继电保护原理---第十四章-微机继电保护原理课件

1、继电保护原理第十四章 微机继电保护原理第十四章 微机继电保护原理第一节 概述第二节 微机继电保护装置硬件的构成原理第三节 数字滤波器第四节 微机继电保护的算法第五节 微机保护的软件第六节 提高危机继电保护装置可靠性的措施本章学习要求1、了解微机保护装置硬件构成原理。重点掌握数据采集系统。2、掌握数字滤波器的基本概念和几种基本数字滤波器。3、掌握微机保护的几种基本算法，并比较各种算法的优缺点。4、了解微机保护软件构成原理。掌握流程图的设计方法。5、了解微机抗干扰的基本措施和具体实施方法。第十四章 微机继电保护原理第一节 概述一、微机继电保护发展概述二、微机保护的特点 一、微机继电保护发展概况微机

2、计算机继电保护，简称微机保护，是数字式继电保护，是基于可编程数字电路技术和实时数字信号处理技术实现的电力系统继电保护。对于微机保护的一些基本概念在第一章第三节中数字型的微机继电保护中已作了简要介绍。继电保护装置按其实现技术可分为机电型、整流型、晶体管型、集成电路型和微机型五大类，虽然目前这五类保护在电力系统中都在使用，但微机保护装置在电力系统中已占主导地位，在发达国家，微机保护占现有保护的70%以上。目前，国内外已研制出以32位数字信号处理器为硬件基础的保护、控制、测量及数据通信一体化的微机保护综合控制装置。一些人工智能技术引入继电保护中，如用人工神经网络、模糊理论实现故障类型判别、故障测距、

3、方向保护、主设备保护等新方法。用小波理论的数字手段分析故障产生信号的整个频带信息并用于实现故障检测。这些人工智能技术不仅为提高故障判别精确度提供了手段，而且使某些基于单一工频信号的传统算法难以识别的问题得到解决。目前，微机继电保护正沿着微机保护网络化、智能化、自适应和保护、控制、测量、信号、数据通信一体化的方向发展。二、微机保护的特点 (1)维修调试方便 (2)可靠性高 (3)易于获得各种附加功能 (4)灵活性大（5）保护性能易于改善 (6) 经济性好 第二节 微机保护装置的硬件构成原理一、数据采集系统二、计算机系统三、开关量输入输出单元四、通讯单元五、电源 微机保护装置的结构如图14-0所示

4、：图14-0 微机保护装置硬件原理框图第二节 微机保护装置的硬件构成原理第二节 微机保护装置的硬件构成原理微机保护装置的硬件结构如图14-0所示，由数据采集单系统，即模拟量输入部分；数据处理系统，即计算机系统；开关量输入/输出通道；外部通信接口和电源构成。（1） 数据采集系统。模拟量输入通道为电流、电压信号，由于电流、电压为随时间变化的连续信号，而计算机只接收数字信号，因此，需要将这种类型的模拟信号转变为数字信号，完成模拟量到数字量的转换。包括电流、电压形成和模数转换模块，完成模拟输入量准确地转换为数字信号的功能；（2）计算机系统。计算机系统包括微处理器、存储器、随机存储器、定时器及并行口等。

5、微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护功能；第二节 微机保护装置的硬件构成原理（3）开关量输入输出通道。微机继电保护装置通过数字量输出实现对断路器等控制。由若干并行接口、光电耦合器件及中间继电器等组成，完成各种保护出口跳闸、信号报警、外部触点输入及人机对话等功能；（4）通信接口。包括通信接口电路和接口，以实现多机通信或联网；（5）电源。电源的作用是将220V或110V直流电源变换成供给微处理器、数字电路、模数转换芯片及继电器所需要的弱电电压，有12V、24V、5V等。微机保护模数变换方式主要有两种，一种是ADC方式

6、，另一种是VFC方式。对于中低压电力系统，这两种方式都在使用，而高压或超过高压的保护装置，我国目前采用VFC变换方式。ADC方式是将模拟量直接转换为数字量的方法，而VFC是将模拟量先转变为频变脉冲量，再通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式。ADC式数据采集系统如图14-1(a)所示。图14-1 (a) ADC数据采集系统框图一、数据采集系统比较式（ADC）数据采集系统VFC型数据采集系统示意图VFC型数据采集系统如图14-1（b）所示图14-1（b） 压频转换式（VFC）数据采集系统(一)ADC式数据采集系统1、电压形成回路1、电压形成回路交流电流变换一般采用电流变换器（UA），并在其二次侧

7、并联电阻以取得微机保护装置硬件电路所需要的电压信号，只要铁心不饱和，其二次电流及并联电阻上电压波形就可保持与一次电流波形相同且同相，可以做到不失真变换。电流变换器在非周期分量的作用下容易饱和。其线性度变差，动态范围也变小。电压形成回路除了起电量变换外，还起到隔离作用，它使微机保护装置在电路上与电力系统二次回路隔离，在变换器初级与次级绕组之间通常有接地的屏蔽绕组以防止来自高压系统的电磁干扰。1、电压形成回路电抗变换器（UX）的优点是：线性范围大，铁芯不易饱和。有移相作用，它能抑制低频分量，放大高频分量，因此，二次侧电压波形在暂态时会发生畸变。电流变换器、电压变换器和电抗变换器的工作原理在第二章第

8、三节已详细分析过，这里不再介绍。电流、电压变换器2、采样保持（S/H）电路和模拟滤波器（1）采样保持（S/H）电路采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模数转换器进行转换的期间内保持输出不变。把随时间连续变化的电气量离散化。采样保持电路的工作原理可用图14-3说明。图14-3 采样保持电路图14-3 采样保持电路采样保持电路由一个电子模拟开关AS、电容C和两个阻抗变换器构成。开关AS受逻辑输入端电平控制。在高压平时AS“闭合”，此时电路处于采样状态，C迅速充电或放电到采样时刻电压值。AS的闭合时间应满足使C有足够的充电和放电时间，即采样时间。为缩短采样时间采

9、用阻抗变换器，（1）采样保持（S/H）电路（1）采样保持（S/H）电路为缩短采样时间采用阻抗变换器，它在输入端呈现高阻抗，输出端呈现低阻抗，使电容C上电压能迅速跟踪值。AS打开时，电容C上保持住AS打开瞬时的电压，电路处于保持状态。同样，为提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器，它对C呈现高阻抗，而输出阻抗低，以增强带负荷能力。图14-3采样保持电路工作原理（2）模拟低通滤波器（ALF）电力系统在发生故障时，故障瞬间的电压或电流里一般含有各种高频分量，而目前微机保护原理大部分是反映工频分量的，同时任何实际的变换器所能达到最高采样频率总是有限的。 由奈奎斯特采样定理可知，如果被采样信号为有限

10、带宽的连续信号，其所含的最高频率成分为fmax；则采样频率应不小于2fmax，原来的模拟信号就可以完全恢复而不会畸变。否则将产生频率混叠现象，使原来的信号波形发生畸变。（2）模拟低通滤波器（ALF）为了防止频率混叠，微机保护系统采样频率必须高达4kMHz，这样对微机中央处理单元（CPU）的速度提出了过高要求，因为数据采集系统是以采样频率向CPU输入数据，而CPU必须在两次采样间隔时间（采样周期等于1/fmax）内，处理完对一组采样值必须作的各种操作及运算，否则，CPU将跟不上时钟节拍而无法正常工作。故fmas越高，则要求CPU的速度越快。 （2）模拟低通滤波器（ALF）如果在故障电压或电流等模

11、拟量进入采样保持器之前，用一个模拟低通滤波器（ALF）将高频分量滤掉，仅让低频分量通过，就可降低采样频率fs的值。从而降低了对微机硬件系统的过高要求。使用采样频率通常按保护原理所用信号频率的410倍来选择。例如常用采样频率为fs=Nf1，（f1=50Hz）fs=600Hz（N=12），fs=800Hz （N=16），fs=1000Hz（N=20）fs=1200Hz（N=24）等，其中N为采样频率相对于基波频率的倍数，N 称为每基频周期采样点数。前置模拟低通滤波器通常分为两大类。一类是由RLC元件构成的无源滤波器；另一类是由集成运算放大器与RC元件构成的有源滤波器。1）无源滤波器1）无源滤波器无

12、源低通滤波器电路图和幅频特性如图14-4所示。是采用电阻电容C串联构成的滤波电路。无源滤波器幅频特性有源滤波器幅频特性图14-4(b)滤波器的幅频特性图14-4 电路图(a)2）有源滤波器如图14-5所示，有源滤波器原理电路。这种滤波器是由RC网络与运算放大器构成，具有良好的滤波性能，且阶数越高，它的频率响应就越具有十分平坦的通带和陡峭的过滤带，但会增加装置的复杂性和时延，故滤波器阶数不宜过高。图14-5是常用二阶有滤低通滤波电路，称为单端正反馈低通滤波器，它的优点是仅用一个运算放大器，结构简单，所用RC元件较少，当运算放大器频率偏离滤波器频率特性时不会引起振荡。其缺点是元件参数变化对滤波器滤

13、波效果影响较大。 有源滤波器原理电路图14-5 有源滤波器原理电路3模拟量多路转换开关（MPX）保护装置通常需要对多个模拟量同时采样，以准确得到各个电气量之间的相位关系并且使相位关系经过采样后保持不变。故硬件中对每个模拟量设置一套电压形成回路，ALF回路及S/H回路。但由于A/D转换器价格较贵，为了降低成本，采用多路采样，通道共用一个A/D转换器。用多路转换开关实现通道切换。常用的多路转换开关包括选择接通路数的二进制译码电路和由它控制的各路电子开关。它们被集成在一个芯片中。图14-6为常用16路多路转换开关芯片AD7506内部电路组成框图。它有A0-A3四个路数选择线以便由CPU通过并行接口芯

14、片或其它硬件电路给A0-A3赋以不同的二进制码，选通S1-S16中中相应的一路电子开关。3模拟量多路转换开关（MPX）将被选中的某一路模拟量，接通至公共的输出端供给A/D转换器。 为芯片选择线，只有 端接入高电平时MPX才处于工作状态，否则不论A0-A3在什么状态，S1-S16均处于断开状态。设置 是为了可将多个芯片并联使用以扩充多路转换开关的路数。图14-6多路转换开关原理图为最高位（MSB） 为最低位（LSB）。B1-Bn均为二进制码，其值只能是“1”或“0”。式（14-5）又可写为：4模数转换器（A/D）实现模拟量变换成数字量的硬件芯片称为模数转换器，也称为A/D转换器。A/D转换器可以

15、认为是一种译码电路，它将输入的模拟量相对于模拟参考量经译码电路转换成数字量D输出。一个理想的A/D转换器，其输入和输出关系式为： 式中D为小于1的数，可用二进制表示为：式（14-7）即为A/D转换器中模拟信号量化的表达式。(14-7)（14-5）（14-6）模数转换器可分为两大类型模数转换器可分为两大类型，即比较式和积分式 ，下面对这两种方式的原理进行简单说明。（1） 逐位比较式A/D转换器比较式有逐位比较式和并联比较式。以下介绍逐位比较式A/D转换器的工作原理。1）数模转换器（DAC或D/A转换器）由于逐位比较式A/D转换器要用到数模转换器D/A，因此先介绍D/A数模转换器。数模转换器作用是

16、将数字量D经解码电路变成模拟量输出。图14-7为一个四位数模转换器的原理图。模数转换器模数转换器可分为两大类，即比较式和积分式。比较式又分为逐位比较式和和并联比较式。这里只介绍逐位比较式，由于逐位比较式A/D转换器由数模转换器构成，因此先介绍数模转换器4模数转换器（A/D）逐位比较式A/D转换器图中电子开关分别受四位数字量控制。当某一位为“0”时，则对应开关向右（接地）；而为“1”时，则会向左接通运算放大器A的反相输入端（虚地）。流向运算放大器反相端的总电流反映了四位输入数字量的大小，它经过总反馈电阻变换成电压输出。由于运算放大器A的“+”接参考地，所以其负端为“虚地”，运算放大器A的反相输入

17、端电位实际上也是地电位，因此不论图中各开关合向那侧，对电阻网络中电流分配都不会有影响从图14-7中的、a、b、c四点分别向右看，网络等值电阻都是R，因而a点的电位必定是 b点电位为 ,c点电位为 。相应电流分别为输出总电流和输出电压输出电压为：输出总电流为：逐位比较式A/D转换器工作原理比较器控制器数码设定器D/A转换器输入电压UAUout由控制器首先在数码设定器中设置一个数码，并经D/A转换器转换为模拟量Uout ，使之与模拟量输入电压Uout相比较。若UoutUA，则重新设定极小的数码，转换成极小电压Uout与UA比较。如UoutUA, 则保留设置数码，并附加一个较小的数码，使总数码转换成

18、Uout 与UA再进行比较，并根据比较结果重复上述过程。直到Uout与UA接近到误差小于所允许的设定数码中可改变的最小值，则数码设定器此时的数码总值即为转换结果。图14-8 逐位比较式A/D转换器原理框图图14-10（a） 为每个输入量设置VFC 及计数器(二)VFC模数转换器间接型VFC模数转换器的作用是也是完成对交流输入变换器输出的模拟量进行数字量的转化。VFC型模数转换器各路采样并行工作，不再需要采样保持器。图14-10（a ）为每个输入量设置VFC 及计数器。图14-10(b) 多CPU共用VFC 型A/D 的接线图(二)VFC模数转换器典型电荷平衡式V/F转换器电路结构图图14-11

19、 V/F转换器电路结构图UinU0UcEr(二)VFC模数转换器典型的电荷平衡式VFC器件内部电路如图14-11所示。这种转换器的工作原理是产生频率正比于输入电压的脉冲序列，然后在固定时间内对脉冲序列计数，除计数器和定时器外，该电路可看作一个振荡频率受输入电压控制的多谐振荡器。A1为运算放大器，A1与R1、C共同构成一个积分器，A2为零电压比较器。VFC器件电路设计时，要求 I1maxI2=Er/R2：即Uinmax Uin/R1。因此，在期间积分器一定以反充电为主，使UC上升到某一电压值，T0结束后，由于只有正的输入电压Uin作用，使积分器充电，输出电压UC沿负斜线下降。当下降至0V时，比较

20、器翻转，再次触发脉冲发生器，产生一个宽度为T0的脉冲，再次反充电，如此反复振荡不止，其波形如图14-12所示。 经过数学分析，可得到输出电压的振荡频率与输入电压的关系为： 图14-12 波形图(二)VFC模数转换器这样只要测量VFC输出端方波脉冲频率，就可以反映输入电压的大小，通过计数器统计脉冲“个数”，取计数器输出的是数字量D，便于计算机读取。在一个采样间隔内对计数器计数结果进行读数，相当于在这个间隔时间内对脉冲“个数”进行求值计算可等效为积分。有： 这说明，VFC模数转换器的输出值与输入信号的积分成正比，且比例系数为常数，由积分关系可知VFC系统具有低通滤波的效果。图14-13 VFC的幅

21、频特性 f(二)VFC模数转换器（14-9）由VFCll0芯片构成的数据采集系统电路二、计算机系统计算机系统是由MPU微处理器、存储器、定时器/计数器等构成CPU主系统、接口板以及打印机等外围设备组成。下面简单介绍各部分的主要内容。1中央微处理器（CPU）CPU是计算机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的运行依赖于CPU来实现。因此，CPU的性能好坏在很大程度上决定了计算机系统性能的优劣。当前应用于电力系统中的微机继电保护所采用的CPU多种多样，且多为8位或16位CPU，如Intel公司的80868088、803l系列及其兼容产品8098、8096以及80C196等等。这一类CPU均是80、9

22、0年代的主流CPU。其中，80C196系列CPU是目前国内微机继电保护装置中最常采用的一种CPU。一方面这一系列CPU具有较高的性能价格比，另一方面这一系列CPU的指令、结构以及寻址方式等均与早期较流行的80988096相似，使早期基于80988096的微机继电保护装置可以较顺利地移植到80C196上来。随着微电子技术近几年来突飞猛进的发展，二、计算机系统新一代32位的CPU伴随着大规模超大规模集成电路的广泛应用而被新一代微机继电保护装置中普遍采用。这一类CPU品种较多，如Motorola公司的MC863XX系列就是目前使用较多的一类。另一方面，随着数字信号处理器(DSP)的广泛应用，微机继电

23、保护装置采用DSP来完成保护功能、实现保护算法已成为一种发展趋势。下面我们就来具体介绍一下DSP的特点及其作为微机继电保护装置中CPU主系统的优势。微机继电保护装置的CPU主系统二、计算机系统（1）数字信号处理器的概念及其特点（2）以数字信号处理器为核心的微机保护典型结构 （3）微机保护的CPU组合方案1）单CPU的结构。单CPU的微机保护装置是指整套微机保护共用一个单片微机完成数据采集、逻辑运算、人机接口、出口信号等任务。这是第一代微机保护装置的特点。如WBZ-01型微机变压器保护装置，主保护和后备保护共用一个CPU，可靠性不高。对于比较简单的微机保护，为了简化保护结构可以采用单CPU系统。

24、2）多CPU系统结构。多CPU的微机保护装置中，按功能配置多个CPU模块，分别完成不同保护原理的多重主保护、后备保护及人机对话等功能。多CPU结构的组合方式有很多，主要有下面几种 二、计算机系统(1)多个CPU的方案。 (2)CPU+DSP 方案。 (3)DSP+DSP的方案3定时器/计数器定时器/计数器在微机保护中十分重要，除计时作用外，它还有两个主要用途：（1）触发采样信号，引起中断采样；（2）在V/F变换式A/D中，是把频率信号转换为数字信号的关键部件。二、计算机系统4复位电路（Watchdog）当微机保护装置受到干扰导致运行程序跑飞后，系统可能陷入死循环，装置处于瘫痪状态。复位电路的作

25、用就是监视程序运行情况，当发生失控时，则立即动作使程序重新开始运行，以避免微机系统产生死机或误动作。三、开关量输入输出单元1开关量输入回路 对微机保护装置的开关量输入，即触点状态（接通或断开）的输入可以分为以下两大类： 安装在装置面板上的触点。 这类触点也叫低电平（5V）开关量输入，包括在装置调试时或运行中定期检查装置用的键盘触点以及切换装置工作方式用的转换开关等。对于装在装置面板上的触点可以直接接至微机的并行接口。如图14-15所示。在初始化时规定图中可编程并行接口的为输入方式，则微机通过软件查询，随时知道图14-15中外部触点的状态。闭合，；断开，其中电阻称为上拉电阻，为保证断开时，被拉到

26、“1”电平。安装在装置面板上的触点。图12-13 装置面板上的接点与微机接口连接图s1三、开关量输入输出单元图14-15从装置外部经过端子排引入装置的触点，例如，需要由运行人员不打开装置外盖而在运行中切换的各种压板，转换开关以及其他保护装置和操作继电器的接点等。三、开关量输入输出单元图12-14 装置外部接点与微机的连接接线图2、开关量输出回路图12-15 装置开关输出回路接线图开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号等。一般都采用并行接口的输出口来控制有触点继电器（干簧或密封小中间继电器）的方法，但为了提高抗干扰能力，最好经过一级光电隔离如图1417所示。14-172开关量输出回路

27、PB0输出“0”，PBl输出“1”，便可使与非门H1输出低电平，光敏三极管导通，继电器K被吸合。在初始化和需要继电器K返回时，应使PB0输出“1”，PBl输出“0”。设置反相器及与非门而不是将发光二极管直接同并行口相连，一方面是因为并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二极管，另一方面因为采用与非门后要满足两个条件才能使动作，增加了抗干扰能力。WXH820系列微机保护开关量输出电路板SR-100系列线路综合保护的显示及键盘四、通信单元随着微处理器和通讯技术的发展，其应用已从单机逐渐转向多机或联网，而多机应用的关键在于微机之间的相互通讯。为了实现调度自动化，微机保护装置需要与系统管理机通信，可以实

28、现调度对微机保护装置的实时监控，当发生故障时，还可以将微机保护故障信息上传。为此，微机保护装置一般装有RS-232和RS-485标准串行接口。为了获得更远距离、更可靠、更方便的传输特性，也有采用CAN总线接口方式。五、电源保护装置电源插件是逆变开关电源，具有很强的抗干扰能力。它提供了三组稳压电源：1+5V供各种保护CPU等芯片电源；215V供运算放大器及VFC模/数转换芯片电源；324V供启动、跳闸、信号、告警继电器电源。WXH820系列微机保护硬件电路板第三节 数字滤波器电力系统发生故障瞬间，由于电流和电压信号含有衰减的直流分量和各次谐波，而大多数保护装置的原理是建立在反映正弦基波或整数次谐

29、波基础之上，所以对输入信号要作滤波处理。微机保护装置处理的是离散的采样信号，为满足采样定理的要求，是用前置低通滤波器，滤出输入信号中那些高于的频率成分，但这只是为了防止频率混叠，但它的截止频率还是很高的，难以接近工频。在微机保护中采用数字滤波器滤出直流分量和部分谐波。第三节 数字滤波器一、数字滤波器的基本概念二、几种基本数字滤波器 1、减法滤波器 2、加法滤波器 3、积分滤波器 4、级联滤波器数字滤波器通过数字运算和编制程序，由计算机执行程序以实现滤波。与模拟滤波器相比，数字滤波器主要有以下优点：（1）精度高。数字滤波器中增加字长很容易提高精度；（2）可靠性高。滤波性能不受环境和温度影响，稳定

30、性好；（3）灵活性好。改变滤波器的性能只要改变程序中的算法或某些滤波系数。一、数字滤波器的基本概念1、数字滤波器的差分方程一、数字滤波器的基本概念（14-10）ak、bk为常数，x(n)、y(n)分别为滤波器的输入序列和输出序列。数字滤波器的框图2、数字滤波器的传递函数数字滤波器的Z域传递函数由式（14-10）两边取Z变换得到。（14-11）数字滤波器的传递函数与该滤波器的单位脉冲响应是一变换对，即数字滤波器输出可由下面离散卷积计算2、数字滤波器的传递函数（14-13）（14-12）3、数字滤波器的频率特性（14-14）（14-15）3、数字滤波器的频率特性 它反映了滤波器对信号中各频率成分加

31、以改变的情况。4数字滤波器的稳定性用下述条件等价判别数字滤波器的稳定性：（1）只要输入序列有界，则输出序列有界；（2）单位脉冲响应要满足；（3）传递函数必须在从单位圆到的整个Z平面收敛，即收敛域为：（4）传递函数的全部极点必须在Z平面上单位圆以内。（5）数字滤波器的分类。数字滤波器按不同实现方法可分为非递归型和递归型两类。4、数字滤波器的稳定性对式（14-10）中，所有系数b均为零，此时，数字滤波器输出为： （14-16）此时滤波器输出等于现行输入信号采样值和许多前行输入信号采样值的线性加权和，这种滤波器叫非递归型滤波器（FIR）。其特点是现行输出只与现行输入和前行输入有关，而与前行输出无关，

32、即输出无反馈，因而滤波器没有不稳定问题，也不会因为计算过程中舍入误差的累积造成滤波特性逐步变坏。此外，由于滤波器的数据窗明确，便于确定他的时延。易于在滤波特性与滤波时延之间进行协调。 4、数字滤波器的稳定性如式（14-10）中系数不全为零，表明滤波器输出不仅与现行输入、前行输入有关，还与前行输出有关，相当于系统有反馈回路。前行输出又作为输入影响当前输出，称为递归型滤波器（IIR）。IIR滤波器利用了反馈信号，易于获得较理想的滤波特性，但存在滤波系统稳定性问题。在设计中需要特别注意。目前，在实用的微机继电保护中采用FIR数字滤波器居多。通常非递归型滤波器的冲激响应（单位脉冲响应）是有限的，故这类

33、滤波器又称为有限冲激响应滤波器（FIR）；而递归型滤波器的冲激响应是无限的，故称为无限冲激响应滤波器（IIR）。5滤波器的时间窗、数据窗、时延和计算量（1）时间窗。一个实时数字滤波器，一般在一个采样周期中计算一次，一个数字滤波器运算时所用到的最早一个采样值到最晚一个采样值之间的时间跨度，叫时间窗，用表示。（2）数据窗。当TW是TS的整数倍，数据窗DW=TW/TS+1。（3）时延。指滤波器输入信号发生跃变时起到滤波器获得稳定的输出之间的时间。用表示。（4）计算量。滤波器计算量通常用乘除法的次数表示，因为计算机乘除法所费时间大于加减法，故应尽量避免和减少用乘除法。 （14-18）式中，成为差分前长

34、，对式（14-18）进行Z变换得二、几种基本的数字滤波器 （14-17） （14-19） （14-20）取代入（14-20）得 （14-21） （一）减法滤波器（或称为差分滤波器）差分方程 ： （一）减法滤波器其幅频特性 （14-22）欲求完全消除的谐波次数，可令 ， 则 P=（1，2，3 ） 即 ，其中 为谐波频率。其相频特性为：（14-23） 若对于基波每周采样12点，则，取，做出幅频特性和相频特性如图14-18所示。从特性曲线上看，取时，差分滤波器可以滤去直流分量及12次谐波以及12次的总倍数谐波，对基波相对于移相75。图14-A2： 减法滤波器结构图14-A3： 减分滤波器滤波原理说明

35、（一）减法滤波器（一）减法滤波器图14-18 的减法滤波器的频率特性 （a）幅频特性；(b) 相频特性图14-A4 加法滤波器原理示意图(二)加法滤波器差分方程：14-2514-26对14-26进行Z变换得：幅频特性和相频特性为（14-27）（14-28）为滤除m次谐波，将 代入式（14-27）得：令其等于0，可得(二)加法滤波器式中， ，故不能滤除直流。但当 给定后，所有m 次谐波将被滤除。 令，该式中f为谐波频率。取 时，做出式（14-26）和（14-27）所代表的幅频特性和相频特性如图14-19所示。(二)加法滤波器可见，它可以消除二次谐波及2的奇数倍次谐波。图14-19 时，加法滤波器

36、的频率特性(a)幅频特性 (b)相频特性(二)加法滤波器图14-A5 积分滤波器滤波原理说明(三)积分滤波器图14-A6 积分滤波器的结构(三)积分滤波器(三)积分滤波器 其幅频特性和相频特性为：差分方程 （14-28）式中，对上式作Z变换（14-29）令，得欲消除的谐波频率与数据窗长度之间的关系： 即： (三)积分滤波器取 时积分滤波器的幅频特性曲线如图14-20所示。图14-20 时的积分滤波器的频率特性（三)积分滤波器如图14-20所示。从图中可见积分滤波器是一个低通滤波器，它对低频分量的响应幅度较大，对高频分量抑制能力较强。频率越高，衰减越大。对于那些积分区间正好为其周期的整数倍的频率

37、成分衰减是无穷大（输出为零）。对于中间频率滤波效果较前两种滤波器要好，但不能滤去非周期分量。 (四)串联滤波器将减法滤波器、加法滤波器和积分滤波器进行组合组成级联式单元滤波器，可以得到较满意的滤波效果。下面介绍一个50HZ带通滤波器，它由一个减法滤波器和两个积分滤波器串联组成。设级联滤波器的传递函数为： （14-31） (四)串联滤波器其幅频特性为： （14-32）当时， 可得出上式所描述的幅频特性如图14-21所示（设最高输出值为1）其中减法滤波器可滤除直流及4、8、12等次谐波，第一个积分滤波器可滤除3、6、9等次谐波，第二个积分滤波器滤除2.4、4.8、7.2、9.6等非整数次谐波，从幅

38、频特性上可看见，这个滤波器效果很好，可使2.4次以上谐波响应大大衰减，而基波幅值高于2.4次谐波中最高输出的30倍以上。(四)串联滤波器图14-21 级联式带通滤波器的幅频特性第四节 微机保护的算法一、两采样值算法二、导数算法三、半周期积分法四、微分方程算法五、傅里叶算法六、相位比较器算法七、增量元件算法八、相电流差工频变化量选相元件九、序分量滤过器算法第四节 微机保护的算法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。继电保护算法可分为两大类：一类是根据采样值进行一定数学运算，得到反映故障特点的电气量值，之后进行比较、判断的方

39、法；另一类是根据继电保护的功能或保护动作的动作特性直接用采样数据进行保护功能的判断的算法。以下介绍几种基本的保护算法，且假设被采样的电压、电流信号都是纯正弦特性，即不含有非周期分量，又不包含高频分量。一、两采样值积算法图14-A7两采样值积算法原理说明图一、两采样值积算法设电压过零点后，tk时的采样值u1和落后于u1一个角的电流采样值为：相隔T时刻tk+1的采样值为：14-3414-3514-3614-3714-3814-3914-4014-4114-4214-4314-4414-4514-4614-4714-4814-4914-5014-5114-5214-5314-54U、I 之间的相角差

40、为：一、两采样值积算法二、导数算法此算法只要知道输入正弦量在某一时刻tk的采样值及该时刻所对应的导数，即算出有效值和相位。设（14-54）（14-55）（14-56）（14-57）两组式分别取平方相加：（14-58）（14-59） （14-60）二、导数算法（14-61） 在对电流、电压采样后，利用采样数据进行上述计算时，导数值采用下式计算：（14-62）（14-63） 式中ik+1、ik-1、uk+1、uk-1分别为第k+1次，第k-1次时的电流电压采样值。本算法的优点是占用数据窗长度为1/4T周期较短，对50HZ的工频来说为5ms。但经求导后，i增大倍，即导数运算放大了高频分量，故要求数字

41、滤波器滤除高频分量的性能较强。对式（14-56）和（14-57）再次求导可得：二、导数算法结合式（14-56）和式（14-57）可得：式中： 三、 半周积分算法这种算法的依据是一个正弦量在任意半个周期内绝对值的积分为一常数S。即： （14-65）积分值与积分起点的初相角无关，因为由图14-22（a）可见，两块面积相等，此积分可用梯形法则求出，如图4-22（b）所示。（14-66）式中 ik-第K次电流采样值；时采样值；时采样值；一个周期的采样点数。 -图14-22（a） 半周积分算法原理示意图图14-22(b) 用梯形近似半周积分示意图三、 半周积分算法三、 半周积分算法 可见，只要采样频率足

42、够大高（即TS足够小）用梯形来代替积分，且误差很小。电流有效值：这种算法本身有一定的滤除高频分量能力，因为选加在基频分量上的幅度不大的高频分量在半周期积分中其对称的正负半周互相抵消，剩余的未被抵消的部分占的比重就减小了，但它不能抑制直流分量，而且这种算法数据窗占半个周期（10ms）较长。这种算法适用于一些要求不高的电流、电压保护，运算量小，可用简单的硬件实现，必要时可另配一个简单的差分滤波器来抑制电流中的非周期分量。 四、微分方程算法这种算法不需要求出电压、电流的幅值和相位，而是直接求出电抗X和电阻R值的一般算法。设输电线路从保护安装地点到短路点的电感为，电阻为，则输电线路的电压可用以下方程描

43、述。（14-67） （14-68） 式中 u1、u2；i1、i2为t1,t2时刻电压和电流采样值；-t1、t2时刻电流的微分（可用差分值代替） 、上式中用D1代 ，D2代 解方程组可得 ：在用计算机处理时，电流的导数可用差分近似计算，即：四、微分方程算法电流、电压取相邻采样的平均值，即：五、傅立叶算法傅里叶算法的基本原理来自傅里叶级数。傅氏级数表明，任何一个周期函数均可以分解为直流分量和各次谐波分量。傅氏算法假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，除基波外还有不衰减的直流分量和各次谐波，可表示为：（14-71）式中n=0,1,2, ； , 分别为各次谐波的正弦和余弦的幅值。1为基波的角频率。

44、各次谐波的幅值可由下式求出：（14-72） （14-73） 五、傅立叶算法求出基波分量正、余弦项幅值为：（14-74） （14-75） 由积分过程可知，基波分量正余弦项的幅值已消除了直流分量和整数次谐波分量的影响。于是 和中的基波分量为：（14-76） 合并正、余弦项，可表示为：（14-77） 根据 和 可以求出基波谐波分量的有效值及相角，即：（14-78） （14-79） 五、傅立叶算法用计算机处理时式（14-74）和（14-75）的积分可以用梯形法则求得：（14-80） （14-81） 式中： N 基波信号的一周采样点数； uk 第次采样值； u0 、uN分别为和时采样值。 七、突变量(增

45、量)元件算法在模拟保护中，常用突变量元件作为启动及振荡闭锁元件。这些突变量元件在微机保护中用软件实现特别方便，因为保护装置中的循环寄存区具有一定的记忆容量。可以方便地取得突变量。下面以电流为例，采用反映两相电流差的突变量，算法如下：七、突变量(增量)元件算法式中 n 为采样时刻； N为一个工频周期内的采样点数； 为当前时刻采样值；为比时刻早两个周期的采样值。如图14-26所示，电力系统正常运行时，以Iab为例， 的值近似相等，所以， ，即启动元件不应动作。 图14-26（a） 电力系统正常时采样示意图； (b)电力系统故障后电流突变时采样示意图电力系统正常运行时，但频率发生变化偏离50HZ时，

46、则iab(n),iab(n-N),iab(n-2N)的值将不相等。这是因为采样是按等时间间隔进行的，频率变化时，iab(n)与iab(n-N)两采样值将不是相差一个周期的采样值，于是出现差值，同理， iab(n-N)-iab(n-2N)也出现差值，且两差值接近相等，因此，此时仍为零或很小。当系统发生故障时，由于故障电流iab(n)增大，于是iab(n-N)也增大，为故障前负荷电流，故反映出故障电流产生的突变电流，iab（n-N）-iab(n-2N)仍近似为零，从而使反映了故障电流突变量，如图14-26所示。iab七、突变量(增量)元件算法七、突变量(增量)元件算法采用相电流差突变量构成的比相电

47、流突变量起动元件有两点优点：1. 对各种相间故障提高了起动元件的灵敏度。如对两相短路灵敏度可提高一倍；2. 抗共模干扰能力强。表14-1以上介绍了几种典型的微机保护算法，通过这些算法可得出被保护对象的运行特点的物理量，如电压、电流等电气量的有效值和矢量，或者算出他们的序分量、基波分量、或某次谐波分量的大小和相位等。通过这些基本电气量的计算值就可以很容易地构成各种不同原理的保护。目前，已提出的算法有很多种，各有其特点和使用范围，选择哪种算法需要根据应用场合、对保护功能的要求以及硬件配置来具体确定。分析和评价各种不同算法优劣的标准是精度和速度。精度和速度是互相矛盾的，若要计算精度高就要利用更多的采

48、样点和进行更多的计算工作量。还应当指出，有些算法本身具有数字滤波的功能，而有些算法则需要配合数字滤波一起实现。因此，评价算法时还要考虑它对数字滤波的要求。第四节 微机保护的算法第五节 微机保护的软件 微机保护装置的软件以硬件为基础，通过算法及程序设计实现所要求的保护功能。软件分为两大类，一类是监控程序，另一类是运行程序。 监控程序，包括人机对话接口键盘命令处理程序及对插件调试、定值整定、报告显示等配置的程序。 运行程序是指保护装置在运行状态下所需要执行的程序。微机保护运行程序软件一般分为两个模块； （1）主程序。包括初始化、全面自检、开放中断及等待中断等； （2）中断服务程序。通常有采样中断、

49、进行数据采集与处理、保护起动的判定等，还有串行口中断，完成保护CPU与管理CPU之间的数据传递。如保护的远方整定、复归、校对时间或保护动作信息的上传等。中断服务程序中包含故障处理程序子模块，它在保护启动后才投入，用以进行保护特性的计算、判定故障性质等。 中断服务程序中包含故障处理程序子模块，它在保护启动后才投入，用以进行保护特性的计算、判定故障性质等。 下面以WXB-11型微机线路保护装置为例，说明高频保护软件的构成。第五节 微机保护的软件WXB-11型微机线路保护装置简介 该装置可以同时完成高频保护、距离保护、零序保护和自动重合闸的功能。它采用五个单片机系统的插件并行工作结构，插件CPU0作

50、为管理机，实现监控和人机对话功能；CUP1CUP4具有完全相同的硬件结构。其中CPU1实现高频保护，CUP2实现距离保护，CUP3实现零序保护，CUP4实现综合自动重合闸。各种保护相互独立，各保护插件动作后作用于同一套信号及跳闸出口回路。 该装置采用电压-频率变换原理构成的VFC型模数转换器。跳闸回路出口，跳闸出口回路采用三取二方式，提高了保护装置的可靠性。利用单片机内部串行口进行CPU0与其他四个CPU的通讯。从而实现巡检功能。在CPU0插件中装设了MC146818芯片构成硬件时钟电路。为装置提供准确计时功能。通过装置面板上的工作方式选择开关，可使程序进入监控程序模块或运行程序模块。工作开关

51、置于调试位置时，进入监控程序，其作用是调试和检查微机保护装置的硬件电路，输入或修改及固化保护定值。第五节 微机保护的软件当工作方式置于运行位置时，进入运行程序。CPU1CPU4的运行程序主要有常规的自检打印主程序，采样中断服务程序和故障处理程序三大模块。 CPU0的运行程序主要有巡检、报告打印、键盘命令处理以及定时器软件时钟中断服务程序，在该中断服务程序中检查有无启动元件的开入量以及同步各个CPU系统的时钟。整个保护装置由14个插件构成。各插件编号和功能如表14-1所示。表14-1 WXB-11型微机保护装置插件编号及功能表插件编号 插件名称 插件功能 1 AC 交流变换器2 VFC 电压频率

52、模数换3 PU1 高频保护4 PU2 距离保护5 CPU3 方向零序电流护6 CPU4 综合自动重合闸7 CPU0 人机对话8DI1开关量输入9 DI2 开关量输入10 TRIP 跳闸出口继电器11 LOGIC 逻辑12 SIGNAL 信号继电器13 ALARM 告警继电器14 POWER 逆变稳压电源第五节 微机保护的软件表14-1其中12号插件属于成数据采集系统，37号插件属于微机系统，813号插件属于开关量输入、输出及相关继电器电路，14号插件为电源。二、高频保护功能概述 该保护包含高频距离保护和高频零序方向保护，分别反映相间故障和单相接地故障。高频保护设置了相电流差突变量原理的启动元件

53、DI1，如果保护范围内故障，则DI1动作，启动其执行元件KST，同时，使保护进入故障处理程序，进行故障计算。进入故障处理程序后，先执行一段相电流差突变量原理的选相程序。以判断故障类型和相别。当判定为相间故障，则计算故障相间阻抗，由带记忆的多边形动作特性的阻抗元件判别方向。若正方向，启动停信继电器KHS，等待对侧信息，符合出口条件时，出口三跳；若判为反方向故障，则直接进入振荡闭锁程序。若判定为单相接地故障，由零序功率方向元件判别方向，两侧均为正方向时，60ms内出口选相跳闸；反方向时，则进入振荡闭锁程序。二、高频保护功能概述高频距离保护开放100ms，高频零序保护不用振荡闭锁，在第一次故障时不带

54、延时，但60ms 内不动作，以后再动作需要带60ms延时，这是为了防止由于零序功率倒向而引起高频零序保护误动作。在振荡闭锁状态时，高频零序动作，作用于三相跳闸。在振荡闭锁程序中，设有阻抗元件、相电流元件和零序电流元件，用于判别振荡是否停息，若上述三个元件持续4s均不动作，说明故障已切除，振荡已停息，保护整组复归。当线路非全相运行时，高频距离保护和高频零序保护应退出工作，不再利用通道。此时，利用反映两健全相电流突变量元件DI2来判断健全相是否发生故障，如发生故障则立即出口三相跳闸。为保证可靠切除出口发展性故障，阻抗元件特性带偏移。二、高频保护功能概述当手和故障线路或重合用永久性故障时，高频距离保

55、护计算阻抗在保护区内时，则立即三跳，此时，本保护不受对侧高频信号的闭锁，所用阻抗特性也与高频距离保护中阻抗判别元件相同。重合后的瞬时加速功能可在整定时利用控制字投入或退出。高频保护由定值单中的控制字选择闭锁式或允许式两种工作方式：（1）高频闭锁工作方式。1发信：由CPU1高频保护启动的KST触点控制。2停信：由CPU1启动KSH的触点控制。停信条件，相间故障时，为正方向且保护区内故障；单相接地时，为正方向而且大于整定值。3出口跳闸条件：两侧均为正方向；启动后至少先收到高频信号持续5ms后才停信；收不到对侧高频信号。（2）高频允许式工作方式。1由KHS 继电器的常开触点控制发允许信号。出口条件为

56、：本侧正方向，且收到跳闸信号。2高频零序保护所采用的由三相电压相加而得，当电压互感器二次回路断线时，自动切换到开口三角侧，此时，高频距离保护自动退出工作，重合闸后的阻抗加速部分也自动退出。高频零序保护仍继续运行，高频保护不发断线告警信号，由距离保护告警。如图14-33所示，高频保护软件由主程序、中断服务程序和故障处理程序三部分组成。主程序主要包括上电或复位后对该保护系统进行初始化、各种自检、振荡闭锁和打印报告等功能。中断服务程序主要包括采样、电流求和与电压求和及自检、突变量启动元件DI1等功能。故障处理程序的主要功能是完成故障计算、逻辑比较和跳闸逻辑，以实现高频保护功能。 二、高频保护功能概述

57、上电或复位后，CPU执行主程序，在系统初始化后开放中断，程序进入自检循环，每隔一个采样周期（本装置TS=5/3ms）时间，主程序被中断一次，响应中断后执行中断服务程序。若被保护线路无故障，突变量元件DI1不应动作，在执行完中断服务程序后，仍返回到中断前的位置，继续执行主程序进行自检循环。若线路发生故障，DI1感受到电流突变量而启动，先将存在堆栈中的中断返回地址修改为故障处理程序的入口地址，然后再从中断返回，此时，实际上返回到故障处理程序入口，因而不再执行主程序，而转入故障处理程序，在故障处理程序中，要进行故障处理计算，若故障发生在保护范围内，保护正确动作，在跳闸及合闸循环后，回到主程序中部的整

58、组复归入口，保护整组复归；若是区外故障，将进入振荡闭锁程序模块。当在振荡闭锁模块确认系统稳定后，保护整组复归。（一）高频保护主程序微机高频保护主程序流程图如图14-34所示。主要完成如下工作：初始化初始化包括初始化（一）、初始化（二）和数据采集系统的初始化三部分。初始化（一）是不论保护是否在运行位置，都必须进行的初始化项目，它主要是对堆栈、串行口、定时器及有关并行口初始化。对并行口按电路设计的输入和输出要求，设置每一个端口作输入还是输出，用于输出的还要赋予初值，如出口回路控制，A/D接口方式等，保证所有软件继电器均处于预先设计的状态，如出口继电器处于不动作状态，同时便于通过并行接口读取各开关量

59、输入的状态。初始化（二）是在运行方式下需进行的项目，它主要是对采样定时器初始化，控制采样周期为5/3ms，同时将RAM区中有关软件计数器和标志位清零。读取所有开关量输入的状态，并将其保存在规定的RAM或FLASH地址单元内，已备在以后自检循环时，不断监视开关量输入是否变化。（一）高频保护主程序2全面自检对装置的软硬件进行一次全面的自检，包括RAM、FLASH或ROM、各开关量输出通道、程序和定值等，保证装置在使用时处于完好状态。在经过全面自检后，应将所有标志位清零，因为，每一个标志代表一个“软件继电器”和逻辑状态，这些标志将控制程序流程的走向。一般还应将存放采样值的循环寄存器进行清零。进行数据

60、采样系统的初始化，主要将采样数据寄存器存数指针POINT初始化，即把存放各通道采样值转换结果的循环寄存区的首地址存入指针，另外对计数器8253初始化，规定8253的工作方式和赋予初值0000H。 3开放中断与等待中断3开放中断与等待中断经过初始化和全面自检后，表明微机保护装置准备工作已经全部就绪，此时，开放中断，将数据采集系统投入工作，于是，可编程定时器按照初始化程序规定的采样间隔（5/3ms）不断地发出采样脉冲，控制各模拟量通道的采样和转换，并在每一次采样脉冲下降沿（也可以是其它方式）向微机请求中断。只要微机不退出工作，装置无异常状况，就要不断地发出采样脉冲，实时监视和获取电力系统的采样信号