變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的保護(hù)與測控單元PPT課件

1 第3章變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的保護(hù)與測控單元 了解保護(hù)與測控單元的功能與硬件構(gòu)成了解保護(hù)與測控單元硬件回路的工作原理理解保護(hù)與測控單元中軟件算法的概念理解各種軟件算法的特點(diǎn) 要求 2 知識(shí)點(diǎn)保護(hù)與測控單元的功能與硬件構(gòu)成保護(hù)與測控單元硬件回路的工作原理保護(hù)與測控單元中軟件算法的概念各種軟件算法的特點(diǎn) 重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn) 保護(hù)與測控單元硬件回路的工作原理難點(diǎn) 掌握各種軟件算法的特點(diǎn) 3 3 1保護(hù)與測控單元的功能和硬件結(jié)構(gòu) 3 1 1功能模擬量數(shù)據(jù)采集 轉(zhuǎn)換與計(jì)算 開關(guān)量數(shù)據(jù)采集 濾波 繼電保護(hù) 自動(dòng)控制功能 事件順序記錄 控制輸出 對(duì)時(shí) 數(shù)據(jù)通信 4 依據(jù)保護(hù)測控單元所服務(wù)的對(duì)象及所完成的功能分類 保護(hù)測控單元包括 保護(hù)單元 如 超高壓線路保護(hù) 變壓器保護(hù) 測控單元 如 線路測控單元 保護(hù)測控單元 如 線路保護(hù)測控單元 自動(dòng)裝置單元 如 分段備自投測控單元 輔助裝置單元 如 電壓并列裝置 5 3 1 2硬件結(jié)構(gòu) 目前 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)均按模塊化設(shè)計(jì) 也就是說對(duì)于成套的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)等裝置都是若干模塊組成的 它們的硬件結(jié)構(gòu)大同小異 所不同的是軟件及硬件模塊化的組合與數(shù)量不同 不同的使用場合按不同的模塊化組合方式構(gòu)成 保護(hù)測控單元硬件典型結(jié)構(gòu)如圖3 1所示 6 圖3 1保護(hù)測控單元硬件結(jié)構(gòu)典型框圖 7 交流插件主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換 隔離現(xiàn)場提供的電流 電壓信號(hào)CPU插件板包括交流插件接口A D轉(zhuǎn)換部分 開入量以及繼電器出口板接口 還提供顯示面板接口和與外部通信接口繼電器出口板提供出口分合 防跳 手工分合DL控制 還通過TWJ和HWJ觸點(diǎn)信號(hào) 向監(jiān)控系統(tǒng)提供斷路器位置信號(hào)顯示面板插件主要提供運(yùn)行維護(hù)人員一個(gè)友善的人機(jī)界面 硬件結(jié)構(gòu) 8 3 2保護(hù)與測控裝置的常用算法介紹 3 2 1概述微機(jī)保護(hù)裝置程序整體結(jié)構(gòu)如圖3 2 9 從理論上講 只要采樣頻率足夠高 fs 2f 們就可以從采樣值中獲得原始信號(hào)的全部特征 那么如何從這些采樣序列中獲取所需的信息呢 這就是算法所要研究的問題 所謂算法 就是計(jì)算機(jī)將對(duì)這些數(shù)字量 采樣值 進(jìn)行分析 計(jì)算 從而得到所需的電氣量參數(shù) 并實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)和監(jiān)控功能的方法 10 算法的選擇不僅與裝置要實(shí)現(xiàn)的具體功能有關(guān) 而且與采樣方式的選擇密不可分 在微機(jī)保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)的長期發(fā)展過程中 曾出現(xiàn)了多種采樣方法 較常見的有直流采樣法 壓頻變換法及交流采樣法 對(duì)于前兩種采樣方式 只需要經(jīng)過簡單的比例變換或脈沖計(jì)數(shù)就可以得到所需的量 因此 對(duì)算法的研究主要集中在對(duì)交流采樣的分析上 交流采樣法是指直接對(duì)經(jīng)過裝置內(nèi)部TA TV轉(zhuǎn)換后形成的交流電壓信號(hào)進(jìn)行采樣 保持和A D轉(zhuǎn)換 然后在軟件中通過各種算法計(jì)算出所需要的電量 11 3 2 2保護(hù)和監(jiān)控對(duì)算法的不同要求 雖然微機(jī)保護(hù)和監(jiān)控的基本原理是一致的 但在具體的算法要求上還是存在許多不同之處 首先 監(jiān)控需要計(jì)算得到的是反映正常運(yùn)行狀態(tài)的P Q U I 等物理量 進(jìn)而計(jì)算出cos 有功電能量和無功電能量 而保護(hù)更關(guān)心的是反映故障特征的量 所以保護(hù)中除了會(huì)要求計(jì)算U I cos 等以外 有時(shí)還會(huì)要求計(jì)算反映信號(hào)特征的其他一些量 例如頻譜 突變量 負(fù)序或零序分量 以及諧波分量等 12 其次 監(jiān)控在算法的準(zhǔn)確上要求更高一些 希望計(jì)算出的結(jié)果盡可能準(zhǔn)確 而保護(hù)則更看重算法的速度及靈敏性 必須在故障后盡快反應(yīng) 以便快速切除故障 最后 監(jiān)控算法主要針對(duì)穩(wěn)態(tài)時(shí)的信號(hào) 而保護(hù)算法主要針對(duì)故障時(shí)的信號(hào) 相對(duì)于前者 后者含有更嚴(yán)重的直流分量及衰減的諧波分量等 信號(hào)性質(zhì)的不同必然要求從算法上區(qū)別對(duì)待 13 3 2 3保護(hù)和監(jiān)控常用算法介紹 一 基于正弦函數(shù)模型的算法為了減少計(jì)算量 保證計(jì)算速度 往往假設(shè)電流電壓為理想的正弦波 設(shè)每個(gè)周波采樣N點(diǎn) n為采樣時(shí)刻 則可把式離散化為利用三角函數(shù)的特殊性質(zhì) 可以構(gòu)成多種不同的簡單算法 14 一 兩點(diǎn)乘積算法設(shè)有相隔 2 即1 4個(gè)周波 的兩個(gè)采樣時(shí)刻和 滿足以下關(guān)系式用和表示這兩個(gè)時(shí)刻的電流采樣值 則有 3 3 3 4 15 把上兩式平方后相加 可得到同理 電壓有效值為式中和為相隔1 4周波的兩個(gè)采樣點(diǎn)的值 3 5 3 6 16 如果構(gòu)成距離保護(hù) 可以進(jìn)一步得到視在阻抗值Z及其幅角 為或直接得到視在阻抗的實(shí)部R和虛部X 即 3 7 3 8 3 9 3 10 17 二 導(dǎo)數(shù)算法設(shè)時(shí)刻的電流為則時(shí)刻電流的導(dǎo)數(shù)為可求得電流的有效值 3 11 3 12 3 13 18 同樣 可得到電壓有效值U和阻抗Z及其實(shí)部R和虛部X為 3 14 3 15 3 16 3 17 19 需要指出的是 為求導(dǎo)數(shù) 可以取為相鄰兩個(gè)采樣時(shí)刻n和n 1的中點(diǎn) 然后利用差分近似求導(dǎo) Ts為采樣周期 而t1時(shí)刻的電流 電壓瞬時(shí)值則用平均值代替 3 18 另外 也可以直接取t 為某個(gè)采樣時(shí)刻n 而用下式近似求導(dǎo) 3 19 20 導(dǎo)數(shù)法需要的數(shù)據(jù)窗較短 僅為一個(gè)或兩個(gè)采樣間隔 且計(jì)算量與兩點(diǎn)乘積法大致相似 并不復(fù)雜 但由于它要用到導(dǎo)數(shù) 這將帶來兩個(gè)問題 一是要求數(shù)字濾波器有良好的濾去高頻分量的能力 因?yàn)榍髮?dǎo)將放大高頻分量 二是由于用差分近似求導(dǎo) 要求有較高的采樣頻率 21 三 二階導(dǎo)數(shù)算法對(duì)上面的電流函數(shù)求二階導(dǎo)數(shù)得到于是可求出電流的有效值同樣可得到電壓有效值U和阻抗z以及其實(shí)部尺和虛部X為 3 22 3 21 3 20 3 23 22 導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)算法由于要用差分來代替微分 會(huì)帶來一些計(jì)算上的誤差 有研究表明由此而造成的誤差最大為4 5 無法滿足監(jiān)控系統(tǒng)誤差小于0 5 的要求 因而在監(jiān)控系統(tǒng)中很少采用二階導(dǎo)數(shù)算法 3 24 3 25 23 四 半周積分算法利用正弦函數(shù)在任意半個(gè)周期內(nèi)絕對(duì)值的積分是一常數(shù)的特點(diǎn) 可以構(gòu)成半周積分算法 式中T為電流周期 t1為積分起點(diǎn) 其余變量意義同前 另外 上述積分又可通過矩形或梯形積分法近似求出為式中為第k點(diǎn)采樣值 N為每周波的采樣點(diǎn)數(shù) 由上述兩式可以求出電流有效值為 3 26 3 27 或 24 半周積分法的數(shù)據(jù)窗長度為半個(gè)周期 即10ms 比前面兩種算法都長 但它運(yùn)算量非常小 把式中的常數(shù)歸入定值后 半周算法只涉及加減法運(yùn)算 另外 它有一定的濾除高頻分量的能力 因?yàn)榀B加在基頻成分上的幅度不大的高頻分量在半周積分中其對(duì)稱的正負(fù)半周互相抵消 剩余的未被抵消的部分所占的比重就減小了 半周積分法的缺點(diǎn)是無法抑制直流分量 由于半周積分算法要用求和代替積分 故也會(huì)帶來誤差 研究分析表明 誤差可達(dá)到3 5 因此 半周積分算法不能滿足監(jiān)控系統(tǒng)測量精度的要求 但在微機(jī)保護(hù)中 利用其運(yùn)算量少的特點(diǎn) 可將其作為微機(jī)保護(hù)的啟動(dòng)算法 必要時(shí) 可配一個(gè)簡單的差分濾波器來抑制電流中的非周期分量 25 二 基于周期函數(shù)模型的算法前述算法只是對(duì)理想情況的電流 電壓波形進(jìn)行了粗略的計(jì)算 由于故障時(shí)的電流電壓波形畸變很大 此時(shí)不能再把它們假設(shè)為單一頻率的正弦函數(shù) 而是假設(shè)它們是包含各種分量的周期函數(shù) 針對(duì)這種模型 最常用的是傅氏算法和沃爾什函數(shù)算法 26 一 傅氏算法的基本原理傅氏算法的基本思路來自傅立葉級(jí)數(shù) 即一個(gè)周期性函數(shù)可以分解為直流分量 基波及各次諧波的無窮級(jí)數(shù) 如式中 表示基波角頻率 和分別表示各次諧波的正弦項(xiàng)和余弦項(xiàng)的幅值 其中比較特殊的有 表示直流分量 表示基波分量正 余弦項(xiàng)的幅值 根據(jù)傅氏級(jí)數(shù)的原理 可以求出 分別為于是n次諧波電流分量可表示為 3 28 3 29 3 30 3 31 27 據(jù)此可求出n次諧波電流分量的有效值為其中a b可用梯形積分法近似求出為對(duì)于基波分量 若每周采樣12點(diǎn) N 12 則式 6 53 和式 6 54 可簡化為 3 32 3 33 3 34 3 35 3 36 28 三 基于傅氏算法的功率算法利用傅氏算法求出的電流與電壓向量的實(shí)部與虛部 相差一個(gè)系數(shù) 來計(jì)算有功功率 無功功率和功率因數(shù)是非常方便的 參見圖3 4 圖3 4計(jì)算功率的電流電壓相量圖 29 根據(jù)圖3 4有 3 37 3 38 3 39 3 40 所以 30 三 解微分方程算法解微分方程僅適用于計(jì)算阻抗 它假設(shè)被保護(hù)線路的分布電容可以忽略 而從故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的線路可以用一電阻和電感串聯(lián)電路來表示 于是下述微分方程成立式中 為故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處線路段的正序電阻和電感 分別為保護(hù)安裝處的電壓和電流 對(duì)于相間短路 和應(yīng)取和 例如AB相間短路時(shí) 取 對(duì)于單相接地取相間電壓及相電流加零序補(bǔ)償電流 3 49 31 上面的公式中 和都是可以測量 計(jì)算的 未知數(shù)為 如果在兩個(gè)不同的時(shí)刻和分別測量 和 就可以得到如下兩個(gè)獨(dú)立的線性方程式中 D表示 下標(biāo) 1 和 2 分別表示測量時(shí)刻和 聯(lián)解以上兩式可求得兩個(gè)未知數(shù)R1和L1為 3 50 3 51 32 在用計(jì)算機(jī)處理時(shí) 電流的導(dǎo)數(shù)可以用差分來計(jì)算 最簡單的方法是取t 和t分別為兩個(gè)相鄰的采樣間隔的中間值 如圖3 7所示 圖3 7用差分近似求導(dǎo)數(shù)示意圖 33 于是近似有 電流 電壓則取相鄰采樣的平均值 即應(yīng)當(dāng)指出 解微分方程實(shí)際上解的是一組二元一次代數(shù)方程 帶微分符號(hào)的量D1和D2是測量計(jì)算得到的已知數(shù) 34 3 2 4算法的選擇 前面對(duì)微機(jī)保護(hù)和監(jiān)控中一些常用的算法進(jìn)行了粗略介紹 目前對(duì)微機(jī)保護(hù)算法的研究仍在不斷深入中 面對(duì)種類繁多的算法 具體如何選擇 不僅要考慮到裝置所需要完成的具體功能 還必須考慮到裝置的硬件配置 隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 現(xiàn)在的微機(jī)保護(hù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集模塊普遍傾向于采用分散式的單片機(jī)模塊結(jié)構(gòu) 由于單片機(jī)的一大特點(diǎn)是有很強(qiáng)的加減和移位運(yùn)算能力 而乘除法運(yùn)算往往靠軟件實(shí)現(xiàn) 速度非常慢 因此選用算法時(shí)必須考慮到這一點(diǎn) 盡量采用系數(shù)簡單的數(shù)字濾波器和乘除運(yùn)算少的算法 35 當(dāng)然 隨著DSP 數(shù)字信號(hào)處理 芯片的推出 這一問題將不再是影響算法選擇的因素 DSP由于采用硬件乘除法 使得乘除運(yùn)算與加減運(yùn)算具有幾乎同樣的高速度 因而逐漸被廣泛應(yīng)用于需要快速精確計(jì)算的保護(hù)裝置中 在硬件能力許可的條件下 裝置所實(shí)現(xiàn)的功能將成為影響算法選擇的主要因素 微機(jī)監(jiān)控中不僅需要計(jì)算電流 電壓的有效值 還需要計(jì)算有功功率和無功功率等 因此輔以差分濾波的傅氏算法往往被采用 對(duì)于微機(jī)保護(hù) 則需要根據(jù)保護(hù)對(duì)象 保護(hù)類型 電壓等級(jí)等的不同來選擇不同的算法 36 在前面介紹的這些算法中 就基于正弦函數(shù)的算法來說 由于算法本身所需的數(shù)據(jù)窗很短 最少的只需要兩到三個(gè)采樣間隔 計(jì)算量很小 因此常用于輸入信號(hào)中暫態(tài)分量不豐富或計(jì)算精度要求不高的保護(hù)中 例如直接應(yīng)用于低壓網(wǎng)絡(luò)的電流 電壓保護(hù)中 或者將其配備一些簡單的差分濾波器以削弱電流中衰減的直流分量作為電流速斷保護(hù) 加速故障時(shí)的切除時(shí)間 另外 還可作為復(fù)雜保護(hù)的起動(dòng)元件的算法 如距離保護(hù)的電流起動(dòng)元件就有采用半周積分算法來作粗略的估算 以判別是否發(fā)生故障 但是 如將這類算法用于復(fù)雜保護(hù) 則需配以良好的帶通濾波器 這樣將使保護(hù)總的響應(yīng)時(shí)間加長 計(jì)算工作量加大 37 全周傅氏算法 最小二乘方算法和解微分方程算法都有用于構(gòu)成高壓線路阻抗保護(hù)的實(shí)例 各有其特點(diǎn) 一般在采用傅氏算法時(shí)需考慮衰減直流分量造成的計(jì)算誤差 以及采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施 應(yīng)用最小二乘方算法