微机继电保护PPT课件

1 NorthChinaElectricPowerUniversity 电力工程系 DepartmentofElectricalEngineering 华北电力大学 微机继电保护原理 2 微机继电保护原理 华北电力大学电气工程学院河北保定张举 3 目录 第一章概述第一节微机继电保护的发展历史及研究现状第二节微机继电保护装置的特点和硬件组成第二章微机保护的数据采集系统第一节数据采集系统的作用与要求第二节模拟信号的预处理第三节采样定理第四节采用逐次逼近原理A D芯片构成的数据采集系统第五节采用积分型A D芯片构成的数据采集系统第三章微机保护装置的硬件电路原理第一节概述第二节管理微机系统的硬件电路原理第三节保护微机系统的硬件电路原理第四节微机保护装置的出口与信号电路 4 目录 第四章微机保护中数字滤波器的设计第一节概述第二节数字滤波器的实现和分析方法第三节简单滤波器及其级联的分析方法第四节用零 极点配置法设计数字滤波器的方法第五章微机保护的算法第一节微机保护的算法概述第二节基于正弦信号的算法第三节基于信号为周期函数模型的算法第四节微机保护中的阻抗算法第五节微机保护中的比相算法第六节微机保护中的滤序算法第七节微机保护中的复数求模值方法 5 目录 第六章输电线路的微机保护第一节输电线路的纵联保护第二节采用闭锁信号的高频保护第三节采允许锁信号的高频第四节高频方向保护中的方向元件第五节输电线路距离保护第六节故障类型判别与故障选相原理第七节微机保护中的工频变化量阻抗元件第十节微机保护装置中振荡与故障的识别方法 6 目录 第七章微机发电机 变压器组保护第二节微机型发电机差动保护第三节发电机定子绕组单相接地保护第四节发电机的失磁保护第五节微机型变压器差动保护第八章微机保护的抗干扰设计第一节概述第二节干扰和干扰源第三节微机保护装置中的硬件抗干扰措施第四节微机保护装置中的软件抗干扰措施 7 第一章概述第一节微机继电保护的发展历史及研究现状 英国剑桥大学的P G Mclaran及其同事就提出用计算机构成电力系统继电保护的设想 并发表了 SamplingTechniquesappliedtoderivationLetter 的文章 澳大利亚新南威尔士大学的I F Morrison预测了输电线路计算机控制的前景 美国西屋公司的G D Rockefeller发表年了 利用数字计算机实现的故障保护 的文章 1965年 1967年 1969年 8 国际电子电气工程师学会教育委员会组织了一次世界性的计算机继电保护研究班 对70年代以来的计算机保护的研究成果进行了总结和交流 到80年代中期计算机保护在电力系统中获得广泛应用 美国西屋公司与GE公司合作研制成功一套输电线路的计算机保护装置 日本投入了一套以微处理机为硬件的控制与继电保护装置 全部代替了原有保护 大大减少了控制室的占地面积 并于1980年发表了试运行的结果 1977年 1972年 1979年 1984年4月 华北电力大学研究的以MC6809CPU构成的MDP 1型微机线路保护装置 这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置 并在河北某电厂投入试运行 9 我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为三个阶段 以单CPU的8位微处理器构成的微机保护装置 其主要特点为 1采用8位微处理器MC6909CPU构成硬件系统 2数据 地址 控制总线须引出插件外部 3数据采集系统采用逐次逼近式A D芯片构成 4存储器的容量较小 5保护的程序和定值都存在EPROM中 定值的修改十分不便 6仅有软件时钟 当直流电源消失后 时钟停止运行 直流电源恢复后须重新校时 无接受GPS的接口 7不具备数据远传功能 8所有保护功能均由一个CPU处理 可靠性低 9代表产品为WXB 01型微机保护装置 第一阶段 10 第二个阶段 以多个8位单片机组成的多微机系统 其主要特点为 1硬件为五个8位单片机组成的多微机系统 2数据 地址 控制总线不引出插件 3数据采集系统为VFC系统 4保护装置的定值存在EEPROM中 定值修改十分方便 5设有硬件时钟电路 装置直流电源消失后 依靠备用电池可使时钟继续运行 6设计了与上位机通信的串行接口电路 7具有液晶显示电路 调试方便 8保护功能分散在各CPU中 可靠性高 9代表产品为WXB 11微机保护装置 11 其主要特点为 1硬件是以16位单片机构成的多微机系统 80C196KB M77 2以日本三菱公司的M77芯片构成的微机系统 可以做到总线不引出芯片 3保护装置的硬件设计除了有硬件时钟外 装置还具备接受GPS全球定位系统的秒脉冲的接口 4数据采集系统为VFC方式 最高转换频率为4MHZ VFC110 5时钟芯片和EEPROM芯片均为串行方式 6具备较完善的通信网络 可应用于变电站综合自动化系统中 7具有友好的人机接口界面 第三阶段 以多个16位单片机组成的多微机系统 8采用多层印刷电路板和表贴技术 增强了抗干扰能力 9保护装置具备录波功能 12 其代表产品为CSL系列微机保护装置和LFP 900系列微机保护装置 二微机保护的现状 硬件方面 1采用32位DSP数字信号处理器或嵌入式系统构成的多微机系统 2大屏幕液晶彩色显示 可显示汉字和图形 3多层印刷电路板 表贴技术 后插拔方式 软件方面 1支持高级语言编程 人机界面采用WINGDONS系统 2自适应保护 智能体应用于保护中 3人工神经网络在保护中的应用研究 4模糊识别在继电保护中的应用研究 5小波分析方法在继电保护中的应用研究 第二节微机继电保护装置的特点及硬件组成 一微机保护装置的特点 13 微机保护与常规保护相比具有以下特点 微机保护可以实现智能化 微机保护可实现在线自检 微机保护可提供附加功能 微机保护具有调试维护方便 微机保护具有完善的网络通信功能 微机保护便于采用一些新原理 微机保护的硬件可标准化 微机保护便于与数字传感器或光CT 光PT接口 14 二微机保护装置的硬件构成框图 二次电流电压 15 DAS 数据采集系统 保护微机系统 由单片机构成的微机系统 实现各种保护功能 根据保护对象的不同 保护功能可分布于1 6个插件中 管理微机系统 由单片机构成的微机系统 主要功能是实现人机对话 例如 命令的输入 执行结果的输出 显示或打印 开关量输入 输入到微机保护装置中的开关量 在逻辑上仅有两种状态 1或0 一般是保护装置的投退压板 重合闸方式开关的接点位置等 开关量输出 由微机保护的接口电路驱动继电器的部分 一般经光电隔离电路与继电器部分连接 按键 一般为触摸按键 数量为5 16个不等 GPS 接受全球定位系统秒脉冲的接口 开入电源 开关量输入部分的独立逆变稳压电源 24伏 电源 装置的电源 为输入220V 输出为多个电压的逆变稳压电源 输出一般为5V 12V 15V 12V 15V 24V 16 第一节数据采集系统的作用与要求 第二章微机保护的数据采集系统 一数据采集系统的作用 将电流互感器二次 电压互感器二次的模拟信号转换为数字信号 逐次逼近原理的A D芯片构成的数据采集系统 采用VFC芯片构成的积分式数据采集系统 二数据采集系统的设计要求 1模拟量 包括模拟量的数量 模拟量的性质 模拟量的动态范围 2数据采集系统的数据传送方式选择 程序查询方式 中断方式 DMA方式 17 程序查询方式的流程图 18 采样中断程序 A D转换完成中断程序 19 2 采样频率的选择与保护原理和采用的算法有关 3 采样频率还与模拟量的数量 数据传送方式有关 4数据采集系统的精度 对于A D式数据采集系统 精度与A D芯片的位数有关 对VFC芯片构成的系统 精度与VFC的最高转换频率和保护中的算法有关 3采样频率的选择 1 采样频率的选择必须满足采样定理 20 一电压 电流变换器 将CT PT二次信号变换为适合A D芯片量程的信号 起隔离的作用 有利于防止干扰从二次回路侵入微机系统 在变换器的原 副边可加一屏蔽层 有利于抗干扰 二模拟低通滤波器 为了降低采样频率 满足采样定理 在采样之前先用一个模拟低 通滤波器将频率高于采样频率一半的信号滤掉 第二节模拟信号的预处理 21 图2 3A D式数据采集系统的框图 逐次逼近A D芯片构成的典型数据采集系统 22 三采样保持电路 A1 A2 R As 输出 A3 模拟输入 逻辑输入 逻辑参考 Ch 图2 6采样保持电路原理图 四多个模拟通道的采样方式 1等间隔采样和不等间隔采样方式 2跟踪采样和定位采样 3多模拟通道的采样方式 多通道同时采样方式 顺序采样方式 分组顺序采样方式 23 第一组第二组 24 五多路转换开关 第四节采样定理 一门函数的傅立叶变换 a 门函数 b 门函数的频谱 1 25 周期门函数阵列经过傅立叶变换 图2 11门函数序列及其频谱 二冲激函数的傅立叶变换 26 图2 12冲激函数及其频谱 1 1 将冲激函数变换到频域后它是一个连续频谱 对各频率成分的输出均为1 对该冲激序列进行傅立叶变换可得 图2 13冲激序列及其频谱 27 三矩形脉冲采样和冲激采样 当用矩形脉冲对原始信号进行采样时 当用冲激序列对原始信号进行采样时 28 四采样后信号的频谱分析 用矩形脉冲采样时 可对式 2 17 两边取傅立叶变换 可见 是 的反复 反复周期为 即将原始信号的频谱按 的间隔重复 其幅度被 调制 29 当用冲激单位序列采样时 可对式 2 18 两边取傅立叶变换 可见 经冲激序列采样后的信号的频谱 也是 反复周期为 即将原始信号的频谱按 的间隔重复 各频谱函数的幅度均相等 的反复 30 通过对以上两种采样后信号的频谱分析可知 连续信号经采样后 其频谱总是按采样频率 无限重复 当原始信号的最高频率为 时 如果采样频率 则采样后信号的频谱便不会发生混叠 否则将发生频谱混叠 31 第四节采用逐次逼近原理的A D芯片构成的数据采集系统 一模数转换的一般原理 数字量输出 模拟输入 比较器 图2 16逐次逼近A D转换原理图 32 四位A D转换的逼近过程示意图 第一次设定数码 1000UR UOURUOURU0UR 第四次设定数码 11111101101110010111010100110001图2 17四位A D转换的逼近过程示意图 33 数模转换的工作原理 USC 34 二模数转换芯片AD7874 图2 19AD7874内部逻辑电路图 35 其主要特点如下 1片内具有4路采样 保持放大器 可实现4通道同时采样 2片内含有快速12位模数转换电路 每通道转换时间为8 S 3输入电压范围为 10V 4 5V供电电源 5片上参考电压 三利用AD7874芯片构成的数据采集系统 CON CS INT 5V R1 C1C2 VS VS R2R3 5V 36 第五节采用积分型A D芯片构成的数据采集系统 一积分型AD转换原理 积分型AD又称为计数式AD 设有一个计数器 输入计数器的脉冲信号的频率为f 计数的间隔为 t 则在 t时间内 加入计数器的脉冲数为N 则有 其一是用待转换的电压V控制时间间隔 t 使 t正比与输入电压V 而记数脉冲频率不变 在 t时间间隔内 计得的脉冲数代表了输入电压的大小 其二是用待转换的电压V控制计数脉冲的频率 使脉冲频率正比于输入电压 而记数的时间间隔不变 则记数结果代表了输入电压的大小 积分型AD转换原理有电压 时间型 V t型 电压 频率型 V F型 两种方案 由上式可看出 在计数式模数转换系统中 可用两种方法实现 37 二电荷平衡式V F模数转换原理 VS t0 t0 T T t t 38 设脉冲信号的周期为T 其中低脉冲的宽度为to 根据电荷平衡原理有如下关系 因而 可见 输出脉冲信号的频率与输入电压的瞬时值成正比 三两种电荷平衡式VFC芯片简介 VsCTCT Vs FoutDcom Vin Vin Fout 1 8 Vs Dcom 2 Vin 3 Vin 4 7 CT CT Vs 5 6 1AD654VFC芯片 39 其主要参数如下 电源电压 Vs 双端 5V V18V 单端5V 36V 500KHZ 模拟信号输入方式 负端电流输入方式 正或负端电压输入方式 模拟电压信号输入范围 单端供电方式时 0 Vs 4V 双端供电方式时 Vs Vs 4V 最大输入电流 1mA 输入阻抗 250M 输出方式及负载能力 开路集电极输出 可驱动12个TTL负载 输出频率与输入电压关系 满刻度输出频率 40 2VFC110芯片 41 15V 5V 1 1211 10 8 7 680 RP 5 FOUT 50PF 6 3 413 25K 2 14 15V K 图2 26满刻度为4MHZ的VFC110的接线图 42 四由AD654VFC芯片构成的数据采集系统电路 43 Fout KHZ Vin V 0 5 5 10 500 250 VFC芯片输入电压与输出频率关系 44 五由VFC110芯片构成的数据采集系统电路 45 六VFC110芯片的电压与输出频率的关系 46 第三章微机保护装置的硬件电路原理第一节概述 4U 19英寸 变换器插件 VFC插件 CPU1插件 CPU2插件 CPU3插件 CPU4插件 人机接口插件 开关量输入插件 跳闸插件 信号插件 逻辑插件 电源插件 47 第二节管理微机系统的硬件电路原理 48 由8031单片机构成的8位单片机扩展系统 D0 D7 A0 A15 P0口 ALE P2口 PSEN P3 6 P3 7 5V CS1 CS2 WE RD 49 二按键电路 1乒乓式按键电路 2矩阵编码式按键电路 012 0 1 2 5V 5V 50 三并行打印机驱动电路 D1 3 D0 2 D2 4 D6 8 D7 31 打印机电源地 19 30 打印机5V 18 BUSY RDY 11 选通线 1 打印地 5V 5V 51 四管理插件与保护插件的内部通信电路 5V 5V 52 第三节保护微机系统的硬件电路原理 53 8253可编程计数器芯片构成的计数器电路 Va Ia Ib Vb Ic 3I0 Vc Vxl 3U0 A3 A2 CS1 CS2 CS3 RD WE D0 D7 54 二定值存放电路 拨玛开关 MEN 5V A0 A6 J4 5V 55 表3 2 对应0 9区 四位拨码开关 M0 M1 M2 M3 的状态 串行EEPROM构成的定值存放电路 5V SCL SDA 56 三开关量输出及开关量输入电路 1开关量输出电路 24V 5V 7400 QDJ 24V CKJ1 CKJ2 5V AXJ 24V 7400 57 2开关量输入电路 并行口 开入电源24V 外部接点 开入电源 24V 外部接点 5V 5V 58 第四节微机保护装置的出口和信号电路 一微机保护装置的跳闸出口电路 1 16 8 9 电源地 2 3 4 15 14 13 5 6 7 12 11 10 59 WXB 11微机高压线路保护的跳闸出口电路 QDJ 三取二闭锁 GP JL LX GP JL LX GP JL LX GP JL LX GP JL LX GP JL LX GP 60 CKJAU2 CKJBU2 CKJCU2 CKJRU2 GJU2 GJ4U2 CKJA 1 CKJB 1 CKJC 1 CKJR 1 GJ 1 GJ4 1 本地灯光信号 中央信号 XM BDXJ 1 GI 1 GJ4 1 CKJA 2 CKJB 2 CKJC 2 CKJR 2 BDXJ GJ1 2 GJ2 2 GJ3 2 GJU1 FJ 2 图3 17信号插件电路图 61 第四章微机保护中数字滤波器的设计第一节概述 62 63 数字滤波器的优点 1无物理器件 滤波器的性能稳定 2数字滤波器不受环境因素的影响 3数字滤波器具有高度的灵活性 4数字滤波器不存在阻抗匹配的问题 5数字滤波器可方便地做到分时复用 Y n X t X n 数字滤波器的框图 64 第二节数字滤波器的实现和分析方法 一数字滤波器的冲激响应 设输入信号为冲激函数 经过该系统后 其输出为 称为滤波器的冲激响应 当输入为冲激信号时 滤波器的输出反映了滤波器的频率特性 所以冲激响应是滤波器特性的充分描述 一个任意时域函数 我们可以将其表示为无穷多个冲激函数之和 当输入信号为 时 该系统的输出为 则有 65 对于一个时不变系统有 所以有 上式表明 只要我们知道了一个滤波器的冲激响应 就可以通过上式求出任意输入信号时滤波器的输出 该式是一个卷积分 可表示为 上式也说明了在时域中滤波器的实现方法 即将输入信号与滤波器的冲激响应进行卷积分即可实现 在微机保护中 计算机处理的是离散数字信号 因此数字滤波器应在离散域中实现 用 分别表示与 对应的离散数字信号 则 二数字滤波器的实现方法 66 在微机保护中实现数字滤波的方法 可归纳为以下三步 1 确定数字滤波器的冲激响应 2 按采样频率将 3 用滤波系数与信号的采样值进行卷积 求出滤波器的输出 离散化 形成滤波系数 三数字滤波器的分析方法 H Z 称为系统的传递函数 令传递函数中的Z为 67 幅频特性为 相频特性为 第三节简单滤波器及其级联的分析方法 一差分滤波器 差分滤波器的差分方程形式 式中 对上式作 变换 得 求得传递函数为 令 幅频特性 68 相频特性 69 2 3 4 0 从而可求得滤波器能滤除的谐波次数为 2 1 70 二加法滤波器 加法滤波器的差分方程形式 式中 对上式作 变换 得 求得传递函数为 幅频特性 71 相频特性 滤波器能滤除的谐波次数为 3 5 2 1 0 72 积分滤波器的差分方程为 三积分滤波器 Z变换的形式为 传递函数为 滤波器的幅频特性 73 滤波器的相频特性为 滤波器能滤除的谐波次数为 四加减滤波器 该滤波器的特点是轮流进行加法与减法运算 其差分方程为 对应的 变换形式为 74 滤波器的传递函数为 为奇数和 为偶数时 滤波器的特性有所不同 当 为奇数时 幅频特性 相频特性 75 当 时 滤波器的输出为零 从而有 其幅频特性和相频特性的形状与差分滤波器的形状类似 当 为偶数时其幅频特性与相频特性的表达式 幅频特性 相频特性 76 其幅频特性和相频特性的形状与加法滤波器的形状类似 当 时 滤波器的输出为零 从而有 五简单滤波器的级联 77 设采样频率为600HZ 用差分滤波器 加法滤波器和积分滤波器进行级联 差分滤波器 加法滤波器 积分滤波器的传递函数分别为 差分滤波器 加法滤波器 积分滤波器 级联后滤波器的传递函数为 滤波器对应的差分方程为 78 级联后滤波器能够完全滤除直流 3 6 9 12次谐波分量 其幅频特性为 其相频特性为 79 如果我们把级联后的滤波器作为一个整体 分析它的幅频特性 可得 滤波器的幅频特性 80 第四节用零 极点配置法设计数字滤波器的方法 一N阶线性时不变系统的差分方程和滤波器的零 极点 N阶线性时不变系统可用下面的常系数线性差分方程 从而可得传递函数为 81 该传递函数的分子和分母可以表示为以下连乘积的形式 用 代入得 Z平面上的单位圆 称为滤波器的零点 称为滤波器的极点 82 二用零 极点配置法设计非递归型数字滤波器 在传递函数的公式 4 46 中 令 则 据此传递函数设计的数字滤波器称为非递归型数字滤波器 将该传递函数表示为连乘积的形式 为滤波器的零点 因该滤波器只有零点而没有极点 所以又称为全零点滤波器 假定对 次谐波设置为零点 则滤波器的传递函数为 83 设采样频率为600HZ 则 对直流分量 基波 二次谐波 直到11次谐波分别设置为零点 求出滤波器的传递函数如下 滤除直流 十二次谐波分量 滤除基波 十一次谐波分量 滤除二 十次谐波分量 滤除三 九次谐波分量 滤除四 八次谐波分量 滤除五 七次次谐波分量 滤除六次谐波分量 即有 84 设采样频率为600HZ 则 用零 极点配置法设计两个数字滤波器 一个要求保留基波分量 而将直流和其他各整次谐波都滤除 另一各要求保留三次谐波 而将直流和基波 二次 五次谐波滤除 保留基波分量的滤波器 滤波器的差分方程 85 滤波器的幅频特性 基波滤波器的幅频特性 86 保留三次谐波的数字滤波器 滤波器的差分方程 滤波器的幅频特性 87 滤波器对三次谐波的响应为 88 三用零 极点配置法设计递归型数字滤波器 当式 4 46 的传递函数中 分母的系数 数字滤波器的当前最新输出不仅与历史上的输入有关 而且与历史上的输出有关 因此 这种滤波器成为递归型数字滤波器 递归型数字滤波器不仅有零点 而且有极点 时 构成的 极点应设在单位圆内 针对某次谐波设置一对极点为 则极点对应的传递函数为 取 对基波设置为极点 采样频率为600HZ 则极点对应的传递函数为 89 在直流 二次 三次谐波处设置零点 对应的传递函数为 递归型滤波器的总传递函数为 递归型数字滤波器所对应的差分方程为 90 该滤波器的幅频特性 当 时 对基波分量 时 对基波分量 滤波器 对极点频率的输出响应 的大小直接影响到滤波器 滤波器的输出响应为5 22 当 的输出响应为1 52 可见 91 第五章微机保护的算法第一节微机保护的算法概述 算法是研究由若干个采样数据 已被量化 求取被测信号量值 包括有效值 相位 比值等 的方法 算法所研究的主要问题有两点 一是算法的计算精度 二是算法所用的数据窗 第二节基于正弦信号的算法 一半周内取最大绝对值算法 二半周绝对值积分算法 图5 2半周绝对值积分算法示意图 92 设积分的结果为S 则 从而可求出有效值 在计算机中如何求积分呢 我们可以用求面积的方法求出S值 S1S2S3S4S5S6 U0 U1 U2 U3 U4 U5 U6 93 对于一个纯正弦信号 取绝对值后必有 所以 上式可写为 即有 将S值代入式 5 4 中 得 式中 94 三一阶导数算法 Mann Morrison算法 设 则有 95 从而可得 测量阻抗 在计算机中如何求导数呢 通常是用差分来代替求导数 图5 4由采样值计算导数的示意图 96 t1时刻电压的导数为 时刻的电压 由平均值求得 五采样值积算法 设 取 和 两采样值的乘积 1两采样值积算法 97 取 和 两采样值乘积得 98 于是有 99 如果都用电压或电流信号的采样值 则 0 此时可得 由于 T是预先选定的值 所以sin T是常数 例如采样频率为600HZ 选定 T Ts 即t1和t2两个时刻仅相隔一个采样间隔 则sin T 0 5 当选择 T T 4 则sin T 1 cos T 0 则有 100 2三采样值积算法 101 第三节基于信号为周期函数的算法 一周期函数的傅立叶级数及各次谐波的关系 根据傅立叶级数的性质和三角函数的正交性 有 对于基波分量 取 则可得 102 将正弦基波信号表示为另一种形式 基波信号的有效值和相角分别为 103 二在微机保护中 用采样信号实现傅立叶算法 离散傅立叶变换的方法 设 是与连续函数 对应的离散序列 其离散傅立叶变换的定义为 取一周期的采样数据进行离散傅立叶变换 则有 104 分别为经离散傅立叶变换后基波分量的虚部和实部 即 由 即可求出基波分量的有效值和相角 类似地 可得出求 次谐波的虚部和实部分量的公式为 105 三全周波傅氏算法 当N 12时 上式为 106 全周傅氏算法的另一种形式 107 注意到表中 正弦函数 余弦函数离散化后的系数仅有三组值 即0 5 0 866 1 因此 我们也可以用下式求出 四半周波傅氏算法 108 当N 12时 上式为 五一阶差分后半周波傅氏算法 当N 12时 上式为 109 第四节微机保护中的阻抗算法 一基于正弦信号的计算电阻和电抗的算法 设母线电压为U 流过保护的电流为I 当U I均为正弦信号时 可表示如下 当采样频率为600HZ时 工频信号每个采样间隔所对应的电角度为30度 因此 上式可改写为 110 同理 可写出 对于正弦信号 所以有 联立以上两式即可求出R和X值 111 二用傅氏算法的实部 虚部结果计算阻抗 设基波分量的电压和电流可表示为 所以 112 三由电压电流的微分方程式计算阻抗 针对两个不同时刻建立如下方程 113 四接地故障阻抗的算法 114 以A相接地为例 令 则有 115 补偿系数的推导 由故障分析的理论可知 发生接地故障时 母线电压与正序阻抗满足以下关系 116 四高阻接地阻抗的算法 2DL M N 1DL 为求出正确的L值 对上式作如下变换 117 令 则上两式变为如下形式 令 118 1用M侧的零序电流代替故障支路的零序电流 则有 令 则得 从而可求出 119 2用M侧的全电流与零序电流之差代替故障支路的零序电流 对A相接地故障 有 120 第五节微机保护中的比相算法 一电流一阶差分后与电压瞬时值符号比较法 设电压的采样序列为 电流的采样序列为 当符号相异时 计数器的值加1 当符号相同时 计数器的值减1 判断计数器的计数值C 当满足 时判为正方向 121 二利用傅氏算法的实部 虚部判断两信号的相位差 1余弦型判据 设 所以 可将判据变为 所以判椐为 即 设有 122 2正弦型判据 设有 所以判据为 123 三 三采样值积判别法 电压 电流为正弦信号 电流落后电压的角度为 为连续三个电压采样值 是与电压采样值相隔 点的三个电流采样值 设采样频率为600HZ 124 当取 上式变为时 判选择据为 对应的角度范围为 当取 时 上式变为 选择判据为 125 对应的角度范围为 第七节微机保护中的滤序算法 一零序分量算法 二负序分量的算法 1由对称分量法关于负序分量的定义求负序电压和负序电流的方法 将上式变换 126 当采样频率为600HZ时 相邻两个采样点的角度为30度 因此 上式可写为 2利用傅氏算法的实部 虚部结果求负序分量的算法 127 负序电压的实部分量 负序电压的虚部分量 第八节微机保护中的复数求模值方法 在应用傅氏算法时总是分别求出某次谐波分量的实部和虚部 然后用下式求幅值 然后用下式求幅值 正序 j0 5 1 j 0 866 0 866 负序 128 设 又设 为 的近似值 令 令 则 由此式可作出 的关系曲线 图5 16 关系曲线 0 4 0 3 0 2 0 1 0 20 40 60 81 0 129 由图5 16可见 以下介绍及种近似方法 1取 2取 则 3令 分析表明 当 的幅角在 范围内时 可取 为计算简便 可取 则 则 的关系近似为线性关系 130 4泰勒级数展开法 设 是该方程的一个根 则必有 假设有一个接近 的近似根 且满足 将 在点 处展开为泰勒级数 由于 的各阶导数为 故有 在点 处的精确泰勒级数展开式 从而可求出 131 式中 为 的近似值 为误差项 当 时 是一项二阶无穷小 现在的问题是如何取 取 并将 用 表示 则 132 第六章输电线路的微机保护 第一节输电线路的纵联保护 一全线速动保护的提出 2DL 1DLI段1DL 2DLI段2DLI段2DLII段两侧均为I段1DLII段 1DL 二纵联保护的分类 1导引线纵联差动保护 2输电线路载波保护 高频保护 3微波保护 4光纤纵差保护 133 134 三高频保护通道 1相 地制高频保护通道的构成 1 2 3 4 5 6 7 8 阻波器 结合电容器 结合滤波器 高频电缆 放电间隙 接地刀闸 135 2相 相制高频保护通道 136 四高频保护中的收发信机 发信控制 停信控制 至保护装置 137 图6 6音频接口功能示意图 138 第二节采用闭锁信号的高频保护 一采用闭锁信号的方向高频保护的原理 采样闭锁信号的方向高频保护的跳闸条件 1相电流差突变量电流起动元件动作 2正方向元件动作 3先收到10ms高频信号 4然后收不到闭锁信号 对于内部故障的MN 线路来说 线路两 线路来说 线路N 侧的正方向元件不动作 N侧发信机一直处在发信状态 N 侧保护不满足跳闸条件 线路P侧的正方向元件动作 但是由于收到N 侧发来的高频闭锁信号 所以 P侧保护也不满足跳闸条件 从而非故障线路上的高频保护不动作 侧的正方向元件都动作 两侧的发信 机均停止发信 于是 两侧的方向高频保护都满足跳闸条件 使断路器跳闸 对于感受为区外故障的NP 139 二采用闭锁信号的高频保护的逻辑框图 1采用一个启动元件带来的问题 区外故障的某一点故障时 如故障电流刚好等于启动元件的定值 由于电流互感器的误差和启动元件动作值的离散性 可能造成近故障点侧的启动元件不动作不能发出闭锁信号 从而造成远故障点侧保护误动 2区外故障切除由于近故障点侧的启动发信元件先返回 而远故障点侧的正方向元件后返回造成的误动 解决的方法是在发信回路增加延时返回措施 一般延时返回时间取0 2秒即可 3区外故障时 如果近故障点侧的起动发信元件拒动而不能起动发信时 则造成远故障点侧保护误动 4采用闭锁信号且设有远方起动发信回路后 在单侧电源发生内部故障时 电源侧保护会拒动 140 高频闭锁方向保护的逻辑框图 手动发信 跳闸停信 远方发信 至高频通道 至跳闸 141 三功率倒向对方向高频保护的影响 2DL 1DL 3DL 4DL 5DL 6DL D 图6 10环网中功率倒向示意图 142 图6 11判别功率倒向的逻辑框图 起动元件 正方向元件收信 第三节采用允许信号的高频保护 一允许信号的方向高频保护的原理 保护跳闸的条件是 1相电流差突变量起动元件动作 2本侧正方向元件动作 3收到对侧发来的允许信号 143 3 发信 1 2 跳闸 图6 12超范围允许式和欠范围允许式逻辑框图 二采用允许信号的高频保护带来的问题及解决方案 1区内故障通道破坏会造成保护拒动 设有解除闭锁式 解除闭锁式跳闸的条件是 1起动前收到的导频信号正常 2起动后收不到导频信号 同时也收不到跳频信号 3故障为相间故障 4本侧正方向元件连续动作一段时间 20MS 144 2单侧电源内部故障时电源侧保护拒动 设置三跳回授功能 当断路器处于断开状态时 可由开关量输入检测到 如收到对侧发来的允许信号 则立即向对侧发送一个允许信号 采用这一措施后 即可解决上述情况下的保护拒动问题 三闭锁信号与允许信号高频保护的比较 145 第四节方向高频保护中的测量元件 一方向阻抗测量元件 二零序功率方向元件 146 三负序功率方向元件 四突变量方向元件 工频突变量方向元件的原理说明如下 其动作判椐为 反方向元件称为 其动作判椐为 正方向元件称为 147 正方向故障 将 代入正方向元件的判椐中 得 148 将 代入反方向元件的判椐中 得 方向元件的动作区为 反方向故障 149 将 代入正方向元件的判据中 得 将 代入反方向元件的判据中 得 正方向突变量元件的判据中的 一项称为补偿电压 目的是为了提高正方向元件的灵敏度 对于一个大容量系统 在最大运行方式下长线路末端发生故障时 如果不加入补偿电压 则有 150 由于 从而造成 很小 方向元件的灵敏度不足 在系统最大运行方式下 当 时 取 当 时 取模拟阻抗的一半 突变量方向元件的优点 灵敏度不会降低 1分析所得结论与故障类型无关 2非全相运行 系统振荡方向元件的性能不受影响 3适应过渡电阻能力强 4可适用于具有串联补偿电容的高压输电线路 5对于大系统长线路加入补偿阻抗 151 第五节输电线路的距离保护 152 二微机距离保护中的阻抗元件 B A C D 带偏移的四边形特性 多边形特性 圆特性阻抗元件 测量阻抗在A区的判别式 C A B 153 测量阻抗在B区的判别式 测量阻抗在C区的判别式 第六节故障类型判别与选相元件原理 154 1相电流差突变量选相元件 1 单相接地故障 2 两相接地故障 3 两相故障 155 4 三相故障 结论 当发生单相接地故障时 非故障的两相电流差为零 与故障相有关的两个差电流绝对值相等 当发生两相或两相接地故障时 故障两相的差电流最大 而包含有非故障相的两个差电流相等 对于三相短路 三个相电流差相等 2序分量电流相位比较选相元件 156 C相接地 A相接地 B相接地 BC两相短路CA两相短路AB两相短路 BC两相接地短路CA两相接地短路AB两相接地短路 157 由图6 25的电流向量图可以看出 与 2 B相接地时 超前 3 C相接地时 滞后 4 BC两相接地和BC两相短路时 与 5 CA两相接地和CA两相短路时 滞后 6 AB两相接地和AB两相短路时 超前 同相位 1 A相接地时 相位相反 平面划分为三个动作区 每个动作区为 对单相接地故障 A相选相动作区 B相选相动作区 C相选相动作区 158 对两相接地和两相故障 可以将平面划分为三个动作区 每个动作区为 CA CAN故障 AB ABN故障 BC BCN故障 1 零序电流 当 区别是否为接地故障 2 判别 区别单相接地故障和两相接地故障 159 A相接地动作区 B相接地动作区 C相接地动作区 AB和ABN动作区 BC和BCN动作区 CA和CAN动作区 160 3模分量选相元件 A相 模零分量 B相 C相 模1分量 模2分量 1 A相接地故障边界条件 由克拉克变换法求出 161 2 BC两相接地故障边界条件 由克拉克变换法求出 所以 3 BC两相故障 边界条件 由克拉克变换法求出 所以 4 三相故障 边界条件 由克拉克变换法求出 162 结论 A 发生接地故障时 必有模零分量产生 而相间故障时 零模分量为零 因此可用判断有无模零分量区别接地和相间故障 B 发生单相接地故障的特征是模2分量等于零 而发生两相接地故障的特征是模1分量与模零分量之和为零 C 发生两相故障时 模1分量为零 而发生三相对称故障时 模1和模2分量均不为零 第七节微机保护中的工频变化量阻抗测量元件 一工频变化量阻抗元件的基本原理 工频变化量阻抗元件的动作方程为 163 三个相间补偿电压分别为 对接地故障 三个相补偿电压分别为 为整定门槛电压 取故障前工作电压的记忆量 则 为整定阻抗一般取 取故障系统网络 在正方向区内 正方向区外 反方向发生故障时 的关系如图6 32所示 164 1DL 2DL a 正方向区内故障 b 正方向区外故障 c 反方向故障 165 二正向故障时工频变化量阻抗元件的动作特性 正方向故障的阻抗动作特性 取 代入动作方程中得 于是有 图6 34工频变化量阻抗元件正方向故障的动作特性 166 反向故障时工频变化量阻抗元件的动作特性 取 代入动作方程中得 于是有 167 第十节微机保护装置中振荡与故障的识别方法 一 反映测量阻抗和测量电阻变化率的区别振荡与短路的方法 1 2 168 二 由 和 为判据判断短路与振荡的方法 1 不对称短路的判据 单相接地故障 所以有 两相短路故障 所以有 两相接地短路故障 所以有 对一个双侧电源系统 流过保护的电流是由故障支路分流而来 设保护安装在 侧 分别为 侧各序电流分配系数 则对各种故障类型 流过 侧的各序电流关系为 且有 单相接地故障 169 所以 两相故障 所以 两相接地故障 对故障支路有 170 分配到 侧的各序电流分别为 所以有 171 由于在线路末短故障 所以分配在 侧的零序电流很小 则 由于故障点在线路末端 所以一般有 故该式的比值将小于0 5 而判据中的 故在这种情况下 M侧的判据不能满足要求 一般取0 66 如何确定 设在振荡过程中又发生区外短路 而振荡中心落在本线路上 且 的取值呢 172 当 振荡中心的电压 所以 故障发生前 D点的电压 D点发生两相接地故障 故障支路的正序电流为 又设 所以 分配到 侧保护的各序电流为 173 由于振荡时的电流 为正序电流 故 侧合成的正序电流为 设对 侧有 则分到 侧的负序和零序电流分别为 令 的正序电流与负序和零序电流之和的比值为 174 考虑到 代入上式中 经化简得 令 则 的大小反映了故障点的位置变化 当D点从振荡中心向电势 侧移动时 从0变化到1 K 1时 D点发生两相故障 故障支路的电流为 分配到 侧保护的负序电流为 正序电流与振荡电流之和为 175 所以 令 则 当 时 D点发生单相接地故障 故障支路的电流为 分配到 侧保护的各序电流为 176 负序电流与零序电流之和为 正序电流与振荡电流之和为 所以 令 则 当 时 各种不同类型故障时 从0变化到1时 的值的变化 00 20 40 60 81 0 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 177 由以上分析可知 在发生外部不对称故障且振荡中心落在本线路上 当 时 为保证此时不满足开放保护的条件 所以取判据中的 值大于0 5 取 在本线路末端发生两相接地故障时 远故障点侧的保护可能不满足开放保护的条件 而近故障点侧的保护一定满足保护开放条件 当近故障点侧保护判为内部故障跳闸后 远故障点侧的保护也可相继动作 时 的值最大为0 5 值大于0 5 取 在线路内部各种发生不对称故障时 一般都能满足开放保护的条件 2 对称短路的判据 当振荡中发生三相短路时 负序和零序电流为零 而仅有正序电流 故 判据不能满足 因此 必须考虑针对三相短路的判据 178 发生三相短路时 如忽略输电线路的电阻分量 即输电线路的阻抗角为90度 则 为过渡电阻上的电压降 其标幺值为 0 032 0 05 因此 对三相短路的判据可取 系统发生振荡时 为振荡中心的电压 而振荡中心的电压是一个随 角变化而变化的量 振荡时当 到 的范围内变化时 满足 的条件 角从 所以 单独用 的判据还无法区别振荡和三相短路 必须 增加延时判据 按最大振荡周期3秒考虑 延时取120MS 179 第七章微机型发电机 变压器组保护 第一节发电机 变压器组保护配置 一发电机配置的各种保护 1发电机纵差动保护 2发电机定子绕组匝间短路保护 3发电机定子绕组100 一点接地保护 4发电机定子绕组定 反时限过流 过负荷保护 5发电机定 反时限转子表层过流 过负荷保护 6发电机转子绕组一点 两点接地保护 7发电机的各种后备保护 包括复压闭锁过流保护 阻抗保护等 8发电机的失磁保护 9发电机的失步保护 10发电机的逆功率保护和程序跳闸逆功率保护 11发电机的过频 低频保护 180 12发电机的误上电保护 13发电机的起停机保护 14发电机的电超速保护 15发电机的轴电压或轴电流保护 6高压断路器非全相保护及起动失灵电流元件 二变压器配置的各种保护 1变压器纵差动保护 2发电机 变压器组纵差动保护 大差动 包含厂用变高压侧引线 3变压器的接地 间隙接地保护 4变压器的各种后备保护 5变压器的过励磁保护 7变压器的各种非电量保护 包括瓦斯 温度 油位等 181 三高压厂用变压器的保护 1高厂变纵差动保护 2高厂变分支过流保护 3高厂变各种非电量保护 四励磁系统保护 1励磁机短路保护 2励磁机过负荷保护 第二节微机型发电机差动保护 一比率制动特性的差动保护接线与原理 182 根据图7 1的规定正方向有 比率制动差动保护的动作判据为 比率制动特性差动保护的动作特性 Q P 0 2 3 1 1 无制动特性差动保护动作电流 2 比率制动特性曲线 3 不平衡电流的变化曲线 183 二比率制动特性及差动保护的整定计算 按躲过发电机在最大负荷电流下产生的不平衡定 1最小动作电流 2制动特性拐点电流 3最大制动系数 184 4制动特性的斜率 按 考虑 则 三标积制动式纵差动保护 标积制动式差动保护的动作条件为 分别为发电机中性点侧和机端侧的二次电流 当发生在区外故障时 两侧电流的相位差为 为两侧电流的相位差 制动量为最大 185 在内部故障时 说明在内部故障时标积制动式差动保护的制动量变为动作量 因此 内部故障的灵敏度更高 比率制动特性与标积制动特性的比较 比率制动特性的发电机差动保护的动作判据可表示为 将上式展开为 整理后得 186 所以 上式可变为 即 式中 标积制动式保护得制动系数与比率制动式保护制动系数的关系 0 10 20 30 40 5 0 040 1670 3960 7621 33 所以 标积制动式差动保护与比率制动式差动保护在本质上是一样的 187 四微机发电机差动保护的逻辑框图 188 第三节发电机定子绕组单相接地保护 一基波零序电压原理的发电机定子绕组单相接地保护 189 二反映三次谐波的发电机定子绕组单相接地保护 1反应机端与中性点三次谐波电压比的保护 保护的动作判据为 2自调整式三次谐波电压保护 保护的动作判据为 式中 为自调整系数 它是一个复数 为三次谐波制动系数 正常运行时动作量 复系数 在微机保护中的算法为 190 3反应三次谐波突变量的定子接地保护 方案一是反应三次谐波幅值比的突变量构成的保护 判据为 方案二是反应三次谐波向量比的突变量构成的保护 判据为 191 第五节变压器差动保护 1变压器高 中 低三侧 或高 低两侧 的电流不等 一变压器差动保护特点 接线组的变压器 两侧同名相的电流有 的相位差 2 3有载调压的变压器在运行中改变分接头位置时产生的不平衡电流 4变压器在空载合闸或区外故障切除电压重新恢复时会产生非常大的励磁涌流 5变压器差动保护应能反映高 低压绕组的匝间短路 6变压器差动保护应能反映中性点直接接地侧的单相接地故障 二微机变压器差动保护的接线和不平衡电流的补偿方法 分别为补偿后的A B C三相电流的采样值 分别为A B C三相电流的采样值 连接的一侧则直接用其采样值计算 对变压器为 192 微机型双绕组变压器差动保护接线 LHA LHC LHB LHa LHb LHc 193 由两侧电流互感器二次电流不等产生的不平衡电流用软件平衡 设某变压器的参数如下 容量 电压比 接线方式 1 计算变压器各侧额定电流 35KV侧 10KV侧 110KV侧 194 2 选择各侧电流互感器的变比 选择 300 5 10KV侧 选择 2000 5 110KV侧 35KV侧 选择 1000 5 3 计算各侧二次电流 110KV侧 35KV侧 10KV侧 195