1、,电力系统新型继电保护,电力系统保护与控制：,继电保护的发展/微机保护,电力工程系 焦在滨2013年4月,主要内容：,继电保护的基本概念-以三段电流保护为例继电保护的发展历史微机保护的硬件微机保护的算法微机保护的抗干扰,继电保护的基本概念：,电力系统继电保护是继电保护技术和继电保护装置的统称继电保护技术是一个完整的体系，其主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计、继电保护运行及维护等环节构成,继电保护的基本概念：,继电保护装置是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。,继电保护的基本任务：,自动、快速、有选择性地将故障元
2、件从电力系统中切除，并最大限度地保证其他无故障部分迅速恢复正常运行对电气元件的不正常运行状态作出反应，并根据运行维护规范和设备承受能力动作，发出告警信号,识别故障，动作于跳闸反映不正常工作状态，动作于信号或跳闸,继电保护的基本要求：,选择性速动性灵敏性可靠性,Reliability, dependability and securitySelectivity of relaysRelay speedPrimary and backup protectionSingle- and three-phase tripping and reclosing,继电保护的基本思想：,电力系统故障的特征：电流
3、增大、电压降低、电压电流相位角变化、测量阻抗变化、流入与流出电流不相等、出现负序和零序分量、出现温度升高、气体等。,继电保护原理： 过电流保护、低电压保护、方向保护、阻抗/距离保护、差动保护、序分量/故障分量保护、非电量保护。,继电特性：,三段式电流保护：,三相短路 f（3）,两相短路 f（2）,电流I段整定原则：,电流I段保护：,电流II段保护：,电流II段保护：,电流II段整定原则：,电流III段保护：,电流III段整定原则：,对阶段式电流保护的评价：,保护范围受-和-的影响大需要按照-运行方式下发生-来整定，需要按照-运行方式下发生-来校验。电流速断保护靠-来满足选择性；限时电流速断保护
4、靠-来满足选择性；过电流保护靠-来满足选择性。,继电保护思想的实现：,以电磁式继电器为例,继电保护的发展历史：,继电保护的发展历史：,计算机在继电保护中的应用：（国际）,20世纪60年代末期，开始倡议用计算机构成继电保护。20世纪70年代，掀起了研究热潮。20世纪70年代末期，开始进入实用化阶段。1979年后，推出各种定型的商业性微机保护产品，并迅速推广。,计算机在继电保护中的应用：（国内）,70年代后半期开始，对国外计算机继电保护的发展作了广泛的介绍和综述分析。70年代末至80年代初广泛地开展各种算法以至样机的研制。1984年，华北电力学院杨奇逊教授主持研制的第一套微机距离保护样机在河北马头
5、电厂投入试运行1986年，全国第一台微机高压线路保护装置投入试运行。,计算机在继电保护中的应用：（国内）,1987年9月26日，微机距离保护经受人工短路考验。目前，高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。在微机保护和网络通信等技术结合后，变电站自动化、配网自动化系统也已在全国系统中广泛应用。,历史上，不少权威人士曾对计算机技术的发展做过许多错误的预计,1950年，IBM公司在一份市场预测报告中预言“全世界对计算机的需求不会超过6台”。1978年，即IBM PC推出的前二年，DEC公司总裁曾说，他不能想象人们会要求在家里有台计算机。80年代中，比尔盖茨曾说：计算机内存超过640K是没有意义的
6、。,未来几年内，微机保护发展趋势：,从应用上，向高可靠性、简便性、开放性、通用性、灵活性和动作过程透明化方向发展。从原理上，向智能化、模块化、网络化和综合化方向发展。,薄志谦、张保会、董新洲、和敬涵、林湘宁、曾祥君、李斌，保护智能化的发展与智能继电器网络J，电力系统保护与控制，41（2）：1-12，2013,微机保护的特点：,维护调试方便保护功能是由程序完成，只要程序和设计时一样，就必然会达到设计时的要求，不用逐台检验每一种功能是否正确。微机保护具有很强的自检功能，一旦发现硬件损坏就会发出警报。,微机保护的特点：,可靠性高可靠性是继电保护的基本要求，通过不断的完善，微机保护的可靠性已经完全能够
7、满足电力系统的要求。易于获得附加功能可以通过配置的打印机、显示屏、网络提供电力系统故障后的多种信息，有助于运行部门对事故的分析和处理。灵活性大只需通过改变软件来改变保护性能和功能保护性能得到很好改善充分利用计算机的智能特点,微机保护的举例：,微机保护的结构：,CPU板,微机保护的硬件构成：,微机保护的硬件构成：,模拟量输入系统（数据采集系统）电压形成、模拟滤波、采样保持(S/H)、多路转换(MPX)以及模数转换(A/D)，完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量。CPU主系统微处理器(MPU)、只读存储器(ROM)或闪存内存单元(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、定时器、并行以及串行接口
8、等。MPU执行编制好的程序，以完成各种继电保护测量、逻辑和控制功能。,微机保护的硬件构成：,开关量（数字量）输入/输出系统：并行接口(PIA或PIO)、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，完成保护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话等功能,数据采集系统：,电压形成回路,（1）输入电压的电压形成回路 把一次电压互感器输出的二次额定100V电压变换成最大5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用。 可以采用电压变换器实现。,（2）输入电流的电压形成回路 把一次电流互感器输出的二次额定5A/1A电流变换成最大5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用。 可以采用电流变换器或电抗变换器实现。,输入电压的电
9、压形成回路,原边与副边之间应当设置一个屏蔽层，提高抗共模干扰的能力）。,电压变换器（TV）,输入电流的电压形成回路,（1）电抗变换器：是一种铁心中有气隙的变压器。优点：铁心不易饱和，线性变换范围大。缺点：阻止直流、放大高频分量，使二次侧电压波形发生严重畸变。（2）电流变换器：是一种铁心闭合无气隙的变压器。优点：当铁心不饱和时，二次电流波形与一次侧相同。缺点：在电流非周期分量作用下容易饱和，线性度差。微机保护中一般采用电流变换器。,电力系统故障初期，电流、电压中可能含有相当高的频率分量（如2 kHz以上）。而目前大多数微机保护原理都是反映50Hz工频分量的。因此，在采样保持前用一个模拟低通滤波器
10、把高频分量过滤掉，防止高频分量混叠到工频来。 最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。,其中：,模拟低通滤波器,对采样的要求,当需要对2个及以上的电气量进行计算（ P、Q、cos、Z、方向元件）时，要求同时采样，避免引入不同是导致的误差。,采样频率的选择原则：满足采样定理信号计算的要求要求在采样间隔之内完成A/D转换、数据的读取和存储，并留出裕度,几种采样电路,速度要求适中，经济,快速采样，成本高。采用高速A/D后，甚至可以取消S/H,几种采样电路,分组方式兼顾速度要求和成本。,转换时间（转换频率），A/D转换器进行模数转换的时间 ，其转换频率为 ，影响A/D的最高采样频率。,转换位数（分辨率
11、） ，通常用数字量的位数来表示。,当用有限位数的二进制数来表示连续的模拟量瞬时值，不可避免地要舍去比最低位（LSB）更小的数，从而引入一定误差。对于一个n位的A/D转换器，其量化误差其中， 是A/D转换器最大允许输入的正电压。,微机保护对A/D转换器的主要要求,A/D转换器举例,模数转换器AD7665是一种逐次逼近型的16位快数数模转换器，转换速率是500kSPS（Samples Per Second），即进行一次模数转换的时间为1/500K=2uS。,A/D7665模数转换器 Analog Devices 公司生产,芯片外观,芯片内部结构示意图,光电耦合器：把发光器件和光敏器件组合在一起，实
12、现以光信号为媒介的电信号变换。由于发光器件和光敏器件之间相互绝缘，所以可以实现输入和输出两侧电路之间的电气隔离。在微机保护中常用光电耦合器来输入或输出开关量信号。,光电耦合器,开关量输入及输出回路：,开关量：即接点状态信号，接通或断开（识别外部条件）。,安装在装置面板上的接点信号输入，这类信号可以直接接至微型机的并行口。,开关量输入回路,对微机保护装置的开关量输入可以分为2类：,从装置外部经过端子排引入的接点信号输入。为了抑制干扰，这类接点必须要经过光电耦合器进行电气隔离，然后接至并行口。,对于保护跳闸出口信号（及本地信号）的输出，一般采样并行口经过光电耦合器控制继电器的方式。对于重要的保护跳
13、闸出口信号，为了防止误发信号，还需要增加与非门环节。,开关量输出回路 以保护跳闸回路为例,微机保护跳闸出口回路典型电路,1、告警继电器K1不动；2、起动继电器K2动作；3、光电耦合器导通；4、持续时间大于3ms。,跳闸要满足的条件：,数字信号处理器（DSP，即Digital Signal Processor）是进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的新器件。DSP的特点：1、哈佛结构，获得高速运算能力。浮点运算90亿次/S。2、采样流水线技术，保证取指令和执行支路同时进行。3、具有独立的硬件乘法器。4、具有多处理器接口。 DSP具有强大、快速的数
14、据处理能力和定点、浮点运算功能，因此将DSP融合到微机保护中，将大大提高微机保护的计算性能和速度。,CPU主系统（DSP）,WXH-803微机保护装置硬件介绍,通用的DSP型保护模块 32位浮点DSP技术 16位AD转换 256K16的数据存储区 16通道数字量输入 16通道模拟量输入输出 6层印制板及表面贴装技术,通用的人机接口模块 AM186ES/40M嵌入式微处理器 128*128图形液晶显示器 作为监控系统的智能终端,WXH-803微机保护装置硬件介绍,对经过采样和模数转换变成数字量的信号进行某种数学运算，取得信号中的有用信息，而去掉信号中的无用成分。,数字滤波器,与模拟滤波器比较，数
15、字滤波器的优点：特性一致性好。模拟滤波器存在元件特性的差异，而数字滤波器只要保证程序一样，特性也完全一致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不存在阻抗匹配的问题灵活性好。只要改变数字滤波器的计算公式或改变某些系数，即可改变滤波器的特性。精度高。通过增长计算字长位数，就可提高计算精度。,数字滤波器举例,设一个模拟信号表达式为，试提取工频量。,（1）A/D转换器对输入模拟信号进行采样。设采样间隔为经过采样后得到一组离散化后的采样值 。,（2）利用数字滤波器对离散化的采样值数字序列进行处理，具体的运行公式为：,将输入信号和滤波器的单位冲激响应作卷积而实现的一类滤波器。即：,非递归
16、型数字滤波器的单位冲激响应必须是有限长的，即从0到N，共N+1个冲激序列值。非递归型数字滤波器必定是有限冲激响应滤波器（FIR）。 在微机保护中，为了加快动作速度，一般都采用非递归型数字滤波器来进行滤波处理。,非递归型数字滤波器,递归型数字滤波器:将前几次的输出值 、 作为输入来求下一时刻输出的数字滤波器。,递归型数字滤波器由于有了递归（反馈），就有了记忆作用，都是无限冲激响应滤波器，简称IIR。,递归型数字滤波器,微机保护的算法,微机保护装置根据模数转换器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称为算法。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
17、计算出保护所反映的量值，然后与定值进行比较。直接模仿模拟型继电保护的实现方法，根据动作方程来判断故障是否在动作区内，而不具体计算保护所反映的量值。,假定输入为正弦量的算法,假定原始数据为纯正弦量的理想采样值：, 角频率, 电流有效值, 采样间隔, n=0时的电流相角,两点乘积算法,通过任意两个电气角度相隔90的瞬时值，可以计算出该正弦量的有效值和相位。,设i1和i2分别为n1Ts和n2Ts时刻的采样值，则有：,利用两点乘积算法构造距离保护,设i1，i2和u1，u2分别为n1Ts和n2Ts时刻的电压和电流采样值，则有：,距离保护的另外一种实现方法：,则：,由电压、电流的相量形式为：,已知 n1T
18、s时刻电流的采样值和微分值为：,则：,导数算法,微分值的求法,在微机保护中，经常采用差分运算来代替微分。,则相应点的采样值要用平均求和来代替。,利用已知的一个正弦量在任意半个周期内绝对值的积分为一常数S，来计算该正弦量的有效值大小。,半周积分算法,用平均值近似代替瞬时值，用差分值代替微分值，用梯形法则近似求积分，这些近似替代会带来算法的误差。,用平均值代替瞬时值的误差分析：,误差分析,用差分值代替微分值的误差分析：,误差分析,其中，基波分量：,傅里叶级数算法,DFT and Phasor Representation,DFT and Phasor Representation,DFT and
19、Phasor Representation,For fundamental frequency component,Formulas for updating phasors- Nonrecursive,Formulas for updating phasors- Nonrecursive,Formulas for updating phasors- Recursive,Formulas for updating phasors- Recursive,New definition of phasor,Formulas for updating phasors- Recursive,“Recur
20、sive Algorithm” for estimating phasors,Formulas for updating phasors- Recursive,Formulas for updating phasors- An Example,Consider the 60Hz signal:Sampled at the rate of 12 samples per cycle, that is at a sampling frequency of 720Hz.,Phasor and Phasor Estimation,Formulas for updating phasors- An Exa
21、mple,半周傅氏算法,半周傅氏算法就是采用两个半周的基频正弦和余弦滤波器构成的，其计算a1和b1的表达式和全周傅氏算法类似。,傅氏算法的滤波特性,全周傅氏算法的传递函数：,全周傅氏相量滤波器幅频特性,傅氏算法的滤波特性,半周傅氏算法的传递函数：,半周傅氏相量滤波器幅频特性,两点乘积算法要求用一个50Hz带通滤波器获得正弦基波量，然后利用滤波器相隔5ms的两点输出，计算有效值和相位。傅氏算法则是同时利用两个对基频信号的相移相差90的数字滤波器，a1(t)超前b1(t)为90。所以，傅氏算法中的b1(t)相当于两点乘积法中的第一点i1或u1，a1(t)相当于第二点的i2或u2。,对比两点乘积算法
22、和傅氏算法后，可见傅氏算法不用等5ms，而且具有较强的滤波能力。因此，傅氏算法在微机保护中获得了广泛的应用。,傅氏算法和两点乘积算法的统一,将输入的暂态电气量与一个预设的含有非周期分量及某些谐波分量的函数按最小二乘方（或称最小平方误差）的原理进行拟合，使被处理的函数与预设函数尽可能逼近，其总方差E2或最小均方差EminN为最小，从而可求出输入信号中的基频及各种暂态分量的幅值和相角。,假定在故障时，输入暂态电流中包含有非周期分量及小于5次谐波的各整次倍的谐波。将一预设的电流时间函数取为：,最小二乘方算法,对于 来说，每一个采样值都应满足上式。如果取得 的N点采样值： 、 、 ，就可以得到N个方程
23、，用矩阵表示为：,对“最小二乘方算法”的评价,1、可以任意选择拟合预设函数的模型（1）可以消除输入信号中任意需要消除的暂态分量（包括衰减的直流分量和各种整次谐波，甚至分次谐波），因此这种算法可能获得很好的滤波性能和很高的精度（2）可以利用一个预设模型拟合，同时计算出输入信号中各种所需计算的分量2、算法的精度和计算时间与采样率、数据窗的大小、时间参考点的合理选择有密切关系,用复指数函数的一个线性组合来描述等间隔采样数据的数学模型,采样频率为Ts时的离散形式,Prony和矩阵束算法,Prony模型,电力系统暂态过程中，除工频电气量外，还含有大量的衰减直流量、衰减正弦量,Prony模型,衰减正弦量可
24、由一对共轭复指数函数的线性和表征,衰减直流量可由wk=0的复指数函数表征无衰减的分量可由ak =0的复指数函数表征,Prony模型可更好的表征电力系统暂态过程,由欧拉公式,将电气信号代入Prony模型,Prony模型计算,非线性方程组，求解困难,对于x(n)来说，每一个采样值都应满足上式。如果取得 的N点采样值： x(0) 、 x(1) 、 x(N-1) ，就可以得到N个方程，用矩阵表示为：,Prony模型计算,非线性项wk和a k的求解,Prony算法,非线性方程组转化为一元高次方程的求解,矩阵束算法,非线性方程组转化为广义特征值的求解,求得wk和a k后，代入原非线性方程组，化为线性方程组
25、,采用线性最小二乘求解Ak和q k,矩阵束算法,将信号序列写成两个Hankel矩阵的形式,简化模型，分离非线性项和线性项，将信号模型写作,矩阵束算法,将信号模型代入Hankel矩阵,矩阵束算法,两Hankel矩阵可做如下分解,其中,矩阵束算法,构造一个新的矩阵Y2-lY1，称做矩阵束,若l=zk,有,即，zk为Y2-lY1的广义特征值,求解构造的矩阵束的广义特征值，即可得到zk,广义特征值可转化为Y1+Y2的特征值的求解Y1+为Y1的伪逆,矩阵束算法,将zk代入原方程组，采用线性最小二乘求解Rk,进而可得原始电气信号的各个分量的频率wk 、衰减a k 、幅值Ak 、相位q k,矩阵束算法的推广
26、,二元矩阵束,利用电压电流频点的一致性求阻抗,快速相量提取,构造基准矩阵，只求单一频点，矩阵降为2阶,Prony和矩阵束的性能,提取原始信号中真实频点的信号幅值和相位,短窗情况下也可获得较高精度,不受频率偏移的影响,非线性计算，稳定性有待提高,各算法性能比较,算法时间复杂度半波傅氏：O(nlog2n)最小二乘：O(n2)快速相量：O(n3),算法精度半波傅氏：偶次谐波模型最小二乘：整次谐波、直流衰减快速相量：Prony模型,对于输电线路而言，从故障点到保护安装处的线路可用电阻和电感串联电路来表示，即把输电线路等效为RL模型。,R-L模型距离保护算法,对于方程式：,在不同采样时刻时，u、i和 都
27、是可以测量或者计算到的，因此式中未知数仅为R1、L1。,在两个不同时刻t1、t2分别测量u、i 和 ，就可以得到：,则有：,由于三相线路间有互感的影响。对于不同的故障类型，选取不同的电压、电流来构成方程式。,（1）对于相间短路，应用u，i ，如：uab，ia-ib。（2）对于单相接地短路，取经过零序电流补偿的相电压及相电流。即：,其中，零序电阻补偿系数： 零序电感补偿系数：,三相系统的测距方程,R-L模型算法的适用频带分析,（1）不必滤除非周期分量，因此算法的总时窗较短；（2）不受电网频率变化的影响；（3）受信号的噪声影响比较大。,对“R-L模型算法”的评价,各种算法都有应用的价值，选择哪种算法需要根据对保护功能的要求、应用场合以及可能配备的硬件情况来确定。（1）对输入信号为纯基频分量的一类算法来说，由于算法本身所需的数据窗很短（如最少只要两、三点采样），计算量很小，因此常可用于输入信号中暂态分量不丰富或计算精度要求不高的保护中，如直接应用于低压网络的电流、电压后备保护中。（2）全周傅氏算法、最小二乘方算法和R-L型算法都有用于构成高压线路阻抗保护的实例，各有其特点。,算法的选择,谢谢！,
