电力系统微机保护算法仿真毕业设计

电力系统微机保护算法仿真毕业设计 摘要 本设计为电力系统微机保护算法仿真(两点乘积算法和半周积分算法)，设计内容包括:设计随机正弦信号发生器;通过信号采样，得到电流，电压的瞬时值;通过瞬时值计算出电流，电压信号的有效值;计算线路的阻抗，阻抗角及功率因数，得出信号有效值、计算值与理论值之差。 本文首先对微机保护的发展、意义、研究重点、研究状况等进行了介绍;在微机保护中通过对算法的研究寻找适当的运算方法来实现一定的保护功能，从而使运算结果的精度能满足工程要求而计算耗时又尽可能短，达到既判断准确，且又动作迅速、可靠的效果。本文研究了两点乘积算法和半周积分算法在电力系统微机保护中的应用。 关键词: 电力系统 微机保护 两点乘积算法 半周积分算法 I Abstract This design is the simulation of microprocessor protection algorithm for power system (two product algorithm and a half weeks integrating algorithm), the design includes: design of random sine signal generator;, get the current, voltage instantaneous value by signal sampling; and then calculated with the instantaneous value to get current and voltage signals effectively value; calculation circuit impedance, impedance angle and power factor，that signal RMS ,calculation value with the theoretical value of the poor. In this paper, the development of microprocessor-based protection, the significance of research priorities, research conditions described. In computer protection lies in finding a proper method for the scattered operation to achieve the protection function,as well as to make sure the result is precise enough to meet the requirement of the project.At the same time,operation time should be as short as possible,and the result should be as exact,fast and reliable as possible. And introduct the product of two computer algorithms and a half weeks integrating algorithm in power system protection applications. Key words: Electric power system computer protection Two product algorithm A half weeks integrating algorithm II 目录 摘要 .............................................................. I Abstract ......................................................... II 第一章 继电保护 ................................................... 3 第二章 电力系统微机保护 ........................................... 6 2.1微机保护装置的特点及功能 ..................................... 6 2.2微机保护装置的硬件构成及软件系统 ............................. 7 第三章 电力系统微机保护算法 ...................................... 15 3.1概述 ........................................................ 15 3.2常用的保护算法原理 .......................................... 17 第四章 微机保护两点乘积算法 ...................................... 24 4.1两点乘积算法基本原理 ........................................ 24 4.2两点乘积算法程序流程图及程序 ................................ 27 4.3六种保护算法对比分析 ........................................ 32 结束语 ........................................................... 33 参考文献 ......................................................... 30 致谢 ............................................................. 31 III 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 第一章 绪论 第二章 继电保护 1.1 继电保护的原理、作用及要求 1.1.1 继电保护的原理 为完成继电保护所担负的任务，显然应该要求它正确地区分系统正常运行与发生故障或不正常运行状态之间的差别，以实现保护。如图1-1(a)、(b)所示的单侧电源网络接线图，(这是一种最简单的系统)，图1-1(a)为正常运行情况，每条线路上都流过由它供电的负荷电流?f(一般比较小)， 各变电所母线上的电压，一般都在额定电压(二次线电压100V)附近变化，由电压和电流之比所代表的“测量阻抗”Zf称之为负荷阻抗，其值一般很大。图1-1(b)表示当系统发生故障时的情况，例如在线路B-C上发生了三相短路，则短路点的 电压Ud降低到零，从电源到短路?f(C1) 点之间将流过很大的短路电流?d, ?f(B-C) ?f(A-B) ?f(C2) 各变电所母线上的电压也将在不 同程度上有很大的降低(称之为残?=0 压)。设以Zd表示短路点到变电所?d ?d ?=0 B母线之间的阻抗，根据欧姆定律 很显然Zd要大大小于Zf。即短路 阻抗要大大小于负荷阻抗。 图1-1 单侧电源网络接线 1.1.2 继电保护的作用 (1)在过载时，继电保护装置应发出警报信号。 (2)在短路故障时，继电保护装置应立即动作，要求准确、迅速地自动将有关断路器跳闸，将故障部分从系统中断开。 (3)为了保证电源不中断，继电保护装置应将备用电源投入或经自动装置进行重合闸。 1.1.3 继电保护的要求 动作于跳闸的继电保护在技术上一般要满足四个基本要求:选择性、速动性、灵敏性与可靠性。 1 第一章 继电保护 a) 选择性 定义:继电保护动作的选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除， 使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。如图1-2所示单侧电源网络中，当d1点短路时，应由距短路点最近的保护1和2动作跳闸，将故障线路切除，变电所B则仍可由另一条无故障的线路3-4继续供电。 原则:就近原则，即系统短路时，应由距离 故障点最近的保护切除相应的断路器。 相关链接:主保护—能在全线范围速 动的保护。后备保护—作为主保护的后备， 图1,2 单侧电源网络 不能在全线范围速动，要带一定的延时，又分为远后备和近后备，有选择性动作的说明。 b).速动性 所谓速动性，就是发生故障时，保护装置能迅速动作切除故障。对不同的电压等级要求不一样，对110KV及以上的系统，保护装置和断路器总的切故障时间为0.1秒，因此保护动作时间只有几十个毫秒(一般30毫秒左右)，而对于35KV及以下的系统，保护动作时间可以为0.5秒。 c)灵敏性 继电保护的灵敏性，是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。其灵敏性有的保护是用保护范围来衡量，有的保护是用灵敏系数来衡量。 d)可靠性 保护装置的可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不应该动作的情况下，则不应该误动作。简单说就是:该动的时候动，不该动的时候不动。该动的时候不动是属于拒动，不该动的时候动了是属于误动。不管是拒动还是误动，都是不可靠。 以上四个基本要求不仅要牢牢记住，而且要理解它们的内涵，其中可靠性是最重要的 ，选择性是关键，灵敏性必须足够，速动性则应达到必要的程度。我们所有的继电保护装置都是围绕这四个要求做文章，当然不同的保护，对这些要求的侧重点是不一样的，有的侧重于选择性，有的侧重于速动性，有时候为了保证主要的属性可能会牺牲一些其他的属性。这些我们在以后讲到具体的保护时会提到。 2 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 1.2 继电保护的分类 在一般情况下，发生短路之后，总是伴随有电流的增大、电压的降低、线路始端测量阻抗的减少，以及电压与电流之间相位角的变化。因此，利用正常运行与故障时这些基本参数的区别，就可以构成各种不同原理的保护。 一般继电保护可以分为两类: 第一类—利用比较正常运行与故障时电气参量(U、I、Z、f)的区别，便可以构成各种不同原理的继电保护，例如反应于电流增大而动作的过电流保护;反应于电压降低而动作的低电压保护;反应于阻抗降低而动作的距离保护，反应于频率降低而动作的低(或欠)频保护等。 第二类—首先规定两个前提:一个规定电流的正方向是从母线指向线路;第二个一定是双端电源。例如图1-2(a)、(b)所示的双端电源网络接线。分析1-3(a)、(b)图中BC A B C 线路靠近B母线侧电流的情况，我们发现在 ?f(A-B) ?f(B-C) 正常运行的负荷电流和故障时的短 路电流的相位发生了180?的变 ? I 化。因此利用比较正常运行(包括(a) d1 外部故障)与内部故障时，两侧电 C A B 流相位或功率方向的差别，就可以 ?’d1 ?’d1 ?’’d1 构成各种差动原理的保护。例如纵 联差动保护、相差高频保护、方向 高频保护等。差动原理的保护只反 ? I 应内部故障、不反应外部故障，因(b) 而被认为具有绝对的选择性。 图1-3 双侧电源网络接线 1.3 继电保护的发展 电力系统继电保护是随电力系统的发展而发展起来的一门专业技术。电力系统的发展， 3 第一章 继电保护 使发电设备容量和供电范围不断扩大，电压等级不断提高，电力系统的网络也越来越复杂。这对于保证电力系统安全、可靠、稳定运行必不可少的继电保护技术，便提出了越来越高的要求，从而也就有了电力系统继电保护原理和装置从简单到复杂的发展过程。 从继电保护装置的发展过程来看，在20世纪70年代以前，继电保护装置一直使用机电型装置。19世纪末和20世纪初先是出现了电磁型的过电流继电器、感应型过电流继电器及功率方向继电器。到1920年后又出现了电磁型的距离保护装置。这些继电保护装置都是由电磁型、感应型、电动型继电器组成，而这些继电器都具有机械转动部件，统称为机电式继电器。从继电保护原理的发展过程来看，由简单的过电流保护开始，相继出现了方向电流保护、距离保护、差动保护、高频保护、微波保护和行波保护等。如在1927年后研制了利用高压输电线上高频载波电流传送和比较输电线两端功率方向信号或电流相位信号的高频保护装置。20世纪50年代，微波中继通信开始应用于电力系统，从而出现了利用微波传送和比较输电线两端电气量信号的微波保护。又经过几年诞生了利用故障点产生的行波原理实现的快速行波保护装置。继电保护从反应全电气量的保护到反应相序分量的保护，从反应工频电气量的保护到反应工频电气变化量的保护等。继电保护的性能在不断完善，较好地适应了电力系统的发展。 20世纪50年代，由于半导体技术的发展，促使了继电保护从机电型向电子型静态保护装置过渡。第一代静态继电保护装置是晶体管型继电保护装置。由于晶体管保护易受电力系统中或外界的电磁干扰的影响而误动或损坏，当时工作可靠性低于机电式保护装置。经过长达余年的研究和实践，抗干扰问题从理论和实践上都得到满意的解决，20世纪70年代晶体管20 继电保护装置开始在我国大量采用，为后来静态继电器的发展奠定了基础。第二代静态继电保护装置是集成电路型的继电保护装置，它是由集成度高、功耗小、动作速度快的集成电路替换晶体管电路的保护装置。它的出现使静态继电保护装置的可靠性大大的提高了，因此在20世纪80年代后期很快就取代了晶体管保护装置。第三代静态继电保护装置是微机型继电保护装置。它是由微处理器及超大规模集成电路芯片组成的继电保护装置。由于微机型继电保护具有强大的计算功能及存储记忆等主要特性，因此它可完成性能完善、复杂的保护原理;同时由于可连续不断地自检，其工作可靠性很高。目前的微机型继电保护装置除了保护功能外，还兼有故障录波、故障测距、事件顺序 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 等功能，还能与变电所微机监控系统通信联络，使微机型继电保护装置具有远方监控的特点，因此微机型继电保护装置已融入电力系统综合自动化系统内，成为电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的综合自动化系统中一 4 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 个重要组成部分。所以在20世纪末它就很快地取代了集成电路型继电保护装置。 目前，从机电型到微机型继电保护装置，这四代产品在我国电力系统中仍然各占一定比例，并不能完全以“新”代“老”。因为它们各自都有着自身的特点。如电磁型继电保护装置简单、可靠、价廉、技术成熟，但动作速度慢，实现复杂保护困难。晶体管型继电保护装置动作速度快，可实现较复杂保护，比较经济，但抗干扰能力差，电子元件多，容易发生因元件特性变化和损坏而造成保护拒动和误动。集成型继电保护装置有晶体管性能方面的优点，且调试较方便，有自检功能，但价格较高，抗干扰能力较差。微机型继电保护装置动作速度快，易实现复杂原理的保护，具有打印、记忆、测距等附加功能，调试十分方便，并有自检功能。前3种属模拟式保护装置，由于大规模集成电路的产生，使分立元件的晶体管保护逐渐被集成电路保护所取代外，模拟式保护装置仍在各自所适应的保护对象中发挥着作用。而微机型继电保护装置属于数字式保护装置，采用不同的软件可以在同一硬件配置中实现不同的保护功能，在继电保护新原理的创新领域中，微机保护比传统模拟式保护有着无可比拟的优势。我国高压、超高压输电线路的微机保护及发电机、变压器等元件的微机保护正以极快的速度在推广使用。 随着国民经济持续快速发展以及人民大众生活水平的日益提高，电力用户对电能的需求量越来越大，对供电质量要求也越来越高，同时电力部门又受减员增效的制约，在大规模发展建设电网同时，人员配备却没有相应增加，于是近几年无人值班变电站迅速发展起来，建成了一批能够实现“四遥”甚至综合自动化功能的局域性电网。变电站综合自动化主要涉及到计算机网络与数据库及通信的技术，计算机技术的飞速发展及其与较完善的通信技术的密切结合，可以使变电站综合自动化比较容易实现;可以节约相当的人力、物力成本，使电力企业创造出更佳的经济效益。微机保护是近年兴起的继电保护方式，不同于传统的机电式继电保护方式，具有遥测、遥控、遥信、遥调等功能，使变电所具有远程监控的作用，大幅度提高了供电的可靠性，越来越受到人们的青睐。 5 第二章 电力系统微机保护 第二章 电力系统微机保护 2.1微机保护装置的特点及功能 一、微机保护装置的特点 1.维护调试方便 过去大量使用过机电型、整流型、晶体管型和集成电路型继电保护装置，这类旧保护装置的各种保护元件均由硬件器件组成，装置采用的是布线逻辑，其每一种保护的逻辑功能都由相应的硬件和连线来实现。这些旧保护装置的调试往往比较复杂，必须由模拟实验来逐一检验保护的功能是否符合要求，尤其是一些复杂保护的试验和调试往往需要较长时间，有时花了很多人力物力还未必能达到预期效果。其原因是逻辑越复杂，硬件就越多，试验也越麻烦。而微机保护采用的是数字逻辑，除了输入量的采集外，所有的计算逻辑判断都由软件完成，成熟的软件一次性设计测试完好后，就不必投产前再逐项试验，试验项目自然就很简单、方便。并且微机保护对硬件和软件都有自检功能，装置在运行中将不断对其硬件和软件进行检测，如有故障就会立即报警。通常，装置上电或复归后就进入自检程序，只要给上电源后没有异常告警信号，就可确认装置是完好的。所以说现场对微机保护装置的维护和调试十分方便，现场对微机保护装置的试验主要是对保护装置的检验，需要调试的主要项目已在厂家完成，投运前要做的就是保护静态、动态试验，总的工作量就减少了许多。 2.可靠性高 常规保护装置，由于是由各种器件组成，不可能做得很复杂，否则硬件越多，越复杂，本身出故障的概率就越大，可靠性就降低。而微机保护的软件设计考虑到电力系统中各种复杂的故障，具有很强的综合分析和判断能力，能自动纠错排除干扰，因此可防止由于干扰而造成的装置误动作。另外微机保护装置有自检与巡检功能，并能将故障定位到芯片，配合多重化设计可以有效防止保护误动，故大大提高了其可靠性。 3.易于获得各种附加功能 由于计算机软件的特点，使得微机保护可以做到硬件和软件资源共享，在不增加任何硬件的情况下，只需增加一些软件就可以获得各种附加功能。例如在微机保护装置中，可以很方便的附加低频减载和自动重合闸、故障录波、故障测距等自动装置的功能，在保护动作后， 6 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 打印故障信息、记录保护动作顺序和动作时间、判别故障类别和记录电流、电压波形等。这些附加功能为分析处理故障提供了有力的帮助。 4.保护性能容易得到改善 继电保护的功能实质上将检测到的电气量和整定值进行比较,在超过整定值或者边界时就动作.在传统的布线逻辑保护中一种特性完善(如四边形阻抗边界)的保护接线将十分复杂,有些边界还不可能实现,而在微机保护中实现起来就比较容易,由于微机保护的特性主要由软件(程序)决定,不同原理的保护可以采用通用的硬件.而由于计算机软件方便改写的特点,保护的性能可以通过研究许多新的保护原理来得到完善,而且许多现代新原理的算法在常规保护中很难或者根本不可能用硬件来实现.如过度电阻对接地距离保护的影响及震荡对距离保护的影响等问题,在微机保护中已找到了新的原理和方法.这样就改善了保护的技术特性.微机保护的推广使用,大大促进了电力系统安全性的提高。 5.使用灵活、方便 目前微机系统保护装置的人机界面做的越来越好，也越来越简单方便。例如，微机保护的查询、整定保护受到现场继保护工作人员和运行人员的 普遍欢迎。 6.具有远方监控特性 微机保护装置都具有网络通讯功能，与变电所微机监控系统的通讯联络微机保护具有远方监控的性能，并将微机保护纳入变电所综合自动化系统。 二、微机保护系统完成的主要功能 微机保护系统完成的主要功能包括设备和输电线路等的全套保护，对不同规模、型式的微机保护系统的设置可能不完全相同，一般包括以下内容:进线和馈电线路的主保护和后备保护及重合闸;主变压器的主保护和后备保护;无功补偿电容器组的保护;母线保护;小电流接地系统的单相接地选线。 三、微机保护系统完成的附加功能 (1)通信功能。(2)故障记录功能。(3)与统一时钟对时功能。(4)存储多种保护整定值。(5)当地显示与多出观察和授权修改保护整定值。(6)故障自诊断。(7)自动重合闸。 2.2微机保护装置的硬件构成及软件系统 微机保护装置是以微处理器为核心，根据数据采集系统所采集到的电力系统的实时状态数据，按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障的性质和范围等，并由此作出是 7 第二章 电力系统微机保护 否需要跳闸或报警等判断的一种安全装置。微机保护主要包括进行数据采集的输入通道(如模拟量输入变换与低通滤波回路、采样保持与多路转换、模数转换系统以及开关量输入通道等)，进行数据处理及相应判断的数字核心部分(如CPU、存储器、实时时钟和WATCH—DOG等)以及输出通道(如开关量输出通道等)，除此之外，包括人机接口(如键盘、显示器及打印机等)。近年来，随着网络及通信技术在电力系统中的广泛应用，通信系统也日益成为微机保护装置必不可少的部分。图2—1为微机保护的典型硬件结构图。 8 南昌工程学院本科毕业设计(论文) CPU 模拟前置多路来自电力系统的A/D 量输低通转换电压电流信号 入变滤波开 关 保存数据换 回 路 用RAM 手分/手合信号 开关量 存放程序用压板投退信号 输入信 EPROM 状态信号 号 处理 光 电存放整定值隔用EPROM 断路器及重合继电器离 闸操作机构 逻辑 告警信号 电路 WATCH-D OG 实时时钟 本地操作人员 人机接口 打印机 打印机接口 高频通道接口 高频通道 保护用 微波通道接口 微波通道 通信接口 光纤通道 光纤通道接口 连接到综合自动化通用数系统 字通信 本地调试用 接口 通信接口 GPS授时系统电源 电源回路 图2—1微机保护的典型硬件结构图 一、微机保护硬件系统的三大主体部分。 1.模拟量输入系统(或称数据采样系统) 电力系统中的电量都是模拟量，而计算机继电保护的实现则是基于由微机对数字量进行计算和判断。所以，为了实现微机继电保护，必须对来自被保护的设备和线路的模拟量进行一系列的预处理，从而得到所需形式的数字量提供给保护功能处理程序。 由电力系统输入到继电保护装置的模拟信号主要有两类:一是来自电压互感器(或电流 9 第二章 电力系统微机保护 互感器)的交流电压(或电流)信号;另一类是来自分压器(分流器)的直流电压(或电流)信号。这些信号首先被转换到与微机相匹配的电平，通过模拟滤波器滤去其中的高频成分，然后由采样保持环节将连续的信号离散化。由于输入的信号往往不止一个，故由多路转换开关逐个交给A/D转换器变为数字量。这些数字量还应在存储器中按先后顺序排列以方便功能处理程序取用。 信号预处理中，还包括隔离和抑制随有用信号进入的干扰，这对提高继电保护装置的可靠性非常重要。 模拟量输入系统包括电压形成、模拟滤波(ALF)、采样保持(S/H)、多路转换开关(MPX)及模数转换(A/D)等功能模块，将完成将模拟输入量准确地转换为所需的数据量。 (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。 2)采样保持器(S/H) ( 微机处理的都是数字信号，必须将随时间变化的模拟信号变成数字信号，为达到这一目的，首先要对模拟量进行采样，采样就是将连续变化的模拟量通过采样器加以离散化，采样保持就是把输入的模拟信号的瞬时值记录下并按所需的要求准确的保持一段时间供模数转换器A/D适用。 (3)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，则采样频率(每秒钟采样次数)必须大于，否则，由采样值就不可ff2f0s0 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 ，以防混叠。 fs 10 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 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内处理完对每一组采样值所必须作的各种操作和运算，否Ts 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。 (4)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。 (5)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。 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。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Ts 入电压和电流的动态范围很大。 /D根据A/D转换原理不同，微机保护模拟量输入回路有两种方式:一是基于逐次逼近型A转换方式;二是利用电压/频率变换(VFC)原理进行A/D转换的方式。逐次逼近型方式主要包括电压形成回路、ALF回路、S/H回路、MPX回路及A/D回路等功能模块，它是直接将模拟量转变为数字信号，利用电压/频率变换方式主要包括电压形成、VFC回路、计数器等环节，它是将模拟量电压先转换为频率脉冲量，通过脉冲计数器变换为数字量的一种变换形式。 11 第二章 电力系统微机保护 ALF S/H 电压形成 CPU MPX 来自 TV TA A/D 二次 总线 ALF S/H 电压形成 (a)逐次逼近A/D转换方式 VFC 电压形成 计数器 CPU 来自TV TA二次 总线 VFC 计数器 电流形成 (b)VFC原理的A/D转换方式 图2—2 A/D转换方式 2.数字处理系统(CPU主系统) 微机保护装置以中央处理器CPU为核心，根据数据采集系统采集到的电力系统实时数据，按照给定的算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质和范围等。微机保护原理由计算机程序来实现，CPU系统主要包括微处理器(MPU)、 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 存储器(一般用EPROM)、随即存储器(RAM)及定时器等，MPU机型存放在EPROM中的程序，将数据采集系统得到的信息 12 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 输入至RAM区的原始数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。 3.开关量(或数据量)输入/输出系统 开关量(或数据量)输入/输出系统是由若干个并行借口适配器、光电隔离器件及有节点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部节点输入及人机对话等功能。 二、微机继电保护的软件系统 微机继电保护软件是微机保护装置的重要组成部分，它涉及继电保护原理、算法、数字滤波及计算机程序结构。 典型的微机保护程序结构框图如图2—3所示: 主程序 采样程序 N 启动, Y 正常运行程序 故障计算程序 图2—3 微机保护程序框图 主程序按固定的采样周期接受采样中断进入采样的程序，在采样程序中进行模拟量采集与滤波、开关量的采集、装置硬件自检、交流电流断线和启动判据的计算，根据是否满足启动条件而进入正常运行程序或故障计算程序。硬件自检内容包括RAM、E2PROM、跳闸出口三极管等。 正常运行程序中进行采样值自动零漂调整及运行状态检查。运行状态检查包括交流电压 13 第二章 电力系统微机保护 断线、检查开关位置状态、重合闸充电等，不正常时发报警信号。故障计算程序中进行各种保护算法计算、跳闸逻辑判断以及事件 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 、故障报告及波形的整理。 微机保护装置软件系统除实现各种继电保护功能外，还具有其他功能，包括以下几个方面。 (1)测量功能。包括相电流、零序电流、线电压、相电压、零序电压、频率、有功功率和无功功率测量、电能和功率因素测量。 (2)控制功能。包括断路器和隔离开关的“就地“和”“远方“控制;一次设备的分合控制;可调节设备的状态控制;自动重合闸功能等。 (3)状态监视。包括操作计数、气体压力监测、断路器跳合闸、电气老化监测、断路器运行时间记录、辅助电压监视等。 (4)功能模块。具有独立的输入和输出接口。在参数话时，采用图形化方式进行，简单有效;具有强大的PLC功能;可简化接线要求，是高效率的编程工具。 (5)事件记录。包括独立的事件生成、用户定义事件、具有事件过滤功能、事件分辨率为ms级，可以记录最近多个事件。 (6)故障滤波。采集故障前，故障时刻及跳闸后相关的电流、电压，相关的开关量信号、事件等信息，为继电保护装置事故分析提供依据。 (7)通信功能。前面板串行通信口用于定值整定及参数设置，背面板通信口用于与上位机系统通信。 14 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 第三章 电力系统微机保护算法 3.1 概述 一、算法的基本概念 微机保护和微机监控是根据采样数据进行分析、运算和判断的，以实现保护和监控功能，其软件方法称为算法。 微机保护和微机监控的基本原理有类似之处，都是把经过电流互感器TA和电压互感器TV变换后的电流、电压等模拟信号转为数字信号，然后通过某些运算求出电流、电压的有效值或峰值、相位、比值以及有功功率等量，或者线路和元件的视在阻抗，或者某次谐波的大小和相位等。 目前在微机保护和微机监控装置中采用的算法很多，各种快速、精确的算法不时被提出并广泛应用，各种算法各有千秋。可见，对微机保护和微机监控来说，采用何种算法求所需的值，是值得研究的问题。 二、算法的发展 最初，从简单情况出发，即从电流、电压为纯正弦变化的情况出发，提出了许多算法，其中有半周内找最大值法、半周内采样值累计的算法、导数的算法、采样值积得算法和解方程组的算法等。实际电力系统发生故障时，往往是在基波的基础上叠加有衰减的非周期分量和各种高频分量。所以，微机保护要求对输入的电流、电压信号进行预处理，尽可能地滤掉非周期分量和高频分量，否则计算结果将出现较大误差。 后来，假设输入量是非周期分量、基波和倍频分量组成，研究了相应的解方程组算法、付氏算法等。由于这些算法本身带有滤去高次谐波的功能，所以一般不再另外采用数字滤波;但算法本身不能滤去衰减的非周期分量，后有提出一些相应的算法。 由于电力系统中铁磁元件的非线性特性，输入线路的分布电容和串联、并联电容的使用，以及电流互感器、电压互感器二次侧的暂态过程等因数的影响，使得电压、电流输入信号中除存在非周期分量外，还有许多随即的高频分量的存在，将产生干扰或噪声，除采用较完善的滤波措施外，还提出了一些减少误差的算法。例如，对计算结果采取平滑措施，采用最小二乘法曲线拟和算法等。 算法的选择不仅与装置要实现的具体功能有关，而且与采样方式选择密不可分。 三、 微机保护和微机监控对算法的不同要求 15 第三章 电力系统微机保护算法 虽然微机保护和微机监控的基本原理是一致的，但在具体的算法要求和两者的计算目的上，还有许多不同之处。 首先，保护和监控所需计算的量值不同。监控需要计算得到的是反映正常运行的有功功率P，无功功率Q，电流I，电压U等物理量，进而计算出，有功电能量和无功电能量;而cos, 保护算法更关心的是反映故障特征量，故要求算法应能对含有直流分量及衰减分量的谐波进行处理等。 其次，保护和监控所要求的计算准确度不同。监控在计算的准确度上要求更高一些，希望计算出的结果尽可能准确;而保护则更看重算法的速度及灵敏性，必须在故障后尽快反应，以便快速切除故障。 监控系统算法主要是针对稳态时的信号，而保护系统算法主要针对故障信号。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。信号性质的不同必然要求从算法上区别对待。 四、算法的评价和选择 微机保护算法是微机保护研究的重点,微机保护不同功能的实现,主要依靠其软件算法完成。微机保护的一个基本问题便是寻找适当的算法,使运算结果的精度能满足工程要求并尽量减少计算所耗的机时。在选择算法时要考虑两个重要问题,即计算速度问题和计算精度问题,而这两者通常是矛盾的,若要精度高,则要利用更多的采样点,相应便增加了计算工作量,降低了计算速度。 对微机保护算法的综合性能进行分析,确定特定场合下如何合理的进行选择,并在此基础上对其进行补偿与改进,对于进一步提高微机保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性,满足电网安全稳定运行的要求具有现实指导意义。 针对微机保护常用的正弦函数模型算法,周期函数模型算法,随机函数模型算法和输电线路简化的物理模型算法的误差来源、幅频响应、滤波性能、适用场合分别进行了分析和总结;针对衰减非周期分量的影响,对傅里叶、最小二乘、卡尔曼滤波算法的计算精度和计算速度进行了比较,寻找兼顾精度与速度的“最佳”组合 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ;对近年来针对傅里叶算法的各种改进方法作了详尽的整理和总结,对各种改进方法的性能进行综合比较,为在不同场合下寻找满足特定性能要求的算法提供了依据。 目前用于微机保护的算法可分为两大类。一类是根据输入电气量的若干点采样值，通过一定的数学式或方程式计算初保护所反映的量值，然后与定值进行比较。例如，为实现距离保护，可根据电压和电流的采样值，计算出视在复阻抗的模和幅角或阻抗的电阻和电抗分量， 16 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 然后同给定的阻抗动作区进行比较。这一类算法利用了微机能进行数值计算的特点，从而实现许多常规保护无法实现的功能。例如，作为距离保护，他的动作特性的形状可以非常灵活，不像常规距离保护的动作特性形状决定于一定的动作方程。此外，他可以根据阻抗计算值中的电抗分量推出短路点距离，起到测距的作用等。另一类算法，仍以距离保护为例，是直接模仿模拟型距离保护的实现方法，根据动作方程来判断是否在动作区内，而不计算初具体的阻抗值。这一类算法的计算工作量略有减小。并且虽然他所依循的原理和常规的模拟型保护同出一宗，但由于运用计算机所特有的数学处理和逻辑运算功能，可以使某些保护的性能有明显提高。 计算机保护的准确性，实时性与算法有密切关系，因此保护算法的研究是计算机保护研究的重要问题之一，研究保护算法的作用有:提高保护装置的精确度，这一点是非常重要的，运算精度研究是微机保护理论研究的重点之一，一个好的算法应该具有良好的运算精度，只有能保证这一点才能达到保护判断的准确性，即需要动作时，应该准确的动作，不需要动作时间，应该准确的闭锁;提高运算速度，算法的运算速度将影响检测量的检测速度和继电保护的动作速度，一个好的算法要求运算速度高，这就是说要求所用数据窗短，即所需采样的点数少，运算工作量小，特别是在计算暂态量时，算法的运算速度则更是重要，然而提高运算精度和提高运算速度两者之间是相互矛盾的，因此研究算法的实质便是如何在速度与精度之间进行合适的权衡。 目前已提出的算法种类很多，在综合自动化装置中，装置的各功能模块硬件和输入量一般很相近，不同的功能特性由不同的算法可以实现，两点乘积算法是基于正弦函数模型的算法，它利用相差为π/2角度的两点互为正余弦的特点来进行计算的，该算法本身的数据窗长度为1/4周期，对工频50Hz来说是5ms，速度是很快的，它对采样频率无特殊要求。实际电力系统中，由于各种不对称因素及干扰的存在，电流与电压波形并不是理想的50Hz正弦波形，而是存在多次谐波，尤其在故障时，还会产生衰减直流分量。但对于一些较粗略的算法，考虑到交流输入回路中设有R-C滤波电路，为了减少结算量，增加计算速度，往往假设电流,电压为理想的正弦波。 3.2 常用的保护算法 1.导数算法原理 17 第三章 电力系统微机保护算法 利用正(余)函数的导数是余(正)弦的特点，可以构成导数算法。这种算法只需 要知道输入正弦量在某一时刻的采样值及该时刻采样值的导数，即可算出有效值和相t1 位。 设时刻的电流为 ti11 (3.1) i,2Isin(,t，,),2Isin,110I1I 则时刻电流导数为 t1 , (3.2) i,,2Icos,11I 由(3.1)和(3.2)可得 22,(/)i，i,211 (3.3) I,2 i1 (3.4) ,tan,,1I,i1 同样，可得到电压有效值U和阻抗及其实部R和虚部X为 22,(/)u，u,211 (3.5) U,2 22222,,,,u，(u/)u，uU1111 (3.6) Z,,,22222,,Ii，(i/,),i，i1111 2''uiui,，1111R (3.7) ,2'2()()ii,，11 '',()uiui,1111 (3.8) X,2'2()(),ii，11 2.二阶导数算法原理 二阶导数算法是在导数算法的基础上作了修正，采用一阶导数值和二阶导数值，代替用 采样值和一阶导数值计算的导数算法。 18 南昌工程学院本科毕业设计(论文) ,,sinuUt,m (3.9) ,,sin(,)iI,t,m, ,,,,cosuUt,m则 (3.10) ,,,cos(,)i,I,t,m, 2,,,,,u,,Usint,m (3.11) ,2,,,i,,,Isin(,t,,)m, 由式(4.10)和(4.11)可得 ,,,uu,222，,()()Um2,,,, (3.12) ,,,,iu222,，,()()Im2,,,, 而且有 ,,,,U,uiui,m,,,Rcos2,,,,I,iii,m (3.13) ,,,,,(uiui),,X2,,,,，iii, 3.傅氏算法原理 傅里叶算法的基本思路来自傅里叶级数，即一个周期性函数可以分解为直流分量、基波 及各次谐波的无穷级数，可表示为: , x(t),[bcosn,t，asinn,t] (3.14) ,n1n1n0, 式中n?自然数，n=0,1,2…;,—基波角频率;a、b?各谐波的正弦项和余弦项的振幅;a、1nn1 b—基波分量的正、余弦项的振幅;—直流分量的值。 b10 19 第三章 电力系统微机保护算法 如果要从信号中求出某次谐波分量，依据三角函数的正交性可知 xt() T2axtntdt,, (3.15) ()sin1,nT0 T2bxtntdt,, (3.16) ()cos1,nT0 xtantbnt()sincos,，,,而 (3.17) nnn11 当时即为基波分量 n,1 xtatbt()sincos,，,, (3.18) 11111 将式(4.18)变为xtXt()2sin(),，,, (3.19) 111 式中X?基波分量的有效值; ?基波分量的初相角。 ,1 xt() 当是电流信号时，可表示为 1 (3.20) itIt()2sin(),，,,111 )得 展开式(4.20 itItIt()2sincos2cossin,，,,,, (3.21) 11111 ,aI2cos,,,11所以 (3.22) , bI2sin,,,11, 在用微机计算和，通常都是采用有限项方法算得，即将it()用各采样点数值代入，通ab111 NtT,,过梯形法求和代替积分法。考虑到，时，用式(3.15)和式(3.16)求和，ab,,tkN,2/111可表示为: 20 南昌工程学院本科毕业设计(论文) N,112,，， (3.23) aik,,2sin,,1kNN，，k,1N,112n,，， (3.24) ,,，，biiki2cos,,10kNNN，，k,1 式中N?一周期采样点数; ik——第次采样值; k ii、——k=0和N时的采样值。 N0 在算出和后，根据式(3.22)不难得到基波的有效值和相角为 ab11 22ab,，11I,, (3.25) 12, ,,arctgba(/),,111 同理，、可以用梯形积分法近似求出为 abnn N,112n,，， (3.26) ,aik2sin,nk,,NN，，k,1 N,112n,，， (3.27) ,,，，biiki2cos,,nkN0NN，，k,1 I从而计算为 n 22ab，nn (3.28) I,n2 傅氏算法本身具有一定的滤波作用，能完全滤掉各种整次谐波和纯直流分量;对非整次 高频分量和按指数衰减的非周期分量包括的低频分量有一定的抑制作用。辅以前级差分滤波 的傅氏算法精度很高，计算量也不大，是一种很常用的微机保护和监控算法。 21 第三章 电力系统微机保护算法 4.解微分方程算法原理 解微分方程仅用于计算阻抗。以应用于线路的距离保护为例，假设被保护线路的分布电容可以忽略，而从故障点到保护安装处的线路可以用电阻和电感串联来表示，于是短路时下述微分方程成立 di (3.29) uRiL,，11 dt 式中、——分别为故障点至保护安装处线路段的正序电阻和电感; RL11 、——分别为保护安装处的电压和电流。 ui 若用于反映线路相间短路保护，则方程中的电压、电流的组合与常规保护相同，例如AB相间短路时，取、。对于单相接地取相电流加零序补偿电流。 uii,abab didt/式(3.29)中的、和都是可以测量、计算的，未知数为和。如果在两个不同RLui11时刻和分别测量、和,就可以得到如下两个独立的线性方程 didt/ttui12 (3.30) u,Ri，LD11111 (3.31) u,Ri，LD21212 tt式中D表示didt/;下表“1”、“2”分别表示测量时刻和。 12 联立求解以上两式可求得两个未知数和为 RL11 uD,uD2112 (3.32) R,1iD,iD2112 ui,ui1221 L, (3.33) 1iD,iD2112 tt在计算机处理时，电流的导数可以用差分来近似计算，最简单的方法是取和分别为12两个相邻的采样间隔的中间值，如图3-1所示。于是近似有 22 南昌工程学院本科毕业设计(论文) ii,,Dn，1n,,1T,s, (3.34) ii,,Dn，2n，1,2,T,s 电流，电压取相邻采样的平均值，有 ，,iinn，1,i,1,2 , (3.35) ，ii,n，1n，2,i2,2, ，,uunn，1,u1,,2 (3.36) ,，uun，1n，2,,u2,2, tt12 n n+1 n+2 图3-1用差分近似求导数法 3 从上述的方程可以看出，解微分方程法实际上解的是一组二元一次代数方程，带微分符.1用差分近似求导数法 号的量和是测量计算得到的已知数。此法所依据的方程式(3.29)中忽略了输电线路分DD12 布电容，由此带来的误差值用一个低通滤波器预先滤除电压和电流中的高频分量就可以基本 消除。因此，分布电容的容抗只有对高频分量不可忽略的。有的文献称这种方法为R-L串 联模拟法。 23 第四章 微机保护半周积分算法和两点乘积算法 第四章 微机保护半周积分算法和两点乘积算法 4.1 半周积分算法原理 半周积分算法的依据是一个正弦量在任意半周期内绝对值的积分为一个常数S，并且积分值S和积分的起始点初相角无关。如图4-1所示，积分的起始点无论从0或从角开始，,,积分半周期的绝对值总是常数，因为图中画斜线的两块面积是相等的。如果输入保护系统的信号为正弦信号，其在半周内的积分为 utUt()sin(),，,,m TT/2/2,,，，UU2mm (4.1) ,,,,,,SutdtUtdttdttdt|()||sin()|sin()sin(),,，,，,,,m,,,,,,，，000, ,U,S， (4.2) 22 在半周期面积S求出后，可利用式(4.2)算出交流正弦量的最大值，进而求出的有uu效值，而半周期面积S常数可以通过绝对值求和(矩形积分)算出。 N2 (4.3) SuTs,，||,k,1k 式中:为第点采样值， N为一个周期的采样点数。 ukk 图4-1 半周积分算法原理示意图 4.2 半周积分算法程序 clc;clear; 24 南昌工程学院本科毕业设计(论文) syms x f=input('请输入频率'); t0=0.001;n=9;T=0.002; t=[t0];u=[]; w=2*pi*f; g=@(x)220*sqrt(2)*sin(w*x+pi/6); for i=1:n t=[t,t0+i*T]; end u=g(t);S=0; for i=1:(n+1)/2 S=S+abs(u(i)); end S=S*T; U=S*w/(2*sqrt(2)) 4.3 两点乘积算法基本原理 两点乘积算法对电路中电压和电流在任意时刻进行相隔T/4采样，通过计算获得电压和电流的有效值、有功功率和无功功率。对工频交流电而言，两点乘积法的数据窗为T/4,5ms，它的优点是计算简单快速，克服了一点采样法要求输入对称三相电流和电压的缺点，但是它同样没有滤波作用，而且受直流分量影响最大。两点乘积法对采样的时间要求精确等于T/4, 否则将会产生误差。 以电流为例，可以表示为 (4.1) i(nT),2Isin(,nT，,)ss0I ,式中 —角频率;I—电流有效值;—采样间隔;—电流初相角。 T,0Is 0两点乘积算法，若，是相差的两个采样值，采样时刻分别为，，如图4.1所iinn902112示，则 ,() (4.2) nT,nT,,2s1si 2 i2 i1根据式(4.1)有 t nn12 25 第四章 微机保护半周积分算法和两点乘积算法 (4.3) i(nT),2Isin(,nT，,),2Isin,图4.1两点乘积算法采样示意图 11s1s0I1I (4.4) i(nT),2Isin(,nT，,),2Icos,22s2s0I1I 式中 —采样时刻的电流相角，可能为任意值。 ,nT，,n1s0I1 将(4.3)和(4.4)平方后相加，即得 222 (4.5) 2I,i，i12 将(4.3)和(4.4)相除，得 i1 (4.6) tan,,1Ii2 ,式(4.5)和(4.6)表明，只要知道任意两个相隔的正弦量的瞬时值，就可以计算出该正2弦量得有效值和相位。 如欲构成距离保护，只要同时测出和时刻的电流和电压，和，。 nnuiui112212 同理，电压的有效值U及时刻的相角为 ,n11U 222 (4.7) 2U,u，u12 u1 (4.8) tan,,1Uu2 可求出阻抗值Z和幅角为 ,Z 22u，uU12Z,, (4.9) 22Ii，i12 ui11,,11 (4.10) ,,,,,,tan(),tan()11ZUIui22 26 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 或直接得到视在阻抗的实部R和虚部X，即 ui，ui1122 (4.11) R,22i，12 ui,ui1221 (4.12) X,22i，i12 ..由于式(4.11)和式(4.12)中得到了两个采样值的乘积，因此称为两点乘积法。、之IU间的相角差可由下式计算 ui,ui1221 (4.13) tan,,ui，ui1122 4.2两点乘积算法程序流程图及程序 27 第四章 微机保护半周积分算法和两点乘积算法 开始 输入频率 绘制电压电流信号波形图 设定电压电流信号 输入第一个采样点时间值 获取第一个采样点的电流 、电压瞬时值 瞬时值iu11 采样点时间自加T/4 由公式(4.5)(4.7) (4.9)(4.13) 求取电压电流信号的 有效值U、I以及阻抗获取第二个采样点的电流瞬 时值、电压瞬时值 Z、阻抗角功率因数 iu,22Z 信号为纯正弦时两点乘积算法程序: clear f=input('请输入频率'); w=2*pi*f t=0:0.0001:0.2; i=10*sqrt(2)*sin(w*t6); %画电流波形图 plot(t,i,'b') hold on u=220*sqrt(2)*sin(w*t+pi/6); plot(t,u,'r'); %画电压波形图 hold off grid on title('电压波形和电流波形'); 28 南昌工程学院本科毕业设计(论文) text(0.005,230,'曲线u=220* sqrt(2)*sin(100*pi*t+pi/6)'); text(0.025,20,'曲线i=10* sqrt(2)*sin(100*pi*t)'); t=input('请输入第一个采样时间值'); %第一个采样点对应的时间 tic i1=10*sqrt(2)*sin(w*t); %第一个采样点对应的的电流值 u1=220*sqrt(2)*sin(w*t+pi/6); %第一个采样点对应的电压值 t=t+pi/(2* w); %第二个采样点对应的时间 i2=10*sqrt(2)*sin(100*pi*t); %第二个采样点对应的的电流值 u2=220*sqrt(2)*sin(100*pi*t+pi/6); %第二个采样点对应的电压值 I=sqrt((i1*i1+i2*i2)/2) %电流信号的有效值 U=sqrt((u1*u1+u2*u2)/2) %电压信号的有效值 h=(u1*i1+u2*i2); l=sqrt((u1*i1+u2*i2)*(u1*i1+u2*i2)+(u1*i2-u2*i1)*(u1*i2-u2*i1)); lamda=h/l %功率因数 theta= rad2deg(acos(lamda)) %功率因数角 P=U*I*(lamda) R=(u1*i1+u2*i2)/(i1*i1+i2*i2) %电阻 X=((u1*i2-u2*i1)/(i1*i1+i2*i2)) %电抗 Z=R+j*X %阻抗 dianliuwucha=((I-10)/10)*100 %电流误差 dianyawucha=((U-220)/220)*100 %电压误差 toc 假定纯正弦信号，，采样点N=24时综合本ut,，2202sin(100/6),,it,102sin(100), 组同学的采用的算法，得到六种算法结果见表4.1 表4.1 纯正弦信号的结果比较 电流有 电压有 阻抗Z 阻抗角电压误电流误运算时间 效值I 效值U 差(%) 差(%) (s) , 29 第四章 微机保护半周积分算法和两点乘积算法 理论值 10 220 22 30 — — — 导数 9.9604 213.0403 23.6939 29.4894 3.1635 0.3960 0.0280 算法 微分方 程算法 — — 21.9662 29.8140 — — 0.0310 二阶导 数算法 9.8862 230.3021 20.1546 28.3557 4.6828 1.1384 0.0620 两点乘 积算法 10 220 22 30 0 0 0.0150 半周积 分算9.9428 218.7420 22 __ 0.5718 0.5718 0.0630 法 傅氏 算法 10.0265 221.0325 22.0449 29.9630 0.47 0.26 0.131781 信号为非正弦时两点乘积算法程序: clear f=input('请输入频率'); w=2*pi*f; t=0:0.0001:0.2; i=10*sqrt(2)*sin(w*t)+10*sqrt(2)*(exp(-100*t)); plot(t,i,'b') %画电流波形图 hold on u=220*sqrt(2)*sin(w*t+pi/6)+220*sqrt(2)*(exp(-100*t)); plot(t,u,'r'); %画电压波形图 hold off grid on title('电压波形和电流波形'); text(0.005,230,'曲线u=220*sin(100*pi*t+pi/6)'); 30 南昌工程学院本科毕业设计(论文) text(0.025,20,'曲线i=10*sin(100*pi*t)'); t=input('请输入第一个采样时间值'); %第一个采样点对应的时间 tic i1=10*sqrt(2)*sin(w*t)+10*sqrt(2)*(exp(-100*t)); %第一个采样点对应的的电流值 u1=220*sqrt(2)*sin(w*t+pi/6)+220*sqrt(2)*(exp(-100*t)); %第一个采样点对应的电压值 t=t+pi/(2*w); %第二个采样点对应的时间 i2=10*sqrt(2)*sin(100*pi*t)+10*sqrt(2)*(exp(-100*t)); %第二个采样点对应的的电流值 u2=220*sqrt(2)*sin(100*pi*t+pi/6)+220*sqrt(2)*(exp(-100*t)); %第二个采样点对应的电压值 I=sqrt((i1*i1+i2*i2)/2) %电流信号的有效值 U=sqrt((u1*u1+u2*u2)/2) %电压信号的有效值 h=(u1*i1+u2*i2); l=sqrt((u1*i1+u2*i2)*(u1*i1+u2*i2)+(u1*i2-u2*i1)*(u1*i2-u2*i1)); lamda=h/l %功率因数 theta=rad2deg(acos(lamda)) %功率因数角 P=U*I*(lamda) R=(u1*i1+u2*i2)/(i1*i1+i2*i2) %电阻 X=((u1*i2-u2*i1)/(i1*i1+i2*i2)) %电抗 Z=R+j*X %阻抗 dianliuwucha=((I-14.15)/14.15)*100 %电流误差 dianyawucha=dianyawucha=((U-311.38)/311.38)*100 %电压误差 toc ,100t,100tite,，102sin(100)102,ute,，，2202sin(100/6)2202,,加衰减分量后，即，。采样点数N=24时，得到如表4.2所示的结果 表4.2 加衰减信号的结果比较 电流有 电压有 阻抗Z 阻抗角 电压误差电流误差运算时间, 效值I 效值U (%) (%) (s) 31 第四章 微机保护半周积分算法和两点乘积算法 理论值 14.15 311.38 22.01 — — — — 导数算13.0702 371.2814 28.4066 26.1045 19.2374 7.6311 0.3120 法 微分方 程算法 — — 21.7912 26.2117 — — 0.0470 二阶导11.1136 257.901023.2000 25.2445 17.2277 11.1359 0.0780 数算法 两点乘19.5818 463.8038 23.6855 14.0055 48.9511 38.3873 0.0160 积算法 半周积20.2916 431.5086 21.2654 __ 38.5794 43.4036 0.0780 分算 法 傅氏算19.1438 422.0225 22.0449 --- 0.1142 0.0052 0.216267 法 4.3六种保护算法对比分析 研究电力系统微机保护算法的目的在于找出好的算法,使之在满足工程精度和响应速度要求的前提下,尽可能减少数据采集量和计算时间,减少对输入数据的特定要求。对此,人们已经进行了大量的研究,提出了许多适于微机保护的计算方法。下面对常用的交流采样算法:两点乘积算法、半周积分算法、二阶导数算法、微分方程算法、傅氏算法、导数算法作简单介绍并分析其各自的优缺点。 1.半周积分算法的原理是一个正弦量在任意半个周期内绝对值的积分为一常数。对工频交流电而言，半周积分法需要的数据窗长度为T/2=10ms,算法本身有一定的滤波能力。偶次高频分量的正负半周在工频半周积分中完全相互抵销, 奇次谐波虽未能完全抵销, 但其影响也小多了,它不能抑制直流分量, 故必要时可另配简单的差分滤波器或用电抗变换器来削弱电流中非周期分量的影响。对于运算精度要求不高的保护而言, 使用该算法可以提高保护装置在严重故障情况下的动作速度。半周积分算法速度快，运算量少，适用于偏重速度的保护和元件。 32 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 2.二阶导数的特点:二阶导数是在一阶导数的基础上改进而获得的，所以大部分特点与一阶导数算法相似。其误差来源于一阶导一样，其计算参数也是由差分代替微分，需要的数据窗短，计算速度快。但是对于非标准正弦信号的时候，此算法的误差有时可达4.6%，故常可用于输入信号中暂态分量很小，或者计算精度要求不高的保护中。如若用于复杂保护中，则需要对输入信号进行滤波处理，但是，这样的话将使计算的总时间加长，计算量加大。 3. 解微分方程的两个突出优点是:不需要用滤波器滤除非周期分量和算法不受电网频率的影响。采用一窄带通滤波器与此配合，可以得到很高的精度，解决了微机距离保护中速度与精度的矛盾。 该算法存在两个缺点:一是对滤波器抑制高频分量的能力要求较高，二是对采样频率有较高的要求。解微分方程算法只能用于计算阻抗，因此多用于线路保护。 4. 傅氏算法:它的优点是精度高、滤波效果好能滤除直流分量，n/2次谐波分量, 且稳定性好。同时，此算法可用于求出谐波分量的幅值和相角，所以在微机保护中作为计算信号的幅值的算法被广泛采用。也是上述这些算法中，唯一一个当信号非标准正弦的周期信号下误差较小的算法。实际上，傅里叶算法是一种滤波方法，但是，为了求出正确的故障参数，需要一个周期内的n个采样数据，而且，一个周期的那些采样值必须是故障后的。因此该算法数据窗长度是一个周波，这在时间上比其他算法稍长，所以响应速度较慢。 5. 导数算法需要的数据窗口较短，该算法实质上是利用了正弦的导数与其自身具有90度相位差的性质,所以它与两点算法本质上是一致的。本算法主要应用于配电系统电压、电流的保护。 6.两点乘积算法对电路中电压和电流在任意时刻进行相隔4/T采样,通过计算获得电压和电流的有效值、有功功率和无功功率以及线路的阻抗。对工频交流电而言,两点乘积法的数据窗为T/4=5ms,它的优点是计算简单快速,倘若信号为纯正弦信号其计算误差为零，但是它同样没有滤波作用,而且受直流分量影响最大。两点乘积法对采样的时间要求精确等于T/4,否则将会产生误差。因此，两点乘积算法适用于正常运行状态时的监控。 结束语 微机保护算法是微机保护研究的重点, 微机保护不同功能的实现,主要依靠其不同的算 33 第四章 微机保护半周积分算法和两点乘积算法 法完成。本设计通过运用MATLAB对电力系统微机保护两点乘积算法进行算法仿真，在设计过程中，分别对纯正弦的电流和电压信号和非纯正弦的电流和电压信号进行两点乘积算法仿真，本设计第一步是电压和电流信号的设定，在设定电压和电流信号后，通过编写MATLAB程序实现对电力系统微机保护两点乘积算法进行算法仿真。在MATLAB算法仿真中求取电压信号和电流信号的有效值、线路阻抗值和阻抗角以及功率因数，再将信号通过算法仿真计算所得各电气量数据与信号理论数据相比进行误差分析，最后将两点乘积算法通过算法仿真所得数据与半周积分算法、导数算法、二阶导数算法、微分方程算法、傅氏算法等五种算法通过算法仿真所得数据进行对比分析，比较各个算法的优缺点得出其所适用的范围是两点乘积算法适用于正常运行状态时的监控;半周积分算法适用于偏重速度的保护和元件;导数算法主要应用于配电系统电压、电流的保护;二阶导数算法适用计算精度要求不高的保护中;解微分方程算法多用于线路距离保护;全周傅氏算法适用于偏重精度和反应谐波分量的保护。 参考文献 [1]张保会?电力系统继电保护[M]?北京:中国电力出版社，2005 [2]许建安?电力系统微机继电保护[M]?北京:中国水利水电出版社，2003 34 南昌工程学院本科毕业设计(论文) [3]杨奇逊?微型机继电保护基础[M] ?北京:电力工业出版社，1987 [4]陈德树?微机继电保护[M]?北京:中国水利水电出版社，2000 [5]路文梅?变电站综合自动化技术[M]?北京:中国电力出版社,2007 [6]黄益庄?变电站综合自动化技术[M]?北京:中国电力出版社，2000 [7]丁 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 文?变电站综合自动化技术[M]?北京:中国电力出版社，2005 [8]张瑞丰?精通MATLAB6.5[M]?北京:中国水利水电出版社，2004 [9]苏金明?MATLAB适用教程(第二版)[M]?北京:电子工业出版社，2008 [10]李家坤?微机保护算法综述[J]?长江职工大学学报，2003，(20):41~43 [11]郭自刚?微机保护算法及软件设计[J]?大众用电，2004，(5):40~41 [12]杨丽图?电力系统微机保护算法的研究[J]?郑州工业大学学报，1998，(3)13~17 致谢 经过两个多月的忙碌和工作，本次毕业设计已经顺利完成，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，以及一起工作 35 参考文献 的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 本文是在章老师的悉心指导下完成的。承蒙章老师的亲切关怀和精心指导，虽然有繁忙的工作，但仍抽出时间给予我学术上的指导和帮助，特别是给我提供了良好的实验环境，使我从中受益非浅。章老师对学生认真负责的态度、严谨的科学研究方法、敏锐的学术洞察力、勤勉的工作作风以及勇于创新、勇于开拓的精神是我永远学习的榜样。在此，谨向章老师致以深深的敬意和由衷的感谢。 其次，还要感谢大学四年来所有指导过,教育过我的老师们，正是你们不倦的教诲,使我打下了扎实的专业基础;同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。 附图一:纯正弦的电流和电压信号波形图 36 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 附图二:非纯正弦的电流和电压信号波形图 37