变电站微机保护

第四章变电站微机保护变电站微机保护电力系统继电保护装置经历了机电型、整流型、晶体管型、集成电路型到微机保护装置发展阶段。微机保护装置的特点在微机保护应用之前，整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，原因是这类保护装置都是布线逻辑的，保护的功能完全依赖硬件来实现。微机保护则不同，除了硬件外，各种复杂的功能均由相应的软件(程序)来实现。微机保护可对其硬件和软件连续自检，有极强的综合分析和判断能力。微机保护装置除了提供常规保护功能外，还可以提供一些附加功能。例如，保护动作时间和各部分的动作顺序记录，故障前后电压和电流的波形记录等。这将有助于运行部门对事故的分析和处理。由于微机保护的特性主要由软件决定，从而改变软件就可以改变保护的特性和功能，可灵活地适应电力系统运行方式的变化。由于微型机的应用，可以采用一些新原理，解决一些常规保护难以解决的问题。例如，利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障，采用自适应原理改善保护的性能等。6.简便化、网络化微机保护装置本身消耗功率低，降低了对电流、电压互感器的要求，而正在研究的数字式电流、电压互感器更易于实现与微机保护的接口。同时，微机保护具有完善的网络通信能力，可适应无人或少人值守的变电站综合自动化。&2微机保护的硬件系统对微机保护来说，在故障初瞬，电压、电为防止混叠，fs将不得不用得很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上，量的，在这种情况下，可以在采样前用一个低通模拟滤波器(LPF)将高频分量滤掉，这样就可以降低fs，从而降低对硬件提出的要求。通常并不要求模拟低通滤波器滤掉所有的高频分量，而仅用它滤掉fs/2以上的分量，以消除频率混叠，防止高频分量混叠到工频附近来。低于fs/2的其他暂态频率分量，可以通过数字滤波器来滤除。采样频率的选择采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs。采样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关键问题，为此要综合考虑很多因素，并要从中作出权衡。采样频率越高，要求CPU的运行速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样频率不断地向微型机输入数据，微型机必须要来得及在两个相邻采样间隔时间Ts内处理完对每一组采样值所必须做的各种操作和运算，否则CPU跟不上实时节拍而无法工作。相反,采样频率过低，将不能真实地反映采样信号的情况。由采样(香农)定理可以证明，如果被采样信号中所含最高频率成分的频率为fmax，则采样频率fs必须大于fmax的2倍(即fs＞2fmax)，否则将造成频率混多路转换开关又称多路转换器，它是将多个采样保持后的信号逐一与A/D芯片接通的控制电路。它一般有多个输入端，一个输出端和几个控制信号端。在实际的数据采集系统中，被模数转换的模拟量可能是几路或十几路，利用多路开关(MUX)轮流切换各被测量与A/D转换电路的通路，达到分时转换的目的。在微机保护中，各个通道的模拟电压是在同一瞬间采样并保持记忆的，在保持期间各路被采样的模拟电压依次取出并进行模数转换，但微机所得到的仍可认为是同一时刻的信息(忽略保持期间的极小衰减)，这样按保护算法由微机计算得出正确结果。1）逐次逼近式A/D转换器微机保护的CPU主系统包括中央处理器(CPU)、随机存取存储器RAM、定时器等。CPU主要执行控制及运算功能。EPROM主要存储编写好的程序，包括监控、继电保护功能程序等。可存放保护定值，保护定值的设定或修改可通过面板上的小键盘来实现。RAM是采样数据及运算过程中数据的暂存器。定时器用来记数、产生采样脉冲和实时钟等。而CPU主系统中的小键盘、液晶显示器和打印机等常用设备用于实现人机对话。在微机保护装置中设有开关量输出(DO，简称开出)电路，用于驱动各种继电器。例如跳闸出口继电器、重合闸出口继电器、装置故障告警继电器等。1微机保护装置中一般应设置几路开关量输入电路。开关量输入电路主要是将外部一些开关接点引入微机保护的电路，通常这些外部接点不能直接引入微机保护装置，而必须经过光电隔离芯片引入。开关量输入电路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入，外部装置闭锁重合闸触点输入，轻瓦斯和重瓦斯继电器接点输入，及装置上连接片位置输入等回路。微机保护的硬件分为监控插件和保护插件两大部分，与之相对应的软件也分为监控软件和保护软件两1.监控软件（人机对话软件）监控软件是指人机对话插件的软件，其程序分为主监控程序和运行程序。主监控程序主要是键盘命令处理程序，是为监控插件及各CPU保护插件进行调节和整定而设置的程序。运行程序由主程序和定时中断服务程序构成。主程序的任务是完成巡检、键盘扫描和处理及故障信息的排列和打印；定时中断服务程序包括软件时钟程序，以硬件时钟控制并同步各CPU插件的软时钟，和检测各CPU插件启动元件是否动作的检测启动程序。保护软件为主程序和两个中断服务程序。主程序包括初始化和自检循环模块、保护逻辑判断模块及跳闸处理模块。中断服务程序有定时采样中断服务程序和串行口通信中断绝大多数的工程计算机的应用软件都采用了中断技术，特别是实时性要求较强的系统，更离不开中断的工作方式。继电保护系统是一种对时间要求很高的实时系统，一方面要求实时地采集各种输入信号，随时跟踪系统运行工况；另一方面，在电力系统短路时，应快速判别短路的位置或区域，尽快切除短路故障。。一、数字滤波器的优点前面提到的模拟低通滤波器的作用主要是滤掉fs/2以上的高频分量，以防止混叠现象产生，而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。数字滤波器与模拟滤波器相比，有如下优点：(1)数字滤波器不需增加硬设备，所以系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。(2)使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。(3)数字滤波器是靠软件来实现的，没有物理器件，所以不存在特性差异。(4)数字滤波器不存在由于元件老化及温度变化对滤波性能的影响。(5)精度高。数字滤波器框图所示。二、数字滤波器的分类H(ej)H(ej)H(ej)H(ej)2、按单位抽样响应的时间特性划分3、按实现方法和类型分MN2）非递归型y(n)=bmx(n-m)y(n)=x(n)-x(n-k)H(z)=1-z-kH(ej①)=1-e-jk①=(1-cosk①)+jsink①某次谐波频率f=mf1fsN=fs/f1一个工频周期采样的次数m=NI/k即f=mf1=I(N/k)f1=Ifm时，H(f)=0,经差分滤波后，输入信号中的直流分量以及频率为f的谐波分量完全滤除。H(ej①)例N=k时，即该差分滤波器可滤除直流、基频及所有整次谐波分量。例y(n)=x(n)-x(n-4)H(z)=1-z-4采样频率为1000Hzk=4N=fs/f1=1000/50=20滤除的谐波次数为m=(N/k)I=5y(n)=x(n)+x(n-1)+x(n-2)+......+x(n-k)可滤除的滤波次数为m=NI/(k+1)I=0,1,2,…..y(n)=x(n)-x(n-1)+x(n-2)-...+(-1)kx(n-k)k为奇数，可滤去的谐波次数m=NI/(k+1)k为偶数，可滤去的谐波次数m=(0.5+I)N/(k+1)几个简单梳状滤波器的级联y1(n)y1(n)例4-1试用简单梳状单元的级联组合构成一滤波器，10次谐波。差分滤波器积分滤波器加减滤波器(1-z-4)滤去直流及5、10次谐波&5微机保护算法1、半周绝对值积分算法半周绝对值积分算法依据是一个正弦量在任意半个周期内绝对值的积分为一个常数S(即正比于信号的TT从而可求出幅值可用梯形法则近似求得式中TS——采样间隔；半周绝对值积分法有一定的滤除高频分量的能力，因为叠加在基频成分上的幅度不大的高频分量，在积分中其对称的正负部分相互抵消，剩余的未被抵消的部分占的比重减小了，但它不能抑制直流分量。这种算法适用于要求不高的电流、电压保护，因为它运算量极小，可用非常简单的硬件实现。另外，它所需要的数据仅为半个周期，即数据2、一阶导数算法导数算法是利用正弦函数求导后为余弦函数的特点来求采样值的幅值和相位的一种方法。在计算机中，常用差分来代替求导数，设u，i对应tk-1时刻为uk-1，ik-1，,而该时刻电压的导数ut1=(uk-uk-1)/TS。3、两点采样算法设m设若相隔π/2采集2点，有12平方相加得有效值2i2简单快速。无滤波作用，输入信号有谐波分量会影Δt))=ImsinΔt))ut2it2=UmImsinw(t1+ΔT)sin[w(t1+ΔT)-θ]2ut2it1=UmImsinw(t1+ΔT)sin(wt1-θ)=UmIm[cos(θ+wΔT)-cos(2wt1+wΔT-θ)]2TUmImcosθ=ut1it1+ut2it2-(utit2+ut2it1)TUmImsinθ=若用同一电压或电流信号的采样值相乘，则θ=0，此时可得2ut12+ut222u2ut12+ut222ut1ut2cos①ΔT二、傅里叶算法正弦函数模型算法只是对理想情况的电流和电压波形进行了粗略的计算，而故障时的电流和电压波形畸变较大，通常假设包含各种分量的周期函数。在微机保护装置中，针对这种模型，提出了傅里叶算法。傅里叶算法是一个被广泛应用的算法，它本身具有滤设被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，可表示为对于基波分量，取n=1，则可得tTT另一形式t2a+b21=2X=tanα1在用微机处理时，取一周期的采样数据进行离散傅里式中N——工频每周采样点数。XS1、XC1——经过离散傅里叶变换后基波分量的虚部和实部。求基波分量的离散计算公式。由XS1、XC1即可求类似地，可得出求n次谐波的虚部和实部分量的公式为电流保护反时限过 流保护配合.EE22k2.UIk1..EE22k2.UIk11 r X.XIk1Ik21.对功率方向判别元件的基本要求1.E21.E2.Uk1Ek.Uk12I2r.Ik1Ik2.Uk1=Irk1点短路向量图r.UUk2点短路向量图0º≤Φk1≤90º180º≤Φk2+180º≤270º:2.功率方向元件的动作特性.E.E1r..Ik1Ik2C.UA.Ik1A.Ik2AE22k2.UIk1E22k2.UIk1.U...E.EU.E.E21k2.UIk121k2.UIk12rIk1Ar..IkIk1Ik2IIk2A...E.E122E122.UIk1k2.UIk1r..Ik1Ik2+j φsen+1A相功率方向元件拒动,有“电压死区”IAUBC;IBUCA;ICUAB●IrUejα.Ur.限时控制字低电压控制字