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1、第八章 微 机 保 护,第一节 微机保护系统简介,第二节 微机保护装置的硬件系统,第三节 微机保护的算法 第四节 微机保护装置的软件构成 第五节 提高微机保护可靠性的措施,第一节 微机保护系统简介,一、微机保护的应用和发展概况,近四十年来，计算机技术发展很快，其应用广泛而深入地影响着科学技术、生产和生活等各个领域。有关计算机保护的研究及开发就是电力系统计算机在线应用的重要组成部分。,我国在这方面的起步相对较晚，但进展却很快。1984年上半年，华北电力学院研制的第一套以6809(CPU)为基础的距离保护样机投入试运行。1984年底在华中工学院召开了我国第一次计算机继电保护学术会议，这标志着我国计
2、算机保护的开发开始进入了重要的发展阶段。进入90年代，我国已陆续推出了不少成型的微机保护产品。,1高速数据处理芯片的应用 2微机保护的网络化 3保护、控制、测量、信号、数据通信一体化 4继电保护的智能化 5自适应继电保护 6暂态保护,微机保护的发展：,二、微机保护装置的特点,1维护调试方便 2可靠性高 3易于获得附加功能 4灵活性大 5良好的性价比,第二节 微机保护装置的硬件系统,微机保护硬件示意框图如下图所示。,1.数字核心部件,微机保护装置的数字核心部件实质上是一台特别设计的专用微型计算机，一般由中央处理器（CPU）、存储器、定时器/计数器及控制电路等部分构成，并通过数据总线、地址总线、控
3、制总线连成一个系统，实现数据交换和操作控制。CPU主要有以下几种类型： （1）单片微处理器 （2）通用微处理器 （3）数字式信号处理器（DSP）,2.模拟量输入（AI）接口部件,继电保护的基本输入电量是模拟性质的电信号。一次系统的模拟电量可分为交流量、直流量以及各种非电量。它们经过各种互感器转变为二次电信号，再由引线端子进入微机保护装置。这些由互感器输入的模拟电信号还要正确地变换成离散化的数字量。 典型的交流AI接口按信号流程主要包括以下各部分：输入变换及电压形成回路、前置模拟低通滤波器（ALF）、采样保持（S/H）电路、模数变换（A/D）电路。,3.开关量输入（DI）接口部件,这里开关量泛指
4、那些反映“是”或“非”两种状态的逻辑变量，如断路器的“合闸”或“分闸”状态、开关或继电器触点的“通”或“断”状态、控制信号的“有”或“无”状态等。继电保护装置常常需要确知相关开关量的状态才能正确动作，外部设备一般通过其辅助继电器触点的“闭合”与“断开”来提供开关量状态信号。,4.开关量输出（DO）接口部件,微机保护装置通过开关量输出的“0”或“1”状态来控制执行回路（如告警信号或跳闸回路继电器触点的“通”或“断”），因此开关量输出接口简称为DO（Digital Output）接口。DO接口的作用是为正确地发出开关量操作命令提供输出通道，并在微机保护装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子
5、电路的安全和减少外部干扰。,5.人机对话接口（MMI）部件,人机对话接口称为MMI（Man-Machine Interface）,其作用是建立起微机保护装置与使用者之间的信息联系，以便对保护装置进行人工操作、调试和得到反馈信息。继电保护装置的操作主要包括整定值和控制命令的输入等；而反馈信息主要包括被保护的一次设备是否发生动作以及保护装置本身是否运行正常等。微机保护装置采用智能化人机界面使人机信息交换功能大为丰富、操作更为方便。,6外部通信接口（CI）部件,外部通信接口简称为CI（Communication Interface），其作用是提供与计算机通信网络以及远程通信网的信息通道。CI可分为两
6、大类：一类CI实现特殊保护功能的专用通信接口，另一类CI为通用计算机网络接口，可与电站计算机局域网以及电力系统远程通信网相连。,第三节 微 机 保 护 的 算 法,一、数字滤波,在微机保护中滤波也是一个必要的环节，它用于滤去各种不需要的谐波，数字滤波器的用途是滤去各种特定次数的谐波，特别是接近工频的谐波。,数字滤波器不同于模拟滤波器，它不是一种纯硬件构成的滤波器，而是由软件编程去实现，改变算法或某些系数即可改变滤波性能，即滤波器的幅频特性和相频特性。,在微机保护中广泛使用的简单的数字滤波器，是一类用加减运算构成的线性滤波单元。,它们的基本形式,差分滤波,加法滤波,积分滤波等,以差分滤波为例做简
7、单介绍。 差分滤波器输出信号的差分方程形式为,(8-1),式中，x(n)、y(n)分别是滤波器在采样时刻n(或n)的输入与输出；x(n-k)是n时刻以前第k个采样时刻的输入，k1。,对式(8-1)进行变换，可得传递函数H(z),（8-2）,将 代入式(8-2)中，即得差分滤波器的幅频特性和相频特性分别为式(8-3)及式(8-4),(8-3),（8-4）,式中 , 为输入信号频率； 为采样周期， 1/s，s为采样频率，通常要求s为基波频率1的整数倍，即s=N1，N为每工频周期的采样点数目。,由式(8-3)可知，设需滤除谐波次数为m，差分步长为k(k次采样)，则此时=m1=m21，应使=0。令,则
8、有,；,当N（即s和1）取值已定时，采用不同的l和k值，便可滤除m次谐波。,(8-5),注意，当l=0时，必然有m=0，使式(8-5)为零，所以无论s、k取何值，直流分量总能滤除。另外，m0的整数倍的谐波都将被滤除。,分滤波器的幅频特性曲线如图8-7所示。,若令k=s/1，差分滤波将消去基波（以及直流和所有整数次谐波），在稳态情况下，该滤波器无输出。在发生故障后的一个基波周期内，只输出故障分量，所以可用来实现起动元件、选相元件及其它利用故障分量原理构成的保护。,二、正弦函数模型算法,1半周积分算法,半周积分算法的依据是,(8-6),即正弦函数半周积分与其幅值成正比。,式中 uk第K次采样值;N
9、一周期T内的采样点数;u0k0时的采样值;u N/2 kN/2时的采样值。 求出积分值S后，应用式(8-6)可求得幅值。,式(8-6)的积分可以用梯形法则近似求出：,2导数算法,导数算法是利用正弦函数的导数为余弦函数这一特点求出采样值的幅值和相位的一种算法。,设,则,(8-8),很容易得出,(8-9),(8-10),和,(8-11),根据式(8-8)，我们也可推导出,(8-12),(8-13),式(8-9)式(8-13)中，u、i对应tk 时为uk 、ik，均为已知数，而对应tk-1和tk+1的u、i为u k-1、u k+1、i k-1、i k+1，也为已知数，此时,(8-14),（8-15）
10、,（8-16）,（8-17）,导数算法最大的优点是它的“数据窗”即算法所需要的相邻采样数据是三个，即计算速度快。导数算法的缺点是当采样频率较低时，计算误差较大。,3两采样值积算法,两采样值积算法是利用2个采样值以推算出正弦曲线波形，即用采样值的乘积来计算电流、电压、阻抗的幅值和相角等电气参数的方法，属于正弦曲线拟合法。 这种算法的特点是计算的判定时间较短。,设有正弦电压、电流波形在任意二个连续采样时刻tk、tk+1（tk ）进行采样，并设被采样电流滞后电压的相位角为，则tk和tk1时刻的采样值分别表示为式(8-18)和式(8-19)。,（8-18）,（8-19）,式中，TS为两采样值的时间间隔
11、，即TStk+1 tk 。,由式(8-18)和式(8-19)，取两采样值乘积，则有,（8-20）,（8-21）,（8-22）,（8-23）,式(8-20)和式(8-21)相加，得,（8-24）,式(8-22)和(8-23)相加，得,（8-25）,将式(8-25)乘以cosTS再与式(8-24)相减，可消去tk项，得,(8-26),同理，由式(8-22)与式(8-23)相减消去tk项，得,(8-27),在式(8-26)中，如用同一电压的采样值相乘，或用同一电流的采样值相乘，则 0，此时可得,(8-28),(8-29),由于TS、sinTS、cosTS均为常数，只要送入时间间隔TS的两次采样值，便
12、可按式(8-28)和式(8-29)计算出Um、Im 。,以式(8-29)去除式(8-26)和式(8-27)还可得测量阻抗中的电阻和电抗分量，即,(8-30),(8-31),由式(8-28)和式(8-29)也可求出阻抗的模值,(8-32),由式(8-30)和式(8-31)还可求出U、I之间的相角差，,若取TS900 ，则式(8-28)式(8-33)可进一步化简，进而大大减少了计算机的运算时间。,(8-33),4、三采样值积算法,三采样值积算法是利用三个连续的等时间间隔TS的采样值中两两相乘，通过适当的组合消去t项以求出u、i的幅值和其它电气参数。 设在tk+1 后再隔一个TS为时刻tk+2 ，此
13、时的u、i采样值为,(8-34),(8-35),上式两采样值相乘，得,(8-36),上式与式(8-20)相加，得,显然，将式(8-37)和式(8-21)经适当组合以消去tk项，得,若要Ts30o ，上式简化为,用Im代替Um（或Um代替Im ），并取 0o ，则有,(8-40),(8-41),由式(8-39)和式(8-41)可得,(8-42),由式(8-27)和式(8-41)，并考虑到，得,(8-43),由式(8-40)和式(8-41)得,(8-44),由式(8-42)和式(8-43)得,(8-45),三采样值积算法的数据窗是2Ts。从精确角度看，如果输入信号波形是纯正弦的，这种算法没有误差，
14、因为算法的基础是考虑了采样值在正弦信号中的实际值。,三、傅里叶算法（傅氏算法）,1. 全周波傅里叶算法,全周波傅里叶算法是采用由cosn1t和sinn1t(n=0，1，2)正弦函数组作为样品函数，将这一正弦样品函数与待分析的时变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同的分量的实部和虚部的系数。进而可以求出待分析的时变函数中该频率的谐波分量的模值和相位。,根据傅里叶级数，我们将待分析的周期函数电流信号i(t)表示为,式中 nn次谐波（n=1，2，）；I0恒定电流分量；Inc、Ins分别表示n次谐波的余弦分量电流和正弦分量电流的幅值。,(8-46),当我们希望得到n次谐波分量时，可用cos
15、n1t和sinn1t分别乘式(8-46)两边，然后在t0到t0T积分，得到,(8-47),(8-48),每工频周期T采样N次，对式(8-47)和式(8-48)用梯形法数值积分来代替，则得,(8-49),(8-50),式中 k、ik第k采样及第k个采样值,电流n次谐波幅值（最大值）和相位（余弦函数的初相）分别为,(8-51),(8-52),写成复数形式有,对于基波分量，若每周采样12点（N=12），则式(8-49)和式(8-50)可简化为,(8-53),(8-54),在微机保护的实际编程中，为尽量避免采用费时的乘法指令，在准确度容许的情况下，为了获得对采样结果分析计算的快速性，可用（11/8）近
16、似代替上两式中的 ，而后1/2和1/8采用较省时的移位指令来实现。,全周波傅里叶算法本身具有滤波作用，在计算基频分量时，能抑制恒定直流和消除各整数次谐波，但对衰减的直流分量将造成基频（或其它倍频）分量计算结果的误差。另外用近似数值计算代替积也会导致一定的误差。算法的数据窗为一个工频周期，属于长数据窗类型，响应时间较长。,2半周波傅里叶算法,缩短全周波傅里叶算法的计算时间，提高响应速度，可只取半个工频周期的采样值，采用半周波傅里叶算法，其原理和全周波傅里叶算法相同，其计算公式为,(8-55),(8-56),半周波傅里叶算法的数据窗为半个工频周期，响应时间较短，但该算法基频分量计算结果受衰减的直流分量和偶次谐波的影响较大，奇次谐波的滤波效果较好。为消除衰减的直流分量的影响，可采用各种补偿算法，如采用一阶差分法(即减法滤波器)，将滤波后的采样值再代入半周波傅里叶算法的计算公式，将取得一定的补偿效果.,
