第三章 微機(jī)保護(hù)軟件原理

1、第三第三章章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置微機(jī)繼電保護(hù)裝置軟件原理軟件原理微機(jī)繼電保護(hù)軟件是微機(jī)保護(hù)裝置的主要組成部分。微機(jī)繼電保護(hù)軟件是微機(jī)保護(hù)裝置的主要組成部分。它涉及到繼電保護(hù)原理、算法、數(shù)字濾波以及計(jì)算機(jī)程序結(jié)它涉及到繼電保護(hù)原理、算法、數(shù)字濾波以及計(jì)算機(jī)程序結(jié)構(gòu)。構(gòu)。31 概述一、微機(jī)繼電保護(hù)裝置軟件系統(tǒng)的功能微機(jī)保護(hù)裝置軟微機(jī)保護(hù)裝置軟件系統(tǒng)的功能件系統(tǒng)的功能繼電保護(hù)功能繼電保護(hù)功能保護(hù)動(dòng)作跳閘保護(hù)動(dòng)作跳閘運(yùn)行異常告警運(yùn)行異常告警閉鎖閉鎖不閉鎖不閉鎖其他功能其他功能測(cè)量測(cè)量控制控制狀態(tài)監(jiān)測(cè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能模塊功能模塊事件記錄事件記錄故障錄播故障錄播通信通信二、微機(jī)保護(hù)程序結(jié)構(gòu)主程序：主程序：對(duì)硬件

2、初始化，自檢(定值自檢、程序自檢、開出檢查、開入量監(jiān)視等)。采樣中斷程序：采樣中斷程序：采樣，起動(dòng)元件判別等。故障處理程序：故障處理程序：實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能、各種邏輯功能。三、系統(tǒng)管理程序 通信管理程序 自檢、互檢程序 提高微機(jī)保護(hù)裝置可靠性的編程技術(shù)包括保護(hù)模件與包括保護(hù)模件與MMI模件的通信程序、模件的通信程序、MMI與監(jiān)控系統(tǒng)的通信程序以及保護(hù)裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的通信程序以及保護(hù)裝置與與PC的通信程序。的通信程序。信息種類測(cè)量及狀態(tài)信息測(cè)量及狀態(tài)信息操作信息操作信息參數(shù)信息參數(shù)信息文件傳輸文件傳輸同步時(shí)鐘同步時(shí)鐘變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中傳送的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中傳送的信息信息按照響應(yīng)速度要求實(shí)時(shí)響應(yīng)較高的

3、信要求實(shí)時(shí)響應(yīng)較高的信息息不要求時(shí)間響應(yīng)的信息不要求時(shí)間響應(yīng)的信息多多CPU方案的裝置結(jié)構(gòu)中，完善的自檢、方案的裝置結(jié)構(gòu)中，完善的自檢、互檢對(duì)提高裝置的抗干擾及可靠性意義很互檢對(duì)提高裝置的抗干擾及可靠性意義很大。自檢系統(tǒng)借用通信通道，可以檢測(cè)到大。自檢系統(tǒng)借用通信通道，可以檢測(cè)到各個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作情況。各個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作情況。 提高微機(jī)保護(hù)裝置可靠性的編程技術(shù)編程技術(shù)編程技術(shù)輸入數(shù)據(jù)確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)確認(rèn)數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)器的保護(hù)保護(hù)未使用程序存儲(chǔ)未使用程序存儲(chǔ)器器端口重新初始化端口重新初始化主動(dòng)初始化主動(dòng)初始化重復(fù)執(zhí)行重復(fù)執(zhí)行I/0I/0設(shè)備管理設(shè)備管理WATCHDOGWATCHDOG通

4、常采用以下編程技通常采用以下編程技術(shù)來(lái)提高微機(jī)保護(hù)裝術(shù)來(lái)提高微機(jī)保護(hù)裝置的置的可靠性可靠性：四、人機(jī)交互管理程序 現(xiàn)代微機(jī)繼電保護(hù)裝置均可由MMI插件的人機(jī)交互程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)對(duì)話，并通過(guò)裝置的串行口由PC上的管理程序以及后臺(tái)分析軟件對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)試。 人機(jī)交互程序主要是處理鍵盤及顯示，通過(guò)菜單實(shí)施。四、人機(jī)交互管理程序交互信息菜單交互信息菜單數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)信息系統(tǒng)信息定值操作定值操作保護(hù)配置保護(hù)配置故障分析故障分析SOESOE信息信息 微機(jī)保護(hù)把經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)量化的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ǎ?jì)算出交流信號(hào)的有效值、相位以及多個(gè)信號(hào)的組合量如：阻抗、相位等。 常規(guī)保護(hù)把被測(cè)信號(hào)

5、常規(guī)保護(hù)把被測(cè)信號(hào)引入保護(hù)繼電器，繼電器引入保護(hù)繼電器，繼電器按照電磁、感應(yīng)、比幅、按照電磁、感應(yīng)、比幅、比相等原理作出動(dòng)作與否比相等原理作出動(dòng)作與否的判斷。的判斷。I 五、微機(jī)保護(hù)的算法32 微機(jī)繼電保護(hù)的算法一、算法定義一、算法定義微機(jī)保護(hù)裝置根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供的輸入電氣量的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算和判斷，以實(shí)現(xiàn)各種繼電保護(hù)功能的方法稱為算法。二、算法的分類二、算法的分類1、根據(jù)輸入電氣量的若干采樣值計(jì)算電氣量的相量；2、根據(jù)動(dòng)作方程來(lái)判斷故障是否在動(dòng)作區(qū)內(nèi)。三、性能指標(biāo)三、性能指標(biāo)1、精度2、速度。（1）算法所要求的采樣點(diǎn)數(shù)（數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度） （2）算法的運(yùn)算工作量一個(gè)算法采用故障后的多一個(gè)算

6、法采用故障后的多少采樣點(diǎn)才能計(jì)算出正確少采樣點(diǎn)才能計(jì)算出正確的結(jié)果的結(jié)果用離散的采樣點(diǎn)計(jì)算出的用離散的采樣點(diǎn)計(jì)算出的結(jié)果與信號(hào)實(shí)際值的逼近結(jié)果與信號(hào)實(shí)際值的逼近程度程度32 微機(jī)繼電保護(hù)的算法四四、算法分類、算法分類微機(jī)繼電保護(hù)的微機(jī)繼電保護(hù)的算法算法正弦函數(shù)的算法正弦函數(shù)的算法突變量電流算法突變量電流算法周期函數(shù)的傅氏算周期函數(shù)的傅氏算法法輸電線路輸電線路R-LR-L模型算模型算法法選相算法選相算法序分量算法序分量算法故障方向的相位比故障方向的相位比較算法較算法3-2 假定輸入為正弦量的算法一、兩點(diǎn)乘積算法一、兩點(diǎn)乘積算法假定原始數(shù)據(jù)為純正弦量的理想采樣值： IssnTsinInTi02 通

7、過(guò)任意兩個(gè)電氣角度相隔90的瞬時(shí)值，可以計(jì)算出該正弦量的有效值和相位。212ssTnTn兩個(gè)采樣值為： 和 采樣時(shí)刻的采樣值 和 。sTn11i2isTn2IIssITnITnii10111sin2sin2IIIssIITnITnii110122cos22sin22sin2不包括非周期分量不包括非周期分量也不含高頻信號(hào)也不含高頻信號(hào)兩點(diǎn)乘積算法兩點(diǎn)乘積算法222122iiI211iitgI可得：22122iiI112Iiarctgi同理222122Uuu112uutgu可得：22122uuI112Iuarctgu最后可求出測(cè)量阻抗Z：22212221iiuuIUZ21121111iitguut

8、gIUz兩點(diǎn)乘積算法兩點(diǎn)乘積算法電壓、電流的相量形式為：UUjUUU11sincosIIjIII11sincos1221juuU1221jiiI1212jiijuuIU22211221iiiuiuX22212211iiiuiuR二、導(dǎo)數(shù)算法二、導(dǎo)數(shù)算法已知 n1Ts時(shí)刻電流的采樣值和微分值為：IIssITnITnii10111sin2sin2IIIiIi1111cos2 cos2或11121212 2iitgiiII2121111121211111 iiiuiuRiiiuiuX211()2iiI112Iiarctgi可得：導(dǎo)數(shù)算法導(dǎo)數(shù)算法在微機(jī)保護(hù)中，經(jīng)常采用差分運(yùn)算來(lái)代替微分，相應(yīng)該點(diǎn)的采樣

9、值要用平均求和來(lái)計(jì)算。差分：nnsnnsuuTuiiTi111111求平均：nnnnuuuiii11112121ni1nin1n1tSnTSnTnmabn1n三、半周積分算法三、半周積分算法利用已知的一個(gè)正弦量在任意半個(gè)周期內(nèi)絕對(duì)值的積分為一常數(shù)S，來(lái)計(jì)算該正弦量的有效值大小。202022sin2 sin2TTItdtIdttIS22 SIsNNkkTiiiS212102121可得：四四、誤差分析、誤差分析用平均值近似代替瞬時(shí)值，用差分值代替微分值，用梯形法則近似求積分。)()(tSinXtxm( ) (/2)(1) (/2)mmx nX SintTsx nX SintTsnn+1ttTs/2

10、Ts/2)(tx)(nx) 1( nx由平均值求瞬時(shí)值)2()()2/()2/(212)1()(TsCostSinXTstSinXTstSinXnxnxmmm誤差系數(shù)為：()2Tscos基于n和n+1時(shí)刻采樣值，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償也可求得準(zhǔn)確微分值為) 1()(2) 1()()2(1)(nxnxKnxnxTCostxPS)2(21SPTCosK由采樣值求微分值：)()(tSinXtxm)()(tCosXdttdxm)2()(2)2()(2)2/()2/(1)() 1(1TsSintCosXTsTsSintCosXTsTstSinXTstSinXTsnxnxTsmmmm)() 1()2(2)(nxnxTs

11、Sindttdx)() 1(nxnxKC)2(2TsSinKC其中：nn+1ttTs/2Ts/2)(tx)(nx) 1( nx一、基本原理一、基本原理3-3 突變量電流算法理論根據(jù)是線性系統(tǒng)的疊加原理。對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的線性系統(tǒng)，利用疊加定理可以進(jìn)行分解。RK)(tim故障后的測(cè)量電流)(timRRK(a)正常運(yùn)行狀態(tài)(b)短路附加狀態(tài))(tiL)(tik)(tuk負(fù)荷電流)(tiL故障電流分量)(tik)()()(tititikLm)()()(tititiLmk故障分量電流：基本原理基本原理正弦信號(hào)的負(fù)荷電流是周期信號(hào)，有：)()(TtitiLL根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加定理，故障電流分量為：

12、( )( )( )kmLi titi t有：)()(TtiTtimL( )( )()kmLi titi tT，因?yàn)椋鹤詈罂傻茫? )( )()kmmi tititTtt-Tt-2Ttim(t)iL(t)ik(t)短路時(shí)刻iL(t-T)iL(t-2T)基本原理基本原理二、故障分量電流的特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，計(jì)算出來(lái)的值等于0；（2）當(dāng)系統(tǒng)剛發(fā)生故障的一周內(nèi)，求出的是純故障分量；（3）突變量電流算法受頻率偏移的影響。 )()(tSinItima34 選相方法一、選相定義一、選相定義：判斷故障類型、故障相別二二、選相方法的必要性、選相方法的必要性1. 實(shí)現(xiàn)選相跳閘2. 在阻抗繼電器中僅投入故障

13、特征最明顯的阻抗測(cè)量元件三三、選相元件、選相元件：在微機(jī)保護(hù)中，是判斷故障類型、故障相別的一段程序微機(jī)距離保護(hù)先由選相元件判別故障類型和相別，然后針對(duì)已知的相別提取相應(yīng)的電壓、電流對(duì)，進(jìn)行阻抗計(jì)算。針對(duì)針對(duì)非對(duì)稱故障，避免擴(kuò)大停電范圍非對(duì)稱故障，避免擴(kuò)大停電范圍選相的方法（選相元件的工作原理）：根據(jù)各種故障類型中各相電氣量的不同特征來(lái)進(jìn)行故障相別的判斷。選相的方法分為2類：（1）突變量電流選相，根據(jù)各相突變量電流特征判斷（2）對(duì)稱分量選相，根據(jù)各相正、負(fù)和零序分量特征判斷四、突變量電流選相四、突變量電流選相根據(jù)不同故障時(shí)，各相突變量電流特征的不同來(lái)判別故障相別。1. 單相接地故障（以AN單相接

14、地短路為例）兩個(gè)非故障相的突變量電流大小相等、相位相同，可能和故障相電流相位相差180。2. 兩相不接地短路（以BC兩相短路為例）非故障相的突變量電流為零。兩個(gè)故障相的突變量電流大小相等、方向相反。3. 兩相接地短路（以BCN兩相接地短路為例）非故障相的突變量電流最小。兩個(gè)故障相的突變量電流大小相等、相位差小于120 。4. 三相短路三相突變量電流對(duì)稱。五、突變量電流選相的程序流程圖五、突變量電流選相的程序流程圖六、對(duì)稱分量選相六、對(duì)稱分量選相根據(jù)不同故障時(shí)，各相對(duì)稱分量電流（即正序、負(fù)序和零序分量電流）特征的不同來(lái)區(qū)分故障相別。1. 單相接地短路（以AN單相接地短路為例）分析各相的正、負(fù)和零

15、序分量電流之間的相位關(guān)系。20220020argargarg0mKmKmmIICICICC當(dāng)三相中不同的相發(fā)生接地故障時(shí)，A相負(fù)序和零序分量電流相位關(guān)系是不同的。（1） A相接地故障（2） B相接地故障（3） C相接地故障0arg02IIA0arg02IIB120arg02IIA0arg02IIC120arg02IIA所以，可以根據(jù)A相負(fù)序電流和零序電流相位關(guān)系的特點(diǎn)，進(jìn)行故障相別的判斷。2. 兩相接地短路（以BCN兩相接地短路為例）KggKIRZZRZI1020233KgKIRZZZI1022039003argarg2002ZRZIIgKK3. 選相方法各種接地短路時(shí)，A相負(fù)序電流與零序電流

16、的相位關(guān)系為：選相方法1）當(dāng) 時(shí)，若ZBC在Z內(nèi)，則判為BC兩相接地。30arg3002IIA2）當(dāng) 時(shí)，若ZBC在Z內(nèi)，則判為BC兩相接地。30arg3002IIA選相方法同時(shí)有I2和I0?02argIIA計(jì)算開始選相3030 在A相接地BC兩相接地YB相接地CA兩相接地Y15090 在C相接地AB兩相接地Y3090 在15090 在210150 在相間故障YN9030 在ZBC在Z內(nèi)？NZCA在Z內(nèi)？NZAB在Z內(nèi)？N一、基本原理一、基本原理3-5 傅里葉級(jí)數(shù)算法01)sin()(nntnnXtx011sin)cos(cos)sin(nnnnntnXtnX011sincosntnantnn

17、b因?yàn)椋?tx正交函數(shù)性質(zhì) TTtdttxTbtdttxTa011011cos2sin2 1111111sin2cossintXtbtatx1112121211112 sin2cos2abtgbaXXbXa則：22121baX基本原理基本原理對(duì)于一個(gè)任意波形的電流采樣值：snTi利用傅里葉級(jí)數(shù)算法可以計(jì)算得出該電流中基波分量的有效值和相位。sssNTNkkTINkkTIiNkiiNbNkiNa11011112cos212sin21得到兩個(gè)系數(shù)： 、 。Ia1Ib1 IIItItbtati1111111sin2cossin因?yàn)椋核钥傻茫?2121IIbaIIIIabtg1111基波分量的有效值

18、：基波分量的相位：二、全周波傅氏算法二、全周波傅氏算法基波正弦和余弦的系數(shù)為：積分可以從任意t1時(shí)刻開始，改變t1不會(huì)改變基波分量的有效值，但基波分量的初相角卻會(huì)改變。 TTtdtttxTtbtdtttxTta0111101111cos2sin20123456789101112010-1010-101也可以把基波電流表示為實(shí)部和虛部的形式：)(21111IIjbaI計(jì)算求得一個(gè)基波相量 的實(shí)部和虛部參數(shù)后，可實(shí)現(xiàn)任意角度的移相。F)cossin(sincos21)sin)(cos(211111111bajbajjbaXF）（計(jì)算求得三相基波的實(shí)部和虛部參數(shù)后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱分量濾過(guò)器的功能。)(3

19、1)(31)(3111101121212111CBAACBAACBAAXXXFXaXaXFXaXaXF也可以利用傅里葉級(jí)數(shù)算法計(jì)算任一n次諧波分量電流的有效值和相位：sssNTNkkTnINkkTnIiNkniiNbNkniNa110112cos212sin21得到兩個(gè)系數(shù)： 、 。nIanIb nInnInIntnItnbtnati111sin2cossin因?yàn)椋核钥傻茫?22nInInbaI基波分量的有效值：基波分量的相位：nInInIabtg1三、三、半周基波傅氏算法半周基波傅氏算法半周傅氏算法就是采用兩個(gè)半周的基頻正弦和余弦濾波器構(gòu)成的，其計(jì)算a1和b1的表達(dá)式和全周傅氏算法類似。2

20、2cos242sin42/12/10112/11NNkkNkkxNkxxNbNkxNa半周傅氏算法對(duì)消除直流分量和偶次諧波的效果都比全周傅氏算法有所消弱。但半周傅氏算法所需要的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)為10ms，比全周傅氏算法減少了一半。因此在需要加快保護(hù)動(dòng)作時(shí)間而可以降低濾波效果的場(chǎng)合，可以采用半周傅氏算法。一、基本原理一、基本原理3-6 R-L 模型算法RL模型算法僅計(jì)算線路阻抗，用于距離保護(hù)。對(duì)于一般的輸電線路，從故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的線路段可用一電阻和電感串聯(lián)電路來(lái)表示，即把輸電線路等效為RL模型。dtdiLiRu11其中，R1是線路正序電阻；L1是正序電感。基本原理基本原理由于三相線路間互感的影響，對(duì)于不同的故障類型，選取不同的電壓、電流來(lái)構(gòu)成方程式。（1）對(duì)于相間短路，應(yīng)用相間電壓uD和對(duì)應(yīng)相電流差iD ；如uab，ia-ib。（2）對(duì)于單相接地短路，取相電壓及經(jīng)過(guò)零序電流補(bǔ)償?shù)南嚯娏鳌＜矗篸tikidLikiRularaa0101330113rrrkr其中，零序電阻補(bǔ)償系數(shù) 零序電感補(bǔ)償系數(shù)基本原理基本原理對(duì)于方程式：dtdiLiRu