第三章微机保护的软件原理

第三章

微机继电保护装置软件原理微机继电保护软件是微机保护装置的主要组成部分。它涉及到继电保护原理、算法、数字滤波以及计算机程序结构。3－1概述一、微机继电保护装置软件系统的功能微机保护装置软件系统的功能继电保护功能保护动作跳闸运行异常告警闭锁不闭锁其他功能测量控制状态监测功能模块事件记录故障录播通信二、微机保护程序结构主程序：对硬件初始化，自检(定值自检、程序自检、开出检查、开入量监视等)。采样中断程序：采样，起动元件判别等。故障处理程序：实现保护功能、各种逻辑功能。三、系统管理程序通信管理程序自检、互检程序提高微机保护装置可靠性的编程技术包括保护模件与MMI模件的通信程序、MMI与监控系统的通信程序以及保护装置与PC的通信程序。信息种类测量及状态信息操作信息参数信息文件传输同步时钟……变电站自动化系统中传送的信息按照响应速度要求实时响应较高的信息不要求时间响应的信息多CPU方案的装置结构中，完善的自检、互检对提高装置的抗干扰及可靠性意义很大。自检系统借用通信通道，可以检测到各个计算机系统的工作情况。提高微机保护装置可靠性的编程技术编程技术输入数据确认数据和存储器的保护未使用程序存储器端口重新初始化主动初始化重复执行I/0设备管理WATCHDOG通常采用以下编程技术来提高微机保护装置的可靠性：四、人机交互管理程序现代微机继电保护装置均可由MMI插件的人机交互程序实现人机对话，并通过装置的串行口由PC上的管理程序以及后台分析软件对装置进行调试。人机交互程序主要是处理键盘及显示，通过菜单实施。四、人机交互管理程序交互信息菜单数据分析参数设置系统信息定值操作保护配置故障分析SOE信息

微机保护把经过数据采集系统量化的数字信号经过适当的算法，计算出交流信号的有效值、相位以及多个信号的组合量如：阻抗、相位等。

常规保护把被测信号引入保护继电器，继电器按照电磁、感应、比幅、比相等原理作出动作与否的判断。IΦ五、微机保护的算法3－2微机继电保护的算法一、算法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。二、算法的分类1、根据输入电气量的若干采样值计算电气量的相量；2、根据动作方程来判断故障是否在动作区内。三、性能指标1、精度2、速度。（1）算法所要求的采样点数（数据窗长度）（2）算法的运算工作量一个算法采用故障后的多少采样点才能计算出正确的结果用离散的采样点计算出的结果与信号实际值的逼近程度3－2微机继电保护的算法四、算法分类微机继电保护的算法正弦函数的算法突变量电流算法周期函数的傅氏算法输电线路R-L模型算法选相算法序分量算法故障方向的相位比较算法3-2假定输入为正弦量的算法一、两点乘积算法假定原始数据为纯正弦量的理想采样值：通过任意两个电气角度相隔90的瞬时值，可以计算出该正弦量的有效值和相位。两个采样值为：和采样时刻的采样值和。不包括非周期分量也不含高频信号两点乘积算法可得：同理可得：最后可求出测量阻抗Z：两点乘积算法电压、电流的相量形式为：二、导数算法已知n1Ts时刻电流的采样值和微分值为：可得：导数算法在微机保护中，经常采用差分运算来代替微分，相应该点的采样值要用平均求和来计算。差分：求平均：三、半周积分算法利用已知的一个正弦量在任意半个周期内绝对值的积分为一常数S，来计算该正弦量的有效值大小。可得：四、误差分析用平均值近似代替瞬时值，用差分值代替微分值，用梯形法则近似求积分。由平均值求瞬时值误差系数为：基于n和n+1时刻采样值，经过补偿也可求得准确微分值为由采样值求微分值：其中：一、基本原理3-3突变量电流算法理论根据是线性系统的叠加原理。对于系统结构不发生变化的线性系统，利用叠加定理可以进行分解。故障分量电流：基本原理正弦信号的负荷电流是周期信号，有：根据线性系统的叠加定理，故障电流分量为：有：，因为：最后可得：基本原理二、故障分量电流的特点：（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。3－4选相方法一、选相定义：判断故障类型、故障相别二、选相方法的必要性实现选相跳闸在阻抗继电器中仅投入故障特征最明显的阻抗测量元件三、选相元件：在微机保护中，是判断故障类型、故障相别的一段程序微机距离保护先由选相元件判别故障类型和相别，然后针对已知的相别提取相应的电压、电流对，进行阻抗计算。针对非对称故障，避免扩大停电范围选相的方法（选相元件的工作原理）：根据各种故障类型中各相电气量的不同特征来进行故障相别的判断。选相的方法分为2类：（1）突变量电流选相，根据各相突变量电流特征判断（2）对称分量选相，根据各相正、负和零序分量特征判断四、突变量电流选相根据不同故障时，各相突变量电流特征的不同来判别故障相别。1.单相接地故障（以AN单相接地短路为例）两个非故障相的突变量电流大小相等、相位相同，可能和故障相电流相位相差180°。2.两相不接地短路（以BC两相短路为例）非故障相的突变量电流为零。两个故障相的突变量电流大小相等、方向相反。3.两相接地短路（以BCN两相接地短路为例）非故障相的突变量电流最小。两个故障相的突变量电流大小相等、相位差小于120°

。4.三相短路三相突变量电流对称。五、突变量电流选相的程序流程图六、对称分量选相根据不同故障时，各相对称分量电流（即正序、负序和零序分量电流）特征的不同来区分故障相别。1.单相接地短路（以AN单相接地短路为例）分析各相的正、负和零序分量电流之间的相位关系。当三相中不同的相发生接地故障时，A相负序和零序分量电流相位关系是不同的。（1）A相接地故障（2）B相接地故障（3）C相接地故障所以，可以根据A相负序电流和零序电流相位关系的特点，进行故障相别的判断。2.两相接地短路（以BCN两相接地短路为例）3.选相方法各种接地短路时，A相负序电流与零序电流的相位关系为：选相方法1）当时，若ZBC在ZⅢ内，则判为BC两相接地。2）当时，若ZBC在ZⅢ内，则判为BC两相接地。选相方法一、基本原理3-5傅里叶级数算法因为：基本原理对于一个任意波形的电流采样值：利用傅里叶级数算法可以计算得出该电流中基波分量的有效值和相位。得到两个系数：、。因为：所以可得：基波分量的有效值：基波分量的相位：二、全周波傅氏算法基波正弦和余弦的系数为：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。0123456789101112010-1010-101也可以把基波电流表示为实部和虚部的形式：计算求得一个基波相量的实部和虚部参数后，可实现任意角度的移相。计算求得三相基波的实部和虚部参数后，可实现对称分量滤过器的功能。也可以利用傅里叶级数算法计算任一n次谐波分量电流的有效值和相位：得到两个系数：、。因为：所以可得：基波分量的有效值：基波分量的相位：三、半周基波傅氏算法半周傅氏算法就是采用两个半周的基频正弦和余弦滤波器构成的，其计算a1和b1的表达式和全周傅氏算法类似。半周傅氏算法对消除直流分量和偶次谐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数据窗长为10ms，比全周傅氏算法减少了一半。因此在需要加快保护动作时间而可以降低滤波效果的场合，可以采用半周傅氏算法。一、基本原理3-6R-L模型算法R－L模型算法仅计算线路阻抗，用于距离保护。对于一般的输电线路，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，即把输电线路等效为R－L模型。其中，R1是线路正序电阻；L1是正序电感。基本原理由于三相线路间互感的影响，对于不同的故障类型，选取不同的电压、电流来构成方程式。（1）对于相间短路，应用相间电压uD和对应相电流差iD

；如uab，ia-ib。（2）对于单相接地短路，取相电压及经过零序电流补偿的相电流。即：其中，零序电阻补偿系数零序电感补偿系数

基本原理对于方程式：在不同采样时刻时，u、i和都是可以测量、计算到的，未知数为R1、L1。在两个不同时刻t1、t2分别测量u、i和，就可以得到：则有：在计算机中，采样值用平均求和来代替，导数用差分来代替。二、对R-L模型算法的分析和评价（1）不必滤除非周期分量，因此算法的总时窗较短；（2）不受电网频率变化的影响；（3）受信号的噪声影响比较大。这些突出的优点使它在线路距离保护中得到广泛应用。但是，当这种算法和低通滤波器而不是带通滤波器配合使用时，它将受信号中的噪声影响比较大。R－L模型算法则允许用短数据窗的低通滤波器，如果与其它算法一样也采用—个窄带通滤波器与此法配合，那么，R－L模型算法也可以得到很高的精度，同时，还保留了不受电网频率变化影响的优点。3-6算