1、第第9章章 数字式继电保护技数字式继电保护技术基础术基础微机保护系统简介微机保护系统简介一、微机保护的应用和发展概况一、微机保护的应用和发展概况20世纪60年代末，提出用小型计算机实现微机保护的设想，开始的继电保护算法的研究为后来微机保护的发展奠定了理论基础。20世纪70年代中、后期，国外已有少量的样机在电力系统中试运行，微型计算机保护趋于实用。我国对微机继电保护的研究从20世纪70年代后半期开始，从 20世纪 90 年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代，到21世纪，微机保护已成为继电保护的主要形式。二、微机保护的基本构成二、微机保护的基本构成 微机保护是将被保护设备输入的模拟量经模
2、数转换器后变为数字量，再送入计算机进行分析和处理的保护装置。微机保护由硬件和软件两部分构成。其整套硬件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统、CPU主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。微机保护的软件由初始化模块、数据采集管理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。三、微机保护的特点三、微机保护的特点 1.易于获得附加功能 2.微机保护具有灵活性 3.微机保护具有高可靠性 4.维护调试方便 5.保护性能得到很好改善 6.良好的经济性9.1 数字式保护装置硬件原理概述数字式保护装置硬件原理概述 微机保护装置硬件系统按功能可分为：1)数据采集单元（模拟输入）；2)数据处理单元（
3、CPU、储存器、定时器/计数器、控制电路）；3)开关量输入/输出接口；4)人机接口；5)通信接口；6)电源。电压形成低通滤波采样保持多路转换开关A/D转换模拟量输入电压形成低通滤波采样保持CPUEPROM(FLASH)EEPROMRAM定时器并行接口串行接口打印机通讯显示器键盘定时器开关量输出(跳闸、信号)开关量输入（断路器、隔离开关状态）图9-1 微机保护硬件系统框图数据采集系统来自TATV的电流和电压计算机主系统人机对话接口部件输入/输出系统 一、数据采集系统一、数据采集系统 1.电压形成回路电压形成回路 在微机保护中通常要求输入信号为5V或10V的电压信号，取决于所用的模数转换器的型号。
4、电压变换常采用小型中间变换器来实现。电流变换器、电压变换器和电抗变换器的原理图分别如图9-2（a）、9-2（b）和9-2（a）所示，9-2（d）是电抗变换器的原理结构图。图9-2 变换器原理图I1U2URUTATVTXIU（a）（b）（c）IUR（d）2.采样保持电路采样保持电路 采样就是将连续变化的模拟量通过采样器加以离散化。其过程如图9-3(a)(b)(c)所示。模拟量连续加于采样器的输入端，由采样控制脉冲控制采样器，使之周期性的短时开放输出离散脉冲。采样脉冲宽度为TC，采样脉冲周期为TS。采样器的输出是离散化了的模拟量。继电保护算法是多输入而且要求同时采样，再依次顺序送到公用的A/D转换
5、器中去的，微机保护中通常需要采样保持电路。图9-3 采样保持过程示意图 目前，采样保持电路大多集成在单一芯片中，但芯片内不设保持电容，需用户外设，常选0.01F左右。常用的采样保持芯片有LF198、LF298、LF398等。阻抗变换器1SCh阻抗变换器2iuou)(ts 3.模拟低通滤波器（模拟低通滤波器（ALF）滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的电路。对微机保护系统来说，在故障初瞬间，电压、电流中可能含有相当高的频率分量（例如2kHz以上），为防止频率混叠，采样频率不得不取值很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上，在这种情况下可以在采样前用一个低通模拟滤波器(AL
6、F)将高频分量滤掉，这样就可以降低采样频率，降低对硬件速度的要求。模拟低通滤波器通常分为两大类。一类是无源滤波器，由RLC元件构成；另一类是有源滤波器，主要有RC元件与运算放大器构成。目前，微机保护中，采样频率常采用600Hz（即每工频周波采样12个点）、800Hz等。4.模拟多路转换开关模拟多路转换开关(MUX)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
7、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。5.模数转换器模数转换器(A/D)模数转换器A/D是数据采集系统的核心，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机进行处理、存储、控制和显示。A/D转换器主要有以下各种类型。逐位比较（逐位逼近）型、积分型以及计数型、并行比较型、电压频率（即V/F）型等。二、计算机主系统二、计算机主系统 微机保护的计算机主系统有中央处理器（CPU）、只读存储器EPROM电擦除可编程只读存储器EEPROM、随机存取存储器RAM、定时器等。CPU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
8、。EEPROM可存放保护定值，可通过面板上的小键盘设定或修改保护定值。RAM作为采样数据及运算过程中数据的暂存器。定时器用以记数、产生采样脉冲和实时钟等。CPU主系统的常见外设，如小键盘、液晶显示器和打印机等用于实现人机对话。三、开关量输入、输出系统三、开关量输入、输出系统 微机保护所采集的信息通常可分为模拟量和开关量。无论何种类型的信息，在微机系统内部都是以二进制的形式存放在存储器中。断路器和隔离开关、继电器的接点、按钮和普通的开关、刀闸等都具有分、合两种工作状态，可以用0、1表示，因此，对它们的工作状态的输入和控制命令的输出都可以表示为数字量的输入和输出。开关量输入有两类：1.可以与CPU
9、主系统使用共同电源，无需电气隔离的开关量输入。2.与CPU主系统使用不同电源，需要电气隔离的开关量输入。如断路器、隔离开关的辅助触点，继电器触点等。+-外部接点接入开关专用电源CR1R2R3R4内部数字电路工作电源并行接口并行接口Ra（a）（b）S图9-5 开关量输入回路接线图 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输出等。K+5V+EV1P1P2并行接口-E图9-6 开关量输出回路接线图第三节第三节 微机保护的算法微机保护的算法 一、数字滤波一、数字滤波 数字滤波器由软件编程去实现，改变算法或某些系数即可改变滤波性能，即滤波器的幅频特性和相频特性。基本形式有差分滤波(减法滤波)、
10、加法滤波、积分滤波等。1.差分滤波原理 差分滤波器输出信号的差分方程形式为 (9-1)()()(knxnxnyt)(txt fA112sint fA133sinSnTt SSkTnTtSkT图9-12 差分滤波器滤波原理说明 那么上式所示的滤波器是如何起到滤波作用的哪？我们以图9-12来说明滤波的原理。设输入信号中含有基波，其频率为 ，也含有 次谐波，其频率为 ，如图9-12波形所示（图中 为三次谐波）。输入信号 为 当 刚好等于谐波的周期 ，或者是 的整数倍（如 倍，)时，则在 及 两点的采样值中所含该次谐波成分相等故两点采样值相减后，恰好将该次谐波滤去，剩下基波分量。此时有 (9-2)故滤
11、去的谐波次数为 1fm1mffm3m)(txtmfAt fAtx13112sin2sin)(SkT11mfTm11mfP,2,1PSnTt SSkTnTt1SmfPkT 1SfkTPm),2,1(P 由此可见，当 和 已确定时，能滤掉的谐波最低次数是在 时计算的 值，除此之外，还能滤掉 的整数倍的谐波。因数据窗越长其延时越长，通常 为1即可。例如，当采样频率为600Hz，且 ，若滤掉三次谐波，差分滤波器的 值应为1fST1PmmP1Pk431S1SfffmTPk 二、正弦函数模型算法二、正弦函数模型算法 下面几种算法都是假定被采样的电压、电流信号都是纯正弦函数，既不含非周期分量，又不含谐波分量
12、。因而，可利用正弦函数的种种特性，从若干个离散化采样值中计算出电流、电压的幅值、相位角和测量阻抗等量值。1半周积分算法 半周积分算法的依据是 即正弦函数半周积分与其幅值成正比。上式积分可用梯形法近似求出：mmTmTmUTUtUtdtUS2cossin202001121222 10/21111()()()2221122NNsNkNskSuuuuuuTuuuT 求出积分值S后，应用上式可求得幅值。因为在半波积分过程中，叠加在基频成分上的幅值不大的高频分量，其对称的正负半周相互抵消，剩余未被抵消的部分占的比重就减少了，所以，这种算法有一定的滤波作用。另外，这一算法所需数据窗仅为半个周期，即数据长度为
13、10ms。2导数算法 导数算法是利用正弦函数的导数为余弦函数这一特点求出采样值的幅值和相位的一种算法。TSUm设 则 很容易得出 tUumsintIimsintUumcostIimcostUumsin2 tIimsin2或mUuu22)(2222)()mUuu（2222222)()(mmIiiIii或（和 也可推导出 以上中，u、i对应tk 时为uk、ik，均为已知数，而对应tk-1和tk+1的u、i为uk-1、uk+1、ik-1、ik+1，也为已知数，此时 222222222iiuuIUzmmRIUii iiui umm cos2LXIUii ii uiumm sin2skkkTuuu211
14、 导数算法最大的优点是它的“数据窗”即算法所需要的相邻采样数据是三个，即计算速度快。导数算法的缺点是当采样频率较低时，计算误差较大。skkkTiii211)2()(1)(111211 kkksskkskkskuuuTTuuTuuTu)2()(1)(111211 kkksskkskkskiiiTTiiTiiTi傅里叶算法（傅氏算法傅里叶算法（傅氏算法）前面所讲正弦函数模型算法只是对理想情况的电流、电压波形进行了粗略的计算。由于故障时的电流、电压波形畸变很大，此时不能再把它们假设为单一频率的正弦函数，而是假设它们是包含各种分量的周期函数。针对这种模型，最常用的是傅氏算法。傅氏算法本身具有滤波作用。
15、1.全周波傅里叶算法全周波傅里叶算法是采用正弦函数组作为样品函数，将这一正弦样品函数与待分析的时变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同的分量的实部和虚部的系数。进而可以求出待分析的时变函数中该频率的谐波分量的模值和相位。根据傅里叶级数，我们将待分析的周期函数电流信号i(t)表示为 式中 nn次谐波（n=1，2，）；I0恒定电流分量；Inc、Ins分别表示n次谐波的余弦分量电流和正弦电流的幅值。当我们希望得到n次谐波分量时，可用 和 分别乘上式两边，然后在t0到t0T积分，得到 011cossinncnsnni tIIn tIn tNnkiNINkknc2cos21NnkiNINkk
16、ns2sin21cosn tsinn t 电流n次谐波幅值（最大值）和相位（余弦函数的初相）分别为 写成复数形式有 对于基波分量，若每周采样12点（N=12），则两式可简化为：22ncnsnmIIIarctannsnncIInsncnjIII12610842117511)(21)(236iiiiiiiiiiIc)(23)(21)(61084211751931iiiiiiiiiiIs 2半周波傅里叶算法 为了缩全周波傅里叶算法的计算时间，提高响应速度，可只取半个工频周期的采样值，采用半周波傅里叶算法，其原理和全周波傅里叶算法相同，其计算公式为 半周波傅里叶算法的数据窗为半个工频周期，响应时间较短
17、，但该算法基频分量计算结果受衰减的直流分量和偶次谐波的影响较大，奇次谐波的滤波效果较好。为消除衰减的直流分量的影响，可采用各种补偿算法，如采用一阶差分法(即减法滤波器)，将滤波后的采样值再代入半周波傅里叶算法的计算公式，将取得一定的补偿效果.NnkiNINkkns2sin42/1NnkiNINkknc2cos42/1 9.5 微机保护装置的软件构成微机保护装置的软件构成 微机变压器差动保护方案的全部软件可分为主程序、故障处理程序和中断服务程序。1主程序 2定时器中断服务程序 3故障处理程序.初始化（一）主程序入口 初始化（二）数据采集系统初始化 起动标志置 1 开发中断 等待 6 0 m s
18、起动标志置 0 打印报告通用自检项目保护专用自检项目 工作方式 全面自检？不通过调试至监控程序告警通过 有报告吗？NY 图9-1 5 变压器差动保护主程序流程图.定时器中断程序入口控制数据采集系统有起动标志吗？定值吗？KA=0？KA+1KA-1B相(同A相)C相(同A相)置起动标志修改返回地址为故障处理程序入口地址NNY从中断返回YYN 图9-16 定时器中断服务程序流程图?3K A)(dki.故障处理程序入口形成起动报告傅氏算法数据窗口满否？N计算差动量Id满足差动速判断据？计算制动量Ir e sIr e s Ir e s 0?满足差动零段判据?Id Id 0?满足差动折线段判据?计算二次谐
19、波电流Ia c t.2满足谐波制动比?是否T A 断线?连续达到内部故障复算次数吗?发出跳闸命令形成故障报告故障已切除?延时5 秒?形成跳闸异常报告返回主程序运行错误处理处收回跳闸命令有关标志清零达到外部故障复算次数吗?形成区内无故障报告,有关标志清零返回主程序循环入口处Y图9-1 7 故障处理程序流程图形成T A 断线报告,闭锁差动保护NYNNNYNNNYYYYYNNYY?)(s e tddII?1dr e s22dIKI提高微机保护可靠性的措施提高微机保护可靠性的措施一、抗电磁干扰的措施一、抗电磁干扰的措施1接地的处理2.屏蔽与隔离二、模拟量的自纠错二、模拟量的自纠错1利用采样数据的相关性互相校核2运算过程的校核纠错三、故障自诊断三、故障自诊断1RAM的自检2EPROM的自检3模拟量输入通道的自检4开关量输出通道的自检
