长沙理工大学电气工程及其自动化微机保护课件

《微机保护原理与技术》——长沙理工大学，电气与信息工程学院，穆大庆§1概述§1-1微机保护的进展1、国外：20世纪60年月开头争论，由英、澳、美等国学者提倡，由于当时技术、经济等条件了理论根底。70年月初期，计算机技术消灭重大突破，以微处理器为核心的微机进入有用阶段，从而带来了微机保护的争论高潮，70年月中、后期消灭了比较完善的微机保护样机，并在电力系统中投运。80年月微机保护的硬件及软件技术日趋成熟，并在少数兴旺国家推广应用。90年月微机保护已开头在电力系统中得到广泛应用。2、国内：70年月末开头争论，80年月投运，90年月推广*华北电力学院研制的第一套MDP-1线路微机保护装置于1984年在河北马头电厂投运。*东南大学与华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护及发电机-变压器组保护相1989年、1994年通过鉴定并投运。*南京自动化争论院研制的微机线路保护装置于1991年通过鉴定并投运*天津大学与南京自动化设备厂研制的微机相电压补偿式方向高频保护于1993年通过鉴定并投运*西安交通大学与许昌继电器厂研制的正序故障重量方向高频保护于1996年通过鉴定并投运90年月至今，微机保护在我国已得到推广应用，不同原理、不同机型的微机保护国内主要的变电站综合自动化〔以微机保护为主〕生产厂家：五大厂家：南京南瑞公司，北京四方公司，湖南的主要生产厂家：湘能许继公司，华能自动化公司，二、微机保护硬件的进展历程及趋势1、第一代：以“01”型〔WXB-01〕为代表CPUADC模数变换〔12AD57CPU并行工作〔多个8位单片机，总线不引出插件，承受VFC模数变换〔AD65。3CS系列〔北京哈德威四方公司及华北电力大学研制的CSL-101线路保护，CST-200变压器保护〕LFP-900系列〔国电南瑞公司即原南京自动化争论所研制〕等为代表16DSP〔数字信号处理芯片承受较先进的网络通信构造技术。4、硬件进展趋势：微处理器：承受高性能的1632位单片机，承受DSP芯片，承受工控机〔嵌入式V40STD；386EX；486DX等〕数据采集系统：VFC压频变换的AD654、VFC11〔主要用于微机线路保护AD7874、MAX125/126等〔主要用于微机元件保护。RS232RS485LonworksCan网总线接口等。三、微机保护软件的进展趋势1、型算法：最小二乘法；卡尔曼滤波算法；故障重量算法；自适应算法等2、人工智能的运用：人工神经网络〔AN；模糊理论；遗传算法〔B〕等3、小波理论的运用〔在时域和频域皆具有良好的局部化分析力量，用于处理局部突变信号〕4GPS的运用等号、数据通信一体化的方向快速进展。§1-2微机保护的特点1、牢靠性高〔元器件运行稳定，不易损坏；具有在线自检、巡检功能〕2、易于获得各种附加功能〔如事故记录、事故追忆、故障录波、故障测距等〕3、保护动作特性和性能得到改善〔引入理论、算法、技术。如承受过渡电阻力量的改善、区分振荡与故障力量的提高、降低衰减非周期重量的影响、变压器励磁涌流的鉴〕4、使用敏捷、便利〔人机界面友好，维护调试便利，硬件趋于统一，易于通过整定和设置软件转变特性〕5、硬件工艺构造条件优越〔硬件通用性好，体积小，功耗低，性价比高〕6、具有通讯功能〔可远方监控，易于实现综合自动化和网络化〕§2 微机保护硬件系统§2-1微机保护硬件的根本构成框图数据处理主系统：装置的核心系统。数据采集系统〔模拟量输入系统I/O开关量输出系统：对牢靠性要求最高的系统。〔微机保护没有模拟量输出系统〕§2-2数据采集系统

时间上取量化采样对模拟量的离散化〔量化〕幅度上取量化模/数转换〔A/D〕/数转换一、模入变换隔离变压器模入变换包括隔离变流器模入变换回路的主要作用：大电量→小电量〔大小匹配电流量→电压量；隔离与屏蔽〔抗干扰。〔ALF〕原信号最高频率的两倍以上。即：fS2fh〔或：ωS2ωh〕〕，，故在采样之前必需加前置模拟低通滤波回路。无源低通〔由R，C组成〕 有源低通〔带运算放大器〕三、采样及采样方式A/D转换使用，经采样得到的信号为离散时间信号。1、单一通道采样方式、异步采样〔定时采样〕——每工频周期N点采样w采样周期恒定Ts=1/fs=常数，采样频率fs=N·fw 〔f：工频；N：整数〕www

〕→fs≠N·f

，消灭异步→误差1、同步采样〔跟踪采样〕——每基频周期N点采样1采样周期不恒定，使采样频率fs跟踪输入信号基频f1的变化而变化，保持fs=N·f1。2、多通道间的采样方式多个输入，如：ua,ub,uc,3uo,ia,ib,ic,3io/数〔A/D〕转换比较式〔直接式〕：ADC，如逐次比较式AD0809,AD574计数式〔间接式〕：VFC，如电压频率式AD654,VFC1101A/D根本原理2、VFCA/D的根本原理固定时间内对脉冲个数进展计数，其计数值与输入电压成正比。3、A/D转换器的主要技术指标区分率满刻度/2，n：A/D的位数；转换时间；精度〔解决速度与空间的冲突〕采样数据→RAM中的数据缓冲区〔最采样数据取代最早采样数据〕数据排队〔使取数时更为便利、快捷〔在缓冲区内存数据按采样时间挨次排列。1、简洁的数据排队〔n个采样点的数据：n-1组数据进展搬移，所需时间较长。2、暂存区扩展法将排队缓冲区的空间扩大为所需保存数据空间的2倍3、字节地址偏移循环存取法1个，设每采样点有k2个字节，则存数地址为：A=AB+2k·BO取数地址为〔i点数据：A=A+2k·(B–i)B OOB–i<0，则取其补码〕O§2-3开关量输入输出系统(开关量输入) (开关量输出)开出系统〔跳闸出口〕提高牢靠性的措施：“相异”输出闭锁：防止装置工作电源初投或掉电时，由于芯片工作不稳定使芯片出口〔8光电隔离：抗干扰。〔确保跳闸信号并不真正跳闸，从跳闸出口端发一个跳闸信号，假设跳闸回路完好，则反响到端为低电平。电器线圈中的剩磁导致其不能牢靠返回。§2-4通讯接口及其他一、通讯接口

并行通信CPU

异步通信串行通信() 同步通信1、异步通信：以一个数据为一个整体传送，每个数据以一样的帧格式传送：2、同步通信：以数据块为一个整体传送，以同步字符使收发双方同步：小等的信息，接收端依据此信息接收数据块。二、其他1、看门狗电路WatchdoCLRCLR去除脉冲信号，于是脉冲发生器输出，复位微机系统。2、逆变电源：直流→沟通→直流§3 微机保护软件系统§3-1数字滤波器一、概述1、数字滤波的优点：滤波精度高；稳定性好；牢靠性高；敏捷性好；经济性好。例如：y(n)=x(n)-x(n-4)2、影响算法速度的性能指标：〔算法〕运算时所用到的最早一个采样点到最晚一个采样点之间Tw数据窗：时间窗中采样点的个数，Dw=(Tw/Ts)+1二、数字滤波器频率特性：以相减数字滤波器为例：其差分方程y(n)=x(n)-x(n-k)m x(n)x(t)的采样值〔采样周期为Tx(t)=X·Sin(ωt+φm m n x(n)=X·Sin(ωt+φ)m n x(n-k)=X·Sin[ω(t

-kTs)+φ]m n x则：y(n)=X·Sin(ωt+φX·Sin[ω(t-kTs)+φm n x m n x=2X·Sin(ωkTs/2)·Sin[ωt+φ-(ωkTs/2)+π/2]m n x可见，针对某一频率ωx(n)，其输出也为同一频率的正弦序列，只是幅度和相角发生了变化。|2Sin(ωkTs/2)|；相频特性〔相角变化〕为：Φ(ω)(π/2)-(ωkTs/2)|H(ω)|0，则滤除该频率重量|H(ω)|较大，则提取该频率重量Z变换方法：Z变换：X(z)=Z[x(n)]=

n

x(n)zn*Z变换：设：X(z)=Z[x(n)]，则：Z[x(n-m)]=

x(nm)zn=

x(nm)z(nm)zm=zm

x(nm)z(nm)=z-m·X(z)n

n

(nm)y(n)=x(n)-x(n-k)Z变换得：Y(z)=X(z)z–kX(z)H(z)=Y(z)/X(z)=1-z–k-[1[1Cos(kTs)]2Sin2(kTs)〔与前面推导结果一样〕

Z变换可见：离散系统的数字滤波器差分方程───→简洁代数方程拉氏变换〔相对于连续系统：微分方程───→简洁代数方程〕=H(z)|z=ejωTs=|H(ω)|ejΦ(ω)幅频特性：|H(ω)|；相频特性：Φ(ω)； 延迟特性：d[Φ(ω)]/dω三、简洁滤波单元形式及特性1、相减滤波单元差分方程：y(n)=x(n)-x(n-k) 〔k>0，k+1即为数据窗〕经Z变换得：Y(z)=X(z)–z-k·X(z) 转移函数H(z)=Y(z)/X(z)=1-z-k幅频特性：|H(ω)||2Sin(kωTs/2)|设：每基频周期N点采样：fs=1/Ts=N·f1即：ωs=2π/Ts=N·ω1 〔f1：基频〕

)]|=|2Sin(

k)|N1当k=I〔I=0,1,2,…〕时，|H(ω)|0N1= k1

·I 〔I=0,1,2,…,N〕 21〔为保证采样定理，经前置滤波后信号中的最高频率ω<

N〕适中选择N与k的值，即可滤除相应的谐波。2、相加滤波单元y(n)=x(n)+x(n-k)，

h 2 2 1经Z变换得：Y(z)=X(z)+z-k·X(z) 转移函数H(z)=Y(z)/X(z)=1+z-k幅频特性：|H(ω)|=|H(f)|=|2Cos(kωTs/2)|=|2Cos(k)| 〔设：ωs=N·ω〕N 11= k1

·(I+1/2)〔I=0,1,2,…,N〕 213、积分滤波单元差分方程：y(n)=x(n)+x(n-1)+x(n-2)+…+x(n-k)，H(z)=Y(z)/X(z)=1+z-1+z-2+z-k=(1-z-(k+1))/(1-z-1)幅频特性：|H(ω)||H(f)|=|Sin[(k+1)ωTs/2]/Sin(ωTs/2)|N1

)| 〔设：ωsN·ω〕N 111

N=k1

·I 〔I=1,2,…,N〕 214、加减滤波单元y(n)=x(n)-x(n-1)+x(n-2)-…+(-1)kx(n-k)z-1+z-2(-1)kz-k=[1+(-1)kz-(k+1)]/(1+z-1)设：ωsN·ω1〔1〕k为奇数时的幅频特性：=|Sin[(k1)]/Cos(N1

)|N11

N=k1

·I 〔I=0,1,2,…,N〕 21〔2〕k为偶数时幅频特性：=|Cos[(k1)]/Cos(N1

)|N11

N=k1

·(I+1/2) 〔I=0,1,2,…,N〕 21(1)、运算简洁x(n)-x(n-1)；相加滤波：x(n)+x(n-1)1次加、减法积分滤波：y(n)=x(n)+x(n-1)+x(n-2)+…+x(n-k)=y(n-1)+x(n)-x(n-k-1)y(n)=x(n)-x(n-1)+x(n-2)-…+(-1)kx(n-k)x(nx(nk1y(n1). k为奇数=x(nx(nk1y(n1). k为偶数积分、加减滤波利用递推公式后只需2次加减法、梳状频谱〔消灭较大的旁瓣，存在频率泄漏〕、期望滤除的谐波次数越低→k越大→时间窗Tw越大→时延τc越长、为有限长冲击响应〔只有零点没有极点，无稳定性问题〕(微机保护中常用的一种简洁滤波称图基滤波: y(n)=x(n)+x(n-1)-x(n-3)-x(n-4) )四、简洁滤波单元的组合m个简洁滤波单元组成的级联滤波器转移函数：H(z)=mi1

H(z)i〔多个滤波器级联：前级滤波器的输出作为后级滤波器的输入〕=

H)；相频特性：i

()；ii1 i122个积分滤波单元级联：y1(n)=x(n)-x(n-2)；y2(n)=y1(n)-y1(n-6)；y3(n)=y2(n)+y2(n-1)+y2(n-2)；y4(n)=y3(n)+y3(n-1)+y3(n-2)+y3(n-3)H1(z)=1-z-2；H2(z)=1-z-6；H3(z)=1+z-1+z-2；H4(z)=1+z-1+z-2+z-3则级联滤波器的频谱特性：12个积分滤波单元级联：y1(n)=x(n)-x(n-6)；y2(n)=y1(n)+y1(n-1)+…+y1(n-7)；y3(n)=y2(n)+y2(n-1)+…+y2(n-9)H1(z)=1-z-6

(z)=7i0

；H3

(z)=

9i0

zi则级联滤波器的频谱特性：五、零、极点配置法设计数字滤波器1、关于滤波器的分类m阶线性常系数差分方程表示的线性非移变数字滤波器：y(n)=a0

x(n)+

ax(ni) +i

by(ni)ii1 i1假设b不全为0〔表达形式上有输出反响〕 i假设b全部为0〔表达形式上无输出反响〕iZ变换后：Y(z)=a0

X(z)+

aziX(z) +i

bziY(z)iH(z)=(a0

i

/(1-

i1 i1bzi)ii1 i1H(z)中但凡有可能存在的一样零、极点对消后可表示为：H(z)=(a+0

m

azi)/(1-i

m

bzi)ii1 i1假设b

有分母，即有极点〕——无限长冲击响应滤波器IIR则： i假设bi

无分母，即无极点〕——有限长冲击响应滤波器FIRIIRFIR既可是非递归型也可是递归型。例如：简洁积分滤波器〔FI：y(n)=x(n)+x(n-1)+x(n-2)+x(n-3)——非递归型=y(n-1)+x(n)-x(n-4) 其用递归型实现时，仍是有限长冲击响应：h(n)=h(n-1)+δ(n)-δ(n-4)h(0)=h(-1)+δ(0)-δ(-4)=1；h(1)=h(0)+δ(1)-δ(-3)=1；h(2)=1；h(3)=1；h(4)=h(3)+δ(4)-δ(0)=1-1=0；h(5)=h(4)+δ(5)-δ(1)=0；h(6)=0；h(7)=0；„2、零、极点配置法m阶线性常系数差分方程：y(n)=a0

x(n)+

ax(ni) +i

by(ni)ia0

+

i

/(1-

i1 i1bzi)ii1 i1m1cz1)i用零、极点的形式表示为〔多项式因式分解：H(z)=Ai1 m频率响应：H(ω)H(z)|z=ejωTsAi1m

(1cei

jTs)

mi1

iω变化，

i1

(1dejTs)i

在某极点di四周时，(1

的幅值消灭微小值〔分母为微小值，故频率响应dejTsd在此频率四周消灭峰点值〔即提取该频率信号；

在某零点ci四周时，(1

的幅值消灭微小值〔分子为微小值，故频率响应cejTscH(ω)在此频率四周消灭谷点值〔即滤除了该频率信号。〔1时，系统则消灭不稳定〕零、极点配置方法：c=ejTω

处可实现陷波。j jS jiSdi=rejTωi〔r<1,r≥1则系统不稳定〕iS〔因差分方程中皆为实系数，即转移函数H(z)的分子、分母多项式皆为实系数，假设cjdid，即：c

=ejT；d

=rejT〕j i jj’ jS ii’ iS零、极点配置法的通用表达式：滤波器设计要求：滤除直流、N/2mn次谐波。ωs=N·ω1〔则：ω1Ts=2π/N〕c0=ej0=1H(z)的分子设因子(1-z-1)；jNT -1要滤除N/2次，则需设零点：cN/2=e21sej=-1，即H(z)的分子设因子(1+z )；

=ejmT

H(z)的分子设因子：±m 1s(1-ejmT

z1)(1-ejmT

z1)=[1-2cos(mω

T)·z-1+z-2]1s 1s 1 s

=rejnT

H(z)的分母设因子：1s(1-r·ejnTz1)(1-r·ejnTz1)=[1-2r·cos(nωT)·z-1+r2·z1s1s 1s 1 s则设计滤波器的转移函数为：(1z1)(1z1)[12cos(mT)z1z2]H(z)=A 1s

[12rcos(nT1s

)z1r2z2]例：设计滤波器，要求拟制直流和N/23次谐波，提取基波50Hz12ω1，A1r0.9。3z10.81z2)3z10.81z2)3由H(z)可得滤波器差分方程：y(n)=x(n)-x(n-4)+0.9 y(n-1)-0.81y(n-2)3六、微机保护采样及滤波程序举例ωs=12ω1〔N=1Ts=5/3m48点〔4个周波〕的数据，采样y1(n)=x(n)-x(n-4)与y2(n)=y1(n)+y1(n-2)。sua[96]存放采样值〔暂存区扩展法排队〕f1ua[3]存放数字滤波的中间结果〔简洁排队〕f2ua[96]存放数字滤波最终结果〔暂存区扩展法排队〕定时采样中断效劳程序〔Ts进入一次S/Hm=m+1 /*指针更*/ifm>48thenm=1n=m+48sua[n]=ua /*采样*/sua[m]=sua[n]f1ua[3]=f1ua[2] /*成组转移*/f1ua[2]=f1ua[1]f1ua[1]=sua[n]-sua[n-4] /*一级滤波*/f2ua[n]=f1ua[1]+f1ua[3] /*二级滤波*/„其他保护算法及故障处理程序„→中断返回§3-2 微机保护的根本算法算法计算〔如电流、电压幅值和相位等〕一、正弦模型算法〔设被采样信号为纯粹弦信号〕1、导数算法〔23个采样点〕一阶导数算法〔Mann-Morrison算法〕m则：u”=ωUmCos(ωt+φu) 故：U2=u2+(u”/ω)2m用采样值进展计算：u=uku”/ω=uk”/ω≈

u

〔差分近似代替微分〕u u

2 TSu u或: u≈

k 2k1；u”/ω=uk”/ω≈ kTS

〔ωs=N·ωωTs=2π/N〕假设再设：i=ISin(ωt+φ) 则：I2=i2+(i”/ω)2m i mm m u 且：R=(U/I)·Cos(φ－φ)=[(u”/ω)(i”/ω)+u·i]/[i2+(i”/ω)2m m u X=ωL=(U/I)·Sin(φ－φ)=[u·(i”/ω)－(u”/ω)·i]/[i2+(i”/ω)2]m m u i二阶导数算法〔Prodar-70算法〕m则：u”=ωUmCos(ωt+φu)；u””=−ω2UmSin(ωt+φu)故：U2=(u”/ω)2+(u””/ω2)2m用采样值进展计算：u=uk；u”/ω=uk”/ω≈

u

k1；2 TSu u

u

u 2u uu””/ω2=u””/ω2≈(k1 kk k1)/(T

)k

〔ωs=N·ωωTs=2π/N〕k S S

(T)2Sm 假设再设：i=ISin(ωt+φ) 则：I2=(i”/ω)2+(i””/ω2)m mm m u 且：R=(U/I)·Cos(φ－φ)=(u·i””－u”·i”)/(i·i””－i”2m m u X=ωL=(U/I)·Sin(φ－φ)=ω(u”·i－u·i”)/(i·i””－i”2)m m u i由于用差分近似代替微分，导数算法本身有误差。〔算法本身无误差〕(1)、两采样值积算法==ImSin(ωt1+φi)

u=USin[ω(t+ΔT)+φ]，i=ISin[ω(t+ΔT)+φ]2 2 m 1 u 2 m 1 i——两采样值的时间间隔m 1 2 1 则：U2=[u2+u2-2uuCos(ωΔT)]/Sin2m 1 2 1 I2=[i2+i2-2iiCos(ωΔT)]/Sin2(ωΔT)m 1 2 12i1+u2i2–(u1i2+u2i1)Cos(ωΔT)]此算法只需要两个采样值，但运算量较大〔2次平方，2次乘法，1次除法，2次加减〕ωΔTπ/2，则：U2=u2+u2，I

2=i2+i2，tg(φ

i+ui)m 1 2

m 1 2

u i 12 21

11 2211i1u2i2)/(i2+i22)11m X=(U/I)Sin(φ(2)m

i2-u2i1)/(i2+i22)mt1时：u1Um

Sin(ωt1+φu)，i1=I

Sin(ωt1+φi)mmt2时：u2Umm

Sin[ω(t1+ΔT)+φu]，i2=I

Sin[ω(t1+ΔT)+φi]mmt3时：u3Umm

Sin[ω(t1+2ΔT)+φu]，i3=I

Sin[ω(t1+2ΔT)+φi]m 1 3 2m则有：U2u2+u2–2u2Cos(2ωΔT)]/[2Sin2(ωΔT)]m 1 3 2m+i2–2i2Cos(2ωΔT)]/[2Sin2(ωΔT)]m 1 3 2U2=2(u2+u2–u2)，I2=2(i2+i2–i2)m 1 3 2 m 1 3 21i2)/(i1

2+i32–i

2+i

2–i2)2132三采样值算法可有不同的计算式〔具有表达式非唯一性，例如另一种计算式：2132U2=(u2–uu)/Sin2(ωΔT)，I2=(i2–ii)/Sin2(ωΔT)m 2 1 3 m 2 13〕Um2=[u12+u22-2u1u2Cos(ωΔT)]/Sin2(ωΔT)u22+u32-2u2u3Cos(ωΔT)]/Sin2(ωΔT)Cos(ωΔT)=(u1u3)/(2u2)Sin2(ωΔT)=1-(u1u3)2/(2u2)2 则：Um2=(u22–u1u3)/Sin2(ωΔT)=4u22(u22–u1u3)/[4u22-(u1+u3)2]Umω〔此算法缺乏：计算量大〕〔设被采样信号为周期信号，不肯定是正弦信号〕富氏算法：〔T〕u(t)，则其富氏级数的形式为：u(t)=

cejnt= [aCos(nt)bSin(nt)]n n 1 n 1na

n02Tu(t)Cos(nt)dt；b

2Tut)n(

t)dtn T 0

1 n T 0 1aa2b2∴第n次谐波的幅值为：Un=n

θnarctgnn aabn n

n用采样值计算〔承受梯形法则，用连和代替积分：2Nun T k1

Cos(nkT1 S

)TS

2NN

uCos(2nk)；k N2 N2n Nk1

2uSin( nk)k N其中：ωs=N·ωωTs=2；u

k个采样值1 1 N k由abUn，θnn n3以计算基频的算式〔n=1〕为例， 设：N=12 则：3a 112

Cos(

k)=1

[2(u

－u)+(u－u－u+u )+

(u－u－u+u )]31 6 k13

6 12

12 6

2 8 4 10

1 7 5 11b 112

1Sin( k)= [2(u－u)+(u－u

+u－u )+

(u－u+u－u )]1 6 k1

6 12 3 9

1 7 5 11

2 8 4 10三、R-L〔u，IR，L〕〔设输电线由电阻、电感串联组成〕1、相间金属性短路0，则有：u=R1·i+L1(di/dt)0ºu=uab，i=ia-ib〕写成离散形式：ukR1·ikL1(ik+1－ik-1)/(2Ts)对输电线有：R1/X1R1/ωL1=α(常数)，故：X1=ωL1=uk/[α·ik+(ik+1－ik-1)/(2ωTs)]；R1=α·X1α未知的算法：k点有：uk=R1·ik+ωL1(ik+1－ik-1)/(2ωTs)p点有：up=R1·ip+ωL1(ip+1－ip-1)/(2ωTs)(i

i )u

(i u i u R1=

(

p

1

；X1=ωL1= p k k p S i

i

)ip

i

)ik

(i

i

)ip

p1

ip1

)ik2R的算法gu=R1·i+L1(di/dt)+R·p·i 〔p=iΣ/i：电流安排系数，取决于系统构造及参数〕gR1/ωL1=αg写成离散形式：uk=[αik+(ik+1－i

+pRg·ik1=DkωL1+pRg·ik另取一计算点有：uk+1Dk+1ωL1pRg·ik+1可解得：ωL1=(uk+1·ik－uk·ik+1)/(Dk+1·ik－Dk·ik+1)3Rf单相接地短路AAu1=uf1+R1·i1+L1(di1/dt)u2=uf2+R2·i2+L2(di2/dt)u0=uf0+R0·i0+L0(di0/dt)L2-+L1d[i+i0(L0-L1)/L1]/dtl1)/(3l1)；KR=(R0-R1)/(3R1)=(r0-r1)/(3r1)〔r1，l1：线路的单位正序电阻、电感；r0，l0：线路的单位零序电阻、电感〕有：uR1(i+KR·3i0L1d(i+KL·3i0)/dt+uf写成离散形式〔设：R1/1=α 常数〕uk=ωL1{α(ik+KR·3i0k)+[(ik+1－ik-1)+KL·(3i0k+1－3i0k-1)]/(2ωTs)}+ufk=ωL1·Dk+ufkDk=α(ik+KR·3i0k)+[(ik+1－ik-1)+KL·(3i0k+1－3i0k-1)]/(2ωTs)对单相接地短路，由序网分析可知：i=i=i 则：i=3if1 f2 f0 f f0f f f0 f 0 f f0故：uf=i·R=3i·R=i·(3R/f f f0 f 0 f f0K障点零序电流；i：保护安装处零序电流； ：零序电流安排系数〕Kf0 0 f0Kf0为常数由：uk=ωL1·Dki0k·(3Rf/Kf0)0k+1及uk+1=ωL1·Dk+1+i ·(3Rf/Kf0)0k+1

ui

u

0k ； Dik0k1

D ik10k§4 针对各种微机保护的特点、应用算法及实例§4-1 微机型线路保护特点及应用算法一、启动元件〔目前除电流保护外，各种微机保护中都设置了启动元件〕相电流突变量启动根本原理：本采样点相电流与前一周期相应采样点相电流的差值作为推断量:k-NΔik=|ik－i |ε 〔ε为启动定值〕k-N实际应用：为防止频率偏移造成的影响，实际推断条件为：Δi=|i－i |－|i

|>εk k

k-N

k-2N负序(及零序)电流突变量启动为防止振荡周期很小→相电流突变量元件误启动，〔及零序〕Δi2k相结合的方式负序重量计算方法：方法①：U ej120ej120)a.2 3 a b c

1(k)=

(k)+u

(k-N

)+u

(k+N

)] (设每基频周期N点采样)a2 3 a2N+13

b 3 c 3方法②：短数据窗算法：b

b c c∴U ej60ej60)a.2 3 a b b c

1(k)= 3

(k)+ub

(k-N6

(k-N)]6N+160

ab

)c离散式：3u0(k)=ua(k)+ub(k)+uc(k)二、方向判别元件算法m u m u R 设两沟通相量：UJ=UmejφuU·Cosφ+jU·SinφUm u m u R mIIJ=Imejφi=ImI

·Cosφ

+jI

·Sinφ=I

+jIimiRIIRimiRIIR

，I可由富氏算法、采样值积算法、导数算法等算出。假设方向元件动作条件为：-90°<arg IJ

<90° 〔φlmlmlm

为方向元件的最灵敏角〕u 即：Cos[(φu-φi)－φlm]>0 即：Cos(φu-φi)·Cosφlm+Sin(φu-φi)·Sinφlm>0即：(CosφuCosφi+SinφSinφi)·Cosφ 0即：(UR·IR+UI·II)·Cosφlm+(UI·IR-UR·II)·Sinφlm>u R 三、方向性四边形特性阻抗元件R m mX R Z X R Z zd zd zd lm zdlm 保证出口经过渡电阻Rg短路时能牢靠动作。保证高压线路金属性短路且有测量角误差时仍能牢靠动作。θ3(≤φ =φ 躲区内短路的过渡电阻。防末端区外经Rglm R | X X R 动作判据：－tg|θ ≤ ≤ －R | X X R m 1 m zd m 4X | R R +X —X | R R +X m 2 m zd m 3zd*Rzd皆一样，各段电抗定值Xzd各不一样：XIzd

zd<XIIzd

zd<XIIIzd〔电阻定值应考虑躲过可能的最大负荷状况并具有1.5倍以上的裕度：

zd<

0.9U1.5 31.5 3I1.5 35e

0.9100

<35Ω〕zd*为消退方向阻抗元件的死区，动作特性区域叠加偏移小矩形：zd Xp：取Xp=Xzd/2；但假设X 取Xp=0.5Ω。即X=Min{Xzd/2,0.5Ω}Rp=Min{Rzd/2,8Xp}zd ZKJZKJ〔故可用故障前电压代替故障后电压来与电流比相ZKJ假设为反反方向则直接闭锁保护。四、故障类型与相别推断从而只要取相应故障相的测量阻抗进展判别。1、接地故障判别ΔI0ε1，则判为接地故障ΔI0而误判接地ε2； >ε32、单相接地判别及选相εA相单相接地εB相单相接地有用判据：假设：m|ΔIb－ΔIc|<|ΔIa－ΔIb|且m|ΔIb－ΔIc|<|ΔIc－ΔIa|，判A相接地假设：m|ΔIc－ΔIa|<|ΔIb－ΔIc|且m|ΔIc－ΔIa|<|ΔIa－ΔIb|，判B相接地假设：m|ΔIa－ΔIb|<|ΔIc－ΔIa|且m|ΔIa－ΔIb|<|ΔIb－ΔIc|，判C相接地〔m4~8〕3、三相短路判别判据：|ΔIa|ε且|ΔIb|ε且|ΔIc|ε4、两相短路判别及选相假设判明不是接地故障也不是三相短路，则为两相短路选相判据：假设|ΔIb|>|ΔIa|且|ΔIc|>|ΔIa|，B，C假设|ΔIc|>|ΔIb|且|ΔIa|>|ΔIb|，C，A假设|ΔIa|>|ΔIc|且|ΔIb|>|ΔIc|，A，B五、振荡闭锁判据不变；而振荡时测量阻抗始终是相对缓慢的变化〔随着振荡角的变化而变化。m+ ∆R 假设：|R －R |≥ 〔R ,R :故障发生前后的测量电阻，m+ ∆R m- m0 m- m+ m0∆Rm+/∆TD 〔∆Rm+/∆T：故障后测量电阻渐变速度，D：定值〕则推断为故障。否则为振荡。§4-2 微机型线路保护实例一、中、电压线路电流保护实例〔DCAP-5000为例〕1、面板及背板981个装置运行正常指示。背板端子图：2、输入及输出6T，三个用于保护〔三相星形，二个用于测量〔相星形，一个用于外接零序电流。沟通电压模拟量输入：内接4TV，两个接成V形，用于测量Uab,Ubc,Uca，1个用于1个用于同期电压〔线路侧电压。1路直流模拟量输入：用于采集温度或其他直流信号。SGPGPS对时脉冲输入。88TS1~TS8〔出口可敏捷定义。通讯口：1RS485口，1个以太网口。3、主要保护功能①速断保护其中：U为负序电压；U 为线电压U 、U 、U

中的最小值。2 min ab bc ca－90º<

<

为相电〔φ=a或b或U 为线电〔φ=bccaa；ψlm为方向元件最灵敏角，一般取－30º。②过流保护具有两段过流保护〔III段，两段过流保护规律完全一样。③电压定时速断保护④重合闸及后加速10S，每当重合闸重合后马上放电。重合闸可被以下条件闭锁：保护跳断路器失败；任一相电流>0.12I；手合于故障。n重合闸重合后自动投入后加速段保护，假设重合于故障时，后加速跳闸并报警。重合闸2S后，后加速段自动退出。⑤低周减载〔防止其他线路短路等缘由造成的频率降低导致本线路低周减载误动〕⑥过负荷保护⑦TV断线报警2UTV5STV2断线信号。1UTVTV断线5STV断线信号。1⑧TA断线报警TA断线判据：至少有一相电流大于TATA断线3STA断线信号。⑨检同期、检无压功能本装置设有检同期、检无压功能，可独立投退。该功能是通过将检同期〔检无压〕出8TS1~TS8中任意一个接〔检无压〕出口接点，但该接点必需是常闭接点，当满足检同期〔检无压〕〔检无压〕不满足合闸条件时，该出口继电器动作，其常闭接点断开。Ut依据所猎取的方式不同，可在装置内部进展相位补偿及幅值补偿。线路侧同期电压UtUabUbcUcaUaUbUc检同期相角补偿值检同期幅值补偿值0º1120º1240º130º1.732150º1.732270º1.732〔检无压侧的检同期元件一般也同时投入：在该侧由于QF偷跳或保护误动仅跳开了该侧QF时，由该侧的检同期元件进展检同期重合〕4、保护定值表、跳闸出口定义定值名称整定范围定值名称整定范围备注1.速断定值1.00~100.00A返回系数：0.952.I段定值0.40~60.00A返回系数：0.953.I段延时0.20~20.00s4.II段定值0.40~60.00A返回系数：0.955.II段延时0.20~20.00s6.复合电压低电压定值30.00~95.00V返回系数：1.05，线电压7.复合电压负序电压定值0.50~50.00V返回系数：0.95，相电压8.充电保护定值0.40~60.00A返回系数：0.959.充电保护延时0.10~20.00s10.充电保护有效时间0.20~60.00s11.后加速保护定值0.40~60.00A返回系数：0.9512.后加速保护延时0.10~20.00s13.过负荷报警定值0.40~60.00A返回系数：0.9514.过负荷报警延时0.20~90.00s15.电压定时速段定值30.00~100.00V返回系数：1.0516.电压定时速段启动电流值0.40~60.00A返回系数：0.9517.电压定时速段延时0.10~20.00s18.失压定值1.00~95.00V返回系数：1.0519.失压延时0.10~20.00s20.过压定值90.00~150.00V返回系数：0.9821.过压延时0.20~20.00s22.零序过流I段定值0.10~30.00A返回系数：0.9523.零序过流I段延时0.20~20.00s24.II段定值0.10~30.00A返回系数：0.9525.II段延时0.20~20.00s26.零序过压定值1.00~150.00V返回系数：0.9527.零序过压延时0.20~20.00s28.低周减载频率定值45.00~50.00Hz29.低周减载有流定值0.10~5.00A低周减载滑差定值低周减载有压定值2.00~10.00Hz/s30.00~95.00V32.低周减载延时0.10~20.00s33.重合闸延时0.20~20.00s34.1延时0.10~20.00s35.2延时0.10~20.00s36.3延时0.10~20.00s37.4延时0.10~20.00s38.TV断线正序电压定值1.00~70.00V返回系数：1.05，相电压39.TV断线负序电压定值0.50~50.00V返回系数：0.95，相电压40.TV断线有流定值0.10~5.00A返回系数：0.9541.TA断线有流定值0.10~5.00A返回系数：0.9542.TA断线无流定值0.10~1.00A返回系数：0.9543.检同期有压定值30.00~100.00V返回系数：0.9544.检同期无压定值1.00~70.00V返回系数：1.0545.检同期压差定值1.00~50.00V返回系数：1V46.检同期频差定值0.10~5.00Hz返回系数：0.05Hz47.检同期相差定值1.00~50.00º返回系数：1.00º检同期相角补偿定值检同期幅值补偿系数0.00~360.00º0.50~2.00录波启动电流定值录波时间0.40~60.00A1~20s跳闸出口名称出口对应表设置值跳闸出口名称出口对应表设置值TS TS TS TS TS TS TS TS1 2 3 4 5 6 7 8速断出口I段出口过II段出口充电保护出口后加速保护出口过负荷出口电压定时速断出口失压出口过压出口零序过流I段出口零序过流II段出口零序过压出口低周减载出口重合闸出口1出口0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/12出口2出口3出口4出口检同期出口TV断线报警出口TA断线报警出口掌握回路断线报警出口00000000000000000000000000000000000000000000000000000000事故报警出口00000000预报报警出口00000000例如：速断出口设置值为：00000010，说明速断动作后启动TS2出口动作。二、高压线路微机保护实例〔CSL101A型为例〕线路高频保护CPU1CSL101A4CPUCSL101A4CPU线路零序电流保护CPU3CPU4〔CPU0MMI〕LCD〔承受Lonworks网络CPUCUP通讯。〔插件位置图〕1、线路微机保护硬件构造保护功能CPU插件：三个保护功能CPU插件的硬件电路一样，承受M77高性能CPU〔包含装置要求的几乎全部外设功能EEPROM〔CPUUART0CPU0通讯。开关量输出包括：ABC，永跳，三跳，启动，备用。两路告警信号出口：严峻告警〔CPU出口，特别告警I〔CPU出口一路驱动停信出口〔仅高频保护有〕路模入：ia,ib,ic,3i0,ua,ub,uc,3u0,3i0。LB，4YB模/VFCVFC11014位区分率。1插件：供给2组分相跳闸〔跳A、跳B、跳C〕出口继电器和1组永跳及三跳继4个继电器。出口的总启动回路承受三取二闭锁，即高频保护CPU1插件、距离保护CPU2插件、零序电流保护CPU3插件的三个启动回路中至少有两个启动元件启动则总启动回路才开放。2插件：供给2组分相跳闸〔跳A、跳B、跳C〕出口继电器和1组永跳及三跳继电器。规律插件：继电器组合，包括3个分相跳闸〔跳A、跳B、跳C〕出口继电器和1个永跳继电器以及与重合闸协作用的三跳重动、单跳重动及保护动作重动继电器。信号插件：保护动作信号包括3个分相跳闸〔跳A、跳B、跳C〕信号继电器和1个永跳信号继电器、1I〔严峻告警〕II〔特别告警，分别由相应的告警继电器输出。2、距离保护定值KG1掌握字1:D15D14D13D12D11D10D9D8M备用X相备用投1.5S投瞬时投瞬时加速距加速距III段离III段离II检(1)〔0〕速(1)(1)(1)(1)D7D5~D6D4D3D2D1D0投入快备用速距离I段(1)

投入振荡投入振荡距离II距离I段CT额定值1S闭锁中段不经不经振1A(1)；5A的II段0.5SI振荡闭荡闭锁〔0〕〔1〕段〔1〕锁控制掌握(1)(1)〔M〕KG22：D15~D6D5D4D3~D2D1D0备用III距离II备用相间故障永跳〔1〕〔1〕〔1〕(1)RD1接地距离电阻定值〔I、II、III〕XD1IXD2接地距离IITD2接地距离IIRX1相间距离电阻定值〔I、II、III〕XX1IXX2相间距离IITX2相间距离IIIQD突变量启动元件定值，推举取0.2InI04零序电流关心启动元件定值〔在单相经特大电阻接地短路而导致相电流差突变零序电流关心启动元件〕IJW静稳定破坏检测电流元件定值，按躲过最大负荷电流整定IWI〔推断路器是否跳开，按躲过线路稳态电容电流整定KX零序电抗补偿系数(X0-X1)/3X1KR零序电阻补偿系数(R0-R1)/3R1R/X线路正序电阻与正序电抗的比值DBL每欧姆二次正序电抗对应线路的公里数TRS整组复归时间3、距离保护软件模块 监控主程序监控程序 键盘命令处理程序 初始化 运行主程序通用自检 专用自检 采样 采样中断效劳程序距离保护模块包含 启动推断

故障选型及选相 测量阻抗计算 故障处理程序 故障区段划分及动作推断 跳闸及后加速 振荡过程中是否故障的推断 振荡闭锁程序 距离保护运行程序：运行主程序

振荡是否停息推断①初始化〔一：运行方式和调试方式皆需进展的初始化②初始化〔二：仅运行时需要进展的初始化③全面自检：RAM00H，00H；再写入FFH，读出推断是FFH。定值区自检：推断起始码及求和校验码是否正确。EPROM开出回路自检：检测开出反响是否正确0，全部开出量返回CX〔在自检循环过程中随时等待采样中断〕采样中断效劳程序〔定时到达采样周期则进入采样中断效劳〕①采样〔VFC〕DI〔IQD〕DI2〔健全相相电流差突变量推断CSL101DI2故障处理程序〔进入故障处理后，采样中断仍按采样周期不断地进展〕①故障相判别〔选相元件〕②手动合闸合于故障线路判别③带记忆的方向判别假设有三相失压标志〔TV三相断线〕或推断为反方向则进入振荡闭锁模块ZDBS，I先用粗算推断故障点是否在出口四周，假设是则直接进入选跳XT再用精算推断故障点是否在出口外的I段区内，假设是则进入选跳XTII、III假设为多相故障，则进入相间距离IItII去跳闸模块；假设不在IIIII〔IIIIIIIIZDBS。假设为单相故障，则进入接地距离〔与相间距离类似〕⑥跳闸出口及后加速模块选跳：假设重合闸不允许单相跳闸，则直接进入三跳模块ST选择为单相故障则进入单跳模块。单跳模块：只跳相应的单相〔允许重合〕三跳模块：跳开三相〔允许重合〕永