微机保护算法

2.模拟量输入（AI）接口部件 继电保护的基本输入电量是模拟性质的电信号。一次 系统的模拟电量可分为交流量、直流量以及各种非电量。 它们经过各种互感器转变为二次电信号，再由引线端子进 入微机保护装臵。这些由互感器输入的模拟电信号还要正 确地变换成离散化的数字量。
典型的交流AI接口按信号流程主要包括以下各部分： 输入变换及电压形成回路、前臵模拟低通滤波器（ALF）、 采样保持（S/H）电路、模数变换（A/D）电路。
第八章 微机保护
第一节 微机保护系统简介 第二节 微机保护装臵的硬件系统 第三节 微机保护的算法 第四节 微机保护装臵的软件构成 第五节 提高微机保护可靠性的措施
基本要求
1．了解微机保护的发展、基本构成、特点。 2．掌握微机保护的基本组成。 3．掌握微机保护的常用算法。
第一节
微机保护系统简介
一、微机保护的应用和发展概况
6．外部通信接口（CI）部件 外部通信接口简称为CI（Communication Interface）， 其作用是提供与计算机通信网络以及远程通信网的信息通道。 CI可分为两大类：一类CI实现特殊保护功能的专用通信接口， 另一类CI为通用计算机网络接口，可与电站计算机局域网以 及电力系统远程通信网相连。
近四十年来，计算机技术发展很快，其应用广泛而深 入地影响着科学技术、生产和生活等各个领域。有关计算 机保护的研究及开发就是电力系统计算机在线应用的重要 组成部分。 我国在这方面的起步相对较晚，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。 进入90年代，我国已陆续推出了不少成型的微机保护产 品。
u 1i 2 u 2 i1 U m I m sin sin Ts
(8-27)
在式(8-26)中，如用同一电压的采样值相乘，或用同一 电流的采样值相乘，则 ＝0，此时可得
注意，当l=0时，必然有m=0，使式(8-5)为零，所以无论ƒs、 k取何值，直流分量总能滤除。另外，m0的整数倍的谐波都 将被滤除。 分滤波器的幅频特性曲线如图8-7所示。
若令k=ƒs/ƒ1，差分滤波将消去基波（以及直流和所有整数次 谐波），在稳态情况下，该滤波器无输出。在发生故障后的 一个基波周期内，只输出故障分量，所以可用来实现起动元 件、选相元件及其它利用故障分量原理构成的保护。
y( z) x( z)(1 z k ) （8-2）
S 将 代入式(8-2)中，即得差分滤波器的幅 频特性和相频特性分别为式(8-3)及式(8-4)
z e jT
kTS (8-3) H (e ) (1 cos kTS ) sin kTS 2 sin 2 sin kTs kTs Ts arctg arctg tg 1 cos ksTs 2 kTs
N——一周期T内的采样点数; u0——k＝0时的采样值; u
N/2
——k＝N/2时的采样值。
求出积分值S后，应用式(8-6)可求得幅值。
2.导数算法 导数算法是利用正弦函数的导数为余弦函数这一特点求 出采样值的幅值和相位的一种算法。 设
u U m sint
u U m cost
则
i 2 I m sint
jTS 2 2
arctg tg ( 2
) 1 2 fkTs （8-4） 2 2
式中 2f , f 为输入信号频率； TS 为采样周期， S＝1/ƒs， T ƒs为采样频率，通常要求ƒs为基波频率ƒ1的整数倍，即ƒs=Nƒ1， N为每工频周期的采样点数目。
根据式(8-8)，我们也可推导出
(8-9)
(8-10) (8-11)
ui ui U m cos R 2 ii i Im
u i u i U m X sin L 2 ii i I m
(8-12)
(8-13)
式(8-9)~式(8-13)中，u、i对应tk 时为uk 、ik，均为已知数， 而对应tk-1和tk+1的u、i为u k-1、u k+1、i k-1、i k+1，也为已知 数，此时 uk 1 uk 1 u (8-14) k 2Ts ik 1 ik 1 ik （8-15） 2Ts 1 u uk uk uk 1 1 ( k 1 uk ) ( uk 1 2 uk uk 1 )（8-16） 2 Ts Ts Ts (Ts )
1 u1 i1 u2 i 2 U m I m [2 cos 2 cos Ts cos( 2t k Ts （8-24） )] 2
式(8-22)和(8-23)相加，得 1 u1 i 2 u2 i1 U m I m [2 cos Ts cos 2 cos( 2t k Ts )] （8-25） 2
微机保护的发展：
1．高速数据处理芯片的应用 2．微机保护的网络化 3．保护、控制、测量、信号、数据通信一体化 4．继电保护的智能化 5．自适应继电保护 6．暂态保护
二、微机保护装臵的特点
1．维护调试方便 2．可靠性高 3．易于获得附加功能 4．灵活性大 5．良好的性价比
第二节
微机保护装臵的硬件系统
（8-20） （8-21）
1 u1 i 2 U m I m [cos( Ts ) cos( 2t k Ts )] （8-22） 2 1 u2 i1 U m I m [cos( Ts ) cos( 2t k Ts )] （8-23） 2
式(8-20)和式(8-21)相加，得
3．两采样值积算法 两采样值积算法是利用2个采样值以推算出正弦曲线波 形，即用采样值的乘积来计算电流、电压、阻抗的幅值和相 角等电气参数的方法，属于正弦曲线拟合法。
这种算法的特点是计算的判定时间较短。
设有正弦电压、电流波形在任意二个连续采样时刻tk、 tk+1（＝tk＋ ）进行采样，并设被采样电流滞后电压的相 位角为Ts ，则tk和tk＋1时刻的采样值分别表示为式(8-18)和 θ 式(8-19)。
（8-19）
式中，TS为两采样值的时间间隔，即TS＝tk+1－ tk 。
由式(8-18)和式(8-19)，取两采样值乘积，则有
1 u1 i1 U m I m [cos cos( 2t k )] 2 1 u2 i 2 U m I m [cos cos( 2t k 2Ts )] 2
由式(8-3)可知，设需滤除谐波次数为 m，差分步长为 k(k 次 采样)，则此时ω=mω1=m·ƒ1，应使=0。令 2
kmf1 2 sin 0 fs fs N 则有 m l l lm0 ；(8-5) kf 1 K
当N（即ƒs和ƒ1）取值已定时，采用不同的l和k值，便可滤除m 次谐波。
4.开关量输出（DO）接口部件 微机保护装臵通过开关量输出的“0”或“1”状态来控制 执行回路（如告警信号或跳闸回路继电器触点的“通”或 “断”），因此开关量输出接口简称为DO（Digital Output） 接口。DO接口的作用是为正确地发出开关量操作命令提供输 出通道，并在微机保护装臵内外部之间实现电气隔离，以保 证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰。
i k i ik 1 1 ik 1 ik 1 ( k ) ( i k 1 2 i k i k 1 ) （8-17） 2 Ts Ts Ts (Ts )
导数算法最大的优点是它的“数据窗”即算法所需要 的相邻采样数据是三个，即计算速度快。导数算法的缺点 是当采样频率较低时，计算误差较大。
5.人机对话接口（MMI）部件 人机对话接口称为MMI（Man-Machine Interface）,其 作用是建立起微机保护装臵与使用者之间的信息联系，以便 对保护装臵进行人工操作、调试和得到反馈信息。继电保护 装臵的操作主要包括整定值和控制命令的输入等；而反馈信 息主要包括被保护的一次设备是否发生动作以及保护装臵本 身是否运行正常等。微机保护装臵采用智能化人机界面使人 机信息交换功能大为丰富、操作更为方便。
第三节
一、数字滤波
微机保护的算法
在微机保护中滤波也是一个必要的环节，它用于滤去 各种不需要的谐波，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，它不是一种纯硬件构 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，即滤波器的幅频特性和相频特性。
在微机保护中广泛使用的简单的数字滤波器，是一类用 加减运算构成的线性滤波单元。 差分滤波
它们的基本形式
加法滤波
积分滤波等
以差分滤波为例做简单介绍。
差分滤波器输出信号的差分方程形式为
y(n) x(n) x(n k ) (8-1)
式中，x(n)、y(n)分别是滤波器在采样时刻n(或n)的输入与 输出；x(n-k)是n时刻以前第k个采样时刻的输入，k≥1。 对式(8-1)进行Ｚ变换，可得传递函数H(z)
二、正弦函数模型算法
1．半周积分算法 半周积分算法的依据是
S U m sintdt
T 2 0
Um

cos t
T 2 0
2

Um
T

U m (8-6)
即正弦函数半周积分与其幅值成正比。
式(8-6)的积分可以用梯形法则近似求出： N 21 1 1 S [ u0 uk uN / 2 ]Ts 2 2 k 1 式中 uk——第K次采样值;
3.开关量输入（DI）接口部件 这里开关量泛指那些反映“是”或“非”两种状态的逻 辑变量，如断路器的“合闸”或“分闸”状态、开关或继电 器触点的“通”或“断”状态、控制信号的“有”或“无” 状态等。继电保护装臵常常需要确知相关开关量的状态才能 正确动作，外部设备一般通过其辅助继电器触点的“闭合”
与“断开”来提供开关量状态信号。
微机保护硬件示意框图如下图所示。
1.数字核心部件 微机保护装臵的数字核心部件实质上是一台特别 设计的专用微型计算机，一般由中央处理器（CPU）、存储 器、定时器/计数器及控制电路等部分构成，并通过数据总 线、地址总线、控制总线连成一个系统，实现数据交换和 操作控制。CPU主要有以下几种类型： （1）单片微处理器 （2）通用微处理器 （3）数字式信号处理器（DSP）
（ i 1 I m sin(t k ) 18） u2 U m sint k 1 U m sin ( t k Ts )
u1 wenku.baidu.com U m sint k
8-
i 2 I m sin(t k 1 ) I m sin[ ( t k Ts ) ]
i I m cost u 2Um sint
(8-8)
很容易得出 u 2 2 u ( ) U 2 m或 u )2 ( u 2 )2 U m 2 （ ' i 2 i 2 i" 2 2 2 i 2 ( ) I m 或（ ) ( 2 ) I m 2 2 2 2 U m u u 2 和 z 2 2 2 Im i i2
将 式 (8-25) 乘 以 cosωTS 再 与 式 (8-24) 相 减 ， 可 消 去 ωtk项，得
u1 i 1 u2 i 2 ( u1 i 2 u2 i1 ) cos Ts U m I m cos sin2 Ts
(8-26)
同理，由式(8-22)与式(8-23)相减消去ωtk项， 得