电力系统数字式继电保护基础讲解

电力系统数字式继电保护基础讲解1第9章数字式继电保护基础9.1数字式继电概述9.2数字式继电保护的硬件构成原理9.3数字式继电保护的特征量算法

.

9.4数字式继电保护装置的软件构成2第1节数字式继电概述•

微机保护是指将微型机、微控制器等器件作为核心部件构成的继电保护。•20世纪60年代末期已提出用计算机构成保护装置的倡议。国内在微机保护方面的研究工作起步较晚，但进展却很快。1984年上半年，华北电力学院研制的第一套以6809(CPU)为基础的距离保护样机投入试运行。•1984年底在华中工学院召开了我国第一次计算机继电保护学术会议，这标志着我国计算机保护的开发开始进入了重要的发展阶段。经过10多年的研究、应用、推广与实践，现在新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。3微机继电保护装置特点.1.调试维护方便.在微机保护应用之前，整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，原因是这类保护装置都是布线逻辑的，保护的功能完全依赖硬件来实现。微机保护则不同，除了硬件外，各种复杂的功能均由相应的软件来实现。.2.高可靠性.微机保护可对其硬件和软件连续自检，有极强的综合分析和判断能力。它能够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动；同时，软件也具有自检功能，对输入的数据进行校错和纠错，即自动地识别和排除干扰，因此可靠性很高。4微机继电保护装置特点.3.易于获得附加功能.常规保护装置的功能单一，仅限于保护功能，而微机保护装置除了提供常规保护功能外，还可以提供一些附加功能。例如，保护动作时间和各部分的动作顺序记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等。对于线路保护，还可以提供故障点的位置，这将有助于运行部门对事故的分析和处理。.4.灵活性.由于微机保护的特性主要由软件决定，因此替换改变软件就可以改变保护的特性和功能，且软件可实现自适应性，依靠运行状态自动改变整定值和特性，从而可灵活地适应电力系统运行方式的变化。5微机继电保护装置特点.5.改善保护性能.由于微型机的应用，可以采用一些新原理，解决一些常规保护难以解决的问题。例如，利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障，对接地距离保护的允许过渡电阻的能力，大型变压器差动保护如何识别励磁涌流和内部故障，采用自适应原理改善保护的性能等。.6.简便化、网络化.微机保护装置本身消耗功率低，降低了对电流、电压互感器的要求，而正在研究的数字式电流、电压互感器更易于实现与微机保护的接口。同时，微机保护具有完善的网络通信能力，可适应无人或少人值守的自动化变电站。6第2节数字式继电保护的硬件构成原理•微机保护的硬件组成•1.

数据采集系统：数据采集系统包括电压形成、模拟滤波(ALF)、采样保持(S/H)、多路转换(MPX)以及模拟转换(A/D)等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为微型机所需的数字量。•2.

微型机主系统：系统包括微处理器、只读存储器或闪存内存单元、随机存取存储器、定时器、并行接口以及串行

接口等。微型机执行存放在只读存储器中的程序，将数据

采集系统输入至RAM

区的原始数据进行分析处理，完成各种继电保护的功能。•3.

开关量(或数字量)输入/输出系统：由微型机若干个并行接口适配器、光电隔离器件及有接点的中间继电器等组

成，以完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接点输

入及人机对话、通信等功能。7数据采集系统.1.电压形成回路.微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其他变压器上取得信息，但这些互感器

的二次数值、输入范围对典型的微机保护电路却不适用，需要降低和变换。.在微机保护中，通常根据模数转换器输入范围的要求，将输入信号变换为±5V

或±10V范围内的电压信号。因此，一般采用中间变换器来实现以上的变换。.交流电压信号可以采用小型中间变压器；而将交流电流信号变换为成比例的电压信号，可以采用电抗变换器或电流变换器。9数据采集系统•2.采样保持电路和模拟低通滤波器•1)采样基本原理：采样保持(S/H)电路，其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模/数转换器进行转换的期间内保持其输出不变。TC称为采样脉冲宽度，TS称为采样间隔(或称采样周期)。等间

隔的采样脉冲由微型机控制内部

的定时器产生，“采样脉冲”，用于对“信号”进行定时采样，从而

得到反映输入信号在采样时刻的

信息，并在随后一定时间内保持

采样信号处于不变的状态。10数据采集系统•2)采样频率的选择•采样间隔TS

的倒数称为采样频率fS

。采样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关键问题，为此要综合考虑很多因素，并要从中作出权衡。•采样频率越高，要求CPU的运行速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样频率不断地向微型机输入数据，微型机必须要来得及在两个相邻采样间隔时间TS

内处理完对每一组采样值所必须做的各种操作和运算，否则CPU跟不上实时节拍而无法工作。相反，采样频率过低，将不能真实地反映采样信号的情况。•由采样(香农)定理可以证明，如果被采样信号中所含最高频率成分的频率为fmax

，则采样频率fS必须大于fmax的2倍(即fS

＞2fmax)，否则将造成频率混叠。11数据采集系统•3)模拟低通滤波器的应用•对微机保护来说，在故障初瞬，电压、电流中含有相当高的频率分量，为防止混叠，fS将不得不用得很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上，目前大多数的微机保护原理都是反映工频量的，在这种情况下，可以在采样前用一个低通模拟滤波器(LPF)将

高频分量滤掉，这样就可以降低fS

，从而降低对硬件

提出的要求。•

采用低通滤波器消除频率混叠问题后，采样频率的选择在很大程度上取决于保护的原理和算法的要求，同时还要考虑硬件的速度问题。12数据采集系统•3.

多路转换开关•

多路转换开关又称多路转换器，它是将多个采样保持后的信号逐一与A/D芯片接通的控制电路。它一般有多个输入端，一个输出端和几个控制信号端。•

在实际的数据采集系统中，被模数转换的模拟量可能是几路或十几路，利用多路开关(MUX)轮流切换各被测量与A/D

转换电路的通路，达到分时转换的目的。•

在微机保护中，各个通道的模拟电压是在同一瞬间采样并保持记忆的，在保持期间各路被采样的模拟电压依次取出并进行模数转换，这样按保护算法由微机计算得出正确结果。13数据采集系统•4.模数转换器(A/D转换器，或简称ADC)•

模数变换的基本原理简单地说是用一个微小的标准单位电压来度量一个无限精度的待测量的电压值，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单位电压分为多少份)。•显然，选定的标准单位电压越小，A/D变换的分辨率越

高，得到的数字量就越能精确地刻划瞬时采样值；•但无论多小，总会有误差，该误差称为量化误差。A/D

的分辨率越高，量化误差越小。14数据采集系统•A/D转换器的主要技术指标是分辨率、精度和速度•(1)分辨率是反映A/D对输入电压信号微小变化的区分能力。•(2)A/D转换器的精度是指A/D变换的结果与实际输入的接近程度，也就是准确度。•(3)A/D转换器的速度通常用完成一次A/D转换的时间来表示。目前数字保护装置中常用的A/D转换器的变换时延为数微妙。15CPU主系统•微机保护的CPU

主系统包括中央处理器(CPU)、只读存储器EPROM、电擦除可编程只读存储器E2PROM、

随机存取存储器RAM、定时器等。•CPU主要执行控制及运算功能。•EPROM主要存储编写好的程序，包括监控、继电保护功能程序等。•E2PROM可存放保护定值，保护定值的设定或修改可通过面板上的小键盘来实现。•RAM

是采样数据及运算过程中数据的暂存器。•定时器用来记数、产生采样脉冲和实时钟等。•而CPU主系统中的小键盘、液晶显示器和打印机等常用设备用于实现人机对话。16开关量输入输出电路•1.开关量输出电路•在微机保护装置中设有开关量输出(DO，简称开出)电路，

用于驱动各种继电器。开关量输出电路主要包括保护的跳

闸出口、本地和中央信号及通信接口、打印机接口，一般

都采用并行接口的输出口来控制有接点继电器的方法，但

为提高抗干扰能力，最好经过一级光电隔离。•2.开关量输入电路•微机保护装置中一般应设置几路开关量输入电路。开关量输入(DI，简称开入)主要用于识别运行方式、运行条件等，以便控制程序的流程。所谓开关量输入电路主要是将外部一些开关接点引入微机保护的电路，通常这些外部接点不能直接引入微机保护装置，而必须经过光电隔离芯片引入。17第3节微机保护的特征量算法.在微机保护中滤波是一个必要的环节，它用于滤去各种不必要的谐波，前面提到的模拟低通滤波器的作用主要是滤掉fs/2以上的高频分量，以防止混叠现象产生，而数字滤波器的用途是滤去各种特定次数的谐波，特别是接近工频的谐波。.数字滤波器不同于模拟滤波器，它不是纯硬件构成的滤波器，而是由软件编程去实现，改变算法或某些系数即可改变滤波性能。18微机保护的特征量算法.数字滤波器与模拟滤波器相比，有如下优点：.(1)数字滤波器不需增加硬设备，所以系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。.(2)使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。.(3)数字滤波器是靠软件来实现的，没有物理器件，所以不存在特性差异。.(4)数字滤波器不存在由于元件老化及温度变化对滤波性能的影响。.(5)精度高。19正弦信号幅值的直接算法•1.半周绝对值积分算法•

半周绝对值积分算法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(即正比于信号的有效值)。

•从而可求出幅值•

半周绝对值积分可用梯形法近似求得20正弦信号幅值的直接算法.半周绝对值积分法有一定的滤除高频分量的能力，因为叠加在基频成分上的幅度不大的高频分量，在积分

中其对称的正负部分相互抵消，剩余的未被抵消的部分占的比重减小了，但它不能抑制直流分量。.这种算法适用于要求不高的电流、电压保护，因为它运算量极小，可用非常简单的硬件实现。另外，它所需要的数据仅为半个周期，即数据长度为10ms。21采样值积算法.采样值积算法是利用采样值的乘积来计算电流、电压、阻抗幅值等参数的方法。特点是计算的判定时间较短。.1)两采样值积算法.设ΔT—两采样值的时间间隔ΔT=t2−t122两采样值积算法23•若用同一电压或电流信号的采样值相乘，则θ=0，此时可得

•由于ΔT、sinωΔT、cosωΔT是常数，只要送入时间

间隔ΔT的两次采样值，便可算出Um

24•下式乘以cos

ωΔT后与上式相减，得两采样值积算法•综合以上各式得三采样值积算法.三采样值积算法是利用三个连续的等时间间隔Δ

T

的采样值中两两相乘，通过适当组合消去ωtk项求出信

号幅值和其他电气参数的方法。设25经过适当组合便可消去ωt1项，得三采样值积算法26.三采样值积算法的数据窗是二倍的采样周期，从精度角度看，若输入信号波形是纯正弦的，则这种算法没有误差，因为该算法的基础是考虑了采样值在正弦信号中的实际值。三采样值积算法同样可求得R和X的值27傅里叶算法.正弦函数模型算法只是对理想情况的电流和电压波形进行了粗略的计算，而故障时的电流和电压波形畸变较大，通常假设包含各种分量的周期函数。.在微机保护装置中，针对这种模型，提出了傅里叶算法。傅里叶算法是一个被广泛应用的算法，它本身具有滤波作用。.设被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，可表示.an

、bn分别为直流、基波和各次谐波分量的正弦项和余弦项系数；ω0为基波角频率；n为谐波次数。为28.也可将正弦基波信号表示为另一种形式，即.由此可得.因此，可根据a1、b1，求出基波分量的有效值和相角29傅里叶算法.对于基波分量，取n=1，则可得

傅里叶算法.在用微机处理时，取一周期的采样数据进行离散傅里叶变换，得.N为工频每周采样点数；XC1、XS1为经过离散傅里叶变换后基波分量的虚部和实部。.可求出基波分量的有效值和相角。.类似地，可得n

次谐波的虚部和实部分量的公式为30傅里叶算法•1.全周波傅里叶算法•

全周波傅里叶算法是用连续一个周期的采样值求出信号幅值的方法。•

是一个离散数字序列，当采样频率确定后可事先离线计算。N=12时，基波正弦和余弦的系数为•31•为了求出正确的故障参数，x(0)…x(11)都必须是故障后的采样值。因此，全周波傅里叶算法所需的数据窗为一个周波，即必须在故障后20ms数据齐全的前提下，方可采用全周波傅里叶算法。为了加快保护动作速度，可以采用半周波傅里叶算法。傅里叶算法•

在微机保护中，利用全周波傅里叶算法求有效值可以按上面介绍的公式计算。有32与信号频率无关的算法.前面介绍的基于正弦信号和周期函数模型的算法都与信号的频率直接有关。当频率发生变化时，计算结果会发生变化，产生较大的误差。下面介绍两种与频率无关的算法。.1.与频率无关的三采样值积算法.设有相邻的连续三点的采样值33与信号频率无关的算法.由之前的分析可知.整理可得.代入上两式.计算结果与频率ω无关。但是由于推导该式时基于连续三个正弦信号的采样值，所以对直流分量计算结果不正确。34与信号频率无关的算法•2.与频率无关的全周积分算法•

对于一个正弦信号，在任意半周内绝对值积分值为常数。在一周期的积分则为•

从而可得有效值为•

在微机保护中，面积S用梯形法求得。在一周期内得面积为

•

该算法与信号频率无关。但与一周期内的采样点数N有关。当采样间隔固定不变，而频率发生变化时N会变化。35.上式是用A、B

、C三相电压k时刻的采样值相加求出k时刻零序电压值。这种方法得到的零序电压通常称为自产零序电压，以区别于由电压互感器开口三角经数

据采集通道得到的零序电压。.用A、B、C

三相电流k

时刻的采样值相加求出k

时刻零序电流值。这一方法在微机保护的采样中断服务程序中用于进行数据检查。零序分量算法.零序分量的算法通常是由以下两式得到，即36负序分量的算法.负序分量的算法有两种：一种是用对称分量法中负序分量的定义计算出负序分量；另一种是利用傅氏算法的结果求

负序分量。.1)用对称分量法中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

.当采样频率为600Hz时，相邻两个采样点的角度为30°，这样即可求出各采样点对应的负序电压值。因此，上式可

写为

37.第一种方法是先滤出负序分量的瞬时值，第二种方法求出的负序分量不是瞬时值，而是实部、虚部分量，求有效值时需作开方运算。负序分量的算法.2)利用傅氏算法求负序分量.负序电压的实部和虚部分量分别为38复数求模值方法.在微机保护中，傅里叶算法是一个被广泛应用的方法。在应用傅氏算法时总是分别求出某次谐波分量的实部bn和虚部an

，然后用下式求幅值。.由于开方运算的计算量很大，尤其是用汇编语言编程时更为复杂。因此常用复数求模值的近似方法。设39复数求模值方法•经过计算，可以得到K与r

的关系近似为线性关系•取K＝0.4285，则•当r=1时，相对误差：ε=0.01。•取K＝0.0075+0.414r，则•当r=1时，相对误差：ε=0.005。40解微分方程算法.解微分方程算法是目前在距离保护中应用最多的一种方法。故障点到安装处的线路段可用一电阻和电感串联电路来表示，即将输电线路等效为RL串联模型。这样，在短路时，下列方程成立.u(t)、i(t)和di(t)/dt都是可以测量和计算的，R1和L1是待求解的未知数，求解方法有差分法和积分法两类。41解微分方程算法•1.差分法•

在两个不同的时刻t1和t2分别测量电流电压，可得到两个独立的方程

•联立解以上两式，即可求得两个未知数R1和L1，即•在用计算机处理时，可用差分来近似计算电流的导数，最简单的方法是取t1和t2分别为两个相邻的采样瞬间的中间值，近似有42•T0为积分时间长度，t1和t2则为两个不同的积分起始时

刻，以上两积分式中•其余各项积分在用计算机处理时可用梯形法近似求得。联立解方程即可求得两个未知数R1和L1。解微分方程算法•2.

积分法•

分段积分法分别在两个不同的时间段内积分，从而得到两个独立的方程43第4节数字式继电保护装置的软件构成.微机保护的软件分为接口软件和保护软件两大部分。.1.接口软件.接口软件是指人机接口部分的软件，其程序分为监控程序和运行程序。监控程序主要是键盘命令处理程序，是为接口插件及各CPU

保护插件进行调节和整定而设置的程序。运行程序由主程序和定时中断服务程序构成。.主程序的任务是完成巡检、键盘扫描和处理及故障信息的排列和打印；定时中断服务程序包括软件时钟程序，以硬件时钟控制并同步各CPU插件的软时钟，和检测各CPU

插件启动元件是否动作的检测启动程序。44数字式继电保护装置的软件构成•2.保护软件•

保护软件为主程序和两个中断服务程序。主程序包括初始化和自检循环模块、保护逻辑判断模块及跳闸处理模块。中断服务程序有定时采样中断服务程序和串行口通信中断服务程序。•3.中断服务程序•绝大多数的工程计算机的应用软件都采用了中断技术，继电保护系统是一种对时间要求很高的实时系统，一方面要求实时地采集各种输入信号，随时跟踪系统运行工况；另一方面，在电力系统短路时，应快速判别短路的位置或区域，尽快切除短路故障。45数字式继电保护装置的软件构成•

保护要对外来事件做出及时反应，就要求保护中断自己正在执行的程序，而转去执行服务于外来事件的操作任务和程序；另外，系统的各种操作的优先等级是不同的，高一级的优先操作应先得到处理，而将低一级的操作任务中断。•对保护装置而言，电力系统状态是保护最关心的外部事件，必须每时每刻掌握保护对象的系统状态，这就要求保护定时采样系统状态，常采用定时器中断方式，每经过1.66ms

中断原程序的运行，转去执行采样

计算的服务程序。•

采样结束后，通过存储器中的特定存储单元将采样计算结果送给原程序，然后再去执行被中断了的程序，这就是定时采样中断服务程序。46数字式继电保护装置的软件构成•4.程序流程的基本结构•

各种不同功能、不同原理的微机保护，主要的区别体现在软件上，因此，将算法与程序结合，并合理安排程序结构就能够实现不同保护功能。不论是什么原理和功能的保护，微机保护装置的硬件原理基本相同。•

微机保护的程序结构与微型机的运行速度、功能的构成等诸多因素有较大关系，可以有多种多样的实现方案。在微机保护中，定时中断通常是最主要的中断方式。以其为例，下面介绍三种典型的流程结构。•

在每次执行定时中断服务程序的过程中，可能会因运行条件的不一样，引起执行的时间有长有短，但是，必须保证最长的定时中断服务程序所执行的时间一定要小于采样间隔时间TS

，并留有一定的时间裕度。47•1)

顺序结构•如图所示的一次中断服务流程中，将功能1，2，…，N完全按顺序执行一遍。•这种结构的特点是流程较清晰，N

个功能的地位完全相同，