微机保护算法

第八章微机保护

第一节微机保护系统简介

一、微机保护的应用和发展概况

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。

二、微机保护的基本构成

数据采集系统

CPU主系统

硬件开关量输出

输入系统

外围设备等

微机保护的基本构成

初始化模块

数据采集管理模块

软件故障检出模块

故障计算模块

自检模块等

三、微机保护的特点

微机保护主要优点有以下几个方面。

1．易于获得附加功能

2．微机保护具有灵活性

3．微机保护具有高可靠性

微机保护可以对其硬件和软件进行连续的自检，有很强的综合分析和判断能力。

它能自动检测出硬件故障的同时发出报警信号并闭锁其跳闸出口回路。同时软件也具有自检功能，可以对输入的数据进行校错和纠错，即自动地识别和排除干扰。

总之，作为一个系统而言，微机保护的可靠性比传统保护高。

第二节微机保护的硬件框图简介

一、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换器上取得信息，但这些互感器的二次数值、输入范围对典型的微机电路却不适用，故需要降低和变换。在微机保护中通常要求输入信号为±5V或±10V的电压信号，具体决定于所用的模数转换器。电压变换常采用小型中间变压器。

电流变换有两种方式，一种是采用小型中间变流器，其二次侧并电阻以取得所需电压的方式，另一种是采用电抗变压器。这些中间变换器还起到屏蔽和隔离的作用，以提高保护的可靠性。

二、采样保持电路与模拟低通滤波器

1．采样保持器（S/H）

采样就是将连续变化的模拟量通过采样器加以离散化。其过程如右图所示。

2．模拟低通滤波器（ALF）

按照奈奎斯特（Nyquist）采样定理：“如果被采样信号频率（或信号中要保留的最高次谐波频率）为ƒ0，则采样频率ƒs（每秒钟采样次数）必须大于2ƒ0，否则，由采样值就不可能拟合还原成原来的曲线。”

对微机保护系统来说，在故障初瞬，电压、电流中可能含有相当高的频率分量，在采样前用一个低通模拟滤波器(ALF)将高频分量滤掉，这样就可以降低ƒs ，以防混叠。

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CPU输入数据，CPU必须要来得及在两个相邻采样间隔时间T s内处理完对每一组采样值所必须作的各种操作和运算，否则CPU将跟不上实时节拍而无法工作。而采样频率过低将不能真实地反映被采样信号的情况。

三、多路转换开关(MUX)

多路转换开关又称多路转换器。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，但微机所得到的仍可认为是同一时刻的信息，这样按保护算法由微机计算得出正确结果。

四、模数转换器(A/D)

模数转换器A/D是数据采集系统的核心，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机进行处理、存储、控制和显示。

逐位比较（逐位逼近）型

积分型以及计数型

A/D转换器主要有并行比较型电压频率（即V/F）型等

就微机保护而言，选择A/D 转换芯片时主要考虑两个指标：一是转换时间，二是数字输出的位数。

对于转换时间，由于各通道共用一个A/D ，至少要求所有的通道轮流转换所需的时间总和小于采样间隔Ts 。

微机保护对A/D 转换芯片的位数要求较苛刻，因为保护在工作时输入电压和电流的动态范围很大。

第三节 微 机 保 护 的 算 法

一、数字滤波

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

)()()(k n x n x n y --= (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)

)1)(()(k z z x z y --=

k

z z X z Y z H --==1)()

()( （8—2）

将 S

T j e

z ω=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)

2sin

2sin )cos 1()(22S

S S T j T k T k T k e H S ωωωω=+-= （8—3）

（8—4）

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=m ω1=m ·2

ƒ1，应使 )(S

T j e

H ω=0。令

0sin

21=s

f kmf π

则有

ππ

l f kmf s

=1 )3,2,1,0(⋅⋅⋅⋅⋅⋅=l