页数：51页文件大小：351.9 KB来源： 电力系统继电保护原理ppt课件
本课件讲解数字式继电保护基础，先回顾我国微机保护的发展历程与六大特点，随后介绍数据采集系统的电压形成、采样保持、模拟低通滤波、多路转换与模数转换环节以及 CPU 主系统、开关量输入输出电路，接着系统讲解数字滤波、半周积分、采样值积、傅里叶、解微分方程等特征量算法，最后说明微机保护软件的构成与定时采样中断服务程序、三种典型流程结构。
第9章 数字式继电保护基础
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，国内研究工作起步较晚但进展很快。
微机继电保护装置特点：
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：
图示微机保护硬件由数据采集系统、微型机主系统和开关量输入/输出系统组成的整体结构。
说明：本页源文件主要为硬件框图，文字版给出图示说明，具体结构请对照原课件图片。
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。
通常根据模数转换器输入范围的要求，将输入信号变换为 ±5 V 或 ±10 V 范围内的电压信号，一般采用中间变换器实现：交流电压信号可采用小型中间变压器，将交流电流信号变换为成比例的电压信号可采用电抗变换器或电流变换器。
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）电路的作用是在极短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（采样周期），等间隔的采样脉冲由微型机内部定时器产生，用于对信号进行定时采样，并在随后一定时间内保持采样信号不变。
2）采样频率的选择：采样间隔 TS 的倒数称为采样频率 fS，其选择是微机保护硬件设计中的关键问题，需要综合考虑并作出权衡。
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要求。但实际上目前大多数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。
3. 多路转换开关：又称多路转换器，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，一般有多个输入端、一个输出端和几个控制信号端。
在实际数据采集系统中，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可得出正确结果。
4. 模数转换器（A/D 转换器，简称 ADC）：模数变换的基本原理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电压值，从而得到它所对应的有限精度数字值（即待测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。
A/D 转换器的主要技术指标是分辨率、精度和速度：
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：
开关量输入输出电路：
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，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，而是由软件编程实现，改变算法或某些系数即可改变滤波性能。
数字滤波器与模拟滤波器相比有如下优点：
正弦信号幅值的直接算法——1. 半周绝对值积分算法：依据是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。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
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 为两采样值的时间间隔。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
图示两采样值积算法中两次采样值与信号幅值、相位之间的关系。
说明：本页源文件主要为公式与相量图，文字版给出图示说明，具体推导请对照原课件图片。
综合各关系式可得：下式乘以 cosωΔT 后与上式相减，得到幅值表达式；若用同一电压或电流信号的采样值相乘则 θ = 0，此时可得幅值。由于 ΔT、sinωΔT、cosωΔT 是常数，只要送入时间间隔为 ΔT 的两次采样值，便可算出 Um。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
三采样值积算法是利用三个连续的等时间间隔 ΔT 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。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
三采样值积算法经过适当组合便可消去 ωt1 项，得到信号幅值表达式。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
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。同样可求得 R 和 X 的值。
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计算，而故障时的电流和电压波形畸变较大，通常假设为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，它是一个被广泛应用的算法，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，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。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
对于基波分量取 n = 1，可得基波的正弦、余弦项系数；也可将正弦基波信号表示为另一种形式，由此可根据 a1、b1 求出基波分量的有效值和相角。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
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：N 为工频每周采样点数，XC1、XS1 为变换后基波分量的虚部和实部，据此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公式。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
1. 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，其中的正弦和余弦系数是离散数字序列，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确定值。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
在微机保护中利用全周波傅里叶算法求有效值可按上述公式计算。为求出正确的故障参数，全部采样值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 20 ms 数据齐全的前提下方可采用；为了加快保护动作速度，可以采用半周波傅里叶算法。
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频率直接有关，当频率发生变化时计算结果会变化并产生较大误差。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：设相邻连续三点的采样值，由之前的分析整理代入可得计算结果与频率 ω 无关；但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。
由之前的分析可知各采样值之间的关系，整理可得中间量，代入上两式后计算结果与频率 ω 无关；但由于推导基于连续三个正弦信号的采样值，对直流分量计算结果不正确。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
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确定值，从而可得有效值。在微机保护中面积 S 用梯形法求得，在一周期内得面积后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。
零序分量的算法通常由三相电压、电流采样值相加得到：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，这一方法在采样中断服务程序中用于数据检查。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
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：将定义式变换后，当采样频率为 600 Hz 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。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
2）利用傅氏算法求负序分量：负序电压的实部和虚部分量可由三相基波分量求得。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，求有效值时需要作开方运算。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
复数求模值方法：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。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
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 时，当 r = 1 相对误差 ε = 0.01；取 K = 0.0075 + 0.414r 时，当 r = 1 相对误差 ε = 0.005。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
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表示，即将输电线路等效为 R-L 串联模型，这样在短路时有确定的方程成立。其中 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。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
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，联立解此两式即可求得两个未知数 R1 和 L1。在用计算机处理时可用差分近似计算电流的导数，最简单的方法是取 t1 和 t2 分别为两个相邻采样瞬间的中间值。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
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，T0 为积分时间长度，t1 和 t2 为两个不同的积分起始时刻；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 R1 和 L1。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材算法给出文字表述。
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：指人机接口部分的软件，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 插件软时钟的程序，以及检测各 CPU 插件启动元件是否动作的检测启动程序。
2. 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：绝大多数工程计算机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位置或区域、尽快切除短路故障。
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；另外系统各种操作的优先等级不同，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 1.66 ms 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。
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实现不同保护功能；不论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运行速度、功能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。在每次执行定时中断服务程序的过程中，可能因运行条件不同引起执行时间有长有短，但必须保证最长的定时中断服务程序执行时间小于采样间隔时间 TS 并留有一定裕度。
1）顺序结构：在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，不突出任何一个功能，要求 N 个功能的执行时间之和小于中断服务程序被允许执行的时间（如采样间隔）。
当微型机运行速度较快，尤其是结合 DSP 技术后，完全可以采用顺序结构的方法来实现继电保护的功能。
2）切换结构：采用分时切换的方法，每一次的中断流程只执行 1，2，…，N 功能模块中的一个功能。这种结构中 N 个功能的地位完全相同，每个功能模块在 N 次采样间隔中只执行一次，要求 N 个功能中最长一个的执行时间小于采样间隔，这种方法的采样间隔时间小于顺序结构的采样间隔。
P 为按模 N 进行加法的计数器，每次中断流程中均进行一次 P+1 计数，当 P 计数到 N 时归 0，这样 P 就相当于分时切换开关，控制着每次中断流程的走向，保证每个功能都能顺序执行到。
3）混合结构：介于顺序结构和切换结构之间，突出了功能 1 的实时执行，而功能 2，…，N 的（N−1）个功能采用分时切换执行的办法。要求 2，…，N 功能中最长执行时间加上功能 1 的执行时间应小于采样间隔；由于 2，…，N 中只有（N−1）个功能，所以 P 按模（N−1）进行计数。
如果假设 1，2，…，N 个功能的最长执行时间分别为 t1，t2，…，tN，时间裕度为 tY，那么仅就中断流程的执行时间来说，具体的采样间隔时间应满足相应的要求。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材要求给出文字表述。
思考题：
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