电力微机距离保护毕业论文

1、输电线路微机距离保护设计学号_班级_武汉大学本科毕业论文输电线路微机距离保护装置的设计院（系）名称：专 业 名 称：学 生 姓 名：指 导 教 师：二一二年三月郑重声明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要本毕业设计的宗旨是为了系统地掌握电力系统继电保护原理电力系统、分析等课程中与本设计相关的知识，通过查阅微机型继

2、电保护基础等参考资料，能够掌握微型机继电保护装置软件结构原理，并在此基础上设计了一套高压线路微机距离保护。本设计主要内容有：高压线路距离保护及特性、微机保护算法设计、微型机距离保护的软件设计、微型机可靠性设计、抗干扰等。本设计从微型机继电保护在电力系统实际应用出发，以微型机继电保护规程为依据，在设计中介绍了计算机保护几十年来的发展，微机保护的基本构成以及计算机保护的特点；高压线路距离保护原理及微机保护动作特性、整定方法和判别方程。设计了高压线路微机距离保护的软件程序及算法设计，并设计了提高微型机继电保护装置的抗干扰措施，从而设计出了一套基本功能完备的高压线路距离保护。关键词：距离保护；算法；软

3、件；抗干扰；可靠性Abstract The aim of this paper is to master knowledge of some curriculums, for instance power system analysis，Power System Relay Protection etc associating with this paper, and master software based on microcomputer protection, through referring to references of the base of microcomputer pr

4、otection and so on .Then a suit of distance protection based high voltage power system is designed.The main contents of This paper are composed of the distance protection and characteristic based high voltage power system、designed on hardware of microcomputer distance protection、designed on reliabil

5、ity of microcomputer etc.Based on the regulations of microcomputer based protection setting from actual application in power system, this paper introduce the development structure and characteristic of microcomputer protection distance protection based high voltage power system and operation charact

6、eristics turning method and discriminant equation of microcomputer protection software programme and design of an algorithm for high voltage power system protection are designed ,at one time ,this thesis recommend measure enhancing anti-interference for microcomputer protection, then a suit of self-

7、contained distance protection based high voltage power system is designed.Key Words: distance protection hardware algorithm software anti-interference reliability.目 录第一章 绪论1.1 电力系统继电保护的作用和意义 71.2 距离保护的发展现状 81.3 输电线路微机保护的发展历史 91.4 线路微机保护发展趋势 10第二章 微机保护2.1 微机保护具有的特点 122.2 计算机保护的基本构成 14第三章 高压线路距离保护3.1

8、距离保护的作用原理 163.2 微机型阻抗保护特性分析 17第四章 计算机继电保护的算法设计4.1 概述 224.2 算法举例 22第五章 微型机距离保护的软件设计5.1 软件设计总框图 265.2 程序模块介绍 28第六章 提高微机保护装置可靠性设计6.1 总述 356.2 干扰源356.3 防止干扰进入微机保护装置的对策366.4 抑制窜入干扰影响的软、硬件对策 396.5 提高可靠性的其他措施 40致 谢 42参考文献43第一章 绪论1.1 电力系统继电保护的作用和意义电力系统在运行过程中常会出现故障和一些异常运行状态与故障状态，其中不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏

9、，各电气元件的运行参数偏离了正常允许的工作范围，但没有发生故障的运行状态。最为常见的不正常运行状态有：因电流超过供电元件的额定值引起的过负荷、发电机突然甩负荷引起的过电压运行、系统中有功缺额引起的频率降低、电气元件温度过高、系统震荡等。故障状态包括三相短路、两相短路、单相接地短路、两相接地短路、发电机和电动机以及变压器绕组间匝间短路、单相断线、两相断电等，以及由上述几种故障组合而成的复杂故障。其中，最常见且最危险的是各种类型的短路故障。电力系统中由电气原件发生短路故障时，可能造成下列严重后果：故障点通过较大的短路电流，引燃电弧，使故障原件损坏或烧毁。比正常工作电流大许多的短路电流产生的热效应和

10、电动力效应，使故障回路中的设备遭到损坏或缩短设备使用年限。部分电力系统的电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏，影响产品质量。破坏电力系统运行的稳定性，使系统产生震荡，甚至引起整个系统瓦解，造成大面积停电的恶性事故。而这些现象会发展成事故，使整个系统或其中一部分不能正常工作，从而造成对用户少送电，停止送电或电能质量降低到不能容许的地步，甚至照成设备损坏和人身伤亡。而电力系统各元件之间是通过电或磁建立的联系，任何一元件发生故障时，都可能立即在不同程度上影响到系统的正常运行，因此，切除故障元件的时间常常要求短到 1/10S 甚至更短，而这个任务靠人是不可能完成的，所以要有一套自动装置来执行这一任

11、务。我们称之为继电保护。继电保护的基本任务是：当电力系统中某电气元件发生故障时，能自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，避免故障元件继续遭到破坏，使非故障元件迅速恢复正常运行。当系统中电气元件出现不正常运行状态时，能及时反应并根据运行维护的条件发出信号或跳闸。反应不正常运行状态的继电保护装置，一般不需要立即动作，允许带一定的延时。综上所述，继电保护在电力系统中的主要作用是通过预防事故或缩小故障范围来提高系统运行一种重要的反事故措施。在现代化的电力系统中，如果没有继电保护装置，就无法保证电力系统的正常运行。1.2距离保护的发展现状1.2.1 国内继电保护现状1984 年原东北电力学院研

12、制的输电线路微机保护装置首次通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路，在设备保护方面，关于发电机失磁保护、发电机保护和发电机变压器组保护、微机线路保护装置、微机相电压补偿方式高频保护、正序故障分量方向高频保护等也相继通过鉴定，至此，不同原理、不同机型的微机线路保护装置为电力系统提供了新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。到 90 年代，随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，因此，我国几点保护技术进入了微机保护时代。1.2.2 国外继电保护现状国外的继电保护已经走过一个多世纪的历程。上世纪 90 年

13、代，随着微机保护的发展，不断有新的改善继电保护性能原理和方案出现，这些原理和方案同时也对微机保护装置硬件提出了更高的要求。由于集成电路和计算机技术的飞速发展，微机保护装置硬件的发展也十分迅速，结构更加合理，性能更加完善。近年来，与微机保护领域密切相关的其他领域的飞速发展给微机保护带来了全新的革命。国外微机保护发展了近 15 年，精力了三代保护设计上的更新换代，并以微机处理器技术与多种已被提出并被可靠证明和广泛应用的算法相结合为基础，不断为新型微机保护的开发和完善创造着良好的实现条件。1.3 输电线路微机保护的发展历史自 1901 年第一代机电型感应式过电流继电器在电力系统应用以来，继电保护技术

14、的发展已历经一个多世纪。随着人们认识的不断深入，不同的保护原理相继提出，如差动保护（1908 年） 方向电流保护、（1910 年） 距离保护、（1923 年）、高频保护（1927 年）等。在继电保护原理研究不断取得进展的同时，继电保护装置的实现技术也发生了重大的变革，经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式、微处理机式等不同的发展阶段。计算机在继电保护领域里的应用是继电保护发展史上一个重要的里程碑。微机继电保护的研究始于上个世纪六十年代。1965 年初，英国剑桥大学的 P. G.McLaren 等提出利用采样技术实现输电线路的距离保护。随后，澳大利亚新南威尔士大学的 I. F. Morris

15、on 等学者对计算机技术在保护和变电站控制领域的应用问题进行了探讨，并对相关保护算法进行了理论研究。1969 年前后，美国西屋公司的 G. D. Rockefeller 等开始进行具体装置的研制，并于1972 年发表该装置的试运行样机的原理结构与现场实验结果。但自从六十年代计算机保护概念提出开始，到七十年代末，由于受当时计算机技术水平和价格的限制，计算机继电保护的研究重点主要是不同保护原理的实现方式和算法，除少量的试验装置外，计算机保护没有在电力系统中得到广泛采用。随着计算机技术的不断进步，特别是微处理器技术的成熟和应用，极大地推动了计算机保护技术的发展。20 世纪 80 年代，以微处理器为核

16、心的微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟，微机保护开始在工业发达国家中得到推广应用。我国对微机保护的研究从 20 世纪 70 年代末开始。虽然起步相对较晚，但由于受到科研和运行部门的高度重视，因此，无论是在理论研究，还是在实现技术研究方面均得到了快速发展。1984 年上半年，华北电力学院研制的第一套以6089(CPU)为基础的保护样机投入运行。标志着我国继电保护的开发进入了重要的发展阶段。进入 20 世纪 90 年代以后，微机型保护在我国已得到大量应用，成为了继电保护装置的主要形式。微机型保护具有强大的数字计算和逻辑判断能力以及优良的信息记忆能力，为传统保护原理的改善以及新原理的应用提供了

17、良好硬件支持。此外，微机型保护易于实现较完善的硬件自检和软件自检功能，有助于提高其抗干扰能力和运行的稳定性。随着计算机技术、网络通讯技术的飞速发展，微机保护的智能化水平不断提高，故障录波、事件记录、故障测距以及数据通讯等辅助功能也得以在保护中实现，这极大地简化了保护的运行维护管理，同时也为事故分析和事故后的处理提供了极大方便。由于微机型保护装置具有的巨大优越性和潜力，因而已取代传统的模拟式保护，成为继电保护的主流形式。1.4 线路微机保护发展趋势当前，高压微机线路保护的保护趋势，由实用观点来看，主要有以下几个方面：信息网络技术的应用当代计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，

18、使人类生产和社会生活的面貌发生了根本变法。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力的信息交互手段。从微机保护的发展和近年来电力系统的新要求来看，大量的利用信息网络技术也将是未来微机保护的技术特点之一。自适应保护自适应保护的基本思想是根据电力系统的运行方式和故障状态的变化来实时改变保护的性能、特性或定值。由于电力系统在运行过程中，其网络结构、参考等会随时变化，继电保护要在所有情况下保证选择性，就要按最不利的情况计算整定值，因而灵敏度可能不满足要求。计算机强大的记忆、计算和逻辑功能为自适应原理在几点保护中的应用创造了条件。这个概念在距离保护、差动保护、过流保护、重合闸等方面都有广泛的

19、应用前景。它具有能够改变系统响应，增强可靠性、提高保护性能等有点。随着理论研究的深入，更多的自适应方案将会出现，特别是随着通信网络的完善，自适应保护远离将不再局限在保护判据、保护算法的自适应，整个电网继电保护系统的自适应配置、定值的自适应在线调整等更大范围、更复杂的自适应应用也有可能实现。第二章 微机保护2.1 微机保护具有的特点（1）维护调试方便传统的电磁型、整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂的保护，例如超高压线路的保护设备，调试一套保护常常需要一周，甚至更长的时间。这类保护都是布线逻辑的，保护的每一种功能都由相应的硬件器件和连线来实现。为确认保护装置是否完好，就需

20、要把所具备的各种功能都通过模拟实验校核。微机保护中，各种复杂的功能是由相应的软件来实现，只要简单的操作就可以完成微机保护的软硬件调试，从而大大减轻运行维护工作量。（2） 可靠性高微机保护在程序指挥下，有极强的综合分析和判断能力，它可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。微机保护具有自诊断功能，能够自动检测出本身硬件的异常部分，有效的防止拒动，具有很高的可靠性和抗干扰能力。（3）易于获得附加功能微机保护可以配置打印和显示功能，当系统发生故障时，可提供相关信息，例如保护各部分 的动作顺序和动作时间记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等。对于

21、线路保护，还可以提供故障点的位置。这样有助于运行部门对事故的分析和处理。（4） 灵活性由于微机保护的功能特性主要由软件决定，不同原理的保护可以采用通用的硬件，因此只要改变相应的功能软件，就可以改变保护的特性和功能，从而灵活的适应电力系统运行方式的变化。（5）保护性能提高由于微机保护的应用，使很多原有继电保护中存在的问题得以解决，例如对接地距离保护的允许过度电阻的能力，距离保护如何区别振荡和短路，大型变压器差动保护如何识别励磁涌动和内部故障等问题都已提出了许多新的原理和解决方法。（6） 实现网络化微机保护具有很强的数据通信能力，微机保护装置可通过通信接口，实现网络连接，将所有信息传至中心站，实现

22、信息共享，集中管理和远程操作维护。实现遥测、遥控、遥信、遥调功能，提高设备管理水平，确保电力系统安全、稳定、经济运行。从计算机保护出现以来，人们都不断对它的发展、前途和优缺点等作出过评述和估计。计算机保护的优缺点如下优点：程序可以实现自适应性，可按系统运行状态而自动改变整定值和特性；有可存取的存储器；在现场可灵活地改变继电器的特性；可以使保护性能得到更大的改进；有自检能力；有利于事故后分析；可与计算机交换信息；可增加硬件的功能；可在低功率传变机构内工作。缺点：与传统的保护有根本性的背离；使用者较难维护；要求硬件和软件有高度可靠性；硬件很快成为过时；在操纵和维护过程中，使用人员较难掌握。微机保护

23、的优缺点既取决于技术方面，又与各国的技术经济发展状况有关。但计算机良好的记忆存储能力和强大的运算能力，这两个重要的优点，正被广泛引起重视。利用计算机的记忆能力，可以方便地获取故障分量并保持较长时间且有较好的准确性。而在模拟式保护装置，其记忆时间主是靠电感、电容元件的“惯性”来实现存储的，而这些“惯性的存储”是随时间而衰减的，因此是定量地利用所记忆的电量来准确地获取故障分量是不容易的。利用计算机的强有力的运算能力，可以将自动控制理论的一些成果引入继电保护。基于这些理论的应用，可以使继电保护的动作特性从根本上得到一些改进。2.2 计算机保护的基本构成传统的继电保护是利用各种继电器等硬件构成，如定时

24、限过流保护是由过流继电器、时间继电器、信号继电器等组成；而微机保护是由硬件装置和软件构成。从功能上来划分，微机保护装置可以分为 6 个部分：1.模拟量输人系统（或称数据采集系统）；2.继电功能回路（CPU 主系统）；3.开关量输入/输出回路；4.人机接口回路；5.通信回路；6.电源回路。图 2-1 微机距离保护装置硬件结构框图微机继电保护的主要部分是计算机本体，它被用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后决定是否发出跳闸信号。因此，除计算机本体外，还必须配备自电力系统向计算机输入有关信息的输入接口部分和计算机向电力系统输出控制信息的输出接口部分。第三章 高压线路距离保护3.1

25、 距离保护的作用原理距离保护是反应故障点至保护安装处之间的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。实际上是测量保护安装处至故障点之间的阻抗大小，故有时又称阻抗保护。实质是用整定阻抗 Zdz 与测量阻抗 Zcl 比较。当短路点在保护范围以内时，即 Zcl Zdz 时，保护动作；反之保护不动作。因此，距离保护又称低阻抗保护。如图图 3-1 距离保护又称为低阻抗保护3.1.2 距离保护的时限特性距离保护的动作时间与保护安装处至故障点之间距离的关系，称为距离保护的时限特性。为了保证选择性，广泛应用的是阶梯形时限特性，这种时限特性与三段式电流保护的时限特性相同，一般也做成三阶梯式，

26、即有与三个动作范围相对应的三个动作时限。图 3-2 距离保护的三个动作范围相对应的三个动作时限（1）距离保护第段（距离段）为无延时的速动段，其动作时限仅为保护装置的固有动作时间。段的保护范围不能延伸到下一线路中去，而为本线路全长的 80%85%，动作阻抗整定为 80%85%线路全长的阻抗。（2）距离保护第段（距离段）为带延时的速动段，为了有选择性地动作，距离 II 段的动作时限和启动值要与相邻下一条线路保护的 I 段和 II 段相配合。（3）距离保护第段（距离段）距离 III 段为本线路和相邻线路(元件)的后备保护，其动作时限的整定原则与过电流保护相同，即大于下一条变电站母线出口保护的最大动作

27、时限一个t ，其动作阻抗应按躲过正常运行时的最小负荷阻抗来整定。3.2 微机型阻抗保护特性分析在继电保护技术中，阻抗保护占有相当重要的地位。微机型阻抗保护也是分析微机保护的主题。1 理想的阻抗保护动作特性设在图 3-2A 所示的网络中的 3DL 上装阻抗保护，将线路阻抗表示在复平时如图 3-2B 所示的 MN，以 3DL 上阻抗第段保护为例，设整定阻抗为 ZS 处故Rg 则理想的阻抗保护动作特性应该是以 ZS 为一个边， 为障点的过渡电阻为 Rg ；另一个边所围成的平行四边形（图 3-2B 中的 ABCO）,这样在保护范围内故障时，保护都能可靠地动作。但上述特性用于实际时，有两个严重的缺点：其

28、一，在保护出口三相对称短路时会出现死区；其二，是在下级出口（图 3-2 中 K2 点）短路时，保护可能会超越性动作。为此，对上述平行四边特性必须加以修正。在传统的保护中，大多是修正成圆特性（图 3-3）所示。从图 3-3 可看出，平行四边形超越动作的部分被“切掉”即不会发生超越性动作；但抗过渡电阻的能力却明显下降，特别是在保护出口处故障，抗过渡电阻的能力更差。传统的保护若是实现四边形特性，接线将十分复杂，若是解决四边形特性中的超越问题，实现起来以更困难了。改成圆特性后，超越问题得到很好的解决，且接线也比较简单，但一直受抗 Rj 能力差困扰，也存在保护出口处三相短路时死区的问题。2 微机阻抗保护

29、动作特性微机阻抗保护由于用软件实现保护功能，最容易实现多边形特性，如图 3-4。它可充分利用微机的强记忆功能和快速计算能力，根据各种算法在电压和电流的相量采样后，通过阻抗计算求得 X 和 R 分量值来确定故障点是否处于动作区内。图 3-4 中第二象限和第四象限的边界线均倾斜 15o 角，是因为 tg15o1/4，实现最方便。为提高长线路避越负荷阻抗的能力，多边形一边与实轴夹角选定为60o。值的选择原则以躲区外故障时的超越为准。为了解决正方向出口故障的死区问题，保证正方向出口可靠的动作，动作特性除了执行多边形特性外，还叠加了一个包括坐标圆点在内的一个小矩形区域，二者构成“或”的关系。图 3-4

30、包括原点的阻抗动作特性 图 3-5 微机阻抗原件动作特性区域划分除了小矩形之外的动作区域的判据，就不像常规距离保护那么容易，不能用一个简单动作方程式来判别，其原因是特性不是一规则形状，为此将其分成三个动作区域 A1、 A2、 A3，如图 3-5 所示。3 计算阻抗落于动作区的判据由计算阻抗 Z cal (R.X)落于阻抗平面的 A1 区域内时如图 3-6 所示，过 Z 点作DC 和 CB 的平行线，分别与 R 轴、 jX 轴交于 B1 和 D1 点。因 B1 和 D1 的位置可由下述计算而得图 3-6 计算阻抗落于动作区OB 1 = OG 1 B 1G 1 = R (3-1)OD 2 = OF

31、 + FD 2 = X + Rtg = X + 由此可见计算阻抗 Z cal 落于动作区域的判据为OB1OBOD1OD (3-2)即 (3-3)式中 、 采样值计算出的电阻和电抗值。最后只需判断是否满足下列条件 (3-4)同理，落于 A2 区动作方程为 (3-5)落于 A3 区动作方程为 (3-6)4 微机阻抗元件第段整定计算方法整定计算中可采用标么值进行计算，由运行方式提供的最大负荷视在功率，可求得视在功率标么值 ;计算阻抗值（也就是段阻抗动作阻抗标么值）为式中 基准功率；计算动作阻抗；可靠系数，取 0.70.8； 最小负荷阻抗标么值，额定电压标么值。微机保护的动作原理及特性分析是我们设计微

32、机保护的前提条件，在掌握了微机保护应有的功能和原理后，下面，我就来逐步设计出一套基本的微机保护装置。第四章 计算机继电保护的算法设计4.1 概述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。算法是研究微机保护的重点之一。目前已提出的算法有很多种。分析评价各种不同的算法优劣的标准是精度和速度。其中，速度又包括两个方面：一是算法所要求的采样点数，二是算法的运算工作量。精度和速度又总是矛盾的。所以研究算法的实质是如何在速度和精度两方面进行权衡。4.2 算法举例1. 微分方程算法解微分方程法仅用于计算阻抗。它假设被保护输电线的分布电容可

33、以忽略，因而从故障点到保护安装处的线路段可用一电阻和电感串联电路来表示。于是在短路时下列微分方程成立： （4-1）式中，、故障点至保护安装处线路段的正序电阻和电感，U、 i 分别为保护安装处的电压、电流。若用于反映线路相间短路保护，则方程中电压、电流的组合与常规保护相同；若用于反映线路接地短路保护，则方程中的电压用相电压、电流用相电流加零序补偿电流。式（4-1）中的 u、 i 和 di 、 dt 都是可以测量、计算的，未知数为、和。如果在两个不同的时刻、 分别测量 u、 i 和 di 、 dt ，就可得到两个独立的方程，即式中 D 表示 di 、dt ，下标“1”和“2”分别表示测量时刻为、和

34、 。联立求解上述两个方程可求得两个未知数、和 。 在用微机处理时，电流的导数可用差分来似近计算，最简单的方法是取、。分别为两个相邻的采样瞬间的中间值，如图 4-1 所示。于是近似有电流、电压取相邻采样的平均值，有 从上述方程可以看出，解微分方程法实际上解的是一组二元一次代数方程，图 4-1 用差分近似求导数法，带微分符号的量 D1 和 D2 是测量计算得到的已知数。解微分方程算法所依据的微分方程式（4-1）忽略了输电线路分布电容。由此带来的误差需要用一个低通滤波器预先滤除电压和电流中的高频分量就可以基本消除。因为分布电容的容抗只有对高频分量才是不可忽略的。解微分方程算法可以不必滤除非同期分量，

35、因而算法时窗较短。且它不受电网频率变化的影响。但将这种算法和低通滤波器配合使用时，它将受信号中的噪声影响比较大。2傅立叶算法傅里叶算法的基本思路来自傅里叶级数。本身具有滤波作用。它假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波，傅氏算法从傅氏级数导出，它假定被采样信号是周期性的。符合这一假定时，它可以准确地求出基频分量。但实际上电流中的非同期分量不是纯直流而按指数规律衰减的，是连续的，不但含有直流分量，还有许多低频分量。另外对于输电线保护来说，由于线路分布电容而造成的暂态高频分量的主要频率成份取决于行波在故障点和保护安装处母线之间来回反射所需要的时间，它不一

36、定是基波分量的整数倍。再者，这些高频分量也都是随时间不断衰减的。总之短路后的电流和电压都不是周期函数。实际上傅氏算法不仅能完全滤掉各种整次谐波和纯直流分量，对非整次高频分量和按指数衰减的非同期分量包含的低频分量也有一定的抑制能力。因为对于目前实际可能的最长线路，由于分布电容引起的高频分量都比50HZ 高得多，一般在 150HZ 以上，对这些频率成分傅氏算法的滤波能力很好。但也可看出它对由于非周期分量引起的低频分量抑制能力较差。试验证明，如果不采取措施，在最严重的情况下，由非周期分量造成的傅氏算法的计算误差可能超过 10。因此，国内很多单位提出了各种补救措施。3半周积分算法当被采样的模拟量是交流

37、正弦量时可使用半周积分算法，如稳态短路电流的采样或后备保护的采样时可采用半周积分算法。该算法的依据是一个正弦量在任意半周期内绝对值的积分为一个常数 S，并且积分值 S 和积分的起始点初相角无关。半周积分算法也有一定的滤波作用，因为在半波积分过程中，谐波中的正负半周相抵消，剩余未被抵消的部分占总和的比重就减少。但由于它不能全部滤除谐波分量，因此仍要求加入滤波环节。4各种算法的应用本文设计的距离保护，其电流起动判据就是采用半周积分法来粗略地估算，以判别是否发生故障。全周傅氏算法、解微分方程算法都有用于构成高压线路阻抗保护的实例，各有其特点。一般采用傅氏算法时需考虑衰减直流分量造成的计算误差，以及采

38、取适当的补救措施。解微分算法一般不宜单独应用于分布电容不可忽略的较长线路,但若将它配以适当的数字滤波器而构成的高压、超高压长距离输电线的距离保护，还是能得到满意的效果的，因此本次设计的距离保护阻抗计算算法采用解微分方程法。第五章 微型机距离保护的软件设计5.1 软件设计总框图本保护装置软件流程是参照国内对距离保护的四统一要求（把四统一要求详细写出来）设计的。全部软件可以分成若干个程序模块。如图 5-1 所示。下面对图 5-1 中标有序号的 6 个模块进行重点介绍，先说明各模块之间的连接关系和装置的总体工作原理。1主程序图 5-1 中左上角是程序的入口。每当装置刚按通电源或手按复位（RESET）

39、按钮后，CPU 都要响应复位中断，它将从一个规定的地址（称复位向量地址，它必须在 EPROM 区，不能在 RAM 区）去提取第一条要执行的指令所存放的地址。从图中可看出，程序入口的第一个模块是初始化。经过初始化后，数据采集系统将开始工作，可编程的定时器将按照初始化程序规定的采样间隔 TS（本装置TS=1ms）不断地发出采样脉冲，控制各通道的采样保持器同时采样。并在每一次采样后向 CPU 请求中断。2中断服务程序中断服务程序示于图 5-1 的右侧，它主要包括三部分内容，一是用程序查询方式控制多路开关和模数转换器轮流将各模拟输入量的采样值转换成数字量，然后存入 RAM 区的循环寄存区；二是必须在中

40、断服务程序中进行一些自动检测项目，例如对每一组采样值检查三相电流之和是否与 3i。从图 5-2 左侧的主程序流程可见，在初始化刚完成，定时器尚未发出第一个采样脉冲前，先将一个标志字 FRST 置“1”。主程序在将 FRST 置“1”后即进入振荡闭锁模块，经过确认系统在正常运行无振荡后才将 FRST(及所有的标志字)清零，这相当于常规距离保护的整组复归。此后，在中断服务程序中的起动元件开始投入工作，主程序则进入一个自检循环回路。它除了周而复始地对装置各部分进行自动检测外，另外，保护装置在起动或动作后的各种信息不是立即通过打印机打印出，而是将信息先存放在一个规定的 RAM 区，并给相应标志字赋值，

41、待整组复归后再在自检循环时查询这些标志字，再将信息逐条打印出。如果系统在正常运行，则主程序将一直在上述自检循环中循环，每隔 1ms(该装置的采样间隔时间)被定时器中断打断，去执行一次中断服务程序中断服务程序则必须在 1ms 的时间内完成，否则将丢失数据。中断服务程序执行完毕后又回到主程序中被中断的地址(记忆在堆栈寄存器中)，继续自检循环。3故障处理程序如果电力系统有故障，它首先将标志字 FRST 置“1”，然后通过开关量输出电路驱动一个继电器发出中央和本地的保护起动信号， 5-1 中间的故障处理程图序的人口地址，再从中断返还。在执行故障处理的过程中，定时器仍将每隔 1ms发出中断请求，但中断服

42、务程序中因 FRST 已被置“1”，从而省出了 CPU 时间，加快故障处理。故障处理程序主要包括两个模块，一是故障相判别模块，二是阻抗计算和区段比较模块。如果故障发生在区外，则程序流程转向振荡闭锁，在区外故障切除，振荡停息后整组复归。如果是区内故障，保护装置在发出跳闸命令后，通过不断监视故障相是否有电流来判断断路器是否已切除故障。在跳闸完成后收回跳闸命令并经振荡闭锁模块整组复归。如果发出跳闸命令后经过 5s 故障相仍有电流，保护装置将收回跳闸命令，并发出呼唤警报。此后 CPU 处在等待值班人员处理的状态。故障处理程序是主程序的一部分，不要求在一个采样间隔时间内完成，所以图 5-1 的软件安排方

43、法对硬件速度的要求是必须在一个采样间隔时间内完成中断服务程序，而并不要求在一个采样间隔内必须完成一次阻抗计算。5.2 程序模块介绍1.初始化在初始化模块中执行的程序内容见图 5-2。（1）对所有可编程序的并行接口的初始化，规定每个端口的作输入还是输出，用于输出的则要赋值等。（2）读取所有开关量输入的状态，并将其保存在 RAM 区规定的地址内，以备以后在自检循环时不断监视开关量输入是否有变化。（3）对装置的硬件进行一次全面的自检，因为它尚未工作。对数据采集系统的检测安排在中断服务程序中。（4）将所有的标志字清零。（5）进行数据采集系统的初始化，包括对定时器以及循环寄存区地址指针的初始化等。（6）

44、开放中断，刚给上电源时中断都是由硬件自动屏蔽的。（7）程序转入振荡闭锁模块。2起动元件微机保护通常采用电流突变量起动元件。因为循环寄存区有一定的存储和记忆容量（该装置为 5 个工频周期），可以方便地取得电流的突变量， （5-1）式中 电流在某一时刻 K 的采样值；N 一个工频周期内的采样点数，在 Ts=1ms 时，N=20； 比早 20ms 的采样值； K 时刻电流的突变量。从图 5-3 可以看出，当系统在正常运行时，负荷电流是稳定的，或者说负荷虽时时有变化，但不会在一个工频周期这样短的时间内突然变化很大，因此这时 和 应当接近相等。如果在某一时刻发生短路，故障相电流突然增大如图5-3 虚线所

45、示，则在 K 点以后将有突变量电流。按式（5-1）计算得到的 实质是用叠加原理分析短路电流时的事故分量电流，负荷分量在式中被减去了。从式中取得的突变量仅在短路了生后的第一周期内存在。采用这样计算方法存在的一个问题是电网频率偏离 50HZ 时会产生一定的不平衡电流，因为 和的采样时刻差 20ms，这决定于微机的定时器，它是由石英晶振荡器控制的，十分精确和稳定。电网频率变化后， 和 对应电流波形的电角度将不再同相，而有一个差值 ，特别是当 K 落在电流过零附近时，由于电流变化较快，不大的 引起的不平衡电流较大，在线路满载时可能使起动元件误动作。因此，为了补偿电网频率变化引起的不平衡电流，本装置采用

46、的方法是按式(5-2)取得突变电流，由于频率偏离，造成 和 之间一个相角差 ，则之间的角差也应当相同，因而式（5-2）右侧两项可以得到部分抵消，特别是当 K 落在电流过零附近时，这两项各自都可能较大，但由于 很小时， sin ，所以这两项将几乎完全抵消。应当指出，用式(5-2)不仅可以补偿频率偏离产生的不平衡电流，还可以减弱由于系统静稳破坏而引起的不平衡电流，使只有振荡周期很小时才会误动作，这就保证了静稳破坏检测元件能可靠地抢先动作。式(5-2)对应的突变量的存在时间不是 20ms,而是 40ms。该装置起动元件的实际程序流程图示于图 5-4。注意它是安排在中断服务程序中的，因此是每一毫秒执行

47、一次； 5-4 中 为图按式(5-2)计算得到的当前一次采样值(k)的 A 相电流突变量。KA 则为 RAM 区某一字节，用作计数标志，它在初始化和整组复归时被清零。图中只详细画出了 A相部分，B 相和 C 相的流程和 A 相一样，三者构成“或”的关系。由图可见，为了提高抗干扰能力，起动元件在任一相电流累计有三次超过门槛值的突变量时才起动。显然，这种相电流突变量起动元件也可以可靠地反映三相同时的对称短路3故障相判别在用微机构成距离保护时，为了反映各种故障类型，也要有不同的程序分别取用不同相别的电压和电流采样值来进行阻抗计算通常为了简化硬件，CPU 只有一个，这就不能同时进行各种故障类型的感受阻

48、抗的计算。为此微机距离保护装置设置了一个故障相判别程序，在突变量起动元件检出系统有故障后，先由它判别故障类型和相别，然后针对已知的相别提相应的电压、电流，进行阻抗计算。微机可以方便地取得各相电流的突变量，去掉负荷分量的影响，使故障相判别十分简单和可靠，而且切换完全由软件实现，并没有真正的切换接点，因此相别切换的原理在微机距离保护中得到了广泛的应用。由分析可得出各种故障类型的特征可作为故障相判别程序的依据。（以下电流均指突变量电流，即事故分量电流）表 5-1 故障类型及其特征根据以上分析，编制出故障相判别程序的流程图如图 5-5 所示。流程图步骤如下：（1）算三种电流差突变量的有效值 ，和。（2

49、）比较求出三者中的一个最小者。图中仅详细示出了其他两种情况可以类推。如果最小，则先判别是否单相接地，如果是单相接地，只可能是 A 相接地。判别方法是观察如果是否远小于另两相电流的有效值。因为其他形式的短路，都不符合以上特征。（3）如果经判断不是单相接地，那么必定是相间短路只要找出哪一种相电流差的有效值最大，即可按这种两相短路计算阻抗。因为不论是两相短路还是两相接地短路，两个故障相间的相电流差必定最大。（4）对于三相短路，由于三种相电流差的有效值理论上应相等，因此将按图 5-5 的流程随机地选出两相进行阻抗计算，如果是转换性故障(例如由单相接地转换成两相接地)，而且转换时间在上述算法的数据窗长度

50、以内，则判断结果可能为先接地的那一相单相接地，也可能为相间短路，但不论用哪一种电压和电流计算阻抗，都能正确反映故障距离。4区段比较本装置设有三段相间距离和二段接地距离。相间和接地距离的阻抗动作特性均为多边形。阻抗计算方法采用解微分方程法。本模块的详细流程示于图 5-6 所示。首先根据故障相判别的结果，计算故障相（或相间）的阻抗。阻抗计算完毕后，将计算结果先暂存起来，然后能过开关量输入通道查询手合继电器接点是否闭合，如果是手投在故障线路，可以加速段跳闸。为了适应电压互感器在线路侧的场合，此时段的特性应偏移，使之包括坐标原点。如果手合于正常线路，保护虽可能起动但测量阻抗在偏移段外，故程序转至振荡闭

51、锁。如果没有手合加速信号，程序的下一步是判断是否为出口短路，如果是金属性出口短路，由于电压为零，计算结果 X 和 R 理论上均为零，而可能是一很小的数值，符号是随机的，可能是正也可能为负，因而不能用此时的数值的符号作为判别正反故障的依据。为此加设以下方向判别的条件，即先判断是否为出口短路，判断的准则是 X 和 R 的绝对值均远小于段的定值。如果是出口短路，则从循环寄存区中调取故障前一个工频周期的电压量来同故障后的电流量比相，以判别是正方向还是反方向出口短路。如为正方向则立即出口，如为反方向则程序转至振荡闭锁。如果不是出口短路，则 X 和 R 的符号可以用来作为方向判别的依据，如果故障是在正向段

52、保护范围内则立即跳闸，如在段范围内则要经预定延时 t n 后跳闸。在 t n 延时到达以前，微机不断利用最新得到的电压和电流采样值进行故障相（或相间）的阻抗计算，一旦发现感受阻抗走出段动作区（表示故障已由相邻线路开关切除），程序又转至振荡闭锁。从图 5-6 可见，保护装置经各种途径出口时都准备好了相应的报告内容，但不马上打印，因这时 CPU 还要处理其他事务，待整组复归才打印报告，如图 5-1所示。第六章 提高微机保护装置可靠性设计6.1 总述制定提高微机保护装置可靠性的措施，是以对整机和零部件可靠性的分析及对可能出现的故障的研究为基础的。微机保护装置的可靠性主要面临两个问题，一是元器件损坏，

53、二是干扰引起的功能障碍。微机保护由于计算机的工作是在时钟节拍的严格控制下以较高速度同步进行的，不能简单的设置延时电路，这就增加了干扰问题的严重性，干扰对微机保护装置的影响是严重的。所以提高微机保护装置可靠性的重点是在抗干扰上。6.2 干扰源干扰就是除有用信号以外的所有可能对装置的正常工作造成不利影响的内外电磁信号。一般认为，干扰形式有两种，即横模干扰和共模干扰。实际现场中干扰来至如下几点：(1)高压隔离开关和断路器的操作。这些操作可能在母线或线路上引起含有多种频率分量的衰减震荡波，母线(或电气设备间的连线)相当于天线，将暂态电磁场的能量向周围空间辐射，同时通过连接在母线或线路上的测量设备直接耦

54、合至二次回路。断路器操作产生的电磁干扰频率一般为 0.180mhz，每串电磁干扰波的持续时间为 10s10ms。由理论分析和实测数据可得出如下规律：暂态电磁场的幅值随电压等级的增高而增高，主导频率随电压等级增高而降低。与隔离开关操作相比，断路器操作所引起暂态电磁场的幅值小，主导频率高、脉冲总数少。快速隔离开关比慢速隔离开关产生的暂态重复频率低、持续时间短。慢速隔离开关一次操作中可能产生上万个脉冲，而快速隔离开关只产生几十个脉冲。(2)雷击线路、构架和控制楼。直接雷击到户外线路或构架，会有大电流流入接地网，二次电缆的屏蔽层在不同的接地点接地时，就会因地网电阻的存在而产生流过屏蔽层的暂态电流，从而

55、在二次电缆的心线中感应出干扰电压，线路感应的过电压也会通过测量设备引入二次回路。由雷击变电所在二次回路中产生的干扰电压可高达 30kV，其频率可达几兆赫。(3)系统短路故障。系统短路故障与雷击构架一样会引起地网电位的升高，从而在二次电缆中引起干扰电压。变电所内高压母线单相接地时，在二次电缆心线上产生的干扰电压可以从几十伏到近万伏，暂态干扰电压的频率约千赫到几百千赫。(4)靠近高压线路受其工频电磁场作用。这对于电子束类的显示设备产生电磁干扰是十分明显的。在户外变电所中，高压线路或汇流排会产生工频电磁场。一般而言，电压等级越高，产生的电场也越大，但磁场相反减小。(5)局部放电产生频率较高的电磁辐射，可能在电子设备的线路中引起电磁干扰。(6)二次回路中的开关操作。由于感性负载的存在，在二次回路的信号电源端口以及控制端口产生快速瞬变的脉冲干扰。由于电磁电器的大量使用，在二次回路自身工作时会产生中等频率的振荡暂态电压。6.3 防止干扰进入微机保护装置的对策首要任务是切断各种耦合途径，防止干扰进入微机保护装置。下面所举的各