨奇逊教授主持研制的第一套微机距离保护样机在河北马头电厂投入试运行。n 1986年，全国第一台微机高压线路保护装置投入试运行。n 目前，高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。n 在微机保护和网络通信等技术结合后，变电站自动

3、化、配电网自动化系统也已在全国系统中广泛应用。1高速数据处理芯片的应用 2微机保护的网络化3保护、控制、测量、信号、数据通信一体化4继电保护的智能化5自适应继电保护6暂态保护 3.微机保护的发展二、微机保护装置的特点1维护调试方便 2可靠性高3易于获得附加功能4灵活性大5良好的性价比 第二节 微机保护装置的硬件系统(Hardware System of Microcomputer Protection)第二节 微机保护装置的硬件系统(Hardware System of Microcomputer Protection)1.数字核心部件 微机保护装置的数字核心部件实质上是一台特别设计的专用微型

4、计算机，一般由中央处理器（CPU）、存储器、定时器/计数器及控制电路等部分构成，并通过数据总线、地址总线、控制总线连成一个系统，实现数据交换和操作控制。CPU主要有以下几种类型：（1）单片微处理器（2）通用微处理器（3）数字式信号处理器（DSP）CPU板存储器:用来保存程序和数据，其存储容量和访问速度也会影响整个数字式保护装置的性能。数字信息 存储空间 存储器件 经常变化的数据 数据存储区 随机存储器（RAM）计算机程序 程序存储区 只读存储器（ROM）控制参数 定值存储区 电可擦除且可编程只读存储器（EEPROM）2.模拟量输入（AI）接口部件继电保护的基本输入电量是模拟性质的电信号。可分为

5、交流量、直流量以及各种非电量。它们经过各种互感器转变为二次电信号，再由引线端子进入微机保护装置，最后正确地变换成离散化的数字量。因此模拟量输入接口部件也称为模拟量数据采集部件或数据采集系统，简称为AI（Analog Input）接口。典型的交流AI接口按信号流程主要包括以下各部分：输入变换及电压形成回路、前置模拟低通滤波器（ALF）、采样保持（S/H）电路、模数变换（A/D）电路。输入变换及电压形成回路：功能：完成输入信号的标度变换与隔离。交流信号输入变换由输入变换器来实现，接受来自电力互感器二次侧的电压、电流信号。其作用是通过装置内的输入变压器、变流器将二次电压、电流进一步变小，以适应弱电电

6、子元件的要求；同时使二次回路与保护装置内部电路之间实现电气隔离和电磁屏蔽，以保障保护装置内部弱电元件的安全，减少来自高压设备对弱电元件的干扰。前置模拟低通滤波器（ALF）：功能：抑制输入信号中对保护无用的较高频率的成分，以 便采样时易于满足采样定理的要求。最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。其中采样保持（S/H）电路：功能：完成对输入模拟信号的采样。即在某时刻获取（抽取）输入模拟信号在该时刻的瞬时值，并维持适当时间不变，以便模数变换回路将其转化为数字量。采用保持电路输出了一个阶梯电压波形。在保持阶段无论何时进行模数转换，都反映了采样值。模数变换（A/D）电路：功能：实现模拟量到数字量的变换

7、，也就是将由S/H电路采集并保持的输入模拟信号的瞬时值变换为相应的数字量。3.开关量输入（DI）接口部件 作用：为开关量提供输入通道，并在微机保护装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰。4.开关量输出（DO）接口部件作用：为正确地发出开关量操作命令提供输出通道，并在微机保护装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰。5.人机对话接口（MMI）部件 作用：建立起微机保护装置与使用者之间的信息联系，以便对保护装置进行人工操作、调试和得到反馈信息。l紧凑键盘 l显示屏 l指示灯 l按钮 l打印机接口 l调试通信接口 6外部通信接口（CI）部

8、件 作用：提供与计算机通信网络以及远程通信网的信息通道。CI可分为两大类：一类CI实现特殊保护功能的专用通信接口，另一类CI为通用计算机网络接口，可与电站计算机局域网以及电力系统远程通信网相连。第三节 微机保护的算法(Algorithms of Microcomputer Protection)一、数字滤波(Digital Filtering)在微机保护中滤波也是一个必要的环节，它用于滤去各种不需要的谐波，数字滤波器的用途是滤去各种特定次数的谐波，特别是接近工频的谐波。数字滤波器不同于模拟滤波器，它不是一种纯硬件构成的滤波器，而是由软件编程去实现，改变算法或某些系数即可改变滤波性能，即滤波器的

9、幅频特性和相频特性。在微机保护中广泛使用的简单的数字滤波器，是一类用加减运算构成的线性滤波单元。它们的基本形式 差分滤波 加法滤波 积分滤波等 二、正弦函数模型算法(Algorithms of Sinusoidal Function Model)1半周积分算法半周积分算法的依据是即正弦函数半周积分与其幅值成正比。式中uk第K次采样值;N一周期T内的采样点数;u0k0时的采样值;u N/2 kN/2时的采样值。求出积分值S后，应用上式可求得幅值。将上式积分可以用梯形法则近似求出：1半周积分算法2.导数算法 导数算法是利用正弦函数的导数为余弦函数这一特点求出采样值的幅值和相位的一种算法。设 则(8

10、-8)由此得出(8-9)(8-10)(8-11)根据式(8-8)，也可推导出(8-12)(8-13)式(8-9)式(8-13)中，u、i对应tk 时为uk、ik，均为已知数，而对应tk-1和tk+1的u、i为u k-1、u k+1、i k-1、i k+1，也为已知数，此时(8-14)（8-15）（8-16）（8-17）导数算法最大的优点是它的“数据窗”即算法所需要的相邻采样数据是三个，即计算速度快。导数算法的缺点是当采样频率较低时，计算误差较大。3两采样值积算法两采样值积算法是利用2个采样值以推算出正弦曲线波形，即用采样值的乘积来计算电流、电压、阻抗的幅值和相角等电气参数的方法，属于正弦曲线拟

11、合法。这种算法的特点是计算的判定时间较短。设有正弦电压、电流波形在任意二个连续采样时刻tk、tk+1（tkTs）进行采样，并设被采样电流滞后电压的相位角为，则tk和tk1时刻的采样值分别表示为式(8-18)和式(8-19)。（8-18）（8-19）式中，TS为两采样值的时间间隔，即TStk+1 tk。由式(8-18)和式(8-19)，取两采样值乘积，则有（8-20）（8-21）（8-22）（8-23）式(8-20)和式(8-21)相加，得（8-24）式(8-22)和(8-23)相加，得（8-25）将式(8-25)乘以cosTS再与式(8-24)相减，可消去tk项，得(8-26)同理，由式(8-

12、22)与式(8-23)相减消去tk项，得(8-27)在式(8-26)中，如用同一电压的采样值相乘，或用同一电流的采样值相乘，则 0，此时可得(8-28)(8-29)由于TS、sinTS、cosTS均为常数，只要送入时间间隔TS的两次采样值，便可按式(8-28)和式(8-29)计算出Um、Im。以式(8-29)去除式(8-26)和式(8-27)还可得测量阻抗中的电阻和电抗分量，即(8-30)(8-31)由式(8-28)和式(8-29)也可求出阻抗的模值(8-32)由式(8-30)和式(8-31)还可求出U、I之间的相角差，若取TS90，则式(8-28)式(8-33)可进一步化简，进而大大减少了计

13、算机的运算时间。(8-33)4.三采样值积算法 三采样值积算法是利用三个连续的等时间间隔TS的采样值中两两相乘，通过适当的组合消去t项以求出u、i的幅值和其它电气参数。设在tk+1 后再隔一个TS为时刻tk+2，此时的u、i采样值为(8-34)(8-35)上式两采样值相乘，得(8-36)上式与式(8-20)相加，得 将式(8-37)和式(8-21)经适当组合以消去tk项，得 若要Ts30，上式简化为用Im代替Um（或Um代替Im），并取0，则有(8-40)(8-41)由式(8-39)和式(8-41)可得(8-42)由式(8-27)和式(8-41)，并考虑到，得(8-43)由式(8-40)和式(

14、8-41)得(8-44)由式(8-42)和式(8-43)得(8-45)三采样值积算法的数据窗是2Ts。从精确角度看，如果输入信号波形是纯正弦的，这种算法没有误差，因为算法的基础是考虑了采样值在正弦信号中的实际值。三、傅里叶算法（傅氏算法）(Algorithms of Sinusoidal Function Model)1.全周波傅里叶算法 全周波傅里叶算法是采用由cosn1t和sinn1t(n=0，1，2)正弦函数组作为样品函数，将这一正弦样品函数与待分析的时变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同的分量的实部和虚部的系数。进而可以求出待分析的时变函数中该频率的谐波分量的模值和相位。

15、根据傅里叶级数，将待分析周期函数电流信号i(t)表示为式中 nn次谐波（n=1，2，）；I0恒定电流分量；Inc、Ins分别表示n次谐波的余弦分量电流和正弦分量电流的幅值。(8-46)当希望得到n次谐波分量时，可用cosn1t和sinn1t分别乘式(8-46)两边，然后在t0到t0T积分，得到(8-47)(8-48)每工频周期T采样N次，对式(8-47)和式(8-48)用梯形法数值积分来代替，则得(8-49)(8-50)电流n次谐波幅值和相位分别为(8-51)(8-52)对于基波分量，若每周采样12点（N=12），则式(8-49)和式(8-50)可简化为全周波傅里叶算法本身具有滤波作用，在计算

16、基频分量时，能抑制恒定直流和消除各整数次谐波，但对衰减的直流分量将造成基频（或其它倍频）分量计算结果的误差。另外用近似数值计算代替积也会导致一定的误差。算法的数据窗为一个工频周期，属于长数据窗类型，响应时间较长。2.半周波傅里叶算法其原理和全周波傅里叶算法相同，其计算公式为(8-55)(8-56)半周波傅里叶算法的数据窗为半个工频周期，响应时间较短，但该算法基频分量计算结果受衰减的直流分量和偶次谐波的影响较大，奇次谐波的滤波效果较好。为消除衰减的直流分量的影响，可采用各种补偿算法，如采用一阶差分法(即减法滤波器)，将滤波后的采样值再代入半周波傅里叶算法的计算公式，将取得一定的补偿效果。3.基于

17、傅里叶算法的滤序算法可利用上面傅氏算法中计算出的三相电流基波分量的实、虚部I1CA、I1SA、I1CB、I1SB、I1CC及I1SC来计算三相电流的负序和零序分量。(1)A相负序电流与三相电流的关系为 其中，将其实部与虚部分开得(2)A相零序电流与三相电流的关系为 将其实部和虚部分开，得到 于是得到零序电流的幅值为四、解微分方程算法解微分方程算法是假定保护线路分布电容可以忽略，故障点到保护安装处的线路段可用一电阻和电感串联电路，即RL串联模型来表示，于是下述微分方程成立(8-65)式中R、L1 分别为故障点至保护安装处线路段的正序电阻和电感，u、i 分别为保护安装处的电压和电流。1.差分法取采

18、样时刻tk-1和tk的两个采样值，则有将，代入上两式并联立求解，将得到2.积分法 用分段积分法对式(8-65)在两段采样时刻tk-2至tk-1和tk-1至tk分别进行积分，得到将上两式中的分段积分用梯形法求解，则有联立求解上两式，可求得R1和L1分别为 解微分方程算法所依据的微分方程式(8-65)忽略了输电线分布电容，由此带来的误差只要用一个低通滤波器预先滤除电流和电压中的高频分量就可以基本消除。复习思考题1、微机保护有哪些特点和优点？2、为防止频率混叠现象，若计及16次谐波，采样频率的最小值是多少？3、哪些微机保护的算法能减小或消除直流分量的影响？4、若每工频周期采样12点，欲滤除3次谐波，那么差分滤波器差分步长应取多少？5、为什么说解微分方程算法只能用于距离保护？