電力系統(tǒng)繼電保護第 3章 微機保護基礎知識ppt課件

1、l硬件組成 l數據采集系統(tǒng) 原理l基本算法 l軟件結構 l抗干擾的措施 內容與要求 硬件組成需要了解，最終的目標是要掌握微機保護的接線。 基本算法與軟件組成是重點內容，是實現繼電保護原理的方法。 抗干擾措施是微機測控系統(tǒng)的通用方法，具有普遍意義，需要了解。l掌握基本原理l用計算機方法實現電流保護，在實踐中提高對微機保護的認識l要將保護的基本算法與具體繼電保護原理結合學習方法 要分清楚哪些是基本原理。 要利用微機來實現基本算法。 理論聯系實踐，要既動腦也動手。l可靠性高；l靈活性強；l性能改善，功能易于擴充； l維護調試方便；l有利于實現變電站綜合自動化。 微機保護優(yōu)點 元件少，接線簡單，軟件一

2、致。投退功能靈活，硬件通用?？梢詫崿F復雜繼電保護原理，如任意形狀阻抗繼電器，功能擴充時可以不需要更改硬件。微機保護測試儀的應用，縮短了調試時間。通信與網絡功能的加強，可以實現遙控、遙信、遙測、遙調的“四遙功能。l模擬量輸入系統(tǒng)或稱數據采集系統(tǒng)）lCPU主系統(tǒng)l開關量輸入/輸出回路l人機接口回路l通訊回路l電源回路3.1 微機保護硬件 將交流模擬量轉為CPU能夠處理的數字量，并要達到隔離與精度要求。 基本通用的微機主系統(tǒng)。 接點狀態(tài)或高低電平的處理。 便于操作，如鍵盤、液晶顯示、打印機、信號燈等 便于綜合自動化。 開關電源，要強調抗干擾。 數據采集系統(tǒng) 開關量系統(tǒng) 人機對話微機保護硬件組成l微處

3、理器CPUl存儲器l并行口l串行口l定時/計數器等微機主系統(tǒng) 需要強調的是，存儲器包括 EPROM用于存放保護程序，即軟件 RAM用于存放運算的中間結果。 EEPROM用于存放保護定值，也可采用FLASH來存放。l基于逐次逼近型A/D轉換的采集系統(tǒng)l基于電壓/頻率變換VFC原理進行A/D變換的采集系統(tǒng)3.2 數據采集系統(tǒng) 前者包括：電壓形成回路、模擬低通濾波器ALF）、采樣保持回路S/H）、多路轉換開關電路MPX及模數轉換回路A/D） 后者包括：電壓形成、VFC回路、計數器 兩者各有優(yōu)點，前者便于滿足精度，后者不需要濾波與采樣保持電路電壓變換、屏蔽和隔離 濾除高頻，降低采樣頻率逐次逼近A/D轉

4、換方式TVTA二次側來多路轉換開關A/D電壓形成ALFS/H電壓形成ALFS/H保證數據的同時性 節(jié)約A/D轉換器逐次逼近原理電壓變換、屏蔽和隔離基于壓頻變換VFC方式電壓轉化為頻率 對脈沖計數，從而完成對電壓的測量類型電流變換器UA）電壓變換器UV）電抗變換器UR）（1電壓形成回路作用TA、TV二次側電流電壓較大，變化范圍也較大，為適應模數轉換器的轉換要求將交流模擬量適當值，以滿足精度要求。屏蔽和隔離， TA、TV二次側過電壓損壞保護裝置。3.2.1基于逐次逼近式A/D轉換的模擬量輸入系統(tǒng)采樣：將一個連續(xù)時間信號x(t)變成離散時間信號x*(t)。（2采樣保持S/H電路TS采樣周期 fS=1

5、/TS采樣頻率工頻每周期采樣點數N為：T工頻周期，20ms f=1/T工頻頻率，50HZsSfTN=Tf堅持：為保證各通道采樣的同時性，在等待模數轉換的過程中，必須保持采樣值不變。（2采樣保持S/H電路粉紅色為理想值，紅色為實際值。要求：1、截獲時間盡量短，特別是對快速變化的輸入信號采樣更應保證這一點；2、保持時間要長；3、模擬開關的動作延時、閉合電阻和開斷時的泄露電流要小。（2采樣保持S/H電路采樣電子開關要求1：CH越小越好要求2：CH越大越好CH的大小應當如何確定呢？離散信號怎樣才能真實反映被采樣的連續(xù)信號，若要求不丟失信息，應滿足什么條件？（3ALF和采樣頻率問題被采樣信號x(t)的頻

6、率為f0，TS為采樣周期，fS為采樣頻率混疊混疊正確若要不丟掉信息地對輸入信號進行采樣，就必須滿足fs2f0。（3ALF和采樣頻率結論采樣定理若輸入信號x(t)含有各種頻率成份，其最高頻率為fmax，若要對其不失真地采樣，或者采樣后不產生頻率混疊現象，采樣頻率必須不小于2fmax，即fs2fmax。采樣定理對模擬信號要求采用模擬低通ALF的原因）限于CPU運算速度，要限制輸入信號的最高頻率，只需在采樣前用一個模擬低通濾波器ALF），濾出fs2以上的頻率分量。目前絕大多數微機保護的采樣周期TS為 5/6ms或 5/3ms，即采樣頻率為1200HZ或600HZ。（3ALF和采樣頻率微機保護現狀每周

7、期采樣N=24點或12點。（3ALF分類與電路 有源ALF 無源ALF 由RC網絡加上運算放大器構成，其特性較穩(wěn)定，不受時間、溫度變化的影響，可以避免采用大電容，有好的特性及快的速度。 無源濾波器通常是由RLC等元件組成，濾波特性受溫度變化發(fā)生漂移，而且保護帶來延時，在微機保護ALF中很少應用。無源電路特性（4模擬多路轉換開關MPX） 模擬量輸入通道公用一個A/D芯片 多路轉換開關是電子型的，通道切換受微機控制。譯碼/驅動器ENA1A2A3A0AS1AS15AS015V+15Vui0ui1ui15uoutlADC的基本原理（5模數轉換器ADC回路） 將輸入的離散模擬量u*(t)與基準電壓UR進

8、行比較，按照四舍五入的原則，編成二進制代碼的數字信號。 將數字量D轉換成模擬量。l數摸轉換器l二分法舉例ADC的基本原理已知某物品價格在0-64元間31元），猜一猜該物品價格精確到1元）。第1次第2次第3次第4次第6次第5次321624283130高低低低完畢低64是基準值；最多6次，2664；精度64/26 1元。l逐次逼近ADC原理ADC的基本原理參考電壓UR，ADC位數N位，輸入電壓Ui，則最多需要比較N次，精度為UR /2N 。第1次第2次第N次100000100001101高，1改0低，1保持完畢第3次01100低RRUUQ= 分層電壓 N層數2RRUU 量化誤差 N層數2模數轉換器

9、的位數越多即N值越大，則模數轉換器分辨率與轉換的精度越高。R1 U 2分辨率 N2用于將上述ADC過程中數字量轉化為模擬量與輸入電壓進行比較。DAC數模轉換原理R1U2RI R2U4RI R3U8RI R4U16RI RR-1-2-3-41234UUI =(B 2 +B 2 +B 2 +B 2 )RRD可見，輸出模擬電壓正比于輸入的數字量D 。模數轉換器回路邏輯 較快的二分逼近方法，N位轉換器只要比較N次，比較的次數與輸入模擬量的值無關。（1VFC轉換器的基本原理3.2.2基于VFC轉換的數據采集系統(tǒng))f (uO0f(b)t(ui0t(a)0(c)nDtVFC的脈沖輸出頻率正比于輸入電壓幅值，

10、對脈沖的計數就完成了對電壓幅值的測量。可見，輸入模擬電壓uin變換成一串等幅脈沖，而等幅脈沖Uo(f)的頻率與輸入電壓成正比。 根據反充電與充電電荷平衡原理：輸出頻率Rin021UUT =TRRin2OinR01U R1f =KUTU T R(31)(32)可見，輸出頻率fo反應了輸入電壓Uin的大小。Uifo0O.maxfin .m a xUin .m a xU2O.maxf2須注意這里讀數與輸入電壓沒有對應關系，不能用于數值計算。VFC數據采集系統(tǒng)的工作分析VFC輸出至計數器，CPU每隔KTs讀數為RD1、RD2 RDk。每隔每隔KTsKTs對輸出脈沖的計數，實質上是在此期間內對對輸出脈沖

11、的計數，實質上是在此期間內對f f的積分。在某段時間內的計數值就是這段時間對頻率的積分。在某段時間內的計數值就是這段時間對頻率的積分值。的積分值。假設RDk 、RDK-N分別為tK和tK-N時刻的讀數，則這段時間內的計數值DK為：可見，兩次讀數之差即為采樣值，可用于計算。采樣值DK反應了uin(t)在 KTS（K-NTS 的積分面積。SSSSKTKTKKK-Nfin(K-N)T(K-N)TD =RD -RD=fdt=Ku (t)dt令矩形面積=積分面積 可見，DK反應了時刻 的輸入電壓uin() 。 于是，1因uin() 在NTs時間段保持不變，故可通 過增加數據窗長度NTs，來提高分辨率；

12、2DK反應了某段時間的積分值，所以具有 濾除高頻分量的作用。()SSKN TKT332 1010001500 10相當于10位A/D轉換器的分辨率1021024計數脈沖最高頻率為500kHZ，計數時間為2ms則，當輸入電壓為最大值時，計數值為12332108.192500 10sms這樣就造成比較大的誤差計數脈沖最高頻率為500kHZ，要達到12位A/D轉換器的分辨率l查詢方式數據采集系統(tǒng)與微機接口 靠CPU查詢AD轉換是否結束 AD轉換結束向CPU發(fā)出中斷請求 AD轉換結果直接存入內存l中斷方式lDMAl開關量輸入回路3.3 開關量輸入輸出回路原理 電平接點直接接入并行口 外部接點要采取抗干

13、擾措施，如光耦的隔離不帶電位的接點QF位置、跳閘等）、邏輯電平鍵盤、信號）。l開關量輸出回路 電平接點并行口直接輸出 外部接點要采取抗干擾措施，如光耦隔離、防止誤輸出l數字濾波器3.4微機保護算法 計算精度 響應時間 運算量l繼電器算法內容評價指標3.4.1離散系統(tǒng)及其分析方法輸入輸出都是離散時間信號時間上不連續(xù)的一組序列）( ) ( )y nT x n該系統(tǒng)具有線性、時不變、穩(wěn)定、因果等性質。常用離散時間信號=10)n( 1n 0n （1單位脈沖序列 ，定義為：)n( 12 30-1-21n)n(（3-3）=10()nKnK0n （3-4）12 K0-1-21n()nK常用離散時間信號（2單

14、位階躍序列U(n) 01n234U(n)56U(n)10(35)=0n0n（3正弦序列x(n) )nsin()n(x01234567891011 12a1a2a3a4a5a6a7a8a9a10a11a12n)nsin( 2N注意離散系統(tǒng)分析方法分析線性離散系統(tǒng)常常用Z變換，它可以使差分方程變?yōu)楹唵蔚拇鷶捣匠獭?位移性質(38) z (xZ)Mn(xZM（1） Z變換(36)式中z為自變量，是一個復變量。nnz )n(x)n(xZ)z(X序列x(n) ，其Z變換定義為：(37)n(xbZ)n(xaZ)n(bx)n(axZ21211線性性質（2Z變換的基本性質差分數字濾波器的特性（1差分方程傳遞函

15、數H(z)01k12k( )+( -1)+( -2)+( -( )(1)( -)=)a x nay nb y nb yx na x ny nknbk兩邊取Z變換-1-2-k012-1-2-12kkk()(1) ( )( )aa za za zb zb zb zY zX z整理后有01212-1-2-1-21( )( )( )kkkkaa za zLa zbzb zbY ZH zXzZ(39)通過對傳遞函數的分析，就可以得出差分濾波器的特性。（2差分數字濾波器的頻率特性為幅頻特性為相頻特性。SSSS()()( ) |()( )()j Tj Tj TjBj Tz eY eH ZH eAeX e)(

16、)(A STjeZ)e(HSTj就得到數字濾波器的頻率特性為獲取有關頻率響應的信息，令其中2 mfM為諧波次數，f為基波頻率。STNTTS為采樣周期，N為基波每周期T采樣點數。（310）欲濾除欲濾除m m次諧波，只需要令次諧波，只需要令()(2)0AAmf（3差分數字濾波器分析方法 Z變換 求傳遞函數HZ） 求幅頻特性 分析濾波效果傳遞函數 KZ1)z(X)z(Y)z(H)Kn(x)n(x)n(y差分方程為)Z1)(z (x) z (YK進行Z變換STjeZ令 有 ()22( )|2sin(sincos)2sin22221 coss1inSj TSSz eK TjSSSSjSSK TH ZK

17、TK TK TK TjTejTeKK( )2sin()2sin()SKmAKmfTN那么 要濾除m次諧波，則令 ( )0A則濾除m次諧波的條件 K mPNP1，2 如N=12，K=6或12，差分數字濾波器的幅頻特性如下012345678f/f1(m)K=6K=12)e(HSTj（3差分數字濾波器舉例能濾除直流分量；當K=6時，能濾除偶數次諧波；當K=12時，能濾除各次諧波，包括基波；濾波器的延時為KTS。特點3.4.2正弦量幅值和相位的基本算法（1兩點乘積算法主要計算U、I的有效值和相角及阻抗Z。0( )2 sin()2 sini nInI0( )2 sin()i tIt11( )2 sini

18、 nI211()2 sin()2 cos2i nII如2121,()24Nnnnn那么222122( )()Iinin即n2與n1采樣相差90度即2212( )()2ininI112( )()i ntgi n（1兩點乘積算法電流相量形式21()( )2i nji nI同理，電壓21()( )2u nju nU2212( )()2ununU122( )()u ntgu n則阻抗Z2121()( )()( )u nju nUZRjXIi nji n21()UZI1算法本身無誤差，且與采樣頻率無關；2有延時；3運算工作量較大。特點：（2導數算法0( )2 sin()i tIt0( )2 sin()i

19、 tIt11( )2 sini nI11( )2 cosi nI導數的求取那么22211 ( )2( )inIin111S1( )( ( )(1)i ni ni nT111S1( )( ( )(2)2i ni ni nT1111S()(1)(1)(2)1()22i ni ni ni nT1算法本身有誤差，且與采樣頻率有關；2延時2TS或3TS；3運算工作量較大。特點：111( )( )i ntgi n導數導數或（3半波絕對值積分算法/2/20|2 sin()2 22 sin|t TTtSdtItdtIIt2 2SI梯形法求取積分S那么1算法本身有誤差，且與采樣頻率有關；2延時10ms；3運算量

20、?。?只能求有效值特點：積分NN(-1)011222S|()222iiiiiiST（4富氏算法周期信號為x(t)，其中的n次諧波用富氏級數表示為：則有效值222nnrni2XXXnnrni1()2XXjX計算Xnr與Xni的方法可以采用全波或半波富氏算法，可以計算任意次諧波，算法本身具有濾波作用。nrni( )sincosnx tXn tXn tnrnnninn= 2cos= 2sinXXXX其中相位為ninnrtanXX相量形式l基波全波富氏算法連續(xù)域1r02( )sinTXx ttdtT1i02( )cosTXx ttdtT離散域11r(n-k)022sin()NkXxnkNN11i(n-

21、k)022cos()NkXxnkNN1S(n)S(n-1)S(n-N)S2(sinsin(1)sin()rXT xn TxnTxnNTT矩形法求積分1S(n)S(n-1)S(n-N)S2(coscos(1)cos()iXT xn TxnTxnNTTl基波半波富氏算法連續(xù)域/21r04( )sinTXx ttdtT/21i04( )cosTXx ttdtT離散域1r(n-k)/2012sin()4kNXxnkNN1i(n-k)/2012cos()4kNXxnkNN1S(n)S(n-1)S(n-N)S4(sinsin(1)sin()2rNXT xn TxnTxnTT矩形法求積分1S(n)S(n-1

22、)S(n-N)S4(coscos(1)cos()2iNXT xn TxnTxnTT富氏算法的特點l從濾波效果來看，全波富立葉算法能完全濾除各次諧波分量和穩(wěn)定的直流分量；l半波富立葉算法不能濾去直流分量和偶次諧波。l全波富氏算法延時20ms；l半波富氏算法延時10ms；l在衰減的非周期分量的影響下，計算誤差較大（5微分方程算法計算阻抗( )( )diu tRi tLdt111222( )( )( )()()()u nRi nLi nu nRi nLi n求取微分的方法與導數法相同那么1算法本身有誤差，且與采樣頻率有關；2延時?。?運算量較大；4只能求阻抗特點：圖中，電壓為21122112() (

23、 )( ) ()() ( )( ) ()u n i nu n i nRi n i ni n i n解方程組就可以求出R與X12212112( ) ()() ( )() ( )( ) ()u n i nu n i nLi n i ni n i n1、用各種算法計算式a電壓基波有效值并分析誤差。2、用各種算法計算式b電流基波有效值并分析誤差。3、用各種算法計算基波阻抗并分析誤差。( )2 100sin(100)2 10sin(500)46( )2 10sin(100)20.5sin(500)46u ttti ttt(a)(b)3.4.3繼電器算法（1移相算法主要包括移相、比相、增量元件、濾序器算法

24、等取用不同時刻的采樣值可直接移相，移相的角度為 2KNl直接移相如N12，用u(n-2) 替代u(n)，就相當于將電壓移相60。2KNl富氏移相11r1i1()(cossin )2jX eXjXj富氏算法可以寫成相量形式，X要移相 ，只需在該相量乘以ej 。 1r1i1r1i1cossinsincos )2jXXj XXX e（即（2相位比較器比較兩個相量相位關系(cossin)GiGGriGGeGjGjG剩下的問題就是只需要知道G與H的實部與虛部，可以采用前述二點乘積法或富氏算法求取。(cossin)HiHHriHHeHjHjH繼電保護常用的比較方式如下90arg90GH0arg180GHG

25、Hcos(-)0即GHGHsin(-)0即GH化簡后有rrii0GHGH irri0GHGH 余弦型正弦型（3增量元件算法起動元件、突變量方向與阻抗元件 (n)= (n)- (n-N)iii采樣頻率固定，即 (n)= (n)- (n-N) (n-N)- (n-2N)iiiii與一周期前數據相減SNTT當系統(tǒng)無故障時，i0；系統(tǒng)有故障時， i0，為故障分量。如系統(tǒng)頻率變化，即SNTT當系統(tǒng)無故障時， i0 ，引起誤差為防止系統(tǒng)頻率變化的影響，算法改為兩次差值受系統(tǒng)頻率影響相同，再相減就消除了故障時刻（4序分量濾過器算法正、負、零序分量1a222b0c31311113UUUUUUl基于離散值的濾序

26、器，如每周采樣N點120je其中1abc2abc0abc23 ( )( )( -)( -)3323( )( ) ( -)( -)333( )( )( )( )NNu nu nu nu nNNu nu nu nu nu nu nu nu n240120（4序分量濾過器算法正、負、零序分量l基于相量值的濾序器1arbrcrbiciaibicibrcr2arbrcrbiciaibicibrcr0arbrcraibici1131133()()()()2222221131133()()()()2222223()()UUUUUUj UUUjUUUUUUUUj UUUjUUUUUUj UUUaaraibbr

27、biccrciUUjUUUjUUUjU利用二點乘積法或富氏算法得到又213221322jj 那么l主程序3.5 微機保護的軟件構成l中斷服務程序內容3.5.1主程序l模擬量采集與濾波l開關量的采集l裝置硬件自檢lTA、TV斷線檢驗l起動判斷3.5.2中斷服務程序l正常運行程序 檢查開關位置狀態(tài)異常時發(fā)信號三相無流跳閘位置QF未投運有電流跳閘位置QF異常 交流電壓斷線延時報警并閉鎖相應會誤動保護| 24QFUaUbUcV對稱斷線|且線路有流或合位|,|,|8QFUaUbUcV不對稱斷線min|且線路有流或合位l正常運行程序 交流電流斷線延時10S報警并閉鎖相應會誤動保護無流合閘位置TA異常 電壓

28、、電流回路零點漂移自動調整裝置將自動跟蹤零點隨溫度及環(huán)境的漂移，并自動調整采樣值。3.5.2中斷服務程序l故障處理程序各種保護的故障處理程序有所不同） 縱聯保護 距離保護 零序保護 電壓電流保護 重合閘等l硬件抗干擾3.6提高微機保護可靠性的措施l軟件抗干擾抗干擾措施l硬件與軟件的自恢復 微機保護的工作環(huán)境具有高電壓、大電流等強電裝置。 電磁輻射、雷電沖擊、高頻噪聲和諧波等電磁干擾將使保護的工作可靠性降低，出現誤判、誤動等故障狀況，甚至致使系統(tǒng)“死機”電磁兼容(Electromagnetic CompatibilityEMC)l硬件抗干擾措施 模擬量部分的輸入通過變換器隔離。 開關量的輸入輸出通過光電耦合器進行隔離（2電源的抗干擾（1隔離和屏蔽 微機保護整機故障有1/31/2來自于電源 寬工作電壓范圍AC85265V且有隔離作用的開關電源，提高系統(tǒng)抗電網電壓波動能力。 電源輸入隔離變壓器初級和次級