微机继电保护课件.ppt
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,NorthChinaElectricPowerUniversity,电力工程系,DepartmentofElectricalEngineering,华北电力大学,微机继电保护原理,微机继电保护原理,华北电力大学电气工程学院河北保定张举,目录,第一章概述第一节微机继电保护的发展历史及研究现状第二节微机继电保护装置的特点和硬件组成第二章微机保护的数据采集系统第一节数据采集系统的作用与要求第二节模拟信号的预处理第三节采样定理第四节采用逐次逼近原理A/D芯片构成的数据采集系统第五节采用积分型A/D芯片构成的数据采集系统第三章微机保护装置的硬件电路原理第一节概述第二节管理微机系统的硬件电路原理第三节保护微机系统的硬件电路原理第四节微机保护装置的出口与信号电路,目录,第四章微机保护中数字滤波器的设计第一节概述第二节数字滤波器的实现和分析方法第三节简单滤波器及其级联的分析方法第四节用零、极点配置法设计数字滤波器的方法第五章微机保护的算法第一节微机保护的算法概述第二节基于正弦信号的算法第三节基于信号为周期函数模型的算法第四节微机保护中的阻抗算法第五节微机保护中的比相算法第六节微机保护中的滤序算法第七节微机保护中的复数求模值方法,目录,第六章输电线路的微机保护第一节输电线路的纵联保护第二节采用闭锁信号的高频保护第三节采允许锁信号的高频第四节高频方向保护中的方向元件第五节输电线路距离保护第六节故障类型判别与故障选相原理第七节微机保护中的工频变化量阻抗元件第十节微机保护装置中振荡与故障的识别方法,目录,第七章微机发电机变压器组保护第二节微机型发电机差动保护第三节发电机定子绕组单相接地保护第四节发电机的失磁保护第五节微机型变压器差动保护第八章微机保护的抗干扰设计第一节概述第二节干扰和干扰源第三节微机保护装置中的硬件抗干扰措施第四节微机保护装置中的软件抗干扰措施,第一章概述第一节微机继电保护的发展历史及研究现状,英国剑桥大学的P.G.Mclaran及其同事就提出用计算机构成电力系统继电保护的设想，并发表了SamplingTechniquesappliedtoderivationLetter的文章。
澳大利亚新南威尔士大学的I.F.Morrison预测了输电线路计算机控制的前景。
美国西屋公司的G.D.Rockefeller发表年了利用数字计算机实现的故障保护的文章。
1965年：
1967年：
1969年：
国际电子电气工程师学会教育委员会组织了一次世界性的计算机继电保护研究班，对70年代以来的计算机保护的研究成果进行了总结和交流。
到80年代中期计算机保护在电力系统中获得广泛应用。
美国西屋公司与GE公司合作研制成功一套输电线路的计算机保护装置。
日本投入了一套以微处理机为硬件的控制与继电保护装置，全部代替了原有保护，大大减少了控制室的占地面积，并于1980年发表了试运行的结果。
1977年：
1972年：
1979年：
1984年4月，华北电力大学研究的以MC6809CPU构成的MDP1型微机线路保护装置。
这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置。
并在河北某电厂投入试运行。
我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为三个阶段,以单CPU的8位微处理器构成的微机保护装置,其主要特点为：
1采用8位微处理器MC6909CPU构成硬件系统。
2数据、地址、控制总线须引出插件外部。
3数据采集系统采用逐次逼近式A/D芯片构成。
4存储器的容量较小。
5保护的程序和定值都存在EPROM中，定值的修改十分不便。
6仅有软件时钟，当直流电源消失后，时钟停止运行，直流电源恢复后须重新校时。
无接受GPS的接口。
7不具备数据远传功能。
8所有保护功能均由一个CPU处理，可靠性低。
9代表产品为WXB01型微机保护装置。
第一阶段：
第二个阶段：
以多个8位单片机组成的多微机系统。
其主要特点为：
1硬件为五个8位单片机组成的多微机系统。
2数据、地址、控制总线不引出插件。
3数据采集系统为VFC系统。
4保护装置的定值存在EEPROM中，定值修改十分方便。
5设有硬件时钟电路，装置直流电源消失后，依靠备用电池可使时钟继续运行。
6设计了与上位机通信的串行接口电路。
7具有液晶显示电路。
调试方便。
8保护功能分散在各CPU中，可靠性高。
9代表产品为WXB11微机保护装置。
其主要特点为：
1硬件是以16位单片机构成的多微机系统。
（80C196KB、M77）。
2以日本三菱公司的M77芯片构成的微机系统，可以做到总线不引出芯片。
3保护装置的硬件设计除了有硬件时钟外，装置还具备接受GPS全球定位系统的秒脉冲的接口。
4数据采集系统为VFC方式，最高转换频率为4MHZ。
（VFC110）,5时钟芯片和EEPROM芯片均为串行方式。
6具备较完善的通信网络，可应用于变电站综合自动化系统中。
7具有友好的人机接口界面。
第三阶段,以多个16位单片机组成的多微机系统。
8采用多层印刷电路板和表贴技术，增强了抗干扰能力。
9保护装置具备录波功能。
其代表产品为CSL系列微机保护装置和LFP-900系列微机保护装置。
二微机保护的现状,硬件方面：
1采用32位DSP数字信号处理器或嵌入式系统构成的多微机系统。
2大屏幕液晶彩色显示，可显示汉字和图形。
3多层印刷电路板，表贴技术、后插拔方式。
软件方面：
1支持高级语言编程。
人机界面采用WINGDONS系统,2自适应保护，智能体应用于保护中。
3人工神经网络在保护中的应用研究。
4模糊识别在继电保护中的应用研究。
5小波分析方法在继电保护中的应用研究。
第二节微机继电保护装置的特点及硬件组成,一微机保护装置的特点,微机保护与常规保护相比具有以下特点：
微机保护可以实现智能化。
微机保护可实现在线自检。
微机保护可提供附加功能。
微机保护具有调试维护方便。
微机保护具有完善的网络通信功能。
微机保护便于采用一些新原理。
微机保护的硬件可标准化。
微机保护便于与数字传感器或光CT、光PT接口。
二微机保护装置的硬件构成框图,二次电流电压,DAS数据采集系统,保护微机系统由单片机构成的微机系统。
实现各种保护功能，根据保护对象的不同，保护功能可分布于16个插件中。
管理微机系统由单片机构成的微机系统。
主要功能是实现人机对话。
例如，命令的输入，执行结果的输出显示或打印。
开关量输入输入到微机保护装置中的开关量。
在逻辑上仅有两种状态，1或0。
一般是保护装置的投退压板，重合闸方式开关的接点位置等。
开关量输出由微机保护的接口电路驱动继电器的部分。
一般经光电隔离电路与继电器部分连接。
按键一般为触摸按键，数量为516个不等。
GPS接受全球定位系统秒脉冲的接口。
开入电源开关量输入部分的独立逆变稳压电源，24伏。
电源装置的电源。
为输入220V，输出为多个电压的逆变稳压电源。
输出一般为5V、+12V（+15V）、-12V（-15V）、24V。
第一节数据采集系统的作用与要求,第二章微机保护的数据采集系统,一数据采集系统的作用,将电流互感器二次、电压互感器二次的模拟信号转换为数字信号。
逐次逼近原理的A/D芯片构成的数据采集系统。
采用VFC芯片构成的积分式数据采集系统。
二数据采集系统的设计要求,1模拟量。
包括模拟量的数量，模拟量的性质，模拟量的动态范围。
2数据采集系统的数据传送方式选择,程序查询方式,中断方式,DMA方式,程序查询方式的流程图,采样中断程序,A/D转换完成中断程序,
（2）采样频率的选择与保护原理和采用的算法有关,（3）采样频率还与模拟量的数量，数据传送方式有关。
4数据采集系统的精度,对于A/D式数据采集系统，精度与A/D芯片的位数有关。
对VFC芯片构成的系统，精度与VFC的最高转换频率和保护中的算法有关。
3采样频率的选择,
（1）采样频率的选择必须满足采样定理。
一电压、电流变换器,将CT、PT二次信号变换为适合A/D芯片量程的信号。
起隔离的作用。
有利于防止干扰从二次回路侵入微机系统。
在变换器的原、副边可加一屏蔽层。
有利于抗干扰。
二模拟低通滤波器,为了降低采样频率，满足采样定理，在采样之前先用一个模拟低,通滤波器将频率高于采样频率一半的信号滤掉。
第二节模拟信号的预处理,图23A/D式数据采集系统的框图,逐次逼近A/D芯片构成的典型数据采集系统，,三采样保持电路,A1,A2,R,As,输出,A3,模拟输入,逻辑输入,逻辑参考,Ch,图26采样保持电路原理图,四多个模拟通道的采样方式,1等间隔采样和不等间隔采样方式,2跟踪采样和定位采样,3多模拟通道的采样方式,多通道同时采样方式,顺序采样方式,分组顺序采样方式,第一组第二组,五多路转换开关,第四节采样定理,一门函数的傅立叶变换,（a）门函数（b）门函数的频谱,1,周期门函数阵列经过傅立叶变换,图211门函数序列及其频谱,二冲激函数的傅立叶变换,图212冲激函数及其频谱,1,1,将冲激函数变换到频域后它是一个连续频谱，对各频率成分的输出均为1。
对该冲激序列进行傅立叶变换可得：
图213冲激序列及其频谱,三矩形脉冲采样和冲激采样,当用矩形脉冲对原始信号进行采样时,当用冲激序列对原始信号进行采样时,四采样后信号的频谱分析,用矩形脉冲采样时，可对式（217）两边取傅立叶变换,可见，,是,的反复，反复周期为,即将原始信号的频谱按,的间隔重复。
其幅度被,调制。
当用冲激单位序列采样时，可对式（218）两边取傅立叶变换。
可见，经冲激序列采样后的信号的频谱,也是,反复周期为,即将原始信号的频谱按,的间隔重复。
各频谱函数的幅度均相等。
的反复。
通过对以上两种采样后信号的频谱分析可知，连续信号经采样后，其频谱总是按采样频率,无限重复。
当原始信号的最高频率为,时，如果采样频率,则采样后信号的频谱便不会发生混叠，否则将发生频谱混叠。
第四节采用逐次逼近原理的A/D芯片构成的数据采集系统,一模数转换的一般原理,数字量输出,模拟输入,比较器,图216逐次逼近A/D转换原理图,四位A/D转换的逼近过程示意图,第一次设定数码：
1000URUOURUOURU0UR第四次设定数码：
11111101101110010111010100110001图217四位A/D转换的逼近过程示意图,数模转换的工作原理,USC,二模数转换芯片AD7874,图219AD7874内部逻辑电路图,其主要特点如下,1片内具有4路采样/保持放大器，可实现4通道同时采样；,2片内含有快速12位模数转换电路，每通道转换时间为8S,3输入电压范围为10V；,45V供电电源；,5片上参考电压,三利用AD7874芯片构成的数据采集系统,CON/,CS/,INT/,-5V,R1,C1C2,-VS,+VS,R2R3,+5V,第五节采用积分型A/D芯片构成的数据采集系统,一积分型AD转换原理,积分型AD又称为计数式AD。
设有一个计数器，输入计数器的脉冲信号的频率为f,计数的间隔为t，则在t时间内，加入计数器的脉冲数为N，则有：
其一是用待转换的电压V控制时间间隔t，使t正比与输入电压V，而记数脉冲频率不变。
在t时间间隔内，计得的脉冲数代表了输入电压的大小。
其二是用待转换的电压V控制计数脉冲的频率，使脉冲频率正比于输入电压，而记数的时间间隔不变。
则记数结果代表了输入电压的大小。
积分型AD转换原理有电压时间型（V-t型），电压频率型（V-F型）两种方案。
由上式可看出，在计数式模数转换系统中，可用两种方法实现。
二电荷平衡式V-F模数转换原理,+VS,t0,t0,T,T,t,t,设脉冲信号的周期为T，其中低脉冲的宽度为to,根据电荷平衡原理有如下关系：
因而：
可见，输出脉冲信号的频率与输入电压的瞬时值成正比。
三两种电荷平衡式VFC芯片简介,+VsCTCT-Vs,FoutDcom-Vin+Vin,Fout,1,8,+Vs,Dcom,2,-Vin,3,+Vin,4,7,CT,CT,-Vs,5,6,1AD654VFC芯片,其主要参数如下：
电源电压（Vs）：
双端5VV18V；,单端5V36V；,500KHZ；,模拟信号输入方式：
负端电流输入方式，,正或负端电压输入方式；,模拟电压信号输入范围：
单端供电方式时，0+Vs-4V；,双端供电方式时，-Vs+Vs-4V；,最大输入电流：
1mA；,输入阻抗：
250M；,输出方式及负载能力：
开路集电极输出，可驱动12个TTL负载；,输出频率与输入电压关系：
满刻度输出频率：
2VFC110芯片,+15V,5V,1,1211,10,8,7,680,RP,5,FOUT,50PF,6,3,413,25K,2,14,-15V,-,+,-,+,K,图226满刻度为4MHZ的VFC110的接线图,四由AD654VFC芯片构成的数据采集系统电路,Fout（KHZ）,Vin（V）,0,5,-5,-10,500,250,VFC芯片输入电压与输出频率关系,五由VFC110芯片构成的数据采集系统电路,六VFC110芯片的电压与输出频率的关系,第三章微机保护装置的硬件电路原理第一节概述,4U,19英寸,变换器插件,VFC插件,CPU1插件,CPU2插件,CPU3插件,CPU4插件,人机接口插件,开关量输入插件,跳闸插件,信号插件,逻辑插件,电源插件,第二节管理微机系统的硬件电路原理,由8031单片机构成的8位单片机扩展系统,D0D7,A0-A15,P0口,ALE,P2口,PSEN/,P3.6,P3.7,5V,CS1,CS2/,WE/,RD/,二按键电路,1乒乓式按键电路,2矩阵编码式按键电路,012,0,1,2,5V,5V,三并行打印机驱动电路,D1（3）,D0
（2）,D2（4）,D6（8）,D7（31）,打印机电源地（19-30）,打印机5V（18）,BUSY/RDY（11）,选通线
（1）,打印地,5V,5V,四管理插件与保护插件的内部通信电路,5V,5V,第三节保护微机系统的硬件电路原理,8253可编程计数器芯片构成的计数器电路,Va,Ia,Ib,Vb,Ic,3I0,Vc,（Vxl）3U0,A3/A2,CS1/,CS2/,CS3/,RD/,WE/,D0-D7,二定值存放电路,拨玛开关,MEN,5V,A0A6,J4,5V,表32,对应09区，四位拨码开关（M0、M1、M2、M3）的状态,串行EEPROM构成的定值存放电路：
5V,SCL,SDA,三开关量输出及开关量输入电路,1开关量输出电路,24V+,5V,7400,QDJ,24V-,CKJ1,CKJ2,5V,AXJ,24V-,7400,2开关量输入电路,并行口,开入电源24V,外部接点,开入电源,24V,外部接点,5V,5V,第四节微机保护装置的出口和信号电路,一微机保护装置的跳闸出口电路,1,16,8,9,电源地,2,3,4,15,14,13,5,6,7,12,11,10,WXB-11微机高压线路保护的跳闸出口电路,QDJ,三取二闭锁,GP、JL、LX,GP、JL、LX,GP、JL、LX,GP、JL、LX,GP、JL、LX,GP,JL,LX,GP,CKJAU2,CKJBU2,CKJCU2,CKJRU2,GJU2,GJ4U2,CKJA1,CKJB1,CKJC1,CKJR1,GJ1,GJ41,本地灯光信号,中央信号,+XM,BDXJ1,GI1,GJ41,CKJA2,CKJB2,CKJC2,CKJR2,BDXJ,GJ12,GJ22,GJ32,GJU1,FJ2,图317信号插件电路图,第四章微机保护中数字滤波器的设计第一节概述,数字滤波器的优点,1无物理器件，滤波器的性能稳定。
2数字滤波器不受环境因素的影响。
3数字滤波器具有高度的灵活性。
4数字滤波器不存在阻抗匹配的问题。
5数字滤波器可方便地做到分时复用。
Y（n）,X（t）,X（n）,数字滤波器的框图,第二节数字滤波器的实现和分析方法,一数字滤波器的冲激响应,设输入信号为冲激函数,，经过该系统后，其输出为,称为滤波器的冲激响应。
当输入为冲激信号时，滤波器的输出反映了滤波器的频率特性。
所以冲激响应是滤波器特性的充分描述。
一个任意时域函数,，我们可以将其表示为无穷多个冲激函数之和。
当输入信号为,时，该系统的输出为,。
则有：
对于一个时不变系统有：
所以有：
上式表明，只要我们知道了一个滤波器的冲激响应，就可以通过上式求出任意输入信号时滤波器的输出。
该式是一个卷积分，可表示为：
上式也说明了在时域中滤波器的实现方法。
即将输入信号与滤波器的冲激响应进行卷积分即可实现。
在微机保护中，计算机处理的是离散数字信号。
因此数字滤波器应在离散域中实现。
用,分别表示与,、,、,对应的离散数字信号：
则：
二数字滤波器的实现方法,在微机保护中实现数字滤波的方法。
可归纳为以下三步：
（1）确定数字滤波器的冲激响应,
（2）按采样频率将,（3）用滤波系数与信号的采样值进行卷积，求出滤波器的输出,离散化，形成滤波系数。
三数字滤波器的分析方法,H（Z）称为系统的传递函数。
令传递函数中的Z为：
幅频特性为：
相频特性为：
第三节简单滤波器及其级联的分析方法,一差分滤波器,差分滤波器的差分方程形式：
式中：
对上式作变换，得：
求得传递函数为,令：
幅频特性：
相频特性：
2,3,4,0,从而可求得滤波器能滤除的谐波次数为：
2,1,二加法滤波器,加法滤波器的差分方程形式：
式中：
对上式作变换，得：
求得传递函数为：
幅频特性：
相频特性：
滤波器能滤除的谐波次数为：
3,5,2,1,0,积分滤波器的差分方程为：
三积分滤波器,Z变换的形式为：
传递函数为：
滤波器的幅频特性：
滤波器的相频特性为：
滤波器能滤除的谐波次数为：
四加减滤波器：
该滤波器的特点是轮流进行加法与减法运算。
其差分方程为：
对应的变换形式为：
滤波器的传递函数为：
为奇数和,为偶数时，滤波器的特性有所不同。
当,为奇数时：
幅频特性：
相频特性：
当,时，滤波器的输出为零。
从而有：
其幅频特性和相频特性的形状与差分滤波器的形状类似。
当,为偶数时其幅频特性与相频特性的表达式：
幅频特性：
相频特性：
其幅频特性和相频特性的形状与加法滤波器的形状类似。
当,时，滤波器的输出为零,从而有：
五简单滤波器的级联,设采样频率为600HZ。
用差分滤波器、加法滤波器和积分滤波器进行级联。
差分滤波器、加法滤波器、积分滤波器的传递函数分别为：
差分滤波器,加法滤波器,积分滤波器,级联后滤波器的传递函数为：
滤波器对应的差分方程为：
级联后滤波器能够完全滤除直流、3、6、9、12次谐波分量。
其幅频特性为：
其相频特性为：
如果我们把级联后的滤波器作为一个整体，分析它的幅频特性。
可得：
滤波器的幅频特性,第四节用零、极点配置法设计数字滤波器的方法,一N阶线性时不变系统的差分方程和滤波器的零、极点,N阶线性时不变系统可用下面的常系数线性差分方程：
从而可得传递函数为：
该传递函数的分子和分母可以表示为以下连乘积的形式：
用,代入得：
Z平面上的单位圆,称为滤波器的零点；,称为滤波器的极点；,二用零、极点配置法设计非递归型数字滤波器,在传递函数的公式（446）中，令：
，则：
据此传递函数设计的数字滤波器称为非递归型数字滤波器。
将该传递函数表示为连乘积的形式：
为滤波器的零点，因该滤波器只有零点而没有极点，所以又称为全零点滤波器。
假定对,次谐波设置为零点，则滤波器的传递函数为：
设采样频率为600HZ，则,对直流分量、基波、二次谐波、直到11次谐波分别设置为零点，求出滤波器的传递函数如下。
滤除直流、十二次谐波分量：
滤除基波、十一次谐波分量：
滤除二、十次谐波分量：
滤除三、九次谐波分量：
滤除四、八次谐波分量：
滤除五、七次次谐波分量：
滤除六次谐波分量：
即有：
设采样频率为600HZ。
则：
用零、极点配置法设计两个数字滤波器。
一个要求保留基波分量，而将直流和其他各整次谐波都滤除。
另一各要求保留三次谐波，而将直流和基波、二次、五次谐波滤除。
保留基波分量的滤波器：
滤波器的差分方程：
滤波器的幅频特性：
基波滤波器的幅频特性,保留三次谐波的数字滤波器：
滤波器的差分方程：
滤波器的幅频特性：
滤波器对三次谐波的响应为：
三用零、极点配置法设计递归型数字滤波器,当式（446）的传递函数中，分母的系数,数字滤波器的当前最新输出不仅与历史上的输入有关，而且与历史上的输出有关。
因此，这种滤波器成为递归型数字滤波器。
递归型数字滤波器不仅有零点、而且有极点。
时，构成的,极点应设在单位圆内。
针对某次谐波设置一对极点为,则极点对应的传递函数为：
取,，对基波设置为极点，采样频率为600HZ，,。
则极点对应的传递函数为：
在直流、二次、三次谐波处设置零点，对应的传递函数为：
递归型滤波器的总传递函数为：
递归型数字滤波器所对应的差分方程为：
该滤波器的幅频特性：
当,时，对基波分量，,时，对基波分量，滤波器，,对极点频率的输出响应。
的大小直接影响到滤波器,滤波器的输出响应为5.22。
当,的输出响应为1.52。
可见,第五章微机保护的算法第一节微机保护的算法概述,算法是研究由若干个采样数据（已被量化）求取被测信号量值（包括有效值、相位、比值等）的方法。
算法所研究的主要问题有两点。
一是算法的计算精度。
二是算法所用的数据窗,第二节基于正弦信号的算法,一半周内取最大绝对值算法,二半周绝对值积分算法,图52半周绝对值积分算法示意图,设积分的结果为S，则：
从而可求出有效值：
在计算机中如何求积分呢？
我们可以用求面积的方法求出S值。
S1S2S3S4S5S6,U0,U1,U2,U3,U4,U5,U6,对于一个纯正弦信号，取绝对值后必有,。
所以，上式可写为：
即有,将S值代入式（54）中，得：
式中：
三一阶导数算法（Mann_Morrison算法）,设：
则有：
从而可得：
测量阻抗：
在计算机中如何求导数呢？
通常是用差分来代替求导数。
图54由采样值计算导数的示意图,t1时刻电压的导数为：
时刻的电压,由平均值求得：
五采样值积算法,设：
取,和,两采样值的乘积：
1两采样值积算法,取,和,两采样值乘积得：
于是有：
如果都用电压或电流信号的采样值，则=0，此时可得,由于T是预先选定的值，所以sinT是常数。
例如采样频率为600HZ，选定T=Ts，即t1和t2两个时刻仅相隔一个采样间隔，则sinT=0.5。
当选择T=T/4，,，则sinT=1，cosT=0，则有：
2三采样值积算法,第三节基于信号为周期函数的算法,一周期函数的傅立叶级数及各次谐波的关系,根据傅立叶级数的性质和三角函数的正交性，有,对于基波分量，取,，则可得：
将正弦基波信号表示为另一种形式：
，,基波信号的有效值和相角分别为：
二在微机保护中，用采样信号实现傅立叶算法,离散傅立叶变换的方法：
设,是与连续函数,对应的离散序列。
其离散傅立叶变换的定义为：
取一周期的采样数据进行离散傅立叶变换，则有,分别为经离散傅立叶变换后基波分量的虚部和实部。
即,由,即可求出基波分量的有效值和相角。
类似地，可得出求,次谐波的虚部和实部分量的公式为：
三全周波傅氏算法,当N=12时，上式为：
全周傅氏算法的另一种形式：
注意到表中，正弦函数、余弦函数离散化后的系数仅有三组值，即0.5、0.866、1。
因此，我们也可以用下式求出,。
四半周波傅氏算法,当N=12时，上式为：
五一阶差分后半周波傅氏算法,当N=12时，上式为：
第四节微机保护中的阻抗算法,一基于正弦信号的计算电阻和电抗的算法,设母线电压为U，流过保护的电流为I，当U、I均为正弦信号时，可表示如下,当采样频率为600HZ时，工频信号每个采样间隔所对应的电角度为30度。
因
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