微机保护原理123

数据采集系统（或称为模拟量输入系统）：完成将模拟输入量准确地转换为微型机能够识别的数字量。 微型机主系统：执行编制好的程序，对数据采集系统输入至RAM 区的原始数据进行分析、处理，完成各种继电保护的测量、逻辑和控制功能。

开关量（或数字量）输入/输出系统：完成保护的出口跳闸、信号、外部触点输入、人机对话及通信等功能。

：可靠性较高，存储运行程序和一些固定不变的数据。 可以在运行过程中在线改写，而且掉电后又可以保证内容不丢失，通常用来保存整定值。

FLASH （快擦写存储器）和NVRAM （非易失性随机存储器）：近年来发展起来的非易失性存储器，由于它们具有掉电后数据不丢失，而且读写简单方便等优势，通常用来保存故障数据，以便事故后分析。 电抗变换器：具有阻止直流、放大高频分量的作用；线性范围较大，铁芯不易饱和，有移相作用。 电流变换器：只要铁芯不饱和，则二次电流及并联电阻上的二次电压的波形可基本保持与一次电流波形相同，不会移相。在非周期分量的作用下易饱和，线性度差，动态范围也较小。 采样方式的选择:单一通道的采样方式（1）定时采样:1等间隔采样：采样周期为常数。优点：Ts 控制方式简单。缺点：基频偏离工频时，给算法带来误差。（2）按电气角度等间隔采样：异步采样 1跟踪采样：Ts 不再恒定，fs 随f1的变化而变化，保持fs ／f1＝N 。2定位采样：不但保持fs ／f1＝N ，而且采样点总位于基波中事先确定的固定位置上。定位依靠过零点。 多通道的采样方式:多通道采样就是在每一个TS 内对多个通道的量全部采样。按对各通道采样的相互关系可分为：1同时采样:依次AD 转换2顺序采样：适合于采样及AD 转换速度高，且同时性要求不高的场合。3分组同时采样：会带来额外延时，但能大幅度减少计算量和简化软件结构。

模数转换器（ADC 或A/D转换器）1精度：对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。2转换时间：按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间。 3量程：A ／D 转换器能转换模拟信号的电压范围。 二分搜索法：是一种最快的逼近方法，n 位转换器只要比较n 次即可，比较次数与输入模拟量大小无关。 转换时间：影响着模数转换的最高采样频率。一方面：Ts>n(t AD t R )+t Y 另一方面：采样间隔时间还应考虑中断服务程序的执行时间。 数字输出的位数：决定了量化误差的大小。

频率与输入电压成正比，经快速光电耦合隔离后，由计数器对脉冲进行计数。微型机在采样间隔时间内读取的计数值就与输入模拟量在采样间隔时间内的积分成正比，达到模数转换的目的 光电耦合器：把发光器和光敏器件按适当的方式组合，可实现以光信号为媒介的电信号变换。 作用：1传递模拟信号；2具备继电器的控制功能；3能较好地解决不同逻辑电平之间的信号传递和控制。 开关量输入回路：DI （Digital Input，开入）主要用于识别运行方式、运行条件等，以便控制程序的流程。如：重合闸方式、收讯状态和定值区号等。

DI 可以分为：1装在装置面板上的接点。这类接点主要是指用于人机对话的键盘以及部分切换装置工作方式用的转换开关等。2从装置外部经过端子排引入装置的接点。如：需要由运行人员不打开装置外盖而在运行中切换的各种压板、转换开关以及其它保护装置和操作继电器的接点等。 开关量输出回路：DO （Digital Output，开出）主要包括保护的跳闸出口、本地和中央信号以及通信接口、打印机接口等。

口继电器要满足以下几个条件才动作：1告警继电器K1不动；2启动继电器K2动作；3出口继电器线圈所在回路的光电耦合器导通；4在出口继电器线圈上施加动作值以上的工作电压，且持续到继电器接点闭合。 数字运算主要包括数字滤波、基本特征量计算（如：幅值、相位、阻抗、功率等）和保护动作方程的运算三项内容。

‡ ‡ 超高压长距离输电线路的特点：1常常装设串联补偿电容以缩短输电线路的电气距离，串补电容可以加在线路中间，也可加在线路两端。2为了减少电晕损耗，线路一般采用分裂导线，使线路分布电容大大增加。3为了防止过电压和发电机的自励磁，长距离输电线路往往要装设并联电抗器。 滤波器：对输入信号进行某种加工处理，以达到取得信号中的有用信息而去掉无用成分的目的。 作用：1可提高输入信号的信噪比。2可作浪涌电压保护，防止浪涌电压进入通道。 模拟滤波器：1无源滤波器（R 、L 、C 构成）2有源滤波器（运算放大器等构成）

数字滤波器的优点：1特性一致好；2不存在由于温度变化、元件老化等因素对滤波器特性影响的问题；3不存在阻抗匹配的问题；4灵活性好；5精度高；6可以抑制数据采集系统引入的种噪声（如：ADC 整量化噪声；电压形成回路中各中间变换器的励磁电流造成的波形失真等）。 数字滤波器的实质：对采样后的离散化序列进行一定的数学计算, 得到一组新的离散化序列, 达到滤波的效果。1设计数字滤波器的过程就是如何设计出具体的计算公式。2数字滤波器也存在过渡过程。3数字滤波器的滤波效果可以通过分析h(t)的幅频特性得到。4经滤波后原信号的幅值、相位发生了变化。 时间窗：一个数字滤波器运算时所用到的最早一个采样值到最晚一个采样值之间的时间跨度。 数据窗：一个数字滤波器运算时所用到的最早一个采样值到最晚一个采样值之间的数据个数。 滤波器的时延：是输入信号发生跃变时刻起到滤波器获得稳态输出之间的时间。反应了滤波器本身的过渡过程。 计算量：用乘除法次数来表示。

减小计算量的措施1系数尽可能取整数或2的整数次方，可便于用移位和加减法来代替乘法；2相同系数尽可能多，这样提出公因子后，先作加减后作乘法以减少乘法次数；3将系数近似为几个2的整数次方之和，再用移位和加减法代替乘法。

数字滤波器设计考虑因素1按照具体的保护指标和对象的特征，选择合适的输入信号数学模型，这是设计数字滤波的第一步。2保护原理和系统信号的一些其它特点也应考虑。如：距离保护（只用到输入信号中的基波）、变压器励磁涌流制动保护（二次谐波）、发电机定子接地保护（三次谐波）。 数字滤波器的设计：1按照任务的要求，确定滤波器的性能要求。2用一个因果稳定的离散线性移不变系统的系统函数去逼近该性能要求。3利用有限精度算法来实现这个系统函数（包括：选择运算结构、选择合适的字长、有效数字的处理方法等）。4实际的技术实现。 差分滤波单元的特点：1直流分量总能滤除；2 m0的整数倍的谐波都将被滤除。

相加滤波单元的特点：1不可能滤去直流分量；2 m0给定后, 满足下式的所有m 次谐波均被滤除。M=m0（1+2I）

积分滤波单元的特点：1不可能滤去直流分量；2 m0给定后, 满足下式的所有m 次谐波均被滤除。 M=m0I

简单滤波单元的特点：1梳妆频谱，在频谱特性上出现一些较大的旁瓣。2对其它整次谐波和所有非整次谐波的滤波效果较差（频率泄漏）。3当系统频率发生波动时，会出现较大的误差。4除直流外，时延反比于m 。5有限冲激响应。只有零点无极点，故无稳定性问题。

零、极点对系统频率特性的影响：1当极di 点处在单位圆上时，在di 所在点的频率响应将出现无穷大，相当于在该频率处出现无耗谐振。2当极点越出单位圆时，系统将处于不稳定状态。3当零点处在单位圆时，频率响应为0。4零点可越出单位圆以外。 算法：微机保护根据ADC 提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法。 按算法的目标可分为直接模仿模拟型继电保护的实现方法。

衡量算法优劣的标准：1算法的精度和算法的速度。速度又包括两个方面：算法所要求的采样点数（数据窗长度）；算法的运算工作量。2算法的运算速度和算法的精度之间是相互矛盾的。3研究算法的实质是如何在速度和精度两方面进行权衡。4进行算法研究需要和数字滤波器综合考虑。

继电保护和监控对算法的不同要求：1监控系统需要计算机得到的是反映正常运行状态的有功功率、无功功率、电压、电流等物理量，进而计算出功率因数、有功电能量和无功电能量。而保护系统更关心的是反映故障特征的量，所以保护装置中除了会计算电压、电流、功率因数等以外，有时还要求计算反映信号特征的其它一些量，如频谱、突变量、负序或零序分量、谐波分量等。2监控系统在算法的准确度上要求更高一些，要求计算出的结果尽可能准确；而保护装置更看重算法的速度和灵敏性，必须在故障后尽快反应，以便快速切除故障。3监控系统算法主要针对稳态时的信号，而保护算法主要针对故障时的信号。相对于前者，后者含有更严重 的直流分量及衰减的谐波分量等。信号的性质不同必然要求从算法上区别对待。

故障分量的概念：1当电力系统发生故障时，在某一段时间内（如20ms ，时间的长短取决于系统是否发生振荡以及振荡的程度），可假设系统为线性电路。在这一假设前提下，故障状态网络应用叠加原理可分解为非故障状态网络和故障附加状态网络。2凡是故障附加状态网络中的量都是故障分量。3根据电工原理，故障附加状态网络本质上是一零状态响应电路。故障附加状态网络的外施激励为故障点的电压源（短路故障）或电流源（断线故障），该外施激励表现为 阶跃函数3突变量、工频变化量、正序故障分量、负序故障分量、零序故障分量、暂态故障分量等。 故障分量的分类1按性质划分稳态故障分量, 包括工频变化量和二次、三次和五次谐波分量等. 暂态故障分量，包括行波、电弧暂态和衰减的直流分量电流等。2按照频率划分低频故障分量，包括衰减直流分量电流、工频变化量和谐波分量。高频故障分量，包括行波和电弧暂态中的高频分量。

故障分量的特点：1故障分量仅在故障后存在，非故障状态下不存在故障分量。2故障点的故障分量电压最大，系统中性点的故障分量电压为0。3保护安装处的故障分量电压、电流间相位关系由保护安装处到背侧系统中性点间的阻抗决定，且不受系统电动势和短路点过渡电阻的影响。4故障分量独立于非故障状态，但仍受非故障状态运行方式的影响。

启动元件的作用：1闭锁作用。在高压输电线路保护中，闭锁作用由装置的总启动元件或各保护启动元件组合来实现。2进入故障程序作用。

对启动元件的要求：1能反应各种类型的短路故障，即使是三相同时性短路故障，启动元件也应可靠反应。2在保护范围内短路故障时，即使故障点存在过渡电阻，启动元件也应有足够的灵敏度，动作可靠、快速，在故障切除后尽快返回。3被保护元件通过最大负荷电流时，启动元件应可靠不动作；系统振荡时启动元件不反应。4为能发挥起动元件的闭锁作用，构成启动元件的数据采集系统、CPU 等部分最好完全独立。 启动元件中的突变量：1相电流差突变量2相电流突变量3综合电流突变量 故障分量的方向元件包括负序、零序方向元件和工频变化量方向元件两类，它们分别比较各分量电压电流的相位。

反应故障分量方向元件的测量相角固定为180º或0º，在最灵敏角下跃变，能非常明确地判断方向。具有以下几个特点：1）不受负荷状态的影响。2）不受故障点过渡电阻的影响。3）故障分量的电压、电流间的相角由线路背后的系统阻抗决定，方向性明确。4）可消除电压死区。

选相元件：1选相跳闸。2在阻抗继电器（元件）中作到仅投入故障特征最明显的阻抗测量元件。3传统保护：选相继电器。4微机保护：故障类型、故障相别的判别程序。 选相元件只担负选相任务，不担负测量故障点距离和故障方向的任务。

对选相元件的要求为：1在保护区内发生任何类型的短路故障，均能判别故障相别，或判别出是单相故障还是多相故障。2单相接地故障时，非故障选相元件可靠不动作。3正常运行时，选相元件应该不动作。4动作速度要快。

选相元件有：1相电流选相元件：仅适用于电源侧，且灵敏度较低，容易受负荷电流的影响和系统运行方式的影响。2相电压选相元件：仅适用于短路容量特别小的线路一侧以及单电源线路的受电侧，应用场合受到限制。3阻抗选相元件：容易受接地故障的过渡电阻和负荷电流的影响。 故障判别程序1计算电流的突变量幅值（①，②，③）；2比较①、②、③，并对它们排序（大、中、小）；3计算“大－中”、“中－小”；4若“大－中”＞“中－小”，则为单相接地故障，“大”对应故障相；若“大－中”＜“中－小”，则为两相故障，“小”为非故障相（利用是否有零序判断是否是接地故障）；若“大－中”≈“中－小”，则为三相短路故障。 如何判断是单相接地故障还是两相接地故障？1若BC 相间距离测量元件落在三段范围内，则判为BC 两相接地故障；2若BC 相间距离测量元件落在三段范围外，则判为A 相接地故障。3若在三段范围外发生BC 两相接地故障，则可能判为A 相接地故障，但不影响保护正确工作。 不需要滤波器滤除非周期分量，但需要滤除高频分量。2不受电网频率的影响。3与导数法比较。R-L 模型算法只需求电流的导数，而导数法还要求电压的导数。由于电感远大于电阻，所以电压中的高频分量通常远大于电流中的高频分量。4当这种算法和低通滤波器配合使用时，受信号中噪声的影响比较大。 方向阻抗继电器的优点具有方向性，只在正向区内故障时动作，反方向短路时不动作。 方向阻抗继电器的缺点在正方向或反方向出口处发生短路时，有可能出现正方向出口短路时拒动或反方向出口时误动的情况。 测量电压的作用：作为判断工作电压相位的参考（参考电压或极化电压）。 参考电压的选择相位不随故障位置变化，在出口短路时不为0的电压量作为比相的参考电压。 非故障相阻抗特性的影响分析－单相接地短路（A 相）1当C0=C1 时， ，按相补偿效果最好；2在弱馈情况下，弱馈侧有 C1=0，则 ，此时C0/C1趋于无穷大 ，mB=mC约等于11接线方式与原接线方式一样。

非故障相阻抗特性的影响分析－两相接地短路（BC 相）1当C0=C1 时，mA=0 ，按相补偿效果最好；2在弱馈情况下，弱馈侧有 C1=0，则 C0/C1趋于无穷大，此时mA=1 ，接线方式与原接线方式一样。3当 C0/C1=0时，表明保护安装处没有零序电流，接线方式与原接线方式一样。

过渡电阻的影响1单侧电源线路，短路点的过渡电阻使距离保护的测量阻抗增大，使保护范围缩短。2双侧电源线路，短路点的过渡电阻可能使距离保护的测量阻抗增大，也可能使距离保护的测量阻抗减小。