变压器微机保护系统

目录目录目录目录摘要摘要摘要摘要引文摘要引文摘要引文摘要引文摘要第一章第一章第一章第一章绪论绪论绪论绪论1、1微机继电保护算法的概述1、2数字式主设备保护的现状1、3微机保护的特点1、4本论文的主要工作第二章第二章第二章第二章微机保护装置的硬件分析微机保护装置的硬件分析微机保护装置的硬件分析微机保护装置的硬件分析2、1微机保护的硬件组成2、2硬件部分的总体设计2、3数据采集单元2、4主控单元2、5I/O单元2、6提高装置的可靠性措施第三章第三章第三章第三章微机继电保护的算法微机继电保护的算法微机继电保护的算法微机继电保护的算法3、1微机保护算法3、2交流电量的采样及微机保护的常用算法3、3常用的算法第四章第四章第四章第四章微机变压器的保护微机变压器的保护微机变压器的保护微机变压器的保护4、1微机变压器的现状4、2微机变压器的发展趋势4、3微机变压器的差动保护3、4微机变压器器的整定计算4、5微机变压器差动保护的逻辑4、6变压器瓦斯保护4、7保护方案的确定第五章第五章第五章第五章微机型变压器的软件设计微机型变压器的软件设计微机型变压器的软件设计微机型变压器的软件设计5、1模块化设计概述5、2监控主程序5、3初始化模块5、4数值处理模块5、5保护功能判断模块5、6中断服务程序5、7交流采样中断总结总结总结总结致谢致谢致谢致谢参考文献参考文献参考文献参考文献摘要摘要摘要摘要电力变压器是电力系统中一个十分重要的设备，它的安全运行与否直接关系到电力系统的稳定运行，因此对其实施实时保护是必要的防范措施。随着电力系统的发展，特别是现代新材料、新工艺的发展，变压器容量不断增大，对变压器保护的快速性和可靠性也提出了更高的要求。随着计算机技术、电子技术和通信技术的高速发展使电力系统调度自动化、配电自动化和变电站自动化正在世界范围内逐步实施。微机保护越来越多的用在了电力系统当中。本文论述了变压器微机保护系统在国内外的发展现状及发展趋势，分析了微机保护在电力系统应用中的优越性以及变压器保护的保护原理及微机实现方法和算法的简单介绍。微机保护的一个基本问题是寻找适当的算法，使运算结果的精度能满足工程要求并减少计算所耗的机时。在选择算法时要考虑两个重要问题，即计算速度问题和计算精度问题，而且这两者常常是矛盾的。若要精度高，则要利用更多的采样点，也就增加了计算工作量，降低了计算速度。本文的主要内容包括以下几个方面1根据微机变压器中各种保护的动作逻辑，对微机变压器用到的模块进行了归纳，并深入研究了各模块之间的调用关系，对模块进行了合理解藕，构建出微机变压器保护的软件层次。2用C语言编制出实现某些功能的模块。关键词关键词关键词关键词微机变压器没有微机变压器这一说法保护算法程序论文的整体结构还可以，只是内部还有些地方需要调整，最后一章还需要再详细些另外，你论文中有些论述的地方最好加一些图形进去，图太少了，比如第四章要再加几幅图参考文献至少不能低于30篇，最好能到40篇ABSTRACTPOWERTRANSFORMERWHOSESAFEOPERATIONORNOTISDIRECTLYRELATEDTOTHESTABLEOPERATIONOFELECTRICPOWERSYSTEMISVERYIMPORTANTEQUIPMENTINTHEPOWERSYSTEMSOITSNECESSARYTOIMPLEMENTATIONPREVENTIVEMEASURESTOPROTECTTHETRANSFORMERALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFELECTRICPOWERSYSTEM,ESPECIALLYTHEMODERNNEWMATERIALS,NEWTECHNOLOGYDEVELOPMENT,TRANSFORMERCAPACITYINCREASINGOFTRANSFORMERPROTECTION,THERAPIDITYANDRELIABILITYAREPUTFORWARDHIGHERREQUESTALONGWITHTHECOMPUTERTECHNOLOGY,ELECTRONICTECHNOLOGYANDCOMMUNICATIONTECHNOLOGYRAPIDDEVELOPMENTOFDISPATCHINGAUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEM,MAKEDISTRIBUTIONAUTOMATIONANDSUBSTATIONAUTOMATIONAREGRADUALLYIMPLEMENTEDTHROUGHOUTTHEWORLDMICROCOMPUTERPROTECTIONMOREANDMOREUSEDINTHEPOWERSYSTEMTHISARTICLEDISCUSSESTHETRANSFORMERMICROCOMPUTERPROTECTIONSYSTEMATHOMEANDABROAD,THEPRESENTSITUATIONANDDEVELOPMENTTRENDOFDEVELOPMENT,ANALYZESTHEMICROCOMPUTERPROTECTIONINTHEPOWERSYSTEM,THESUPERIORITYANDAPPLICATIONOFTRANSFORMERPROTECTIONPRINCIPLEANDMICROCOMPUTERPROTECTIONMETHODANDALGORITHMOFSIMPLEINTRODUCTIONTOSELECTAPPROPRIATEALGORITHMSISONEOFTHEBASICISSUESOFMICROPROCESSORBASEDRELAYSWHENWESELECTALGORITHMS,WESHOULDCONSIDERTWOISSUESSPEEDANDPRECISIONBUTTHESPEEDISCONTRARYWITHTHEPRECISIONINORDERTOACQUIREHIGHERPRECISION,WEWILLUSEMOREHITS,WHICHWILLCONSUMEMORETIMEANDREDUCETHERATETHEALGORITHMSWEDESIGNSHOULDSIMULTANEOUSLYMEETTWOPOINTSASFOLLOWS1THEYSHOULDBEPRECISEENOUGHTOSATISFYTHEREQUIREMENTSOFTHEDEFINITEENGINEERING2THETIMETHEYCONSUMESHOULDBEASLESSASPOSSIBLE10NTHEBASISOFTHEOPERATINGLOGICOFVARIOUSRELAYINPOWERTRANSFORMERRELAY,THEMODULESUSEDINPOWERTRANSFORMERRELAYSHAVEBEENINCLUDEANDTHERELATIONBETWEENTHEMODULESHASBEENRESEARCHED2SOMEMODULESHAVEBEENPROGRAMMEDUSINGCPROGRAMLANGUAGEKEYWORDSPOWERTRANSFORMERDIFFERENTIALPROTECT第一章第一章第一章第一章绪论绪论绪论绪论11微机继电保护算法的概述在电力系统中，继电保护种类很多，保护原理也各部相同，因此，相应地有各种不同的保护算法。但无论何种算法，其核心都可归结为如何计算表征被保护对象运行特点的各种电气参数，如电压、电流的基波或某次谐波分量的幅值与相位、测量阻抗。功率以及各种序分量的幅值与相位等。有了这些基本的电气量参数，才能构成保护的动作特性方程，实现各种不同保护原理，因此，电气是参数的计算式微机保护的一个基本问题。12数字式主设备保护的现状1电气主设备（发电机、变压器）是电力系统中的重要元件，它的安危将极大地影响电力系统的安全稳定运行，因此对主设备的要求非常重要。经过多年的科研与开发，主设备保护也和线路保护一样经历了电磁式、晶体管式、集成电路式、数字保护式四个不同的阶段。相对来讲，电气主设备的发展滞后于线路保护的发展，主要是电气设备的机电和电磁特性复杂，保护配置品种繁多，参数复杂，且长期以来对主设备缺乏科学的故障分析工具，不像线路保护那样可较地分析故障成因及故障过程。目前系统中还有一些老电厂采用传统式保护，但新建电站的主设备基本选用了数字式保护，而且原有的传统式保护正在有步骤地更换为数字式保护。这表明了数字保护正在迅速成熟并体现出了强大的优越性和生命力。有些数字保护装置除了完成相应的保护功能外，还可以直接通过网络接口连网，将保护事件和保护的记录上传，实时的显示保护动作情况和参数变化1要改成右上角标。这为分析保护和改进性能提供了好的手段，由于保护对象的复杂性，需要通过信息对各种工况引起的复杂现象做深入彻底的分析，并采取对策，这对主设备的保护趋于完善将起重要作用。13微机保护的特点从开始用微机保护，一直到现在，都不断有人在对它的发展和优缺点作评价和估计。普遍认为微机保护具有以下特点优点A程序可实现自适应性23，可依靠系统运行状态自动改变整定值和特性。B有可存取的存储器。C可灵活的改变继电器特性。D用数字方程方法较之继电器元件特性方法可以使保护性能得到更大的改进。E有自检的能力。F有利于事故后分析。G可与计算机交换信息。H在同一硬件平台上可增加其功能。I可低功率使用。J保护装置日趋智能化、信息化、网络化。K可实现全系统智能单元的IP化。缺点A与传统的保护有根本的背离。B对硬件和软件都要求高可靠度。C硬件很快变成过时。D在操作和使用过程中，运行人员需要具备一定得水平。随着计算机技术的发展，微机智能保护基本做到了高度智能化、信息化、网络化，同时由于微机保护的自适应性，运行与维护不在重要，借助计算机的网络化，完全可以实现远程维护。14本论文的主要工作1、算法的研究微机保护的算法是软件中的关键问题。微机保护的算法有很多种，主要考虑的是计算的速度和精度。计算速度包括两个方面一是算法所要求的采样点数或称数据窗的长度，二是算法的运算工作量。精度和速度往往是矛盾的，若要精度高，则要利用更多的采样点，也就增加了计算工作量，降低了计算速度4。2、软件的模块设计计算机在运算时，当把所有问题都集中计算的时间要大于把大的问题分散开来实现，所以研究模块化设计可以大大的减少运算时间提高保护动作的及时性。3、程序语言的选择程序语言的选择也算是本论文的主要工作吗应该调整一下放到其他地方C语言是近年来国内外得到迅速推广使用的一种语言。C语言功能丰富、表达能力强，使用灵活方便、应用面广、目标程序效率高、可移植性好。C语言既具有一般高级语言的函数功能和结构化特点，又具有汇编语言面向硬件设计的优势。C语言诞生后，许多原来用汇编语言写的软件，现在可以用C语言来编写了，而学习和使用C语言要比学习和使用汇编语言容易得多。因此本文选用C语言作为程序设计的语言。在以往的单片机系统软件设计中，大都采用汇编语言。对于一些小型的控制系统或简单的测量仪表，目前仍大量采用汇编语言编制软件程序。但对于功能复杂、涉及变量多的大型系统中，若仍使用汇编语言编程就存在诸多不利因素工作量大、变量多、地址安排复杂、易出错、调试困难、开发周期长、通用性差、可读性差等。而采用高级语言进行软件设计，就具有速度快、可靠性高、质量优等特点。在本系统的软件设计中，采用了易读的结构程序设计化语言C语言进行整体设计。C语言是一种高级语言，其主要特点如下1语言简洁、紧凑，实用方便、灵活2运算符丰富3数据结构丰富，具有现代化语言的各种数据结构4具有结构化的控制语句5允许直接访问物理地址，能进行位操作，可以直接对硬件进行操作6程序的可读性好、可移植性好。第二章第二章第二章第二章微机保护装置的硬件分析微机保护装置的硬件分析微机保护装置的硬件分析微机保护装置的硬件分析2、1微机保护的硬件组成微机保护是用微型计算机构成的继电保护，是电力系统继电保护的发展方向（现已基本实现，尚需发展），它具有高可靠性，高选择性，高灵敏度。微机保护装置硬件包括微处理器（单片机）为核心，配以输入、输出通道，人机接口和通讯接口等该系统广泛应用于电力、石化、矿山冶炼、铁路以及民用建筑等。微机保护装置的数字核心一般由CPU、存储器、定时器/计数器、WACHDOG等组成。目前数字核心的主流为嵌入式微控制器（MCU），即通常所说的单片机输入输出通道包括模拟量输入通道（模拟量输入变换回路（将CT、PT所测量的量转换成更低的适合内部A/D转换的电压量，25V、5V或10V）、低通滤波器及采样、A/D转换）和数字量输入输出通道（人机接口和各种告警信号、跳闸信号及电度脉冲等）。2、2硬件部分的总体设计硬件部分主要包括数据采集单元、微机主控单元、开关量数字量输入/输出单元、人机接口单元和通信接口单元。如图21。图21微机保护硬件总框图2、3数据采集单元数据采集单元是将从被保护元件的电流互感器、电压互感器或其它变换器上数据采集单元微机主控单元输入、输出单元人机接口单元通信接口单元取得的二次模拟电量，交换成微机主控单元能够处理的数字量。与传统保护类似，计算机保护也是一个对电磁干扰很敏感的设备。为了防止来自电流、电压输入回路的干扰，在引入CT和PT的电流、电压时，在CT和PT二次侧装设起隔离、变换的变换器，它除了起屏蔽作用外，还将输入的电流、电压的最大值变换成微机设备所允许的最大电压值（例如5V，为使采样后的离散信号可以不失真地还原为输入信号，根据采样定理，模拟量在采样前，应采用低通滤波器滤掉FS/2FS为采样频率以上的高频分量，以防止频谱混叠现象的发生。微机主控单元的基本功能是进行数值及逻辑运算，为此就必须将输入的模拟量转变成数字量，这就需经过“采样/保持电路”及“模/数A/D转换”两个环节，即将模拟量在时间上离散化和在量值上离散化。其中，采样保持电路将在采样时刻上所得到的模拟量的瞬时幅度记录下来，并按A/D转换过程的需要保持其值不变，同时还可保证各通道同步采样，使各模拟量的相应关系在采样前后保持不变，根据数据安全性及可靠性的要求，降低成本的需要，全部通道采用自带采样保持的多路A/D转换器，同时采样，同时A/D转换。转换后最后得到微机所需的数字量。A/D转换器的种类很多，按工作原理可分为逐次逼近型、计数雏型和积分型等徽机保护装皿中通常采用逐次通近的A/D转换器，以提高A/D转换的速度和精度。2、4主控单元微机主控单元是微机保护装置的核心部分。当实时的采样数据经数据采集单元进入微机系统后，微机根据由给定的数学模型编制的计算、逻辑程序对采样数据作实时的计算分析、判断是否发生故障，故障的范围、性质，是否应该跳闸等，然后决定是否发出跳闸命令，是否给出相应信号，是否应打印结果等等。由微机主控单元所执行的上述功能，决定了一般采用EEPROM或EPROM来保存程序、整定值和常数，用RAM来存放采样数据、实时计算处理的数据和结果。时钟电路为保护装置的实时显示和各种事件记录提供时间基准，它具有独立的振荡器及专用的充电电池，当保护装置掉电时，它依然能正常运行。键盘。显示器、串行口和打印机作为人机信息交流的接口，用于操作人员控制和监测装置的工作状况。CPU是微机主控单元的核心，近年来单片机以其可靠性高、性能优越、体积小，价格低和工作温限宽等优点，成为各档次微机保护的理想中央处理单元。2、5I/O单元由于微机主控单元1/O口发出的一般是低电平5V或OV，而电力系统的工作电压一般是220V或110V,需加中间隔离缩小或放大的输入/输出单元。一般由光电隔离和24V的继电器组成硬件回路。2、6提高装置的可靠性措施5可靠性是对继电保护装置的基本要求之一，它包括两个方面不误动和不拒动。运行中的微机保护装置的可靠性主要面临两个间题，一是元器件损坏，二是干扰引起的功能障碍。A采取各种隔离、屏蔽、接地、合理布局和配线以及减弱电源线传递干扰等方法，使微机保护装置不受外界干扰。B利用数字电路软硬件技术的长处，采取以下针对性措施，防止窜入的干扰导致误动和拒动等严重后果1通过输入通道的冗余对采样数据进行干扰辩识。2通过设置超时自动复归电路防止程序运行出轨导致的CPU进入死循环。3在保护各个功能程序执行过程中，反复进行校核。这是因为干扰是随机和短时的，如果事先规定满足多重条件时才能发出出口命令，干扰造成多重条件都能满足的概率就会非常小。4在硬件方面的干扰考虑后，在编写软件时利用有效的数字滤波是切实可行的，实践证明在一定的数据窗内，可以有效的滤除不需要的分盈。第三章第三章第三章第三章微机继电保护的算法微机继电保护的算法微机继电保护的算法微机继电保护的算法3、1微机保护算法传统的保护是直接或经过电压形成回路吧被测信号引入保护继电器，继电器按照电磁、感应、比幅、比相等原理作出动作与否的判断。而微机保护是把经过数据采集系统量化的数字信号输入计算机，这就是一个如何由量化的离散数字信号求取交流信号的有效值、阻抗以及两信号之间的相位的问题。这就是算法要研究的问题。所以算法是研究有若干个采样数据（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6。目前，在微机保护装置中采用的算法基本上可以分为两类一类是直接由采样值经过某种运算，求出被测信号的实际值再与定值比较。例如，在距离保护装置中，利用故障后电压和电流的采样值直接求出测量阻抗或求出测量阻抗或求出故障后保护安装处到故障点的R、X，然后与继电器的动作特性进行比较；另外一类算法是一句继电器的动作方程，将采样值代入动作方程，转换为运算式的判断。同样对于距离保护，这种算法不需求求出测量阻抗，而只是用故障后的采样值代入动作方程进行判断。算法所研究的主要问题有两点意识算法的计算精度，二是算法所用的数据窗。所为算法的计算精度是指离散的采样点计算出的结果与信号的实际值的逼近程度。如果精度低，则说明计算结果的准确度差，这将直接影响保护的正确判断。算法所用的数据窗直接影响动作速度。因为电力系统继电保护应在故障后迅速作出动作与否的判断，而要作出正确的判断必须用故障后的数据。一个算法采用故障后的多少采样点才能计算出正确的结果，这就是算法的数据窗。例如全周富氏算法需要的数据窗为一个周波（20MS），半周富氏算法需要的数据窗为半个周波（10MS）。显然，半周富氏算法的数据窗短，保护的动作速度快。但是半周富氏算法不能滤除偶次谐波和恒稳定直流分量，在信号中存在非周期分量和偶次谐波的情况下，其精度低于全周富氏算法。而全周富氏算法的数据窗要长，保护动作速度慢。显然精度和数据窗之间存在矛盾。一般地，算法用的数据窗越长，计算精度越高，而保护动作相对较慢，反之，计算精度越低，但保护的动作速度相对较快。在一套具体的微机保护装置中，采用何种算法，应视保护的原理以及对计算精度和动作快速性的要求合理选择。例如,在微机距离保护装置中，对距离保护的第一段，采用近处故障强调快速性，此时可采用短数据窗算法，而计算精度可适当低一些，而靠近一段保护范围末端故障，则应强调准确性，要求计算精度高，动作速度可稍微慢一些。在微机保护的研究过程中，各种算法一直是人们研究的重点。最初，人们从简单的情况出发，即假设电压、电流为纯正弦信号，提出了许多基于正弦信号的算法。其中有半周内寻找最大值的方法，半周积分（采样值绝对值求和）算法、MANNMORRISON提出的一阶导数算法、PRODAR70二阶导数算法、采样值积算法等。由于这些算法都是基于被采样信号为正弦信号的算法，而实际电力系统中，故障后的信号除基波分量外往往还含有非周期分量和各种谐波分量，因此在采用基于正弦信号的算法时，必须先对信号进行滤波，将非周期分量和谐波分量滤掉。另一类算法是基于复杂数学模型的算法。此时，不再假设输入的电压、电流为纯正弦信号，二是假设他们是由基波分量、非周期分量、各整次谐波分量组成。基于这一假设，为了从信号中求出基波分量，可采用富氏算法或沃尔希函数算法。由于这些算法本身具有滤除高次谐波的功能，所以在应用该算法之前不再另外采用数字滤波。但是这类算法本身不具备滤除非周期分量的能力，因此国内外的许多学者针对滤除信号中非周期分量分方法做了大量的研究工作。实际上电力系统发生故障后，输入到保护装置中电压、电流信号还要更复杂一些。由于电力系统中铁磁元件的非线性特点，输电线路的参数的分布性特点（例如有分布电容）、线路中接有补偿元件（例如串补电容、并补电容、并补电抗）以及电压、电流互感器二次的暂态过程等因素的影响，使得电压、电流信号中除非周期分量外还含有许多随机的高频和低频分量。在超高压电网的保护中，为了克服这些随机噪声的影响，除采用较完整的数字滤波措施外，还提出了一些基于随机函数模型的算法，例如卡尔曼滤波算法和最小二乘曲线拟合算法。在微机保护中常用的其他算法还有，虑序算法、开平方算法、比相算法和功率算法。3、2交流电量的采样及微机保护的常用算法在电力系统微机保护和监控系统中，需要对电力系统各元件的交流电气量进行处理，为实施保护和监控提供必需的数据和信息获取这些数据和信息的方法是对电力系统各元件的交流电量进行数据采样，因此，交流电量的数据采样是微机保护的最基本环节，它应满足微机保护装置的实时性要求，从而使保护装置能及时响应现场各种状态变化，迅速准确地做出保护动作，消除或降低故障引起的严重后果。因此，快速准确地获得各交流电量，对电力系统微机保护和监控系统起着至关重要的作用。对交流电量的采样主要有直流采样法和交流采样法两种。直流采样法采用变送器将各交流电量转换为05V的直流电压供微机采集。此法主要优点是软件设计简单，精度易于保证，可采用单极性A/D，对转换速度要求低，但也存在着不能及时反应被测量的突变，具有较大的时间常数和测量精度直接受变送器精度和稳定性的影响、测量谐波有误差等缺陷。因此，目前交流电量的快速测量都采用交流采样法。交流采样法具有响应速度快、投资省、工作可靠和维护简单等优点，但交流采样所得到的是信号的瞬时值，是随时间而变化的交变量，人们无法识别其大小和传送方向指功率，这就需要通过一定的算法对采样数据进行处理和计算，从而实现保护的功能。算法是研究微机保护的重点之一。目前己提出的算法有很多种，分析和评价各种不同算法优劣的标准是精度和速度。速度又包括两个方面一是算法所要求的采样点数数据窗长度，二是算法的运算工作量。精度和速度又总是矛盾的，若要计算精确则往往要利用更多的采样点和进行更多的计算工作量，所以研究算法的实质是如何在速度和精度两方面进行权衡。此外，有些算法本身具有数字滤波的功能，有些算法则需配以数字滤波器一起工作，因此评价算法时还要考虑它对数字滤波的要求。3、3常用的算法I半周积分算法半周积分算法的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2/02/022SIN2SIN2TTIDTTIDTTIS积分值S和积分起始点的初相角无关。求出积分值S后，应用式（18）可求得有效值22SI。半周积分法运算较简单，需要的数据窗长度为10MS。另外由于这种算法的运算量小，可以用非常简单的硬件实现。因此对于一些计算精度要求不高的电流、电压保护可以采用这种算法。必要时，亦可另行配置简单的差分滤波器来抑制电流中的非周期分量。II基于信号为周期函数模型的算法在数学中我们已知道，一个周期函数，满足狄里赫利条件，则可以将这个周期函数分解为一个级数。最常用的级数是傅里叶级数。傅里叶级数是将周期函数分解为直流分量、基波分量和各整倍数的谐波分量之和。在微机保护装置中，傅里叶算法是一个被广泛应用的算法，这是因为傅里叶算法用于提取基波分量或者提取某次谐波分量（例如二次谐波、三次谐波）十分方便，当采样频率为600HZ时，傅里叶算法的计算也非常简单，用汇编语言编程也十分方便。另外全周波傅里叶算法所用的数据窗为一个周期，为提高微机保护的动作速度，还可以采用半周傅里叶算法。周期函数的傅里叶级数及各次谐波的关系设有一个周期函数TX，其周期为T。且该周期函数满足狄里赫利条件，则该函数可表示为000COSSINNNNTNBTNATX31式中NA、NB各次谐波分量的正弦项和余弦项系数；0基波角频率N谐波次数，N0为直流分量根据傅里叶级数的性质和三角函数的正交性，有TDTNTXTATTN220SIN232TDTNTXTBTTN220COS233对于基波分量，取N1，则可得TBTATX01011COSSIN34式中TDTTXTATT2201SIN235TDTTXTBTT2201COS236我们也可将正弦基波信号表示为另外一种形式TXTXTTXTXTXMLML0110111010101COSSIN2SINCOS2SINCOSCOSSINSIN37对照式4和式7，可知，111COS2XA，111SIN2XB。利用式5和式6求出1A、1B，即可利用下式求出基波分量的有效值和相角。2221211212121BAXXBA38而1111111ABTGTGAB39对于其他各次谐波分量的球阀与求基波分量的方法完全类似。由以上分析可见，用傅氏算法求取某次谐波分量的有效值和相角时，关键是求出该次谐波分量的实部和虚部系数。III在微机保护中，用采样信号实现傅里叶算法以上是在连续域中应用傅里叶方法，求取某次谐波分量分方法。那么，在微机保护中如何应用傅里叶方法呢因为在微机保护中，我们得到的是经过采样、A/D转换后的离散数字信号，这就要应用离散傅里叶变换的方法。设KX是与连续函数TX对应的离散序列。其离散傅里叶变换的定义为KKTJSEKXKXF310式中ST采样间隔取一周期的采样数据进行离散傅里叶变换，则有11102101022SIN2COSSCNKKNJNNNNFKTJJXXKNKXJKNKXEKXEKXKXFSPIPIPIPI311式中N工频每周期采样点数。1CX、1SX经离散傅里叶变换后的基波分量的虚部和实部。即1012COSNKCKNKXXPI3121012SINNKSKNKXXPI313式12和式13是求基波分量的离散计算公式。有CX1、SX1即可求出基波分量的有效值和相角。221211SCXXX314SCXXARCTG111315类似地，可得出求N次谐波的虚部和实部分量分公式为102COSNKCNKNNKXXPI316102SINNKSNKNNKXXPI317IV全周波傅氏算法全周波傅氏算法是连续一个好走其的采样值求出信号幅值的方法。在微机保护中，输入的信号是经过数据采集系统转换为离散的数字信号的序列。我们用KX来表示它。按照式16和式17求出某次谐波分量的实部和虚部CX、SX，即可求出信号的幅值和相角。式12和式13中的KNPI2COS、KNPI2SIN是一个离散数字序列，当采样频率确定后可事先离线计算出。以采样频率为600HZ，用傅氏算法求基波分量幅值为例，当K从0N1变化时，KNPI2COS、KNPI2SIN的数如下表。K0123456789101130SINK005086610866050050866108660530COSK1086605005086610866050050866所以1011012COS22SIN2NKCNKSNKKXNXNKKXNXPIPI318当N12时，上式为1011016COS616SIN61NKCNKSKKXXKKXXPIPI319求出1CX、1SX后，即可按式14和式15求出信号的有效值和相角。式18也可以表示为2COS2022SIN211101NKCNKSNKKXNXXNXNKKXNXPIPI320对正弦函数，0NX，对于余弦函数有0XNX。所以，对于一个纯正弦信号，式19和式20求出的结果完全一致。在微机保护中，利用全周波傅氏算法求有效值可以按上面介绍的公式计算。注意到表中，正弦函数、余弦函数离散化后的系数仅仅三组值，即05、0866、1。因此，我们也可以用下式求出1CX、1SX。938660108425011751611XXXXXXXXXXXS608660117515010842611XXXXXXXXXXXC傅里叶算法可用于求出各次谐波分量的幅值和相角，所以它在微机保护中作为计算信号幅值的算法被广泛采用。实际上，傅氏方法也是一种滤波方法。分析可知，全周波傅氏方法可有效地滤除恒定直流分量和各整次谐波分量。应当说明的是，为了求出正确的故障参数，0X11X都必须是故障后的采样值。因此，全周波傅氏算法所需要的数据窗为一个周波。即是说，必须在故障后20MS数据齐全后方可采用全周波傅氏算法。V半周波傅氏算法半周波傅氏算法是金庸半周波的数据计算信号的幅值和相角。针对基波分量，具体计算方法如下120112012COS42SIN4NKNKNKKXNBNKKXNAPIPI321当N12时，上式为5015016COS316SIN31KKKKXBKKXAPIPI322同样，求出1A、1B后，即可按式14和式15求出信号的有效值和相角。半周傅氏算法在故障后10MS即可进行计算，因而使保护的动作速度减少了半个周期。但是，半周傅氏算法不能滤除恒定直流分量和偶次谐波分量，而故障后的信号中往往含有衰减的直流分量，因此，半周傅氏算法的计算误差较大。VI一阶差分后半周傅氏算法一阶差分后半周傅氏算法是先差分再用半周的数据计算信号的幅值和相角。针对基波分量，具体计算方法如下2112112COS12SIN242SIN12SIN24NKSNKSNKKXKXTNBNKKXKXTNAPIPI323当N12时，上式为6116116COS115SIN616SIN115SIN61KKKKXKXBKKXKXAPIPIOO324同样，求出1A、1B后，即可按式14和式15求出信号的有效值和相角。VII其他算法除了上述种种算法，针对电力系统距离保护中的阻抗计算，还有相应的一些阻抗算法，它们一类是从输电线路物理模型出发建立数学模型的算法，包括RL模型的微分方程算法和RL模型的积分方程算法另一类是按阻抗元件的动作特性建立的以采样值描述的动作方程的算法，这种算法绕过了计算电流、电压的幅值和相位等步骤，而将继电器动作方程中的幅值比较或相位比较转换为采样值运算的直接比较，因而，这种算法有其独特的优越性。考虑到本论文不涉及到阻抗计算，在此不再赘述这些算法的具体内容。上述分析均是基于数学形式的，若要在微机上实现，必须利用微机来实时计算采样电流的值，所有保护功能的实现都是根据电流值的大小来进行判断的，因此，计算其值是必要的。目前微机计算电流值的交流采样算法主要有半周积分法、两采样值算法、三采样值算法、导数算法、傅氏算法等，算法的选择直接关系到计算的速度、结果的精度等。由于傅氏算法本身具有良好的抑制直流分量和计算基波、整次谐波的能力，因此本次设计中采用的是一阶差分傅氏算法。第四章第四章第四章第四章微机变压器的保护微机变压器的保护微机变压器的保护微机变压器的保护4、1微机变压器的现状在微机保护研究领域，除了线路保护最受关注外，其次就是变压器保护。这显然是因为变压器在电力系统输电和配电各个环节中广泛使用，因而其保护设备具有广阔的应用领域。目前，变压器微机保护的研究成果主要集中在差动保护方面。由于广泛采用的16位徽处理器包括单片机具有很强的运算和处理能力。为充分利用其资源，可用一套主机系统实现全套变压器保护功能即把差动保护、过励磁保护、零序保护及多种后备保护功能集于一身；也可在重要的变电站中，将变压器的主保护和后备保护分开，采用两套主机系统分别实现主保护和后备保护。早期计算机变压器保护的研究基本上来脱离传统保护的原理，主要从不同角度提出各种算法及实现技术。差动保护以比率制动原理为重点。励磁涌流的鉴别则以二次谐波原理为主导地位。有代表性的算法有FIR滤波器算法、IIR滤波器算法、相关函数算法、离散傅氏变换算法、递推傅氏变换算法、最小二乘算法及其加权算法等。而后，八十年代后期，变压器微机保护向两个方向发展一是开发变压器微机保护的用装置，迅速应用于实践；另一个则是利用计算机拄术在记忆能力和计算能力方面的长处，探索新的愿理，如采用故障分量来实现差动判据的突变量差动继电器，以及用间断角原理或波形对称原理来鉴别励磁涌流的差动继电器等。国内从八十年代开始进行微机变压器保护的研究，尽管最初的工作主要是算法的评价分析，但一开始就注重从实用的角度来研究判据。经过几年短促的数字仿真和离线研究之后。迅速进行到装置的研制和试运行。很快就走进了世界先进行列。4、2微机变压器的发展趋势近几年来，微机保护以其可靠性高、抗干扰能力强、自检功能完善、维护简单、保护配置灵活、调试方便、升级换代容易等优点而被广泛运用20国内外微机保护的发展趋势主要体现在以下几个方面1功能更强大的微处理器随着微处理器技术的迅速发展，运算、处理能力更强大的微处理器将被保护装置所采用。从而使得保护装置将更多的分担中央控制单元的工作，二者之间的通信将更集中于核心数据、以及己部分处理的数据，而非生数据经过检测得到的原始数据。2功能强大的网络通讯能力早期的微机保护装置为单个元件，不具备通信功能，随着微机保护的大量应用及综合自动化系统的发展，通信的功能日益重要。通信的形式不仅包括一个变电站或发电厂内的微机保护装置之间的通信，而且还包括一个系统内的网络通信功能。因此，传统的点对点通讯方式逐渐被宽带局域网所代替。通过网络可以实现集中管理和数据共享，便于与电厂综合自动化系统间的连接。此外，保护装置可通过MODEM方式与上级调度部门在线进行数据交互，实现远方监控和管理。通信功能的实现可望使继电保护的发展有一个广阔的前景。3更为有效地保证信息的完整性大型发电机变压器组配置的保护多达2030种，各种保护构成原理各异，接入的电气量差别较大，因此进行发电机变压器组信息分析与保护动作行为评判，不能仅仅依靠基本的电压、电流量，需要进行信息分析的扩展。除提供数据的有效值来确定电气量的大小外，还应由此派生计算出如采样数据的实、虚部值、相位角等其它信息，从而保证信息的完整性4更为友好的人机界面人机界面采用可视化编程技术，适应软件中文化、视窗化的要求，使得人机交流更自然、更直观。4、3微机变压器的差动保护1、微机变压器差动保护的接线和不平衡电流的补偿方法对于常规的变压器差动保护，当变压器的接线组为Y/11时，为消除由此在差动继电器中产生的不平衡电流，应在构成差动保护的接线时，将变压器一次绕组接为星形一侧的三相TA的二次连接为三角形，且应保证三角形之外引线上电流的相位超前于该相电流互感器二次电流30相位，而变压器一次绕组接为三角形一侧的三相TA的二次连接为星形。由于这种接线繁琐复杂，因此，在微机保护中普遍采用了软件调整相位的方法。即无论变压器采用什么连接组，都可将变压器各侧的三相TA按星形连接，然后将二次电流引入相应的电流变换器。如图图中，HI和LI分别为变压器高、低压侧一次电流的正方向、变压器的接线组为Y/11，LHA、LHB、LHC分别为微机保护中对应于变压器高压侧的A、B、C相得电流变换器，LHA、LHB、LHC分别为对应于低压侧的A、B、C相得电流变换器。为补偿变压器两侧电流的相位差，在微机保护的软件中采用的方法是，对变压器绕组为Y连接的一侧按下式处理BKAKAKIII41CKBKBKIII42AKCKCKIII43式中AKI、BKI、CKI补偿后的A、B、C三相电流的采样值；AKI、BKI、CKIA、B、C三相电流采样值。对于变压器连接的一侧则直接用其采样值计算。在常规的变压器差动保护中，产生不平衡电流的原因还有两侧的电流互感器按标准变比选择和平衡线圈计算匝数与整定匝数不等带来的影响，而在微机保护中这种影响完全可以通过软件的方法进行补偿，从而使不平衡电流减到最小。2、比率制动特性的变压器差动保护比率制动特性既能在外部短路时具有可靠地制动作用，又能保证在变压器内部短路时具有较高的灵敏度，因此，变压器差动保护普遍采用比率制动特性。对于变压器差动保护来说，由于空载合闸或区外故障切除端电压恢复时产生的励磁涌流影响，需要采用防止涌流误动的闭锁措施。另外，在变压器过激磁时差动保护可能误动，需要采取防止过激磁时误动的措施。由于外部故障产生的不平衡电流比发电机差动保护的不平衡电流要大很多，为防止区外故障误动，变压器差动保护的最小动作电流及制动特性部分的斜率与发电机差动保护相比要大，对于变压器内部故障有流出电流的情况，为提高保护的灵敏度，可采用三折线制动特性。即动作特性包含三段，当制动电流小于额定电流时，无制动作用。制动电流在0ZI1ZI之间时，制动特性的斜率较低，当制动电流大于1ZI时，制动特性的斜率较高。如图41比率制动特性的变压器差动保护的动作方程和制动电流的选择。两折线特性的动作方程0DCDII0ZZHII45式中CDI差动电流ZHI制动电流0DI差动保护最小动作电流ID00IZHIZ1IZ0ZOI比率制动特性的拐点电流XLK比率制动特性的斜率三折线特性的动作方程0DCDII0ZZHII47210ZLZHXLZOZHXLDCDIIKIIKIIZLZHII48式中CDI差动电流ZHI制动电流0DI差动保护最小动作电流ZOI比率制动特性的第一拐点电流1XLK比率制动特性第一折线段的斜率2XLK比率制动特性第二折线段的斜率ZLI比率制动特性的第二拐点电流对于变压器差动保护，各侧电流的正方向均以指向变压器为正，在这一规定下，差动电流与制动电流分别为双绕组变压器差动电流LHCDIII49制动电流LHZHIII410三绕组变压器差动电流LMHCDIIII411制动电流MAXZHIHI、MI、LI4124、4微机变压器器的整定计算1、最小动作电流0DI按躲过变压器在正常运行条件下产生的不平衡电流整定。LHBEITXKDNIUFKKI/0413式中KK可靠系数，取1520；TXK同型系数，取1；IF电流互感器变比误差，取01；U有载调压变压器的调压范围，取全部调压范围的一半。BEI变压器高压侧的额定电流；LHN高压侧电流互感器的变比；上式中没有考虑平衡线圈计算匝数与整定匝数不相等产生的不平衡电流。这是因为在微机变压器保护中，已经有软件补偿了各侧二次电流不等的影响。按上式计算，当U01时，0DI（0304）BEI/LHN2、制动特性拐点电流LHBEZONII/414在区外发生三相短路时，流过差回路的不平衡电流最大，为了保证此时保护不误动应有LHDWITXFZQKDZNIUFKKKI/3MAXMAX415式中MAXDZI差动保护的最大动作电流；3MAXDWI变压器差动保护范围外部发生三相短路的最大短路电流。按取最大侧短路电流为制动电流的原则，在外部短路时，制动电流即为LHDWDZNII/3MAXMAX416所以有UFKKKIITXFZQKZH417取KK15、FZQK20、TXK10、IF01、U01则450ZHK3、制动特性的的斜率按以上的分析LHBEDNII/300418LHDWDZNII/4503MAXMAX419LHBEZONII/01420设外部三相短路电流为变压器额定电流的10倍。所以，比率制动特性的斜率可推算03MAX0/ZLHDWDDZXLINIIIK421则4601103054XLK422即制动特性曲线的斜率取046，刚好满足要求。在微机变压器装置中，一般建议的整定值为LHBEDNII/503004237030XLI424LHBEZONII/2180425对于三折线的比率制动特性，建议整定值为LHBEDNII/30200426LHBEZONII/427LHBEZLNII/3428301501XLK70502XLK其中1XLK选择较低的值，主要是为提高内部故障有流出电流时差动保护的灵敏度。2XLK选择较高的值，主要是为防止外部短路时保护误动。4、5微机变压器差动保护的逻辑图42是微机变压器差动保护的逻辑图。其中包括三部分。一是差动速断部分；二是比率制动部分；三是电流互感器二次断线判别和越限判别部分。差动速断部分不受二次谐波和TA二次断线的控制，当电流大于差动速断的定值时及发出跳闸命令。比率制动部分按比率制动特性判别差动保护是否动作。该部分同事受二次谐波制动和五次谐波制动控制。其中，二次谐波部分是为防止变压器出现励磁涌流时误动，五次谐波部分是为防止变压器过激磁时误动。在微机变压器中，一般二次谐波制动整定值为015，即当二次谐波分量大于等于基波分量的15时，则闭锁保护。为保证差动保护动作的可靠性，立即闭锁比率制动部分的差动保护。五次谐波闭锁部分一般用于500KV变压器差动保护，整定值选择为0305。即五次谐波大于等于基本分量的3035时，闭锁差动保护。电流互感器二次断线是否闭锁比率制特性的差动保护，用户可通过定值单中的控制字选择。差流越限判断可在正常运行时监视各相得差电流，如任何一相差电流超过越限门槛值则发出告警信号。差流越限的门槛值一般取差动保护最小动作电流的一半。下图表示了微机变压器保护的一种方案。图42具有二次谐波制动的变压器差动保护逻辑图4、6变压器瓦斯保护瓦斯保护是变压器内部故障的主要保护元件，对变压器匝间和层间短路、铁芯故障、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。当油浸式变压器的内部发生故障时，由于电弧将使绝缘材料分解并产生大量的气体，从油箱向油枕流动，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同，反应这种气流与油流而动作的保护称为瓦斯保护，也叫气体保护。在气体保护继电器内，上部是一个密封的浮筒，下部是一块金属档板，两者A相差动速断A相二次谐波C相差动速断A相比率制动B相比率制动C相比率制动B相二次谐波B相差动速断C相二次谐波TA二次断线差流越限报警五次谐波制动或门或门或门差动速断出口与门差动出口断线信号越限信号都装有密封的水银接点。浮筒和档板可以围绕各自的轴旋转。在正常运行时，继电器内充满油，浮筒浸在油内，处于上浮位置，水银接点断开；档板则由于本身重量而下垂，其水银接点也是断开的。当变压器内部发生轻微故障时，气体产生的速度较缓慢，气体上升至储油柜途中首先积存于气体继电器的上部空间，使油面下降，浮筒随之下降而使水银接点闭合，接通延时信号，这就是所谓的“轻瓦斯”；当变压器内部发生严重故障时，则产生强烈的瓦斯气体，油箱内压力瞬时突增，产生很大的油流向油枕方向冲击，因油流冲击档板，档板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使水银触点闭合，接通跳闸回路，使断路器跳闸，这就是所谓的“重瓦斯”。重瓦斯动作，立即切断与变压器连接的所有电源，从而避免事故扩大，起到保护变压器的作用。气体继电器有浮筒式、档板式、开口杯式等不同型号。目前大多采用QJ80型继电器，其信号回路接上开口杯，跳闸回路接下档板。所谓瓦斯保护信号动作，即指因各种原因造成继电器内上开口杯的信号回路接点闭合，光字牌灯亮。4、7保护方案的确定这一点你只写了硬件平台的主芯片，应该简要介绍一下硬件的整体平台，然后重点要介绍你的软件的保护的整体方案，当然，你前面的保护逻辑基本就是你的核心，但是在这里方案的确定要进一步说清楚，这一小节应该好好写，是你论文的一个重点。本保护采用INTEL高性能16位单片机80C196KC，主频可达到16MHZ，运算速度快，处理能力强、差动保护原理成熟度高，灵敏度强。保护方案采用差动速断电流保护、二次谐波制动的比率差动保护、差动CT二