电气智能化

4.5.wenku.baidu.com基本保护算法
窗口移动的有效值计算方法可以有效地 提高抗干扰能力。
这种算法用于瞬动保护，每次采样完成 后即可计算电流有效值，比传统算法有 更好实时性，又可避免用峰值电流判断 时可能因噪声干扰引起的误动。
第34页，共42页。
4.5.3基本保护算法
4.差动保护：根据流入和流出保护区各引线端电流和 来识别故障，有很高的反应速度和准确性。
电力传输线工作于强磁干扰环境，会有谐波干扰。 这些干扰引起的电网电压和电流波形的畸变不能 忽略，所以在确定被测信号截止频率时，要考虑 保持实际电压、电流的非正弦特性，否则会产生 测量误差。此外，非周期、非正弦的短路电流具 有更宽的信号频带，选择它们的截止频率时，需 要更严格的分析，以保证保护操作的正确性。
2）过载电流相对于额定电流的倍数越小，保护动 作的延时时间越长，即所谓反时限保护。
第23页，共42页。
4.5.3基本保护算法
智能电器监控器处理过载故障时，可以 有两种方法： 1)按实际电流有效值计算 2)累计热效应判断
第24页，共42页。
4.5.3基本保护算法
1)按实际电流有效值计算 步骤
① 从电流信号采样值求当前电流有 效值。
1
F T1
T 0
f 2(x)dx2
式中，T为函数f(x)的周期。同理，检测器根据采样 结果计算电压电流有效值的表达式分别为
第9页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
I
1
N
N
ik2
k 1
U
1
N
N
u
2 k
k 1
式中，N为每个电源周期的采样点数；ik和uk为电 压、电流在第k点的采样值。这两个式子就是复化 梯形求积公式。
在监控器的操作中，计算电流有效值总是一个电 源周期采样完后在下一个周期中进行，实际得到 的是上一个周期的有效值。所以，这样就造成了 操作响应时间的延迟。
解决办法：传统的措施是在电流峰值大于保护特性上 的瞬动电流峰值时，分断开关元件。该方法的特点是， 方法简单，响应快，但抗干扰性能差。
第33页，共42页。
第21页，共42页。
4.5.3基本保护算法
在高压和超高压电网中，处理短路电流 是依据短路时电流的基波有效值和额定 电流是否超过来设定阈值的。
所以监控器必须快速的从非正弦的短路 电流中提取基波分量。
第22页，共42页。
4.5.3基本保护算法 2.过载保护
特点：
1）供电线路或负载发生过载时，允许继续运行 一定的时间，才发出分断操作的指令。
法对应的表达式为：
PT 10 T(uAiA)dt0 T(uBiB)dt0 T(uCiC)dt PAPBPC
第14页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
两瓦法对应的表达式为：
PT 10T(uAB iA)dt0T(uCB iC)dt
P1P2
采用电流、电压采样值计算时，上面两个式子可 以变为
第7页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
智能电器对电量的测量是采样被测电压、 电流信号，根据采样结果实时计算并显 示被测量的当前值，包括监控和保护对 象的电压、电流有效值、有功和无功功 率及功率因数。
第8页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
1.电压、电流的有效值计算
电压、电流的有效值就是其方均根值，任意 周期函数f(x)的方均根公式为
原理：忽略内部损耗时，正常运行状态下流入和流出 保护对象的功率相等。根据这个特点来判断是否发生 故障。
第35页，共42页。
4.5.3基本保护算法
第36页，共42页。
4.5.4测量和保护计算的误差分析
智能电器对被监控保护对象的测量和保 护误差包括硬件误差和软件误差。第二 章已经介绍过硬件误差，本章介绍的是 软件误差。
0tDi2dtkIe2tD
K为对应于保护特性曲线上某点的电流过载倍数；tD为 动作时间；Ie为被保护对象的额定电流。上式对应的采 样离散化计算式为：
N
ik2 KIe2 tD
k1
第29页，共42页。
4.5.3基本保护算法
考虑到电流可能发生波动，在计算热量 累加值时，应当先判断当前周期的电流 有效值是否达到过载电流。如果是才进 行累加，如果不是，则不进行累加。下 图所示的是这种处理算法的流程图。
根据无功功率和功率因数定义，可得三 瓦法测量无功功率的计算公式
SA、SB、SC分别为A、B、C三相视在功率，由求得 的各相电压、电流有效求得。
第17页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
三相总视在功率为
S S A S B S C
按两瓦计法测量原理计算，三相总视在功率为 SUABIAUCBIC
S1S2
无功功率为
第18页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
功率因素的算法 有功功率P与视在功率S的比值，称为功 率因数cosφ 所以就可以根据上面的式子计算出功率 因数。
第19页，共42页。
4.5.3基本保护算法 智能电器被监控和保护对象及其运行现
场的电压等级不同，对故障的判断方法 和要求的保护功能不同。因此，需要采 用不同的算法实现故障的判断和保护。
② 求当前电流比额定电流的过载倍 数。
③ 根据保护特性取得延时时间，由 处理器件完成延时处理。
第25页，共42页。
4.5.3基本保护算法
存在问题： ① 根据电流有效值取得延时时间，处理 器件需要额外的软硬件开销。 ② 处理器的数据处理负担较重。 ③ 对负载波动的适应性较差。 ④ 无法保证处理瞬动操作的实时性。
一般来说，运行现场的电压、电流是与供电电网 同频率的周期函数（在不考虑各类干扰造成的畸变 时，应该是正弦波），短路故障电流却是一个非周 期函数。因此，处理器在处理上将有很大的区别。
第2页，共42页。
4.5.1.电压和电流参量信号的采样方法
对智能电器工作现场的电压和电流采样，有交流和直流 两种方法。早期的电力系统继电保护中基本采用直流采 样，而在以可编程数字处理器件为核心的智能电器监控 器中，都用交流采样。
第15页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
PN 1k N 1(uAkiAkuBkiBkuCkiCk) PAPBPC
P
N
1 (uABk Nk1
iAk
uCBk
iCk
)
1 N (u
N Ak k1
u )i
Bk
Ak
(u Ck
u )i
Bk
Ck
P1P2
第16页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
第41页，共42页。
4.6本章小结
本章从原理上讨论了几种常用的测量和 保护算法，分析了使用的处理算法和采 样方法引起的误差、处理过程的数据误 差等软件误差对测量精度的影响，并给 出了减小这些误差的基本措施。
第42页，共42页。
(2)交流采样采用大规模的集成电路，稳定性、可靠
性高，延长了校验的次数周期。
(3)交流采样的周期采样次数N提高，即可提高相 应的速度，减小系统误差。
交流采样实时性好、相位失真小、投资少、便于维 护，因此越来越受到人们的重视
第5页，共42页。
4.5.1.电压和电流参量信号的采样方法
从4.2.3节中已知，对模拟量信号采样必须满足采 样定理，而选择采样频率的关键是确定被测信号 的截止频率。
产生软件误差的原因有如下4个方面。
第37页，共42页。
4.5.4测量和保护计算的误差分析 1.方法误差（截断误差） 2.采样不同步误差 3.数据误差 4.舍入误差
第38页，共42页。
4.5.5常用提高计算结果精度的措施
1.减小截断误差的措施： 增加采样点数，可以有效地减小由复化
梯形求积算法引起的误差。（有缺点） 使用复化求积法中的复化辛普森公式，
第26页，共42页。
4.5.3基本保护算法
2)累计热效应判断
考虑实际热脱扣器的散热条件下，温 升τ（热效应）与通过热元件的电流平
方及通电时间的积累成正比。如下式所 示
式中，i为通过元件的电流瞬时值，t为通电时 间。
第27页，共42页。
4.5.3基本保护算法
第28页，共42页。
4.5.3基本保护算法
在同样的采样点数下，可以提高计算结 果的精度。
第39页，共42页。
4.5.5常用提高计算结果精度的措施
2.减小采样不同步误差的方法： (1)用锁相环倍频电路控制A/D转换器采
样 (2)电源频率的实时监测 (3)软件测频的同步采样控制
第40页，共42页。
4.5.5常用提高计算结果精度的措施
第4章被测模拟量的信号分析与处理45被测电参量的测量和保护算法只有电压电流信号能被监控器采样环节直接采样所以被测电压有效值电流有效值有功和无功功率及功率因数计量电能的测量显示和故障处理需要处理器件采用不同的数值计算方法对电压电流的采样结果进行处理
电气智能化
第1页，共42页。
4.5被测电参量的测量和保护算法
(5)直流采样误差较大。变送器本身功率较大，使作为测
量信一号源的TV/TA输出精度下降;变送器的电路中 采用的非线性元件如铁心、整流二极管等都引起误 差。 (7)直流采样需要很多变送器，硬件数量多，接线繁 琐，占用平面多
第4页，共42页。
4.5.1.电压和电流参量信号的采样方法
交流采样的特点：
(1)对A/D转换器转换速率和采样保持器要求较高。 一个交流周期内采样点数为12、16、20、24点等， 32点用于分析高次谐波。
第10页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
复化梯形求积公式法是根据采样结果直接计算周期 函数有效值，而且与函数波形无关，得到的结果是 函数的真有效值。在中、低压电网中，由于受到各 种大功率非线性负载影响，实际电压、电流往往不 是正弦；另一方面，在低压电网中处理故障，都是 在故障电流的真有效值与额定电流之比超过设定阈 值时进行，监控器采用这种方法计算可以快速得到 结果。
第12页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
公式如下
I I12 In2
U U12 Un2
式中，In和Un分别为被测电流和电压第n次谐波的有效值 ，n最大值由测量精度确定。
第13页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
2.有功功率、无功功率与功率因素计算 电网中有功功率的测量有三瓦法和两瓦法。三瓦
3.减小短路电流非周期分量引起的保护误差。
在电网发生短路故障时，电流波形中含有非周期分量。 而且非周期分量会对傅里叶滤波的效果有很大的影响， 采用一般傅里叶滤波算法实现短路保护时，会造成智能 电器的误动作。
所以在智能电器中，减小这种误差的最简单最有 效的方法是对采样点的数据先进性查分处理，在 做傅里叶滤波运算。
第30页，共42页。
4.5.3基本保护算法
第31页，共42页。
4.5.3基本保护算法 3.瞬动保护
定义：当供电线路和某些用电负载中的电流超过其 负载保护特性上的最大电流值时，要求一次开关电 器立即分开，切断故障。保护特性上相应的电流值 就是瞬动电流阈值。
第32页，共42页。
4.5.3基本保护算法
第11页，共42页。
4.5.2常用的电量测量算法
在高压和超高压电网中，处理短路电流 的依据是短路时电流的基波有效值和额 定电流是否超过设定阈值。因此总要对 电流、电压的采样结果进行傅里叶分析 和离散傅里叶分析，以便计算电流基波 和各次谐波有效值。在这种情况下，也 可以根据已经得到的基波和各次谐波有 效值直接求得电流、电压的有效值。
第3页，共42页。
4.5.1.电压和电流参量信号的采样方法
直流采样的特点：
(1)直流采样对A/D转换器的转换速率要求不高。 (2)直流采样程序简单，采样后只需乘以相应的标度 系数便可得到电压电流的有效值或功率值。 (3)直流采样的变送器经过了整流、滤波等环节，抗 干扰能力较强。 (4)直流采样输入回路采用R-C滤波电路，相应时间 较长，使采样的实时性较差。
第20页，共42页。
4.5.3基本保护算法
1.短路保护
短路是供电线路的严重故障之一。出现短路时，线路中 的电流异常增大，而且因为线路的分布电感、电容等 参数影响，使故障出现的瞬态电流中含有衰减的非周 期分量和高次谐波，造成波形严重畸变。一旦发生短 路，智能电器的一次开关元件必须在规定的时间内分 段，故障段，避免造成大面积停电事故。
第6页，共42页。
4.5.1.电压和电流参量信号的采样方法
在中低压等级的智能电器监控单元中， 六次以上的谐波不影响电参量的测量精 度，因此截止频率一般定为6倍的基波频 率，大多数使用600Hz采样频率，也就是 每个电源周期采样12点。
在高压智能监控单元中，中央处理器多 采用DSP，每个电源周期采样32点和64 点。