继电保护数字式继电保护技术基础

会计学1继电保护数字式继电保护技术基础继电保护数字式继电保护技术基础n n二、微机保护的基本构成二、微机保护的基本构成二、微机保护的基本构成二、微机保护的基本构成n n微机保护是将被保护设备输入的模拟量经模数转微机保护是将被保护设备输入的模拟量经模数转换器后变为数字量，再送入计算机进行分析和处换器后变为数字量，再送入计算机进行分析和处理的保护装置。理的保护装置。n n微机保护由硬件和软件两部分构成。其整套硬件微机保护由硬件和软件两部分构成。其整套硬件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统、统、CPUCPU主系统、开关量输出、输入系统及外围主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。微机保护的软件由初始化模块、数据采设备等。微机保护的软件由初始化模块、数据采集管理模块、故障检出模块、故障计算模块与自集管理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。检模块等组成。第1页/共34页n n三、微机保护的特点三、微机保护的特点n n1.易于获得附加功能n n2.微机保护具有灵活性n n3.微机保护具有高可靠性n n4.维护调试方便n n5.保护性能得到很好改善n n6.良好的经济性第2页/共34页9.1 数字式保护装置硬件原理概述数字式保护装置硬件原理概述n n 微机保护装置硬件系统按功能可分为：微机保护装置硬件系统按功能可分为：n n1)1)数据采集单元（模拟输入）；数据采集单元（模拟输入）；n n2)2)数据处理单元（数据处理单元（CPUCPU、储存器、定时器、储存器、定时器/计数计数器、控制电路）；器、控制电路）；n n3)3)开关量输入开关量输入/输出接口；输出接口；n n4)4)人机接口；人机接口；n n5)5)通信接口；通信接口；n n6)6)电源。电源。第3页/共34页第4页/共34页n n一、数据采集系统一、数据采集系统一、数据采集系统一、数据采集系统n n1.1.电压形成回路电压形成回路电压形成回路电压形成回路n n在微机保护中通常要求输入信号为5V或10V的电压信号，取决于所用的模数转换器的型号。电压变换常采用小型中间变换器来实现。电流变换器、电压变换器和电抗变换器的原理图分别如图9-2（a）、9-2（b）和9-2（a）所示，9-29-2（d d）是电抗变换器的原理结构图。是电抗变换器的原理结构图。第5页/共34页n n2.2.采样保持电路采样保持电路采样保持电路采样保持电路n n采样就是将连续变化的模拟量通过采样器加以离采样就是将连续变化的模拟量通过采样器加以离散化。其过程如图散化。其过程如图9-3(a)(b)(c)9-3(a)(b)(c)所示。模拟量连续所示。模拟量连续加于采样器的输入端，由采样控制脉冲控制采样加于采样器的输入端，由采样控制脉冲控制采样器，使之周期性的短时开放输出离散脉冲。采样器，使之周期性的短时开放输出离散脉冲。采样脉冲宽度为脉冲宽度为T TC C，采样脉冲周期为，采样脉冲周期为T TS S。采样器的输。采样器的输出是离散化了的模拟量。出是离散化了的模拟量。n n继电保护算法是多输入而且要求同时采样，再依继电保护算法是多输入而且要求同时采样，再依次顺序送到公用的次顺序送到公用的A/DA/D转换器中去的，微机保护转换器中去的，微机保护中通常需要采样保持电路。中通常需要采样保持电路。第6页/共34页图9-3 采样保持过程示意图 第7页/共34页n n目前，采样保持电路大多集成在单一芯片中，但芯片内不设保持电容，需用户外设，常选0.01F左右。常用的采样保持芯片有LF198、LF298、LF398等。第8页/共34页n n3.3.模拟低通滤波器（模拟低通滤波器（模拟低通滤波器（模拟低通滤波器（ALFALF）n n滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的电路。对微机保护系统来说，在故障初瞬间，电压、电流中可能含有相当高的频率分量（例如2kHz以上），为防止频率混叠，采样频率不得不取值很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上，在这种情况下可以在采样前用一个低通模拟滤波器(ALF)将高频分量滤掉，这样就可以降低采样频率，降低对硬件速度的要求。n n模拟低通滤波器通常分为两大类。一类是无源滤波器，由RLC元件构成；另一类是有源滤波器，主要有RC元件与运算放大器构成。n n目前，微机保护中，采样频率常采用600Hz（即每工频周波采样12个点）、800Hz等。第9页/共34页n n4.4.模拟多路转换开关模拟多路转换开关模拟多路转换开关模拟多路转换开关(MUX)(MUX)n n在实际的数据采集系统中，被模数转换的模拟量在实际的数据采集系统中，被模数转换的模拟量可能是几路或十几路，利用多路开关可能是几路或十几路，利用多路开关MUX MUX 轮流轮流切换各被测量与切换各被测量与A/DA/D转换电路的通路，达到分时转换电路的通路，达到分时转换的目的。在微机保护中，各个通道的模拟电转换的目的。在微机保护中，各个通道的模拟电压是在同一瞬间采样并保持记忆的，在保持期间压是在同一瞬间采样并保持记忆的，在保持期间各路被采样的模拟电压依次取出并进行模数转换，各路被采样的模拟电压依次取出并进行模数转换，但微机所得到的仍可认为是同一时刻的信息（忽但微机所得到的仍可认为是同一时刻的信息（忽略保持期间的极小衰减），这样按保护算法由微略保持期间的极小衰减），这样按保护算法由微机计算得出正确结果。机计算得出正确结果。第10页/共34页n n5.5.模数转换器模数转换器模数转换器模数转换器(A/D)(A/D)n n 模数转换器模数转换器A/DA/D是数据采集系统的核心，它的任是数据采集系统的核心，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机进行处理、存储、控制和显示。便计算机进行处理、存储、控制和显示。A/DA/D转转换器主要有以下各种类型。逐位比较（逐位逼近）换器主要有以下各种类型。逐位比较（逐位逼近）型、积分型以及计数型、并行比较型、电压频率型、积分型以及计数型、并行比较型、电压频率（即（即V/FV/F）型等。）型等。第11页/共34页n n二、计算机主系统二、计算机主系统二、计算机主系统二、计算机主系统n n微机保护的计算机主系统有中央处理器（微机保护的计算机主系统有中央处理器（CPUCPU）、）、只读存储器只读存储器EPROMEPROM电擦除可编程只读存储器电擦除可编程只读存储器EEPROMEEPROM、随机存取存储器、随机存取存储器RAMRAM、定时器等。、定时器等。n nCPUCPU执行控制及运算功能。执行控制及运算功能。n nEPROMEPROM主要存储编写好的程序，包括监控、继主要存储编写好的程序，包括监控、继电保护功能程序等。电保护功能程序等。n nEEPROMEEPROM可存放保护定值，可通过面板上的小可存放保护定值，可通过面板上的小键盘设定或修改保护定值。键盘设定或修改保护定值。n nRAMRAM作为采样数据及运算过程中数据的暂存器。作为采样数据及运算过程中数据的暂存器。n n定时器用以记数、产生采样脉冲和实时钟等。定时器用以记数、产生采样脉冲和实时钟等。n nCPUCPU主系统的常见外设，如小键盘、液晶显示器主系统的常见外设，如小键盘、液晶显示器和打印机等用于实现人机对话。和打印机等用于实现人机对话。第12页/共34页n n三、开关量输入、输出系统三、开关量输入、输出系统三、开关量输入、输出系统三、开关量输入、输出系统n n微机保护所采集的信息通常可分为模拟量和开关量。无论何种类型的信息，在微机系统内部都是以二进制的形式存放在存储器中。断路器和隔离开关、继电器的接点、按钮和普通的开关、刀闸等都具有分、合两种工作状态，可以用0、1表示，因此，对它们的工作状态的输入和控制命令的输出都可以表示为数字量的输入和输出。n n开关量输入有两类：n n1.可以与CPU主系统使用共同电源，无需电气隔离的开关量输入。n n2.与CPU主系统使用不同电源，需要电气隔离的开关量输入。如断路器、隔离开关的辅助触点，继电器触点等。第13页/共34页图9-5 开关量输入回路接线图第14页/共34页n n开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号输出等。中央信号输出等。图9-6 开关量输出回路接线图第15页/共34页第三节第三节微机保护的算法微机保护的算法n n一、数字滤波一、数字滤波一、数字滤波一、数字滤波n n数字滤波器由软件编程去实现，改变算法或某些系数即可改变滤数字滤波器由软件编程去实现，改变算法或某些系数即可改变滤波性能，即滤波器的幅频特性和相频特性。波性能，即滤波器的幅频特性和相频特性。基本形式有差分滤波基本形式有差分滤波(减法滤波减法滤波)、加法滤波、积分滤波等。、加法滤波、积分滤波等。第16页/共34页1.1.差分滤波原理差分滤波原理n n差分滤波器输出信号的差分方程形式为差分滤波器输出信号的差分方程形式为n n(9-1)(9-1)第17页/共34页n n那么上式所示的滤波器是如何起到滤波作用的哪？我们以图9-12来说明滤波的原理。设输入信号中含有基波，其频率为，也含有次谐波，其频率为，如图9-12波形所示（图中为三次谐波）。输入信号为n n当刚好等于谐波的周期，或者是的整数倍（如倍，)时，则在及两点的采样值中所含该次谐波成分相等故两点采样值相减后，恰好将该次谐波滤去，剩下基波分量。此时有n n(9-2)n n故滤去的谐波次数为n n第18页/共34页n n由此可见，当和已确定时，能滤掉的谐波最低次数是在时计算的值，除此之外，还能滤掉的整数倍的谐波。因数据窗越长其延时越长，通常为1即可。例如，当采样频率为600Hz，且，若滤掉三次谐波，差分滤波器的值应为第19页/共34页n n二、正弦函数模型算法二、正弦函数模型算法n n下面几种算法都是假定被采样的电压、电流信号都是纯正弦函数，既不含非周期分量，又不含谐波分量。因而，可利用正弦函数的种种特性，从若干个离散化采样值中计算出电流、电压的幅值、相位角和测量阻抗等量值。n n1半周积分算法n n半周积分算法的依据是n n n n即正弦函数半周积分与其幅值成正比。上式积分可用梯形法近似求出：n n第20页/共34页n n求出积分值S后，应用上式可求得幅值。n n因为在半波积分过程中，叠加在基频成分上的幅值不大的高频分量，其对称的正负半周相互抵消，剩余未被抵消的部分占的比重就减少了，所以，这种算法有一定的滤波作用。另外，这一算法所需数据窗仅为半个周期，即数据长度为10ms。n n2导数算法n n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。第21页/共34页n n设设 n n则则 很容易得出 第22页/共34页n n和n nn nn n也可推导出n nn nn n以上中，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uk-1、uk+1、ik-1、ik+1，也为已知数，此时n n 第23页/共34页n n n n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。第24页/共34页n n傅里叶算法（傅氏算法傅里叶算法（傅氏算法）n n前面所讲正弦函数模型算法只是对理想情况的电流、电压波形进行了粗略的计算。由于故障时的电流、电压波形畸变很大，此时不能再把它们假设为单一频率的正弦函数，而是假设它们是包含各种分量的周期函数。针对这种模型，最常用的是傅氏算法。傅氏算法本身具有滤波作用。n n1.全周波傅里叶算法n n全周波傅里叶算法是采用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。n n根据傅里叶级数，我们将待分析的周期函数电流信号i(t)表示为第25页/共34页n n n n式中nn次谐波（n=1，2，）；n nI0恒定电流分量；n nInc、Ins分别表示n次谐波的余弦分量电流和正弦电流的幅值。n n当我们希望得到n次谐波分量时，可用和n n 分别乘上式两边，然后在t0到t0T积分，得到n n 第26页/共34页n nn n电流n次谐波幅值（最大值）和相位（余弦函数的初相）分别为n nn nn n写成复数形式有n n对于基波分量，若每周采样12点（N=12），则两式可简化为：n nn n第27页/共34页n n2半周波傅里叶算法n n为了缩全周波傅里叶算法的计算时间，提高响应速度，可只取半个工频周期的采样值，采用半周波傅里叶算法，其原理和全周波傅里叶算法相同，其计算公式为n nn n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.第28页/共34页n n 9.59.5微机保护装置的软件构成微机保护装置的软件构成微机保护装置的软件构成微机保护装置的软件构成n n微机变压器差动保护方案的全部软件可分为微机变压器差动保护方案的全部软件可分为主程序、故障处理程序和中断服务程序。主程序、故障处理程序和中断服务程序。n n1 1主程序主程序n n2 2定时器中断服务程序定时器中断服务程序n n3 3故障处理程序故障处理程序第29页/共34页n n.第30页/共34页n n.第31页/共34页n n.第32页/共34页提高微机保护可靠性的措施提高微机保护可靠性的措施一、抗电磁干扰的措施一、抗电磁干扰的措施1接地的处理2.屏蔽与隔离二、模拟量的自纠错二、模拟量的自纠错1利用采样数据的相关性互相校核2运算过程的校核纠错三、故障自诊断三、故障自诊断1RAM的自检2EPROM的自检3模拟量输入通道的自检4开关量输出通道的自检第33页/共34页