第九章 数字式继电保护技术基础 2015.6.10.ppt

第九章数字式继电保护技术基础 1 一 继电保护的发展史 1 20世纪初 继电器开始广泛应用于电力系统 认为是继电保护的开端 2 继电保护原理发展过程 表1 3 构成继电保护装置元件 材料 保护装置结构型式和制造工艺变化 出现不同保护装置的发展过程 表2 表1 表2 二 传统继电保护的优缺点 三 微机保护的优点 四 微机继电保护发展史 1 世界微机保护发展史 表1 2 中国微机保护发展史 表2 表1 表2 9 1数字式保护装置硬件原理概述传统保护的实现是利用硬件电路 如定时限过电流保护是由电流继电器 时间继电器 信号继电器等组成 而微机保护的实现 要利用微机保护的硬件装置同时还需要软件构成 一 数字式保护装置硬件结构微机保护主要部分是微机 还配有输入 输出接口 有关计算和操作程序 人机联系部分 硬件指模拟和数字电子电路 硬件提供软件运行的平台 并且提供数字式保护装置与外部系统的电气联系 软件指计算机程序 由它按照保护原理和功能的要求对硬件进行控制 有序地完成数据采集 外部信息交换 数字运算和逻辑判断 动作指令执行等各项操作 14 数字式保护装置的硬件系统原理图如图所示 15 1 微机系统微型机系统用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障 然后决定是否发出跳闸信号 微型机系统是微机保护装置的核心 一般包括 微处理器 CPU 只读存储器 随机存取存储器以及定时器 Watchdog等 CPU是微机系统自动工作的指挥中枢 定时器用于触发采样信号 在V F变换中 是频率信号转换为数字信号的关键部件 16 应用于数字保护装置主要有以下几种类型 1 单片微处理器 2 通用微处理器 3 数字信号处理器 17 存储器是用于保存程序和数据 1 随机存储器 RAM RAM用来暂存需要快速交换的大量临时数据 如数据采集系统提供的数据信息 计算处理过程的中间结果等 RAM中的数据允许高速读取和写入 但在失电后会丢失 2 只读存储器 ROM 目前使用的是一种紫外线可擦除且电可编程只读存储器 EPROM 用来保存数字式保护的运行程序和一些固定不变的数据 EPRAM中的数据允许高速读取和写入 在失电后会丢失 18 3 电可擦除且可编程存储器 EEPROM 用来保存在使用中有时需要改写的那些控制系数 如继电器的整定值等 EEPROM中的数据允许高速读取和写入 在失电后不会丢失 同时无需专用设备就可以在使用中在线改写 对于修改整定值比较方便 19 定时器 计数器在数字保护中也是十分重要的器件 它除了为延时动作的保护提供精确计时外 还可以用来提供定时采样触发信号 形成中断控制等 20 2 模拟量输入系统微机系统只能识别数字量 需要将电流 电压模拟信号转换为相应的微机系统能接受的数字信号 继电保护的基本输入电量是模拟性质的电信号 一次系统的模拟电量可分为交流电量 交流电压和交流电流 直流电量以及各种非电量 它们经过各种电力传感器 如电压互感器和电流互感器 转变为二次电信号 再由引线端子进入数字式保护装置 模拟电信号还要正确地变换成离散化的数字量 21 继电保护的基本输入电量是模拟性质的电信号 一次系统的模拟电量可分为交流电量 交流电压和交流电流 直流电量以及各种非电量 它们经过各种电力传感器 如电压互感器和电流互感器 转变为二次电信号 再由引线端子进入数字式保护装置 模拟电信号还要正确地变换成离散化的数字量 22 这个过程也就是所说的是数据采集 因此模拟量输入接口部件也称为模拟量数据采集部件或数据采集系统 简称为AI接口 23 AI接口往往包括多路不同性质的模拟量输入通道 如不同相别的电压和电流 零序电压和电流以及直流电压和电流等 具体情况取决于数字式保护装置的功能要求 但一般都要求由AI接口得到的多路数字信号之间保持在时间上的同时性 对于交流信号相当于保持各通道之间原有相位不变 和同性质的通道之间变换比例一致 24 交流信号输入变换由输入变换器来实现 接受来自电力互感器二次侧的电压和电流信号 其作用是通过装置内的输入变压器和变流器将二次电压和电流进一步变小 以适应弱电电子元件的要求 同时使二次回路与保护装置内部电路之间实现电气隔离和电磁屏蔽 以保障保护装置内部弱电元件的安全 减少来自高压设备对弱电元件的干扰 25 V 电压形成的方式与数字式保护装置所采用的电流变换器的形式有关 常用的有以下两种形式 变换器作用 变换电量 隔离电路 用于定值调整 用于电量综合 第一种采用电流变换器 其工作原理与电流互感器相似 电压形成的方式在副方接入一个低阻值电阻 电流变换器 主要是将一次电流转换成与一次电流成正比的二次电压 26 第二种采用电抗变换器 可一次形成电流标度变换和电压形成 电抗变换器是一个铁心具有间隙的变压器 它的原方是输入电流而副方输出电压 理想状态下输出电压与原方电流中的微分成正比 变换器共性 无论输入是电流还是电压 输出都为电压 27 2 前置模拟低通滤波器 ALF 是一种简单的低通滤波器 每一路AI通道都需要配置 ALF的作用是仅仅是为了抑制输入信号中对保护无用的较高频率的成分 以便采样时易于满足采样定理的要求 28 3 采样保持电路完成对输入模拟信号的采样 由于微机保护只能对数字量进行运算和判断 所以应将连续模拟量变为离散量 所谓采样保持 指在某时刻获取输入模拟信号在该时刻的瞬时值 并维持适当时间不变 以便模数变换回路将其转换为数字量 如果将固定的时间间隔重复地进行这种采样操作 就可将时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散的模拟信号序列 4 模数转换器作用 将输入模拟量变为与其相应的数字量 以便进行处理 存储 控制和显示 29 3 开关量输入接口 DI 系统作用 是为开关量提供输入通道 并在数字保护装置内外部之间实现电气隔离 以保证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰 30 4 开关量输出接口 DO 系统作用 是为开关量提供输出通道 并在数字保护装置内外部之间实现电气隔离 以保证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰 31 5 人机对话接口作用是建立起数字保护装置与使用者之间的信息联系 以便对保护装置进行人工操作 调试和得到反馈信息 继电保护的操作主要包括整定值和控制命令的输入等 而反馈信息包括被保护线路的一次设备是否发生动作以及保护装置本身是否运行正常等 包括 打印 显示 键盘及信号灯 音响或语言告警等 6 电源电源是微机保护装置重要组成部分 通常采用逆变稳压电源 32 7 外部通信接口部件作用是提供与计算机通信网络以及远程通信网络的信息通道 CI可分为两大类 一类为实现特殊保护功能的专用通信接口 另一类为通用计算机网络接口 可与电站计算机局域网以及电力系统远程通信网相联 实现更高一级的信息管理和控制功能 33 9 2数字式保护的数据采集与数据滤波一 数据采集系统的基本原理通过数字信号采集系统将连续的模拟信号转变为离散的数字信号 离散化过程包含了两个子过程 第一步为采样过程 通过采样保持器对时间进行离散化 即把时间连续的信号变为时间离散的信号 或者说在一个个等时间间隔的瞬时点上抽取信号的瞬时值 第二步为模数变换过程 通过模数变换器对采样信号幅度进行离散化 即把时间上已离散而在数值上仍连续的瞬时值变换为数字量 34 1 采样过程描述及采样定理设输入模拟信号为xA t 现在以确定的时间间隔Ts对其采样 得到一组代表在各采样点瞬时值的采样值序列x n 可表为x n xA nTs n 1 2 3 设xA t xmsin t 则x n xA nTs xmsin nTs 35 则x n xA nTs xmsin nTs 上述确定的相邻采样值之间的间隔称为采样周期 采样周期的倒数称为采样频率采样频率的选择是微机保护中的一个关键问题 36 采样率相对于基波频率的倍数来表示采样速率 称为每基频周期采样点数 或简称为N点采样 37 采样定理 无论原始输入信号的频率成分多复杂 保证采样后不丢失其中信息的充分必要条件是 采样率应大于输入信号的最高频率的2倍 即 38 2 模数变换过程及技术指标模数变换 A D变换 的基本原理简单地说是用一个微小的标准单位电压 即A D的分辨率 来度量一个无限精度的待侧量的电压值 即瞬时采样值 从而得到它所对应的一个有限精度的数字值 即待测量的电压值可以被标准电压分为多少份 39 显然 选定的标准电压越小 A D变换的分辨率越高 得到的数字量就能越精确地刻划瞬时采样值 但无论多少 总会有误差 该误差被称为量化误差 40 A D变换器的主要技术指标是分辨率 精度和变换速度 1 分辨率是反映A D对输入电压微小变化的区分能力的一种度量 分辨率的公式为式中rA D A D变换器的分辨率 用最小可分辨电压来表示 UA D n A D变换器额定满量程电压 即最大允许的输入信号电压BA D A D变换器最大可输出数字量对应的二进制位数 41 2 A D变换器的精度是指A D变换的结果与实际输入的接近程度 也就是准确度 或者说A D变换器的精度反映变换误差 A D变换器的精度通常用最低有效位来表征 即当A D变换结果用二进制来表示时 其低位端最大可能有几位是不准确的 3 A D变换器的速度通常用完成一次A D变换的时间 或变换时延 来表示 42 3 多通道数据采集系统的实现方案数字保护装置中要求数据采集系统同时完成多路模拟输入信号的数据采集 并保证这多路数字采样序列在每一时刻采样值的同时性 43 多路转换开关为了保证阻抗 功率方向等 对各个模拟量要求同时采样 以准确地获得各量之间的相位关系 同时节省硬件 可利用多路开关轮流切换各通路 达到分时转换的目的 共用A D转换器 44 二 数字滤波的基本概念数字式保护通过对采样序列的数字运算和时序逻辑处理来实现继电保护的原理和功能 数字运算主要包括数字滤波 基本特征量的计算和保护动作方程的运算三项内容 数字滤波器的特点是不以计算电气量特征参数为目的 而是通过对采样序列的数字运算得到一个新的序列 在这个采样序列中已滤出了不需要的频率成分 只保留了需要的频率成分 45 设第k次谐波为选择采样率为每基频周期N点采样 经采样可得周期 46 当延迟时间为半周期时 得到半周期延迟信号当延迟时间为整周期时 得到整周期延迟信号 47 当延迟时间为半周期时 得到半周期延迟信号当延迟时间为整周期时 得到整周期延迟信号若滤除此第k次谐波 可将 a 和 b 波形相加 或可将 a 和 c 波形相减 48 一般 线性数字滤波器的运算过程可用常系数线性差分方程表述为通过选择滤波系数ai和bi 可控制数字滤波器的滤波特性若系数bi全部为零时 称为有限冲激响应 FIR 数字滤波器 此时 当前的输出只是过去与当前的输入值x n i 的函数 而与过去的输出值y n i 无关 49 若系数bi不全部为零时 即过去的输出对现在的输出也有直接影响 称为无限冲激响应 IIR 数字滤波器 与模拟滤波器相比 FIR和IIR数字滤波器可以理解为前者没有输出信号对输入的反馈 而后者则有输出信号对输入的反馈 50 数字滤波器的滤波特性用频率响应来表征 包括幅频特性和相频特性 幅频特性反映经过数字滤波后 输入和输出信号的幅值随频率的变化情况 相频特性反映输入和输出信号的相位随频率的变化情况 51 设离散序列x n 的Z变换为Z x n X z 对离散系统的差分方程式进行Z变换 有定义该离散系统的转移函数为 52 还可以表示于是幅频特性和相频特性通常主要关心幅频特性 53 对于FIR型数字滤波器 其差分方程为当前滤波输出与当前及前K个输入数据有关 定义FIR型数字滤波器的响应时延为由于Ts为实数 因而在实用中广泛采用数字滤波器产生一个输出所需要等待的输入数据的个数来表示时延 称为数据窗 记为Wd 时延和数据窗反映数字滤波器对输入信号的响应速度 是非常重要的技术指标 54 三 数字保护中常用的简单数字滤波器1 最简单的单位系数数字滤波器 1 差分 相减 滤波器 差分方程为该滤波系统转移函数为每基频周期内采样点数为N 基频频率为f1 则有差分滤波器的幅频特性 55 需满足在数字保护装置中 差分滤波器主要有以下用途1 消除直流和某些谐波分量的影响 2 抑制故障信号中的衰减直流分量的影响 56 2 积分滤波器 其滤波方程为利用积分滤波器对高频分量有一定的抑制作用 但不能滤除输入信号中的直流分量和低频分量 57 2 级联数字滤波器所谓级联 类似于多个模拟滤波器相串连 即将前一个滤波器的输出作为后一个滤波器的输入 如此依次相连 构成一个新的滤波器 称为级联滤波器 级联滤波器的时延为各个滤波器时延之和 则级联滤波器的数据窗为 58 9 3数字式保护的特征量算法数字式保护中算法可分为两大类 一类是特征量算法 用来计算保护所需的各种电气量的特征参数 如交流电流和交流电压的幅值及相位 功率 阻抗 序分量等 另一类是保护动作判据或动作方程的算法 与具体的保护功能密切相关 并需要利用特征量算法的结果 最后还需要完成各种逻辑处理及时序配合的计算和处理 才能最终实现故障判定 59 一 正弦信号的特征量算法以电压为例 正弦信号可表示为设周期为T 每周期采样数N为常整数 则有采样序列为 60 在实际故障情况下 输入交流信号中并不是正弦信号 因此 采用基于正弦函数模型的算法 必须与数字滤波器配合使用 1 正弦信号幅值的直接算法 1 半周绝对值积分算法 对于连续函数设在半周期T 2内对其绝对值的积分值记为S 则 61 所以得到上式离散化后 可求得幅值的估值为 62 2 采样值积算法 设u n u n K u n 2K 分别为在采样时刻tn tn K tn 2K时的电压采样值 可得求解上述方程组 便可确定正弦函数的三个基本特征量 63 对于幅值的计算就可以通过采样值之间的乘积运算来实现 称为采样值积算法 采样值积算法包括两采样值积算法和三采样值积算法 1 两采样值积算法 64 上两式分别平方后相加进一步简化 65 2 三采样值积算法 由上两式中分子相等可解得 66 解得由于 67 2 正弦信号复相量的算法 1 计算复相量实部和虚部的两采样值算法其离散采样序列可表示为 68 分别取n 0和n N 4时 复相量的实部和虚部表达式设可以导出 69 可改为 2 根据复相量实部和虚部求取其模值与相位的计算式为下面讨论根据复相量的实部和虚部求取其模值的快速近似算法 70 取实部和虚部两数中的大者为L 小者为S 则为简化计算取线性估计 令得 71 按近似误差最小的原则举出两种直线方程第一种直线方程 第二种直线方程 将方程代入可得出模值的近似值 72 3 功率的算法复功率为 73 可得基于正弦信号两采样值的基波功率算法 74 4 阻抗的算法可得到 75 基波阻抗 76 二 非正弦信号的特征量算法在数字保护装置中 还有一类算法是基于非正弦交流信号模型构造的 本身具有良好的滤波特性 可以从故障信号中直接计算基波及某次谐波的特征量 有傅式算法 最小二乘法 卡尔曼最佳滤波算法等 下面是全周傅式算法 假定输入信号为周期函数 即输入信号可表示为除基频分量外 还包含直流分量和各种整次谐波分量 77 以电压为例 78 则取k 1 79 幅频特性如图所示为了提高算法的响应速度 减少时延 还可以将数据窗压缩到半个基频周期 从而得到半周傅式算法 80 三 移相算法及序分量算法1 移相算法在实现继电保护原理时常常要求将复相量旋转一个相位角 并保持其幅值不变 这种算法称为移相算法 将其展开便可得到移相算法 81 采样序列移相的最简单的方法是时差法 移相后的序列与原始序列的关系可表示为 82 2 序分量算法在继电保护原理中 广泛使用对称分量 以电压为例 对称分量的计算根据输入量的性质也有两类算法 即复相量的滤序算法和正弦采样序列的滤序算法 83 1 复相量的滤序算法假定已通过前面的算法求得了各相电压基频相量的实部和虚部 令三相电压的相量记为 84 而零序分量 正序分量及负序分量电压的相量可直接算出各序分量的相量 85 2 正弦采样序列的滤序算法假定已通过前面的数字滤波求得了各相电压基频分量采样值序列 三相基频电压采样值分别为ua n ub n uc n 对于负序分量 利用时差移相原理数据窗宽度为 时延为2 3个基频周期 计算时间较长 86 为了缩小数据窗 对于正弦量有则再利用正弦函数的关系依次来处理b相电压上式的数据窗宽度为 相当于1 6个周期 计算时间大大缩短 87 四 基于输电线路简化物理模型的阻抗算法以输电线路模型为基础 通过求解线路模型的微分方程 直接计算线路阻抗 目前最简单也是最常用的模型是忽略分布电容的影响 假设输电线路仅由电阻和电感串连组成 称为基于输电线路RL型的微分方程算法 对于输电线路的RL模型 当线路上发生金属性短路故障时 测量端的电压和电流满足微分方程 88 因此可解得正序电感值然后根据可计算正序电阻 89 相间短路故障的过渡电阻主要是电弧电阻 其值较小 可直接应用上式计算 接地短路故障的过渡电阻往往较大 实用中需要对上述算法加以改进 设经过渡电阻发生单相接地短路故障时故障点对地电压为 对故障线路段可写出微分方程 零序补偿系数 90 令对上式写成离散形式 91 在两个采样时刻根据上式可写出方程组联立求解可得 92 五 故障分量的算法1 采样序列的故障分量算法以电流为例 设基频采样数为N 基于采样序列的故障分量算法为或 93 2 复相量的故障分量算法故障分量相量可表示为 94 9 4数字式保护的基本动作判据的算法一 启动判据的算法启动元件通过启动判据来实现 其算法称作启动算法 对启动元件及其算法的主要要求是 在正常负荷状态下不要启动 但在故障发生瞬间具有较高的启动灵敏度和足够的响应速度 最常见的有反映测量量大小的稳态量启动元件及算法和反映扰动前后变化量大小的突变量启动元件及算法 95 1 稳态量启动元件及算法稳态量启动元件是指直接根据测量量的大小决定是否启动的判别元件 它又可分为过量启动元件和欠量启动元件 以反映基频分量的过电流启动元件为例 其启动判据为 96 2 突变量启动元件及算法以电流启动方式为例 突变量启动判据的算法通常有如下几种相对应的电流突变量启动判据为 97 二 相位比较和幅值比较判据的算法1 相位比较判据的算法 1 余弦型比相判据的算法即 98 2 正弦型比相判据的算法即 99 2 幅值比较判据的算法幅值比较的基本判据为可得到幅值判据的平方算法 100 三 功率方向判据的算法功率方向实际上反映的是电压与电流的比相 可以