第三章 微機保護軟件原理

1、第三第三章章 微機繼電保護裝置微機繼電保護裝置軟件原理軟件原理微機繼電保護軟件是微機保護裝置的主要組成部分。微機繼電保護軟件是微機保護裝置的主要組成部分。它涉及到繼電保護原理、算法、數(shù)字濾波以及計算機程序結它涉及到繼電保護原理、算法、數(shù)字濾波以及計算機程序結構。構。31 概述一、微機繼電保護裝置軟件系統(tǒng)的功能微機保護裝置軟微機保護裝置軟件系統(tǒng)的功能件系統(tǒng)的功能繼電保護功能繼電保護功能保護動作跳閘保護動作跳閘運行異常告警運行異常告警閉鎖閉鎖不閉鎖不閉鎖其他功能其他功能測量測量控制控制狀態(tài)監(jiān)測狀態(tài)監(jiān)測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、微機保護程序結構主程序：主程序：對硬件

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，起動元件判別等。故障處理程序：故障處理程序：實現(xiàn)保護功能、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 提高微機保護裝置可靠性的編程技術包括保護模件與包括保護模件與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裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的通信程序以及保護裝置與與PC的通信程序。的通信程序。信息種類測量及狀態(tài)信息測量及狀態(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鐘同步時鐘變電站自動化系統(tǒng)中傳送的變電站自動化系統(tǒng)中傳送的信息信息按照響應速度要求實時響應較高的

3、信要求實時響應較高的信息息不要求時間響應的信息不要求時間響應的信息多多CPU方案的裝置結構中，完善的自檢、方案的裝置結構中，完善的自檢、互檢對提高裝置的抗干擾及可靠性意義很互檢對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，可以檢測到大。自檢系統(tǒng)借用通信通道，可以檢測到各個計算機系統(tǒng)的工作情況。各個計算機系統(tǒng)的工作情況。 提高微機保護裝置可靠性的編程技術編程技術編程技術輸入數(shù)據(jù)確認輸入數(shù)據(jù)確認數(shù)據(jù)和存儲器的數(shù)據(jù)和存儲器的保護保護未使用程序存儲未使用程序存儲器器端口重新初始化端口重新初始化主動初始化主動初始化重復執(zhí)行重復執(zhí)行I/0I/0設備管理設備管理WATCHDOGWATCHDOG通

4、常采用以下編程技通常采用以下編程技術來提高微機保護裝術來提高微機保護裝置的置的可靠性可靠性：四、人機交互管理程序 現(xiàn)代微機繼電保護裝置均可由MMI插件的人機交互程序實現(xiàn)人機對話，并通過裝置的串行口由PC上的管理程序以及后臺分析軟件對裝置進行調試。 人機交互程序主要是處理鍵盤及顯示，通過菜單實施。四、人機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)設置參數(shù)設置系統(tǒng)信息系統(tǒng)信息定值操作定值操作保護配置保護配置故障分析故障分析SOESOE信息信息 微機保護把經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)量化的數(shù)字信號經(jīng)過適當?shù)乃惴?，計算出交流信號的有效值、相位以及多個信號的組合量如：阻抗、相位等。 常規(guī)保護把被測信號

5、常規(guī)保護把被測信號引入保護繼電器，繼電器引入保護繼電器，繼電器按照電磁、感應、比幅、按照電磁、感應、比幅、比相等原理作出動作與否比相等原理作出動作與否的判斷。的判斷。I 五、微機保護的算法32 微機繼電保護的算法一、算法定義一、算法定義微機保護裝置根據(jù)模數(shù)轉換器提供的輸入電氣量的采樣數(shù)據(jù)進行分析、運算和判斷，以實現(xiàn)各種繼電保護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算電氣量的相量；2、根據(jù)動作方程來判斷故障是否在動作區(qū)內(nèi)。三、性能指標三、性能指標1、精度2、速度。（1）算法所要求的采樣點數(shù)（數(shù)據(jù)窗長度） （2）算法的運算工作量一個算法采用故障后的多一個算

6、法采用故障后的多少采樣點才能計算出正確少采樣點才能計算出正確的結果的結果用離散的采樣點計算出的用離散的采樣點計算出的結果與信號實際值的逼近結果與信號實際值的逼近程度程度32 微機繼電保護的算法四四、算法分類、算法分類微機繼電保護的微機繼電保護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、兩點乘積算法一、兩點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、過任意兩個電氣角度相隔90的瞬時值，可以計算出該正弦量的有效值和相位。212ssTnTn兩個采樣值為： 和 采樣時刻的采樣值 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也不含高頻信號兩點乘積算法兩點乘積算法222122iiI211iitgI可得：22122iiI112Iiarctgi同理222122Uuu112uutgu可得：22122uuI112Iuarctgu最后可求出測量阻抗Z：22212221iiuuIUZ21121111iitguut

8、gIUz兩點乘積算法兩點乘積算法電壓、電流的相量形式為：UUjUUU11sincosIIjIII11sincos1221juuU1221jiiI1212jiijuuIU22211221iiiuiuX22212211iiiuiuR二、導數(shù)算法二、導數(shù)算法已知 n1Ts時刻電流的采樣值和微分值為：IIssITnITnii10111sin2sin2IIIiIi1111cos2 cos2或11121212 2iitgiiII2121111121211111 iiiuiuRiiiuiuX211()2iiI112Iiarctgi可得：導數(shù)算法導數(shù)算法在微機保護中，經(jīng)常采用差分運算來代替微分，相應該點的采樣

9、值要用平均求和來計算。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正弦量在任意半個周期內(nèi)絕對值的積分為一常數(shù)S，來計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由平均值求瞬時值)2()()2/()2/(212)1()(TsCostSinXTstSinXTstSinXnxnxmmm誤差系數(shù)為：()2Tscos基于n和n+1時刻采樣值，經(jīng)過補償也可求得準確微分值為) 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。對于系統(tǒng)結構不發(fā)生變化的線性系統(tǒng)，利用疊加定理可以進行分解。RK)(tim故障后的測量電流)(timRRK(a)正常運行狀態(tài)(b)短路附加狀態(tài))(tiL)(tik)(tuk負荷電流)(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的負荷電流是周期信號，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，因為：最后可得：( )( )()kmmi tititTtt-Tt-2Ttim(t)iL(t)ik(t)短路時刻iL(t-T)iL(t-2T)基本原理基本原理二、故障分量電流的特點：（1）系統(tǒng)正常運行時，計算出來的值等于0；（2）當系統(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量元件三三、選相元件、選相元件：在微機保護中，是判斷故障類型、故障相別的一段程序微機距離保護先由選相元件判別故障類型和相別，然后針對已知的相別提取相應的電壓、電流對，進行阻抗計算。針對針對非對稱故障，避免擴大停電范圍非對稱故障，避免擴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進行故障相別的判斷。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）對稱分量選相，根據(jù)各相正、負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，各相突變量電流特征的不同來判別故障相別。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、對稱分量選相六、對稱分量選相根據(jù)不同故障時，各相對稱分量電流（即正序、負序和零序分量電流）特征的不同來區(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、負和零

15、序分量電流之間的相位關系。20220020argargarg0mKmKmmIICICICC當三相中不同的相發(fā)生接地故障時，A相負序和零序分量電流相位關系是不同的。（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相負序電流和零序電流相位關系的特點，進行故障相別的判斷。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，A相負序電流與零序電流

16、的相位關系為：選相方法1）當 時，若ZBC在Z內(nèi)，則判為BC兩相接地。30arg3002IIA2）當 時，若ZBC在Z內(nèi)，則判為BC兩相接地。30arg3002IIA選相方法同時有I2和I0?02argIIA計算開始選相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 傅里葉級數(shù)算法01)sin()(nntnnXtx011sin)cos(cos)sin(nnnnntnXtnX011sincosntnantnn

17、b因為： tx正交函數(shù)性質 TTtdttxTbtdttxTa011011cos2sin2 1111111sin2cossintXtbtatx1112121211112 sin2cos2abtgbaXXbXa則：22121baX基本原理基本原理對于一個任意波形的電流采樣值：snTi利用傅里葉級數(shù)算法可以計算得出該電流中基波分量的有效值和相位。sssNTNkkTINkkTIiNkiiNbNkiNa11011112cos212sin21得到兩個系數(shù)： 、 。Ia1Ib1 IIItItbtati1111111sin2cossin因為：所以可得：22121IIbaIIIIabtg1111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時刻開始，改變t1不會改變基波分量的有效值，但基波分量的初相角卻會改變。 TTtdtttxTtbtdtttxTta0111101111cos2sin20123456789101112010-1010-101也可以把基波電流表示為實部和虛部的形式：)(21111IIjbaI計算求得一個基波相量 的實部和虛部參數(shù)后，可實現(xiàn)任意角度的移相。F)cossin(sincos21)sin)(cos(211111111bajbajjbaXF）（計算求得三相基波的實部和虛部參數(shù)后，可實現(xiàn)對稱分量濾過器的功能。)(3

19、1)(31)(3111101121212111CBAACBAACBAAXXXFXaXaXFXaXaXF也可以利用傅里葉級數(shù)算法計算任一n次諧波分量電流的有效值和相位：sssNTNkkTnINkkTnIiNkniiNbNkniNa110112cos212sin21得到兩個系數(shù)： 、 。nIanIb nInnInIntnItnbtnati111sin2cossin因為：所以可得：222nInInbaI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半周的基頻正弦和余弦濾波器構成的，其計算a1和b1的表達式和全周傅氏算法類似。2

20、2cos242sin42/12/10112/11NNkkNkkxNkxxNbNkxNa半周傅氏算法對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)窗長為10ms，比全周傅氏算法減少了一半。因此在需要加快保護動作時間而可以降低濾波效果的場合，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模型算法僅計算線路阻抗，用于距離保護。對于一般的輸電線路，從故障點到保護安裝處的線路段可用一電阻和電感串聯(lián)電路來表示，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?；驹砘驹碛捎谌嗑€路間互感的影響，對于不同的故障類型，選取不同的電壓、電流來構成方程式。（1）對于相間短路，應用相間電壓uD和對應相電流差iD ；如uab，ia-ib。（2）對于單相接地短路，取相電壓及經(jīng)過零序電流補償?shù)南嚯娏?。即：dtikidLikiRularaa0101330113rrrkr其中，零序電阻補償系數(shù) 零序電感補償系數(shù)基本原理基本原理對于方程式：dtdiLiRu