第二章 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理微機(jī)繼電保護(hù)基本歷程

1、第二章微機(jī)繼電保護(hù)基本歷程一、微機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)2.1 微機(jī)保護(hù)基本結(jié)構(gòu)微機(jī)保護(hù)的基本結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)處理單元、模擬量輸入系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)、人機(jī)對(duì)話(huà)和外部通信系統(tǒng)四個(gè)部分,圖2-1是微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)方框圖。 電力系統(tǒng)模擬量輸入系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)人機(jī)接口與外部通信系統(tǒng)運(yùn)行人員數(shù)據(jù)處理單元電力系統(tǒng)通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理單元 一般由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及控制電路等部分組成，并通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線連成一個(gè)系統(tǒng)。繼電保護(hù)程序在數(shù)字核心部件內(nèi)運(yùn)行，指揮各種外圍接口部件運(yùn)轉(zhuǎn)、完成數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)保護(hù)原理。CPU是數(shù)字核心部件以及整個(gè)微機(jī)保護(hù)的指揮中樞，計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)行

2、依賴(lài)于CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)。存儲(chǔ)器用來(lái)保存程序和數(shù)據(jù)，它的存儲(chǔ)容量和訪問(wèn)時(shí)間也會(huì)影響整個(gè)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的性能。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器除了為延時(shí)動(dòng)作的保護(hù)提供精確計(jì)時(shí)外，還可以用來(lái)提供定時(shí)采樣觸發(fā)信號(hào)、形成中斷控制等作用。數(shù)字核心部件的控制電路包括地址譯碼器、地址鎖存器、數(shù)據(jù)緩沖器、中斷控制器等等，它的作用是保證微機(jī)數(shù)字電路協(xié)調(diào)工作。模擬量輸入系統(tǒng) 微機(jī)保護(hù)裝置模擬量輸入接口部件的作用是將電力傳感器輸入的模擬電量正確地變換成離散化的數(shù)字量，提供給數(shù)字核心部件進(jìn)行處理。交流模擬量輸入接口部件內(nèi)部按信號(hào)傳遞順序?yàn)椋弘妷狠斎胱儞Q器和電流輸入變換器及其電壓形成回路 、前置模擬低通濾波器 、采樣保持器 、多路轉(zhuǎn)換器、模數(shù)變

3、換器。前置模擬低通濾波器是一種簡(jiǎn)單的低通濾波器，其作用是為了在對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的過(guò)程中滿(mǎn)足采樣定理的要求。采樣保持器完成對(duì)輸入模擬信號(hào)的采樣。多路轉(zhuǎn)換器是一種多信號(hào)輸入、單信號(hào)輸出的電子切換開(kāi)關(guān)，可通過(guò)編碼控制將多通道輸入信號(hào)依次與其輸出端連通，而其輸出端與模數(shù)變換器的輸入端相連。模數(shù)變換器實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的變換。開(kāi)關(guān)量輸入輸出系統(tǒng) 開(kāi)關(guān)量是指反映“是”或“非”兩種狀態(tài)的邏輯變量，如斷路器的“合閘”或“分閘”狀態(tài)、控制信號(hào)的“有”或“無(wú)”狀態(tài)等。開(kāi)關(guān)量輸入接口部件的作用是為正確地反映開(kāi)關(guān)量提供輸入通道，并在微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)外部之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減少外部干擾。

4、開(kāi)關(guān)量輸出接口部件的作用是為正確地發(fā)出開(kāi)關(guān)量操作命令提供輸出通道，并在微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)外部之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減少外部干擾。人機(jī)對(duì)話(huà)和外部通信系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)人機(jī)對(duì)話(huà)接口部件通常包括以下幾個(gè)部分：簡(jiǎn)易鍵盤(pán)、小型顯示屏、指示燈、打印機(jī)接口、調(diào)試通信接口。外部通信接口可分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)通信接口為實(shí)現(xiàn)特殊保護(hù)功能的專(zhuān)用通信接口，輸電線路縱聯(lián)保護(hù)；另一類(lèi)通信接口為通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口，可與電站計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)以及電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)更高一級(jí)的管理、控制功能，如數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)方操作及遠(yuǎn)方維護(hù)等。人機(jī)對(duì)話(huà)接口部件的作用是建立起微機(jī)保護(hù)裝置與使用者之間的信息聯(lián)系，以便對(duì)裝置進(jìn)行

5、人工操作、調(diào)試和得到反饋信息。外部通信接口部件的作用是提供與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程通信網(wǎng)的信息通道。2.2微機(jī)保護(hù)工作原理簡(jiǎn)介常規(guī)微機(jī)保護(hù)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能主要有三個(gè)步驟：模擬量輸入系統(tǒng)將從電力系統(tǒng)獲得的模擬電量信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，開(kāi)關(guān)量輸入系統(tǒng)將開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)也轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量；數(shù)據(jù)處理單元對(duì)已轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量電量信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，從而獲得微機(jī)保護(hù)算法所需要的數(shù)字信號(hào)序列；數(shù)據(jù)處理單元對(duì)已濾波的數(shù)字信號(hào)序列采用合適的算法并結(jié)合開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)綜合判斷，然后根據(jù)判斷結(jié)果控制開(kāi)關(guān)量輸出系統(tǒng)和人機(jī)對(duì)話(huà)和外部通信系統(tǒng)的輸出，實(shí)現(xiàn)閘、信號(hào)告警、數(shù)據(jù)記錄等功能。輸入信號(hào)預(yù)處理 由電力系統(tǒng)輸入到繼電保護(hù)裝置的

6、模擬信號(hào)分類(lèi)：來(lái)自TV(或TA)的交流電壓(或電流)信號(hào)；來(lái)自分壓器(或分流器)的直流電壓(或電流)信號(hào)； 自斷路器、隔離刀閘等設(shè)備輔助接點(diǎn)以及其它繼電器接點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，或者來(lái)自別的微機(jī)保護(hù)或數(shù)字設(shè)備的數(shù)字量信號(hào)。輸入信號(hào)預(yù)處理過(guò)程的具體步驟為：1. 將電力系統(tǒng)輸入到繼電保護(hù)裝置的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換到與微型計(jì)算機(jī)相匹配的電平；2. 由前置模擬低通濾波削去其中的高頻成分；3. 由采樣環(huán)節(jié)將連續(xù)信號(hào)離散化；4. 由AD轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量。具體步驟如圖2-2所示。圖22 輸入信號(hào)預(yù)處理流程框圖 信號(hào)預(yù)處理中，還包括隔離和抑制隨有用信號(hào)竄入的干擾，這對(duì)于提高保護(hù)裝置的可靠性非常重要。數(shù)字濾波數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)

7、： 濾波精度高。加長(zhǎng)字長(zhǎng)可以很容易提高精度。 可靠性高。模擬元器件很容易受環(huán)境和溫度的影響，而數(shù)字系統(tǒng)受這種影響要小得多。 靈活性高。數(shù)字濾波器改變性能只要改變算法或者某些系數(shù)，而模擬濾波器卻十分麻煩。 便于時(shí)分復(fù)用。一套硬件系統(tǒng)可以完成各個(gè)通道的濾波任務(wù)，模擬濾波器則必須每個(gè)通道裝一個(gè)濾波器。 數(shù)字濾波器的分類(lèi)：1 按算法實(shí)現(xiàn)方式不同可分為專(zhuān)用硬件組成的數(shù)字濾波器和軟件組成的數(shù)字濾波器；2 按運(yùn)算結(jié)構(gòu)不同可分為遞歸型和非遞歸型數(shù)字濾波器；3 按單位脈沖響應(yīng)不同可分為無(wú)限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器和有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器4 按照不同的濾波理論又可分為常規(guī)濾波器和最佳濾波器。5 按頻率特性分為低通、

8、帶通、高通和帶阻四類(lèi)基本濾波器，其中前兩類(lèi)濾波器在微機(jī)保護(hù)中用得較多。算法基于電壓、電流為純正弦變化的算法有半周內(nèi)找最大值、半周內(nèi)采樣值累積、Mann-Morrjson的導(dǎo)數(shù)算法、Prodar-70的二階導(dǎo)數(shù)算法，采樣值積的算法和解方程組的算法等。 假設(shè)電壓、電流量由非周期分量、基頻和倍頻分量組成的算法除解方程組外，最常見(jiàn)的是傅氏算法和沃爾希函數(shù)算法 在超高壓電力系統(tǒng)中，為克服隨機(jī)噪音的影響，還提出了一些減少誤差的算法。例如對(duì)計(jì)算結(jié)果采取平滑措施，采用最小二乘曲線擬合算法等。 2.3 微機(jī)保護(hù)數(shù)字信號(hào)處理與典型算法一、采樣定理 無(wú)論原始輸入信號(hào)的頻率成分多復(fù)雜，保證采樣后不丟失其中信息的充分必

9、要條件是，采樣率應(yīng)大于輸入信號(hào)的最高頻率的兩倍，即這就是著名的采樣定理。為采樣頻率（簡(jiǎn)稱(chēng)采樣率），它是采樣周期 的倒數(shù)即采樣頻率反映了采樣速度。 在電力系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，習(xí)慣用采樣頻率相對(duì)于基波頻率的倍數(shù)（記為N）來(lái)表示采樣速度，稱(chēng)為每基頻周期采樣點(diǎn)數(shù)，或簡(jiǎn)稱(chēng)為N點(diǎn)采樣。實(shí)際應(yīng)用中，確定采樣率還需考慮的問(wèn)題： 故障信號(hào)中可能包含高頻成分，但多數(shù)保護(hù)原理只需使用基波和低次諧波成分，可通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)先進(jìn)行模擬低通濾波，降低其最高頻率，從而可選取較低的采樣頻率。 實(shí)用采樣頻率通常按保護(hù)原理所用信號(hào)頻率的410倍來(lái)選擇，以保證計(jì)算精度，同時(shí)也考慮了數(shù)字濾波的性能要求。 簡(jiǎn)單的前置模擬低通濾波器難于達(dá)到

10、很低的截止頻率，限制了采樣頻率不能太低。二、數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器的基本概念數(shù)字濾波器是一種特殊的算法，其特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)采樣序列的數(shù)字運(yùn)算得到一個(gè)新的序列，在新的序列中已濾除了不需要的頻率成分，只保留了需要的頻率成分。數(shù)字濾波器的運(yùn)算過(guò)程用常系數(shù)線性差分方程來(lái)表述為 式中， 和 分別為濾波器的輸入值序列和輸出值序列， 和 為濾波器系數(shù)。a) 系數(shù) 全部為0時(shí)，稱(chēng)之為非遞歸型濾波器，此時(shí)，當(dāng)前的輸出只是過(guò)去和當(dāng)前的輸入值函數(shù) ，而與過(guò)去的輸出值 無(wú)關(guān)。b) 系數(shù) 不全為0，即過(guò)去的輸出對(duì)現(xiàn)在的輸出有直接影響，稱(chēng)之為遞歸型濾波器。 就數(shù)字濾波器的運(yùn)算結(jié)構(gòu)而言，主要包括遞歸型和 非遞歸型兩種基本形式。數(shù)

11、字濾波器的濾波特性通常用頻率響應(yīng)特性來(lái)表征，包括幅頻特性和相頻特性。1 幅頻特性反映不同頻率的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后，其幅值的變化情況；2 相頻特性則反映輸入和輸出信號(hào)之間相位移的變化情況。 由于大多數(shù)的保護(hù)原理只用到基頻或某次諧波，因此，最關(guān)心的是濾波器的幅頻特性，對(duì)濾波器的相頻特性一般不作特殊要求。非遞歸型濾波器 非遞歸型數(shù)字濾波器的差分方程為 這意味著當(dāng)前濾波輸出與當(dāng)前及前K個(gè)輸入數(shù)據(jù)有關(guān)。更確切地說(shuō)，需等待K+1個(gè)輸入數(shù)據(jù)之后濾波器才可能得到第一個(gè)濾波輸出數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)，濾波輸出序列相對(duì)于采樣輸入序列出現(xiàn)了時(shí)間上的延遲，K越大則時(shí)延越長(zhǎng)。定義非遞歸型數(shù)字濾波器的響應(yīng)時(shí)延為。 由于為常數(shù)

12、，因而在實(shí)用中廣泛采用數(shù)字濾波器產(chǎn)生一個(gè)輸出數(shù)據(jù)所需要等待的輸入數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)來(lái)表示時(shí)延，這稱(chēng)為數(shù)據(jù)窗，記為（為整數(shù)）。顯然有 時(shí)延和數(shù)據(jù)窗反映了數(shù)字濾波器對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度，是一個(gè)很重要的技術(shù)指標(biāo)。 （1）差分(相減)濾波器 它是一種最簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波器，濾波方程為： 式中, 為事先確定的常數(shù)，稱(chēng)為差分步長(zhǎng)，可根據(jù)不同的濾波要求進(jìn)行選擇。差分濾波器的數(shù)據(jù)窗，時(shí)延。差分濾波器可以完全濾除輸入信號(hào)中的恒定直流分量，即使對(duì)于衰減的直流分量也有良好的抑制作用，但對(duì)故障信號(hào)中的某些高頻分量有放大作用。差分濾波器可用來(lái)消除某些諧波的影響，抑制故障信號(hào)中的衰減直流分量，實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)(啟動(dòng))元件、選相元件以及

13、其它利用故障分量原理構(gòu)成的保護(hù)。（2）積分濾波器 這也是一種常用的數(shù)字濾波器，其濾波方程為： 式中，為事先確定的常數(shù)，稱(chēng)為積分區(qū)間，可根據(jù)不同的濾波要求進(jìn)行選擇。積分濾波器的數(shù)據(jù)窗，時(shí)延。 積分濾波器不能濾除輸入信號(hào)中的直流分量和低頻分量，但其對(duì)高頻分量有一定的抑制作用，并且頻率越高抑制作用越強(qiáng)。 非遞歸型數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)：采用有限個(gè)輸入信號(hào)的采樣值進(jìn)行濾波計(jì)算，不存在濾波器的不穩(wěn)定問(wèn)題。不存在因計(jì)算過(guò)程中舍入誤差的累積造成濾波特性惡化。濾波器的數(shù)據(jù)窗明確，便于確定它的濾波速度，易于在濾波特性與濾波速度之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。主要問(wèn)題： 要獲得較理想的濾波特性，通常要求濾波算法的數(shù)據(jù)窗較長(zhǎng)，因此，在某些

14、對(duì)濾波速度要求較高的場(chǎng)合，可考慮采用遞歸型濾波器。3. 遞歸型數(shù)字濾波器的概念 濾波系數(shù)bi不全為0時(shí)，濾波器的輸出不僅與當(dāng)前的輸入值和過(guò)去的輸入值有關(guān)，還取決于過(guò)去的輸出值，這種反饋和記憶特性是遞歸型濾波器的基本特征。以一個(gè)采用零、極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)的遞歸型數(shù)字濾波器為例說(shuō)明遞歸型濾波器的主要特點(diǎn)。 采樣頻率1000Hz為(每周波20點(diǎn)采樣)，其濾波方程為 這是個(gè)帶通濾波器，它的幅頻特性的特點(diǎn)是在基頻處有非常尖銳的響應(yīng)，而對(duì)其它頻率的信號(hào)則表現(xiàn)出很強(qiáng)的衰減，因而被稱(chēng)為狹窄帶通濾波器。優(yōu)點(diǎn)：采用遞歸型數(shù)字濾波器可以獲得相當(dāng)理想的濾波特性，并且計(jì)算簡(jiǎn)單，便于實(shí)時(shí)應(yīng)用。遞歸型濾波器從某種意義上來(lái)說(shuō)相當(dāng)

15、于一個(gè)數(shù)據(jù)窗為無(wú)窮大的非遞歸型濾波器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算量小的遞歸型濾波器也能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)理想的濾波特性。主要問(wèn)題：由于采用遞推計(jì)算，而計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)有限，計(jì)算過(guò)程的舍入誤差可能會(huì)不斷累積造成濾波器性能惡化。沒(méi)有明確的數(shù)據(jù)窗。它的頻率響應(yīng)特性，如幅頻特性，實(shí)際上是指穩(wěn)態(tài)特性。隨著遞推計(jì)算過(guò)程的延續(xù)，濾波特性將逐步逼近其穩(wěn)態(tài)特性。三、基本算法基本算法主要是計(jì)算出正弦量表達(dá)式中的量值。這類(lèi)算法是假設(shè)提供給算法的電流、電壓數(shù)據(jù)為純正弦函數(shù)序列。以電壓信號(hào)為例，設(shè)輸入序列為式中, 為角頻率；、為電壓的幅值、相位。1.半周積分算法半周積分法用來(lái)計(jì)算正弦量的幅值。以電壓為例，假設(shè)輸入信號(hào)為純正弦周期信號(hào)。對(duì)上式離散

16、化可得到正弦量幅值的算法，當(dāng)采用矩形近似積分法時(shí)，有按復(fù)相量表示法，即 ，顯然有實(shí)部 ，虛部。則可表示為：根據(jù)正弦函數(shù)的變化特點(diǎn)，對(duì)上式兩邊在區(qū)間 上進(jìn)行積分可得電壓實(shí)部的表達(dá)式為：同理，若將積分區(qū)間選擇為，可得到電壓虛部的表達(dá)式：或利用采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行上述計(jì)算時(shí)，可用分塊矩形面積求和的方法近似代替積分，并考慮每周期 N點(diǎn)采樣，可將電壓實(shí)部和虛部的計(jì)算式近似為特點(diǎn)：半周積分算法的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度為，計(jì)算速度較慢，由于它采用積分計(jì)算，算法本身具有一定的抑制高頻分量的能力。算法不能完全消除高頻分量的影響，也不能濾除非周期分量，因此，采用半周積分算法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)，仍需與數(shù)字濾波器配合使用。在濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，可

17、適當(dāng)降低對(duì)高頻濾波能力方面的要求。除上述算法外，正弦函數(shù)模型算法還包括最大值算法、半周絕對(duì)值積分算法、一階導(dǎo)數(shù)算法和二階導(dǎo)數(shù)算法等。2.富氏算法假設(shè)輸入信號(hào)中除基頻分量外，還包含直流分量和各種整次諧波分量。此時(shí)，輸入信號(hào)可表示為式中，為直流分量；為基頻角頻率；、為第k次諧波分量的幅值和相位。經(jīng)推導(dǎo)可得出實(shí)、虛部計(jì)算式為： 式中， k為整數(shù)，表示諧波次數(shù)。當(dāng)k取不同的數(shù)值，可求出不同次諧波分量的實(shí)部和虛部。例如，取k=1，則基頻分量的實(shí)部和虛部為：進(jìn)一步可計(jì)算出基頻分量的幅值和相位： 由此可準(zhǔn)確地求出信號(hào)中的基頻分量，其計(jì)算精度不受恒定直流分量和整次諧波分量的影響。 富氏算法的數(shù)據(jù)窗為一個(gè)基頻周

18、期，故也稱(chēng)之為全周富氏算法。 根據(jù)三角函數(shù)系的正交性，當(dāng)輸入信號(hào)為周期性信號(hào)時(shí)，采用富氏算法可準(zhǔn)確地求出信號(hào)中的某次諧波分量，并保證使其它整次諧波分量及恒定直流分量衰減到零。富氏算法特點(diǎn)： 不能完全濾除非整次諧波分量，但有一定的抑制作用，尤其對(duì)高頻分量的濾波能力相當(dāng)強(qiáng)； 對(duì)于低頻分量(主要由衰減的非周期分量產(chǎn)生)的濾波效果相對(duì)較差。仿真計(jì)算表明，在最嚴(yán)重情況下，由衰減非周期分量引起的計(jì)算誤差可能超過(guò)10%。 實(shí)際故障情況下，采用富氏算法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定誤差。為減小誤差，一個(gè)簡(jiǎn)單可行的方法是對(duì)輸入信號(hào)的原始采樣數(shù)據(jù)先進(jìn)行一次差分濾波，以削弱衰減的非周期分量的影響，然后再進(jìn)行富氏計(jì)算。3.計(jì)算輸電線路阻抗的微分方程算法 采用微分方程算法進(jìn)行阻抗計(jì)算時(shí)，最簡(jiǎn)單最常用的模型是忽略分布電容的影響，假設(shè)輸電線路僅由電阻和電抗串聯(lián)組成，即采用RL串聯(lián)數(shù)學(xué)模型。 在此情況下，當(dāng)線路上發(fā)生短路故障時(shí)，測(cè)量端的電壓和電流滿(mǎn)足以下微分方程：式中，、分別為故障點(diǎn)至測(cè)量端之間線路的正序電阻和電感。u，i和 都是可以通過(guò)測(cè)量和計(jì)算得到的，而且對(duì)于輸電線路， 和 之比為常數(shù)，實(shí)際需求解的參數(shù)可減少到只有一個(gè)。 令，可解出電感進(jìn)而解得電阻為：對(duì)于采樣點(diǎn)n處電流i(n)的導(dǎo)數(shù)應(yīng)為電流曲線在該點(diǎn)的斜率。當(dāng)采用離散采樣值進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可