电力系统微机继电保护培训课件

1、2021-11-422021-11-43电力系统继电保护的作用2021-11-44n继电保护在电力系统中的角色？ 2021-11-452021-11-46n电力系统运行状态电力系统运行状态 2021-11-472021-11-48n电流保护 2021-11-49图01 电流保护说明图2021-11-410n距离保护 2021-11-411图02 距离保护说明图2021-11-412n差动保护 2021-11-413 m n lim in if1if2f1f2正常运行或外部故障时im+in=0内部故障时 im+in=if图03 电流差动保护说明图2021-11-414n继电保护系统构成 2021

2、-11-4151继电保护装置2通信设备图04 继电保护系统2021-11-416n微机保护概念微机保护概念 2021-11-4172021-11-4182021-11-4192021-11-4202021-11-4212021-11-4222021-11-4232021-11-4241-2 数据采集系统（模拟量输入系统）一、电压形成回路一、电压形成回路1. 模拟量选取原则：以满足保护功能为基本准则模拟量选取原则：以满足保护功能为基本准则2. 作用与方案比较作用与方案比较n作用作用n方案比较方案比较n电抗变换器电抗变换器n缺点：二次电压波形将发生畸变缺点：二次电压波形将发生畸变n优点：线性范围大

3、、铁芯不易饱和、有移相作用、抑制直流优点：线性范围大、铁芯不易饱和、有移相作用、抑制直流n电流变换器电流变换器n优点：线性范围内，波形相同且同相优点：线性范围内，波形相同且同相n缺点：在非周期分量下容易饱和、线性度较差、动态范围小缺点：在非周期分量下容易饱和、线性度较差、动态范围小2021-11-4251-2 数据采集系统（模拟量输入系统）一、电压形成回路一、电压形成回路2. 作用与方案比较作用与方案比较3. 电流互感器应用注意事项电流互感器应用注意事项n变比的选择变比的选择u2=rlhi2=rlhi1/nlhrlhi1max/nlh umaxn屏蔽层的作用屏蔽层的作用2021-11-4261

4、-2 数据采集系统（模拟量输入系统）电压形成前置低通滤波采样保持多路转换器a/d转换数据更新排队信号输入数据采集系统二、采样保持电路和模拟低通滤波器（一）s/h电路的作用及原理1.s/h电路的作用2.s/h电路的工作原理2021-11-4271-2 数据采集系统（模拟量输入系统）（二）对采样保持电路的要求n使ch上电压按一定精度（例如误差小于0.1%）跟踪上usr所需要的最小采样宽度tc（或称为截获时间），对快速变化的信号采样时，要求tc尽量短n保持时间要长。通常用下降率 来表示保持能力。n模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。n分析讨论ch的选值csttu2021-11-4281

5、-2 数据采集系统（模拟量输入系统） ch=0.01f（三）采样保持电路的典型芯片2021-11-4291-2 数据采集系统（模拟量输入系统）（四）采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用1.采样频率的选择1)采样频率越高，要求cpu的速度越高2)采样频率过低将不能真实地反映被采样信号的情况（采样定理）n采用低通滤波器，可以消除频率混叠问题，从而降低采样频率n消除频率混叠问题后，采样频率的选择基本取决于保护的原理和算法。2021-11-4301-2 数据采集系统（模拟量输入系统）（四）采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用2.低通滤波器r=4.3k, c=0.1f2021-11-4311-2 数据采

6、集系统（模拟量输入系统）电压形成前置低通滤波采样保持多路转换器a/d转换数据更新排队信号输入数据采集系统三、模拟量多路转换开关（一）模拟量多路转换开关的作用（二）mpx的工作过程2021-11-4321-2 数据采集系统（模拟量输入系统）四、模数转换器（一）模数转换的一般原理和分类1.一般原理：将输入的模拟量ua相对于模拟参考量ur转换成数字量d输出：rauud nnbbbd2222211即： 假定数字量d是小于1的数，则：nnrabbbuu22222112.分类：积分型、逐次逼近比较型、并行和流水线型等2021-11-433四、模数转换器（二）逐次逼近法模数转换器的基本原理2021-11-4

7、34四、模数转换器（二）逐次逼近法模数转换器的基本原理n溢出问题2021-11-435四、模数转换器（二）逐次逼近法模数转换器的基本原理n双极性模拟信号的模数转换2021-11-436四、模数转换器（三）a/d转换器举例ad7665是逐次逼近型的16位快速模数转换器，速度为500kspsn电源ndvdd、dgngnovdd、ogndnavdd、agndnref、refgndn模拟量输入usrn10v, 5v, 2.5vn0-10v, 0-5v, 0-2.5v2021-11-437四、模数转换器（三）a/d转换器举例n方式选择nob/2 (output binary/2s complement)

8、nwarp, impulsenser/ (serial/parallel)nbyteswapcrap2021-11-438四、模数转换器n控制信号nresetn (read), (chip select)n (start conversion)npd (power down)nbusyn并行输出方式的数据信号ndata15-data0cs rdcnvst2021-11-439四、模数转换器n串行输出方式的接口信号nsyncnsclknsdoutnrderrorndivsclknext/ ninvsyncninsclknrdc/sdinint2021-11-440四、模数转换器（五）模数转换器与

9、微型机的接口2021-11-441四、模数转换器2021-11-442四、模数转换器（七）微机保护对模数转换器的主要要求n转换时间 tsn(tad+tr)+tyna/d转换的位数n要求200倍的精度范围2021-11-4431-3 开关量输入及输出回路一、光电耦合器n概念n分类n光隔离器n光传感器n光敏元件集成的功能块n光电耦合器在微机保护中的应用n特性n工作方式2021-11-4441-3 开关量输入及输出回路二、开关量输入回路n安装在装置面板上的接点n人机对话的键盘n部分切换装置工作方式 用的转换开关n从装置外部经过端子排 引入装置的接点n压板、转换开关n其他保护装置和操作 继电器的接点2

10、021-11-445三、开关量输出回路（一）保护的跳闸出口、本地和中央信号1-3 开关量输入及输出回路2021-11-4461-3 开关量输入及输出回路三、开关量输出回路（一）保护的跳闸出口、本地和中央信号n装置正常、系统无短路n设备异常n系统发生短路n出口回路自检2021-11-447三、开关量输出回路（一）通信接口、打印机接口1-3 开关量输入及输出回路2021-11-4481-5 网络化硬件电路一、问题提出n继电保护的种类很多，且由于受被保护对象的容量、模拟量数量、跳闸对象和功能要求不同等因素影响，造成保护配置多种多样。希望采用模块化的思想。n希望微机保护在更新换代后，保护装置对外的连线

11、基本保持不变。n保护功能插件（cpu插件）与开入、开出之间的连线受cpu插件的空间限制，很难做到开入、开出数目的方便扩展。n在变压器、发电机保护中，根据不同容量、不同主接线等情况，保护的一个动作逻辑有可能组成多个出口对象。2021-11-4491-5 网络化硬件电路二、网络化硬件电路n标准模块ncpu插件n开入(di)插件n开出(do)插件n通信网络采用 can总线方式2021-11-4501-5 网络化硬件电路三、网络化硬件结构的优点三、网络化硬件结构的优点n模块之间的连接简单、方便模块之间的连接简单、方便n可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强n扩展性好扩展性好n升级方便升级方便n便

12、于实现出口逻辑的灵活配置便于实现出口逻辑的灵活配置n降低了对微型机或微控制器并行口的数量要降低了对微型机或微控制器并行口的数量要求求2021-11-4511-6 硬件技术的展望n通用硬件技术平台n高可靠性n开放性n通用性n灵活性和可扩展性n模块性n与新型互感器接口n微机保护硬件网络化n总线不出芯片可以有效提高装置整体可靠性2021-11-452第二章 数字滤波器2021-11-4532-1 概 述n数字滤波器的定义n滤波器就广义来说是一个装置或系统，用于对输入信号进行某种加工和处理，以达到取得信号中的有用信息而去掉无用成分的目的。n定义：是一个计算程序或算法，将代表输入信号的数字时间序列转换为

13、代表输出信号的数字时间序列，并在转换过程中，使信号按照预定的形式变化。2021-11-4542-1 概 述例：设一个模拟信号既包含了工频基波信号，也包含了三次谐波成分，表达式为x(t)=sin(w1t)+0.6sin(3w1t)，试分析经过采样计算，如何滤去三次谐波解：应用采样间隔ts=5/3ms对该信号采样ssstkxktxkty231 231kxkxky2021-11-4552-1 概 述n数字滤波器的优点n特性一致性好。一旦程序设计完成，每台装置的特性就可以做到完全一致n不存在由于温度变化、元件老化等因素对滤波器特性影响的问题n不存在阻抗匹配的问题n灵活性好，改变算法或某些系数就可以改变

14、滤波器的性能n滤波精度高，加长字长可以很容易提高精度2021-11-4562-2 零、极点法设计数字滤波器一、零、极点对系统频率响应的影响 nkknkkknybknxany10 nkkknkkkzbzazh101 nkknkknkknkkdzczazdzcazh11111111零点零点极点极点2021-11-4572-2 零、极点法设计数字滤波器一、零、极点对系统频率响应的影响nkkjnkkjjdeceaeh11nkknkkjdcaeh11 jjjjkkjkkeeheheddecckk nkknkknkknkkjdcaeh11112021-11-4582-2 零、极点法设计数字滤波器二、零点设

15、计法如果希望滤除fk的频率分量，即|h(f)|fk=001ksftjkecksftjkec由于离散值计算公式中的滤波系数必须为实数 21112cos21 11zztfzczczhskkkk2021-11-4592-2 零、极点法设计数字滤波器二、零点设计法例：设ts=5/3ms(即n=12)，用零点设计法设计出能同时滤除3次和5次谐波分量的数字滤波器传递函数解: (1)滤3次的因子h3(z)=1+z-2 (2)滤5次的因子h5(z)=1+ z-1+z-2 4321533231zzzzzhzhzh 42332213nxnxnxnxnxny32021-11-460第三章 微机保护的算法2021-1

16、1-4613-1 概述n定义：微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法称为算法n分类n性能指标n精度n速度n算法所要求的采样点数（数据窗长度）n算法的运算工作量2021-11-4623-2 假定输入为正弦量的算法假定原始数据为纯正弦量的理想采样值issntinti0sin2一、两点乘积算法212sstntniissitnitnii10111sin2sin2iiissiitnitnii110122cos22sin22sin22021-11-4633-2 假定输入为正弦量的算法一、两点乘积算法222122iii211iitgi21122

17、212 2uutguuuu22212221iiuuiuz21121111iitguutgiuz2021-11-4643-2 假定输入为正弦量的算法一、两点乘积算法uujuuu11sincosiijiii11sincos1221juuu1221jiii1212jiijuuiu22211221iiiuiux22212211iiiuiur2021-11-4653-2 假定输入为正弦量的算法二、导数算法iissitnitnii10111sin2sin2iiiiii1111cos2 cos2或11121212 2iitgiiii2121111121211111 iiiuiuriiiuiux2021-11

18、-4663-2 假定输入为正弦量的算法二、导数算法nnsnnsuutuiiti111111nnnnuuuiii111121212021-11-4673-2 假定输入为正弦量的算法三、半周积分算法202022sin2 sin2ttitdtidttis22 sisnnkktiiis2121021212021-11-4683-2 假定输入为正弦量的算法四、平均值、差分值的误差分析)()(tsinxtxm)2/() 1()2/()(tstxsinnxtstxsinnx1.由平均值求瞬时值)2()()2/()2/(212) 1()(tscostsinxtstsinxtstsinxnxnxmmm)2()(

19、tscostx) 1()(2) 1()()2(1)(nxnxknxnxtcostxps)2(21sptcosk2021-11-4693-2 假定输入为正弦量的算法2.由采样值求微分值)()(tsinxtxm)()(tcosxdttdxm)2()(2)2()(2)2/()2/(1)() 1(1tssintcosxtstssintcosxtststsinxtstsinxtsnxnxtsmmmmdttdxtssints)()2(2)() 1()2(2)(nxnxtssindttdx)() 1(nxnxkc)2(2tssinkc2021-11-4703-3 突变量电流算法一、原理)()()(titit

20、iklm)()()(tititilmk2021-11-4713-3 突变量电流算法一、原理)()(ttitill)()()(ttititilmk)()(ttittiml)()()(ttititimmknkkkiii2021-11-4723-3 突变量电流算法一、原理1.系统正常运行时，计算出来的值等于0；2.当系统刚发生故障的一周内，求出的是纯故障分量；3.突变量电流算法受频率偏移的影响。 nkkkiiinknknkkkiiiii22021-11-4733-3 突变量电流算法二、频率变化的影响2021-11-4743-4 选相方法一、选相方法的必要性1.实现选相跳闸2.在阻抗继电器中仅投入故障

21、特征最明显的阻抗测量元件二、突变量电流选相元件1.单相接地故障2021-11-4753-4 选相方法2.两相不接地短路3.两相接地短路4.三相短路2021-11-4763-4 选相方法2021-11-4773-5 傅里叶级数算法一、基本原理1.前提2.基本原理 tx正交函数性质 tttdttxtbtdttxta011011cos2sin2 1111111sin2cossintxtbtatx1112121211112 sin2cos2abtgbaxxbxa则：01)sin()(nntnnxtx011sin)cos(cos)sin(nnnnntnxtnx011sincosntnantnnb2021

22、-11-4783-5 傅里叶级数算法一、基本原理（续）nnkknkkxnkxxnbnkxna11011112cos212sin21说明：积分可以从任意t1时刻开始，改变t1不会改变基波分量的有效值，但基波分量的初相角却会改变 tttdtttxttbtdtttxtta0111101111cos2sin22021-11-4793-5 傅里叶级数算法二、傅氏算法的滤波特性分析 tttdtttxttbtdtttxtta0111101111cos2sin2 ttdttttxttptx0111sinsin 2021-11-4803-5 傅里叶级数算法三、傅氏算法和两点乘积算法的统一两点乘积法的实质是为了获

23、得正弦量中相差90的两点傅氏算法则是同时利用两个对基频信号的相移相差90的数字滤波器。b1(t)相当于两点乘积法中的第一点i1或u1，a1(t)相当于第二点的i2或u2。傅氏法和两点乘积法本质是统一的2121111121211111iiiuiuiiiuiubaaabbrbabaabx2021-11-4813-6 r-l模型算法一、基本原理1.基本原理dtdiliru11其中：对于相间短路应用u，i；如uab，ia-ib。 对于单相接地短路取相电压及相电流加零 序补偿电流dtikidlikirularaa0101332121211111dlirudliru211221121211212211di

24、didudurdidiiuiul2021-11-4823-6 r-l模型算法一、基本原理（续）2.数据获取snnsnntiidtiid12211 ,2 ,221211nnnniiiiii2 ,221211nnnnuuuuuu3.积分形式0220220220110110111111ttttttttttttttttttdtdtdilidtrudtdtdtdilidtrudt 202101022011tittidtdtditittidtdtditttttt2021-11-4833-6 r-l模型算法二、对r-l模型算法的分析和评价1.算法的频域分析 dthzfzc1距离短路点到保护安装处的每公里的正

25、序传输常数输电线正序波阻抗dcjgljrcjgljrzc111111111ddthd 较小时， fljfrljrdljrfzee 11112021-11-4843-6 r-l模型算法二、对r-l模型算法的分析和评价r-l模型算法不是仅反映基频分量，而是在相当宽的一个频段内都能适用 不需要用滤波器滤除非周期分量 不受电网频率变化的影响2021-11-4852.用差分近似求导数引入的误差分析 smtiti ,sin11smsmtitid2sincos22sin2sin1111smmttiidtdi11coscos12sin2de2cossin22sin2sin1111mmiii2cosae22ct

26、geeedal3-6 r-l模型算法二、对r-l模型算法的分析和评价2021-11-4863.算法的稳定性分析dmmdmmddiiddii11121111sin,sinsin,sin22211221iiiuiux22212211iiiuiur3-6 r-l模型算法二、对r-l模型算法的分析和评价2021-11-4873-6 r-l模型算法二、对r-l模型算法的分析和评价dmmmmdududuuiiuiusinsinsinsin21121221分子：90d电阻分量的误差比较大实际上，受衰减非周期分量影响，分母可能成为两个相近数相减，而造成比较大的计算误差，需监测分母的数值2021-11-4884

27、.评价n不必滤除非周期分量，因此算法的总时窗较短n不受电网频率变化的影响n受信号的噪声影响比较大3-6 r-l模型算法二、对r-l模型算法的分析和评价2021-11-4893-7 故障分量阻抗继电器一、工作原理与动作方程2021-11-4903-7 故障分量阻抗继电器0kkuuizuuzdop2021-11-4913-7 故障分量阻抗继电器一、工作原理与动作方程1.故障点k在保护范围内izus izzizuuizzizuukskkzdszdop)（zdkzz kopuu2021-11-4923-7 故障分量阻抗继电器2.故障点k在保护范围外kopuu2021-11-4933-7 故障分量阻抗继

28、电器3.故障点k在保护的反方向izzuizzizuukrkzdrzdop)（kopuu突变量阻抗继电器的动作方程为：kopuu2021-11-4943-7 故障分量阻抗继电器n为了构成可实现的动作方程，有三种方法可以近似得到 的量值：n用短路前保护范围末端y点的电压实测值 代替 n用短路前保护安装处的电压实测值 代替n用额定电压代替 。kuukukuyu突变量阻抗继电器的实用动作方程为：yopuu2021-11-4953-11 算法的动态特性3-12 算法的选择2021-11-4962021-11-4974-1 概 述n微机保护可靠性的含义n不误动n不拒动n影响微机保护可靠性的因素n微机保护的

29、抗干扰问题n装置内部元件出现损坏时的对策2021-11-4984-2 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径一、干扰源n外部干扰：与系统结构无关而是由使用条件和外部环境因素所决定的干扰n由其它物体和设备辐射的电磁波n由其它物体和设备产生的强电场或强磁场n来自电源的工频干扰n内部干扰：由系统结构、元件布局和生产工艺等所决定的干扰n杂散电感和电容的结合引起的不同信号感应n长线传输造成电磁波的反射n多点接地造成的电位差干扰等2021-11-4994-2 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径二、干扰形式及耦合途径1.差模干扰n定义：是串联于信号源之中的干扰n原因n长线传输的互感n分布电容的相互干扰n工频干扰n措

30、施：防频率混叠的模拟低通滤波能很好地吸收差模浪涌2021-11-41004-2 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径二、干扰形式及耦合途径2.共模干扰n定义：是引起回路对地电位发生变化的干扰n可能传播途径及应对措施1.装置对外引线端子和机壳之间的共模干扰硬件设计保证各外接端子同微机弱电系统之间没有电的联系2.电路的分布电容微机保护的结构布局必须谨慎n弱电系统的插件远离同外界端子有直接联系的各插件n装置后底板的配线也应当使强电和弱电严格分开3.电源线和机壳之间的共模干扰2021-11-41014-2 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径二、干扰形式及耦合途径3.电源线和机壳之间的共模干扰n电源零线直接接机壳n电源零线浮空将印制板周围都用电源零线或+5v线封闭起来，这样就可以完全隔离电路板上其他部分同机壳之间的直接耦合2021-11-41024-3 干扰的可能后果n“读”或“写”出错，使得计算或逻辑错误n程序出格n元件损坏2021-11-41034-4 抗干扰措施1.对输入采样值的抗干扰纠错n利用某些输入量之间存在着的可以利用的规律 ia+ib+ic=3i0 ia(k)+ib (k) +ic (k) =3i0 (k) x(k)+x (k-2)/2 =x (k-1)