電力系統繼電保護（第2版）

微機繼電保護基礎第一節微機保護基本結構微機保護的基本結構包括數據處理單元、模擬量輸入系統、開關量輸入輸出系統、人機對

話和外部通信系統四個部分。圖2-1微機保護系統方框圖一、數據處理單元一般由中央處理器(CPU)、存儲器、定時器/計數器及控制電路等部分組成，并通過數據總線、地址總線、控制總線連成一個系統。繼電保護程序在數字核心部件內運行，指揮各種外圍接口部件運轉、完成數字信號處理，實現保護原理。?CPU是數字核心部件以及整個微機保護的指揮中樞，計算機程序的運行依賴于CPU來實現。?存儲器用來保存程序和數據，它的存儲容量和訪問時間也會影響整個微機保護系統的性能。?定時器/計數器除了為延時動作的保護提供精確計時外，還可以用來提供定時采樣觸發信號、形成中斷控制等作用。?數字核心部件的控制電路包括地址譯碼器、地址鎖存器、數據緩沖器、中斷控制器等等，它的作用是保證微機數字電路協調工作。二、模擬量輸入系統微機保護裝置模擬量輸入接口部件的作用是將電力傳感器輸入的模擬電量正確地變換成離散化的數字量，提供給數字核心部件進行處理。交流模擬量輸入接口部件內部按信號傳遞順序為：電壓輸入變換器和電流輸入變換器及其電壓形成回路、前置模擬低通濾波器、采樣保持器、多路轉換器、模數變換器。?前置模擬低通濾波器是一種簡單的低通濾波器，其作用是為了在對輸入模擬信號進行采樣的過程中滿足采樣定理的要求。?采樣保持器完成對輸入模擬信號的采樣。?多路轉換器是一種多信號輸入、單信號輸出的電子切換開關，可通過編碼控制將多通道輸入信號依次與其輸出端連通，而其輸出端與模數變換器的輸入端相連。?模數變換器實現模擬量到數字量的變換。開關量是指反映“是”或“非”兩種狀態的邏輯變量，如斷路器的“合閘”或“分閘”狀態、控制信號的“有”或“無”狀態等。三、開關量輸入輸出系統?開關量輸入接口部件的作用是為正確地反映開關量提供輸入通道，并在微機保護裝置內外部之間實現電氣隔離，以保證內部弱電電子電路的安全和減少外部干擾。?開關量輸出接口部件的作用是為正確地發出開關量操作命令提供輸出通道，并在微機保護裝置內外部之間實現電氣隔離，以保證內部弱電電子電路的安全和減少外部干擾。四、人機對話和外部通信系統人機對話接口部件的作用是建立起微機保護裝置與使用者之間的信息聯系，以便對裝置進行人工操作、調試和得到反饋信息。外部通信接口部件的作用是提供與計算機通信網絡以及遠程通信網的信息通道。?微機保護人機對話接口部件通常包括以下幾個部分：簡易鍵盤、小型顯示屏、指示燈、打印機接口、調試通信接口。?外部通信接口可分為兩大類：第一類通信接口為實現特殊保護功能的專用通信接口，如輸電線路縱聯保護；另一類通信接口為通用計算機網絡接口，可與電站計算機局域網以及電力系統計算機遠程通信網相連，實現更高一級的管理、控制功能，如數據共享、遠方操作及遠方維護等。第二節微機保護工作原理簡介實現繼電保護功能主要有三個步驟：1.模擬量輸入系統將從電力系統獲得的模擬電量信號進行預處理轉化為數字量，開關量輸入系統將開關量輸入信號也轉變為數字量；2.數據處理單元對已轉變為數字量的電量信號進行數字濾波，從而獲得微機保護算法所需要的數字信號序列；3.數據處理單元對已濾波的數字信號序列采用合適的算法并結合開關量輸入信號綜合判斷，然后根據判斷結果控制開關量輸出系統和人機對話和外部通信系統的輸出，實現跳閘、信號告警、數據記錄等功能。一、輸入信號預處理由電力系統輸入到繼電保護裝置的模擬信號分類：?來自TV(或TA)的交流電壓(或電流)信號；?來自分壓器(或分流器)的直流電壓(或電流)信號；?自斷路器、隔離刀閘等設備輔助接點以及其它繼電器接點的開關量信號，或者來自別的微機保護或數字設備的數字量信號。輸入信號預處理過程的具體步驟為：1.將電力系統輸入到繼電保護裝置的模擬信號轉換到與微型計算機相匹配的電平；2.由前置模擬低通濾波削去其中的高頻成分；3.由采樣環節將連續信號離散化；4.由A／D轉換器變為數字量。信號預處理中，還包括隔離和抑制隨有用信號竄入的干擾，這對于提高保護裝置的可靠性非常重要。具體步驟如圖2-2所示。圖2-2輸入信號預處理流程框圖二、數字濾波?濾波精度高。加長字長可以很容易提高精度。?可靠性高。模擬元器件很容易受環境和溫度的影響，而數字系統受這種影響要小得多。?靈活性高。數字濾波器改變性能只要改變算法或者某些系數，而模擬濾波器卻十分麻煩。?便于時分復用。一套硬件系統可以完成各個通道的濾波任務，模擬濾波器則必須每個通道裝一個濾波器。數字濾波器的分類：?按算法實現方式不同可分為專用硬件組成的數字濾波器和軟件組成的數字濾波器；?按運算結構不同可分為遞歸型和非遞歸型數字濾波器；?按單位脈沖響應不同可分為無限長單位脈沖響應濾波器和有限長單位脈沖響應濾波器；?按照不同的濾波理論又可分為常規濾波器和最佳濾波器；?按頻率特性分為低通、帶通、高通和帶阻四類基本濾波器，其中前兩類濾波器在微機保護中用得較多。三、算法?基于電壓、電流為純正弦變化的算法有半周內最大值、半周內采樣值累積、Mann-Morrjson的導數算法、Prodar-70的二階導數算法，采樣值積的算法和解方程組的算法等。?假設電壓、電流量由非周期分量、基頻和倍頻分量組成的算法除解方程組外，最常見的是傅氏算法和沃爾希函數算法。?在超高壓電力系統中，為克服隨機噪音的影響，還提出了一些減少誤差的算法。例如對計算結果采取平滑措施，采用最小二乘曲線擬合算法。第三節微機保護數字信號處理與典型算法一、采樣定理無論原始輸入信號的頻率成分多復雜，保證采樣后不丟失其中信息的充分必要條件是，采樣率f

S

應大于輸入信號的最高頻率fmax

的兩倍，即f

S

>2fmax這就是著名的采樣定理。f

S

為采樣頻率(簡稱采樣率)，它是采樣周期TS

的倒數即采樣頻率反映了采樣速度。在電力系統的實際應用中，習慣用采樣頻率f

S

相對于基波頻率的倍數(記為N)來表示采樣速度，稱為每基頻周期采樣點數，或簡稱為N點采樣。fS

=

實際應用中，確定采樣率還需考慮的問題：?故障信號中可能包含高頻成分，但多數保護原理只需使用基波和低次諧波成分，可通過對輸入信號先進行模擬低通濾波，降低其最高頻率，從而可選取較低的采樣頻率。?實用采樣頻率通常按保護原理所用信號頻率的4~10倍來選擇，以保證計算精度，同時也考

慮了數字濾波的性能要求。?簡單的前置模擬低通濾波器難于達到很低的截止頻率，限制了采樣頻率不能太低。二、數字濾波器1.數字濾波器的基本概念數字濾波器是一種特殊的算法，其特點是通過對采樣序列的數字運算得到一個新的序列，在新的序列中已濾除了不需要的頻率成分，只保留了需要的頻率成分。數字濾波器的運算過程用常系數線性差分方程來表述為y(n)

=

ai

x(n

?i)

+

bi

y(n

?i)式中，x(n)

和

y(n)

分別為濾波器的輸入值

序列和輸出值序列，ai

和bi

為濾波器系數。?系數bi

全部為0時，稱之為非遞歸型濾波器，此時，當前的輸出y(n)

只是過去和當前的輸入值x(n

?i)

有關，而與過去的輸出值y(n

?

i)無關。?系數bi

不全為0，即過去的輸出對現在的輸

出有直接影響，稱之為遞歸型濾波器。就數字濾波器的運算結構而言，主要包括遞歸型和非遞歸型兩種基本形式。數字濾波器的濾波特性通常用頻率響應特性來表征，包括幅頻特性和相頻特性。?幅頻特性反映不同頻率的輸入信號經過數字濾波后，其幅值的變化情況；?相頻特性則反映輸入和輸出信號之間相位移的變化情況。由于大多數的保護原理只用到基頻或某次諧波，

因此，最關心的是濾波器的幅頻特性，對濾波器的相頻特性一般不作特殊要求。2.非遞歸型濾波器非遞歸型數字濾波器的差分方程為y(n)

=

ai

x(n

?i)這意味著當前濾波輸出與當前及前K個輸入數據有關。更確切地說，需等待K+1個輸入數據之后濾波器才可能得到第一個濾波輸出數據。也就是說，濾波輸出序列相對于采樣輸入序列出現了時間上的延遲，K越大則時延越長。定義非遞歸型數字濾波器的響應時延為S由于為TS

常數，因而在實用中廣泛采用數字濾波器產生一個輸出數據所需要等待的輸入數據的個數來表示時延，這稱為數據窗，記為Wd

(為整數)。顯然有Wd

=

K

+

1

，且

τ

=

(Wd

?

1)TS2時延和數據窗反映了數字濾波器對輸入信號的

響應速度，是一個很重要的技術指標。τ

=

KT(1)差分(相減)濾波器一種最簡單的數字濾波器，濾波方程為：y(n)=x(n)?x(n

?K)式中,K

≥

1

為事先確定的常數，稱為差分步長，

可根據不同的濾波要求進行選擇。差分濾波器的數據窗Wd

=K

+1，時延τ

=KTS

。?差分濾波器可以完全濾除輸入信號中的恒定直流分量，即使對于衰減的直流分量也有良好的抑制作用，但對故障信號中的某些高頻分量有放大作用。?差分濾波器可用來消除某些諧波的影響，抑制故障信號中的衰減直流分量，實現故障的檢測(啟動)元件、選相元件以及其它利用故障分量原理構成的保護。式中，K

≥

1

為事先確定的常數，稱為積分區

間，可根據不同的濾波要求進行選擇。積分濾波器的數據窗Wd

=K

+1，時延τ

=

KTS

。積分濾波器不能濾除輸入信號中的直流分量和低頻分量，但其對高頻分量有一定的抑制作用，并且頻率越高抑制作用越強。(2)積分濾波器一種常用的數字濾波器，其濾波方程為y(n)

=

x(n

?i)

,K

≥1K非遞歸型數字濾波器的優點：?采用有限個輸入信號的采樣值進行濾波計算，不存在濾波器的不穩定問題?不存在因計算過程中舍入誤差的累積造成濾波特性惡化。?濾波器的數據窗明確，便于確定它的濾波速度，易于在濾波特性與濾波速度之間進行協調。主要問題：要獲得較理想的濾波特性，通常要求濾波算法的數據窗較長，因此，在某些對濾波速度要求較高的場合，可考慮采用遞歸型濾波器。3.遞歸型數字濾波器的概念濾波系數bi

不全為0時，濾波器的輸出y(n)

不僅與當前的輸入值

x(n)和過去的輸入值

x(n

?i)

有關，還取決于過去的輸出值y(n

?

i)

，這種反饋和記憶特性是遞歸型濾波器的基本特征。以一個采用零、極點配置法設計的遞歸型數字濾波器為例說明遞歸型濾波器的主要特點。采樣頻率1000Hz為(每周波20點采樣)，其濾波方程為y(n)=x(n)?x(n

?2)+1.8424y(n

?1)?0.9391y(n

?2)這是個帶通濾波器，它的幅頻特性的特點是在基頻處有非常尖銳的響應，而對其它頻率的信號則表現出很強的衰減，因而被稱為狹窄帶通濾波器。優點：?采用遞歸型數字濾波器可以獲得相當理想的濾波特性，并且計算簡單，便于實時應用。?遞歸型濾波器從某種意義上來說相當于一個數據窗為無窮大的非遞歸型濾波器，結構簡單、計算量小的遞歸型濾波器也能實現相當理想的濾波特性。主要問題：?

由于采用遞推計算，而計算機的字長有限，計算過程的舍入誤差可能會不斷累積造成濾波器性能惡化。?沒有明確的數據窗。它的頻率響應特性，如幅頻特性，實際上是指穩態特性。隨著遞推計算過程的延續，濾波特性將逐步逼近其穩態特性。三、基本算法基本算法主要是計算出正弦量表達式中的電量值。這類算法是假設提供給算法的電流、電壓數據為純正弦函數序列。1.半周積分算法半周積分法用來計算正弦量的幅值。以電壓為例，假設輸入信號為純正弦周期信號u(t)=Um

cos(ωt

+?)按復相量表示法，即

U!

=

Um

ej?

=

UR

+

jUI

，

顯然有實部UR

=

Um

cos?

，虛部UI

=Um

sin?

。則可表示為：u(t)=UR

cosωt

?UI

sinωt

(2-

16)如果計算出輸入正弦信號的實部和虛部，則可以進一步計算其幅值和相位：?

=arctanU2

+U2U

=R

Im根據正弦函數的變化特點，對式(2-16)

兩邊在區間,

上進行積分可得電壓實部的表達式為3T

3TJT4

u(t)dt

=UR

JT4

cosωtdt

?0443TU

=

J

J

cosωt

dt4TT4(t)dt(t)dt(t)dt(t)dtu44

u

(t)dt即R

3T

4同理，若將積分區間選擇為0,

，可得到電壓虛部的表達式：

TU

=

?

J0T

u(t)dt

J02

sinωtdtIIIIII22ITU

=

J0

u(t)dt

J

4

cosωtdt22I

3TT或4利用采樣數據進行上述計算時，可用分塊矩形面積求和的方法近似代替積分，并考慮每周期N點采樣，可將電壓實部和虛部的計算式近似為

u(i)

cos(i

)=UU

=U

=

u(i)

cos(i

)R

3I

3?半周積分算法的數據窗長度為，計算速度較慢，由于它采用積分計算，算法本身具有一定的抑制高頻分量的能力。?算法不能完全消除高頻分量的影響，也不能濾除非周期分量，因此，采用半周積分算法進行參數計算時，仍需與數字濾波器配合使用。在濾波器設計時，可適當降低對高頻濾波能力的要求。除上述算法外，正弦函數模型算法還包括最

大值算法、采樣值積算法、一階導數算法和二

階導數算法等。2.富氏算法假設輸入信號中除基頻分量外，還包含直流分量和各種整次諧波分量。此時，輸入信號可表示為x(t)

=

X0

+

Xk

cos

(kω1

t

+?k

)式中，X0

為直流分量；ω1為基頻角頻率；Xk

、?k

為第k

次諧波分量的幅值和相位。經推導可得1出實、虛部計算式為：XR

k

=

J0

x(t)coskω1

t

dt1TXI

k

=

J0

x(t)sinkω1

t

dt1T進一步可計算出基頻分量的幅值和相位：X1

=

?1

=arctg(XI

1

XR1

)由此可準確地求出信號中的基頻分量，其計算精度不受恒定直流分量和整次諧波分量的影響。式中，k

為整數，表示諧波次數。當k

取不同的

數值，可求出不同次諧波分量的實部和虛部。例如，取k=1，則基頻分量的實部和虛部為：XR1

=x(i)cos

i

?XI1

=x(i)sini

?富氏算法的數據窗為一個基頻周期，故也稱之為全周富氏算法。根據三角函數系的正交性，當輸入信號為周期性信號時，采用富氏算法可準確地求出信號中的某次諧波分量，并保證使其它整次諧波分量及恒定直流分量衰減到零。富氏算法特點：?不能完全濾除非整次諧波分量，但有一定的抑制作用，尤其對高頻分量的濾波能力相當強；?對于低頻分量(主要由衰減的非周期分量產生)的濾波效果相對較差。仿真計算表明，在最嚴重情況下，由衰減非周期分量引起的計算誤差可能超過10%。實際故障情況下，采用富氏算法進行參數計

算時會產生一定誤差。為減小誤差，一個簡單可行的方法是對輸入信號的原始采樣數據先進行一次差分濾波，以削弱衰減的非周期分量的影響，然后再進行富氏計算。3.計算輸電線路阻抗的微分?程算法采用微分方程算法進行阻抗計算時，最簡單最常用的模型是忽略分布