電力微機距離保護畢業(yè)論文

1、學號_班級_武漢大學本科畢業(yè)論文輸電線路微機距離保護裝置的設(shè)計院（系）名稱：專 業(yè) 名 稱：學 生 姓 名：指 導 教 師：二一二年三月鄭重聲明本人呈交的學位論文，是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 摘 要本畢業(yè)設(shè)計的宗旨是為了系統(tǒng)地掌握電力系統(tǒng)繼電保護原理電力系統(tǒng)、分析等課程中與本設(shè)計相關(guān)的知識，通過查閱微機型繼電保護基礎(chǔ)等參考資料，能

2、夠掌握微型機繼電保護裝置軟件結(jié)構(gòu)原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一套高壓線路微機距離保護。本設(shè)計主要內(nèi)容有：高壓線路距離保護及特性、微機保護算法設(shè)計、微型機距離保護的軟件設(shè)計、微型機可靠性設(shè)計、抗干擾等。本設(shè)計從微型機繼電保護在電力系統(tǒng)實際應用出發(fā)，以微型機繼電保護規(guī)程為依據(jù)，在設(shè)計中介紹了計算機保護幾十年來的發(fā)展，微機保護的基本構(gòu)成以及計算機保護的特點；高壓線路距離保護原理及微機保護動作特性、整定方法和判別方程。設(shè)計了高壓線路微機距離保護的軟件程序及算法設(shè)計，并設(shè)計了提高微型機繼電保護裝置的抗干擾措施，從而設(shè)計出了一套基本功能完備的高壓線路距離保護。關(guān)鍵詞：距離保護；算法；軟件；抗干擾；可靠性Abs

3、tract The aim of this paper is to master knowledge of some curriculums, for instance power system analysis，Power System Relay Protection etc associating with this paper, and master software based on microcomputer protection, through referring to references of the base of microcomputer protection and

4、 so on .Then a suit of distance protection based high voltage power system is designed.The main contents of This paper are composed of the distance protection and characteristic based high voltage power system、designed on hardware of microcomputer distance protection、designed on reliability of micro

5、computer etc.Based on the regulations of microcomputer based protection setting from actual application in power system, this paper introduce the development structure and characteristic of microcomputer protection distance protection based high voltage power system and operation characteristics tur

6、ning method and discriminant equation of microcomputer protection software programme and design of an algorithm for high voltage power system protection are designed ,at one time ,this thesis recommend measure enhancing anti-interference for microcomputer protection, then a suit of self-contained di

7、stance protection based high voltage power system is designed.Key Words: distance protection hardware algorithm software anti-interference reliability.目 錄第一章 緒論1.1 電力系統(tǒng)繼電保護的作用和意義 71.2 距離保護的發(fā)展現(xiàn)狀 81.3 輸電線路微機保護的發(fā)展歷史 91.4 線路微機保護發(fā)展趨勢 10第二章 微機保護2.1 微機保護具有的特點 122.2 計算機保護的基本構(gòu)成 14第三章 高壓線路距離保護3.1 距離保護的作用原理 16

8、3.2 微機型阻抗保護特性分析 17第四章 計算機繼電保護的算法設(shè)計4.1 概述 224.2 算法舉例 22第五章 微型機距離保護的軟件設(shè)計5.1 軟件設(shè)計總框圖 265.2 程序模塊介紹 28第六章 提高微機保護裝置可靠性設(shè)計6.1 總述 356.2 干擾源356.3 防止干擾進入微機保護裝置的對策366.4 抑制竄入干擾影響的軟、硬件對策 396.5 提高可靠性的其他措施 40致 謝 42參考文獻43第一章 緒論1.1 電力系統(tǒng)繼電保護的作用和意義電力系統(tǒng)在運行過程中常會出現(xiàn)故障和一些異常運行狀態(tài)與故障狀態(tài)，其中不正常運行狀態(tài)是指電力系統(tǒng)中電氣元件的正常工作遭到破壞，各電氣元件的運行參數(shù)偏

9、離了正常允許的工作范圍，但沒有發(fā)生故障的運行狀態(tài)。最為常見的不正常運行狀態(tài)有：因電流超過供電元件的額定值引起的過負荷、發(fā)電機突然甩負荷引起的過電壓運行、系統(tǒng)中有功缺額引起的頻率降低、電氣元件溫度過高、系統(tǒng)震蕩等。故障狀態(tài)包括三相短路、兩相短路、單相接地短路、兩相接地短路、發(fā)電機和電動機以及變壓器繞組間匝間短路、單相斷線、兩相斷電等，以及由上述幾種故障組合而成的復雜故障。其中，最常見且最危險的是各種類型的短路故障。電力系統(tǒng)中由電氣原件發(fā)生短路故障時，可能造成下列嚴重后果：故障點通過較大的短路電流，引燃電弧，使故障原件損壞或燒毀。比正常工作電流大許多的短路電流產(chǎn)生的熱效應和電動力效應，使故障回路中

10、的設(shè)備遭到損壞或縮短設(shè)備使用年限。部分電力系統(tǒng)的電壓大幅度下降，使用戶的正常工作遭到破壞，影響產(chǎn)品質(zhì)量。破壞電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，甚至引起整個系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電的惡性事故。而這些現(xiàn)象會發(fā)展成事故，使整個系統(tǒng)或其中一部分不能正常工作，從而造成對用戶少送電，停止送電或電能質(zhì)量降低到不能容許的地步，甚至照成設(shè)備損壞和人身傷亡。而電力系統(tǒng)各元件之間是通過電或磁建立的聯(lián)系，任何一元件發(fā)生故障時，都可能立即在不同程度上影響到系統(tǒng)的正常運行，因此，切除故障元件的時間常常要求短到 1/10S 甚至更短，而這個任務(wù)靠人是不可能完成的，所以要有一套自動裝置來執(zhí)行這一任務(wù)。我們稱之為繼電保護。

11、繼電保護的基本任務(wù)是：當電力系統(tǒng)中某電氣元件發(fā)生故障時，能自動、迅速、有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，避免故障元件繼續(xù)遭到破壞，使非故障元件迅速恢復正常運行。當系統(tǒng)中電氣元件出現(xiàn)不正常運行狀態(tài)時，能及時反應并根據(jù)運行維護的條件發(fā)出信號或跳閘。反應不正常運行狀態(tài)的繼電保護裝置，一般不需要立即動作，允許帶一定的延時。綜上所述，繼電保護在電力系統(tǒng)中的主要作用是通過預防事故或縮小故障范圍來提高系統(tǒng)運行一種重要的反事故措施。在現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)中，如果沒有繼電保護裝置，就無法保證電力系統(tǒng)的正常運行。1.2距離保護的發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)繼電保護現(xiàn)狀1984 年原東北電力學院研制的輸電線路微機保護裝置首次通過鑒

12、定，并在系統(tǒng)中獲得應用，揭開了我國繼電保護發(fā)展史上新的一頁，為微機保護的推廣開辟了道路，在設(shè)備保護方面，關(guān)于發(fā)電機失磁保護、發(fā)電機保護和發(fā)電機變壓器組保護、微機線路保護裝置、微機相電壓補償方式高頻保護、正序故障分量方向高頻保護等也相繼通過鑒定，至此，不同原理、不同機型的微機線路保護裝置為電力系統(tǒng)提供了新一代性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護裝置。到 90 年代，隨著微機保護裝置的研究，在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果，因此，我國幾點保護技術(shù)進入了微機保護時代。 國外繼電保護現(xiàn)狀國外的繼電保護已經(jīng)走過一個多世紀的歷程。上世紀 90 年代，隨著微機保護的發(fā)展，不斷有新的改善繼電保

13、護性能原理和方案出現(xiàn)，這些原理和方案同時也對微機保護裝置硬件提出了更高的要求。由于集成電路和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，微機保護裝置硬件的發(fā)展也十分迅速，結(jié)構(gòu)更加合理，性能更加完善。近年來，與微機保護領(lǐng)域密切相關(guān)的其他領(lǐng)域的飛速發(fā)展給微機保護帶來了全新的革命。國外微機保護發(fā)展了近 15 年，精力了三代保護設(shè)計上的更新?lián)Q代，并以微機處理器技術(shù)與多種已被提出并被可靠證明和廣泛應用的算法相結(jié)合為基礎(chǔ)，不斷為新型微機保護的開發(fā)和完善創(chuàng)造著良好的實現(xiàn)條件。1.3 輸電線路微機保護的發(fā)展歷史自 1901 年第一代機電型感應式過電流繼電器在電力系統(tǒng)應用以來，繼電保護技術(shù)的發(fā)展已歷經(jīng)一個多世紀。隨著人們認識的不斷深

14、入，不同的保護原理相繼提出，如差動保護（1908 年） 方向電流保護、（1910 年） 距離保護、（1923 年）、高頻保護（1927 年）等。在繼電保護原理研究不斷取得進展的同時，繼電保護裝置的實現(xiàn)技術(shù)也發(fā)生了重大的變革，經(jīng)歷了機電式、整流式、晶體管式、集成電路式、微處理機式等不同的發(fā)展階段。計算機在繼電保護領(lǐng)域里的應用是繼電保護發(fā)展史上一個重要的里程碑。微機繼電保護的研究始于上個世紀六十年代。1965 年初，英國劍橋大學的 P. G.McLaren 等提出利用采樣技術(shù)實現(xiàn)輸電線路的距離保護。隨后，澳大利亞新南威爾士大學的 I. F. Morrison 等學者對計算機技術(shù)在保護和變電站控制領(lǐng)

15、域的應用問題進行了探討，并對相關(guān)保護算法進行了理論研究。1969 年前后，美國西屋公司的 G. D. Rockefeller 等開始進行具體裝置的研制，并于1972 年發(fā)表該裝置的試運行樣機的原理結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場實驗結(jié)果。但自從六十年代計算機保護概念提出開始，到七十年代末，由于受當時計算機技術(shù)水平和價格的限制，計算機繼電保護的研究重點主要是不同保護原理的實現(xiàn)方式和算法，除少量的試驗裝置外，計算機保護沒有在電力系統(tǒng)中得到廣泛采用。隨著計算機技術(shù)的不斷進步，特別是微處理器技術(shù)的成熟和應用，極大地推動了計算機保護技術(shù)的發(fā)展。20 世紀 80 年代，以微處理器為核心的微機保護在硬件結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)方面已趨成熟

16、，微機保護開始在工業(yè)發(fā)達國家中得到推廣應用。我國對微機保護的研究從 20 世紀 70 年代末開始。雖然起步相對較晚，但由于受到科研和運行部門的高度重視，因此，無論是在理論研究，還是在實現(xiàn)技術(shù)研究方面均得到了快速發(fā)展。1984 年上半年，華北電力學院研制的第一套以6089(CPU)為基礎(chǔ)的保護樣機投入運行。標志著我國繼電保護的開發(fā)進入了重要的發(fā)展階段。進入 20 世紀 90 年代以后，微機型保護在我國已得到大量應用，成為了繼電保護裝置的主要形式。微機型保護具有強大的數(shù)字計算和邏輯判斷能力以及優(yōu)良的信息記憶能力，為傳統(tǒng)保護原理的改善以及新原理的應用提供了良好硬件支持。此外，微機型保護易于實現(xiàn)較完善

17、的硬件自檢和軟件自檢功能，有助于提高其抗干擾能力和運行的穩(wěn)定性。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，微機保護的智能化水平不斷提高，故障錄波、事件記錄、故障測距以及數(shù)據(jù)通訊等輔助功能也得以在保護中實現(xiàn)，這極大地簡化了保護的運行維護管理，同時也為事故分析和事故后的處理提供了極大方便。由于微機型保護裝置具有的巨大優(yōu)越性和潛力，因而已取代傳統(tǒng)的模擬式保護，成為繼電保護的主流形式。1.4 線路微機保護發(fā)展趨勢當前，高壓微機線路保護的保護趨勢，由實用觀點來看，主要有以下幾個方面：信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應用當代計算機網(wǎng)絡(luò)作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為信息時代的技術(shù)支柱，使人類生產(chǎn)和社會生活的面貌發(fā)生了根本變法。它

18、深刻影響著各個工業(yè)領(lǐng)域，也為各個工業(yè)領(lǐng)域提供了強有力的信息交互手段。從微機保護的發(fā)展和近年來電力系統(tǒng)的新要求來看，大量的利用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也將是未來微機保護的技術(shù)特點之一。自適應保護自適應保護的基本思想是根據(jù)電力系統(tǒng)的運行方式和故障狀態(tài)的變化來實時改變保護的性能、特性或定值。由于電力系統(tǒng)在運行過程中，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、參考等會隨時變化，繼電保護要在所有情況下保證選擇性，就要按最不利的情況計算整定值，因而靈敏度可能不滿足要求。計算機強大的記憶、計算和邏輯功能為自適應原理在幾點保護中的應用創(chuàng)造了條件。這個概念在距離保護、差動保護、過流保護、重合閘等方面都有廣泛的應用前景。它具有能夠改變系統(tǒng)響應，增強可靠性

19、、提高保護性能等有點。隨著理論研究的深入，更多的自適應方案將會出現(xiàn)，特別是隨著通信網(wǎng)絡(luò)的完善，自適應保護遠離將不再局限在保護判據(jù)、保護算法的自適應，整個電網(wǎng)繼電保護系統(tǒng)的自適應配置、定值的自適應在線調(diào)整等更大范圍、更復雜的自適應應用也有可能實現(xiàn)。第二章 微機保護2.1 微機保護具有的特點（1）維護調(diào)試方便傳統(tǒng)的電磁型、整流型或晶體管型繼電保護裝置的調(diào)試工作量很大，尤其是一些復雜的保護，例如超高壓線路的保護設(shè)備，調(diào)試一套保護常常需要一周，甚至更長的時間。這類保護都是布線邏輯的，保護的每一種功能都由相應的硬件器件和連線來實現(xiàn)。為確認保護裝置是否完好，就需要把所具備的各種功能都通過模擬實驗校核。微機

20、保護中，各種復雜的功能是由相應的軟件來實現(xiàn)，只要簡單的操作就可以完成微機保護的軟硬件調(diào)試，從而大大減輕運行維護工作量。（2） 可靠性高微機保護在程序指揮下，有極強的綜合分析和判斷能力，它可以實現(xiàn)常規(guī)保護很難辦到的自動糾錯，即自動識別和排除干擾，防止由于干擾而造成誤動作。微機保護具有自診斷功能，能夠自動檢測出本身硬件的異常部分，有效的防止拒動，具有很高的可靠性和抗干擾能力。（3）易于獲得附加功能微機保護可以配置打印和顯示功能，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，可提供相關(guān)信息，例如保護各部分 的動作順序和動作時間記錄，故障類型和相別及故障前后電壓和電流的波形記錄等。對于線路保護，還可以提供故障點的位置。這樣有助于

21、運行部門對事故的分析和處理。（4） 靈活性由于微機保護的功能特性主要由軟件決定，不同原理的保護可以采用通用的硬件，因此只要改變相應的功能軟件，就可以改變保護的特性和功能，從而靈活的適應電力系統(tǒng)運行方式的變化。（5）保護性能提高由于微機保護的應用，使很多原有繼電保護中存在的問題得以解決，例如對接地距離保護的允許過度電阻的能力，距離保護如何區(qū)別振蕩和短路，大型變壓器差動保護如何識別勵磁涌動和內(nèi)部故障等問題都已提出了許多新的原理和解決方法。（6） 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化微機保護具有很強的數(shù)據(jù)通信能力，微機保護裝置可通過通信接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，將所有信息傳至中心站，實現(xiàn)信息共享，集中管理和遠程操作維護。實現(xiàn)遙測、

22、遙控、遙信、遙調(diào)功能，提高設(shè)備管理水平，確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。從計算機保護出現(xiàn)以來，人們都不斷對它的發(fā)展、前途和優(yōu)缺點等作出過評述和估計。計算機保護的優(yōu)缺點如下優(yōu)點：程序可以實現(xiàn)自適應性，可按系統(tǒng)運行狀態(tài)而自動改變整定值和特性；有可存取的存儲器；在現(xiàn)場可靈活地改變繼電器的特性；可以使保護性能得到更大的改進；有自檢能力；有利于事故后分析；可與計算機交換信息；可增加硬件的功能；可在低功率傳變機構(gòu)內(nèi)工作。缺點：與傳統(tǒng)的保護有根本性的背離；使用者較難維護；要求硬件和軟件有高度可靠性；硬件很快成為過時；在操縱和維護過程中，使用人員較難掌握。微機保護的優(yōu)缺點既取決于技術(shù)方面，又與各國的技術(shù)經(jīng)濟

23、發(fā)展狀況有關(guān)。但計算機良好的記憶存儲能力和強大的運算能力，這兩個重要的優(yōu)點，正被廣泛引起重視。利用計算機的記憶能力，可以方便地獲取故障分量并保持較長時間且有較好的準確性。而在模擬式保護裝置，其記憶時間主是靠電感、電容元件的“慣性”來實現(xiàn)存儲的，而這些“慣性的存儲”是隨時間而衰減的，因此是定量地利用所記憶的電量來準確地獲取故障分量是不容易的。利用計算機的強有力的運算能力，可以將自動控制理論的一些成果引入繼電保護?；谶@些理論的應用，可以使繼電保護的動作特性從根本上得到一些改進。2.2 計算機保護的基本構(gòu)成傳統(tǒng)的繼電保護是利用各種繼電器等硬件構(gòu)成，如定時限過流保護是由過流繼電器、時間繼電器、信號繼

24、電器等組成；而微機保護是由硬件裝置和軟件構(gòu)成。從功能上來劃分，微機保護裝置可以分為 6 個部分：1.模擬量輸人系統(tǒng)（或稱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）；2.繼電功能回路（CPU 主系統(tǒng)）；3.開關(guān)量輸入/輸出回路；4.人機接口回路；5.通信回路；6.電源回路。圖 2-1 微機距離保護裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖微機繼電保護的主要部分是計算機本體，它被用來分析計算電力系統(tǒng)的有關(guān)電量和判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障，然后決定是否發(fā)出跳閘信號。因此，除計算機本體外，還必須配備自電力系統(tǒng)向計算機輸入有關(guān)信息的輸入接口部分和計算機向電力系統(tǒng)輸出控制信息的輸出接口部分。第三章 高壓線路距離保護3.1 距離保護的作用原理距離保護是反應故障點至保

25、護安裝處之間的距離（或阻抗），并根據(jù)距離的遠近而確定動作時間的一種保護裝置。實際上是測量保護安裝處至故障點之間的阻抗大小，故有時又稱阻抗保護。實質(zhì)是用整定阻抗 Zdz 與測量阻抗 Zcl 比較。當短路點在保護范圍以內(nèi)時，即 Zcl Zdz 時，保護動作；反之保護不動作。因此，距離保護又稱低阻抗保護。如圖圖 3-1 距離保護又稱為低阻抗保護 距離保護的時限特性距離保護的動作時間與保護安裝處至故障點之間距離的關(guān)系，稱為距離保護的時限特性。為了保證選擇性，廣泛應用的是階梯形時限特性，這種時限特性與三段式電流保護的時限特性相同，一般也做成三階梯式，即有與三個動作范圍相對應的三個動作時限。圖 3-2 距

26、離保護的三個動作范圍相對應的三個動作時限（1）距離保護第段（距離段）為無延時的速動段，其動作時限僅為保護裝置的固有動作時間。段的保護范圍不能延伸到下一線路中去，而為本線路全長的 80%85%，動作阻抗整定為 80%85%線路全長的阻抗。（2）距離保護第段（距離段）為帶延時的速動段，為了有選擇性地動作，距離 II 段的動作時限和啟動值要與相鄰下一條線路保護的 I 段和 II 段相配合。（3）距離保護第段（距離段）距離 III 段為本線路和相鄰線路(元件)的后備保護，其動作時限的整定原則與過電流保護相同，即大于下一條變電站母線出口保護的最大動作時限一個t ，其動作阻抗應按躲過正常運行時的最小負荷阻

27、抗來整定。3.2 微機型阻抗保護特性分析在繼電保護技術(shù)中，阻抗保護占有相當重要的地位。微機型阻抗保護也是分析微機保護的主題。1 理想的阻抗保護動作特性設(shè)在圖 3-2A 所示的網(wǎng)絡(luò)中的 3DL 上裝阻抗保護，將線路阻抗表示在復平時如圖 3-2B 所示的 MN，以 3DL 上阻抗第段保護為例，設(shè)整定阻抗為 ZS 處故Rg 則理想的阻抗保護動作特性應該是以 ZS 為一個邊， 為障點的過渡電阻為 Rg ；另一個邊所圍成的平行四邊形（圖 3-2B 中的 ABCO）,這樣在保護范圍內(nèi)故障時，保護都能可靠地動作。但上述特性用于實際時，有兩個嚴重的缺點：其一，在保護出口三相對稱短路時會出現(xiàn)死區(qū)；其二，是在下級

28、出口（圖 3-2 中 K2 點）短路時，保護可能會超越性動作。為此，對上述平行四邊特性必須加以修正。在傳統(tǒng)的保護中，大多是修正成圓特性（圖 3-3）所示。從圖 3-3 可看出，平行四邊形超越動作的部分被“切掉”即不會發(fā)生超越性動作；但抗過渡電阻的能力卻明顯下降，特別是在保護出口處故障，抗過渡電阻的能力更差。傳統(tǒng)的保護若是實現(xiàn)四邊形特性，接線將十分復雜，若是解決四邊形特性中的超越問題，實現(xiàn)起來以更困難了。改成圓特性后，超越問題得到很好的解決，且接線也比較簡單，但一直受抗 Rj 能力差困擾，也存在保護出口處三相短路時死區(qū)的問題。2 微機阻抗保護動作特性微機阻抗保護由于用軟件實現(xiàn)保護功能，最容易實現(xiàn)

29、多邊形特性，如圖 3-4。它可充分利用微機的強記憶功能和快速計算能力，根據(jù)各種算法在電壓和電流的相量采樣后，通過阻抗計算求得 X 和 R 分量值來確定故障點是否處于動作區(qū)內(nèi)。圖 3-4 中第二象限和第四象限的邊界線均傾斜 15o 角，是因為 tg15o1/4，實現(xiàn)最方便。為提高長線路避越負荷阻抗的能力，多邊形一邊與實軸夾角選定為60o。值的選擇原則以躲區(qū)外故障時的超越為準。為了解決正方向出口故障的死區(qū)問題，保證正方向出口可靠的動作，動作特性除了執(zhí)行多邊形特性外，還疊加了一個包括坐標圓點在內(nèi)的一個小矩形區(qū)域，二者構(gòu)成“或”的關(guān)系。圖 3-4 包括原點的阻抗動作特性 圖 3-5 微機阻抗原件動作特

30、性區(qū)域劃分除了小矩形之外的動作區(qū)域的判據(jù)，就不像常規(guī)距離保護那么容易，不能用一個簡單動作方程式來判別，其原因是特性不是一規(guī)則形狀，為此將其分成三個動作區(qū)域 A1、 A2、 A3，如圖 3-5 所示。3 計算阻抗落于動作區(qū)的判據(jù)由計算阻抗 Z cal (R.X)落于阻抗平面的 A1 區(qū)域內(nèi)時如圖 3-6 所示，過 Z 點作DC 和 CB 的平行線，分別與 R 軸、 jX 軸交于 B1 和 D1 點。因 B1 和 D1 的位置可由下述計算而得圖 3-6 計算阻抗落于動作區(qū)OB 1 = OG 1 B 1G 1 = R (3-1)OD 2 = OF + FD 2 = X + Rtg = X + 由此可

31、見計算阻抗 Z cal 落于動作區(qū)域的判據(jù)為OB1OBOD1OD (3-2)即 (3-3)式中 、 采樣值計算出的電阻和電抗值。最后只需判斷是否滿足下列條件 (3-4)同理，落于 A2 區(qū)動作方程為 (3-5)落于 A3 區(qū)動作方程為 (3-6)4 微機阻抗元件第段整定計算方法整定計算中可采用標么值進行計算，由運行方式提供的最大負荷視在功率，可求得視在功率標么值 ;計算阻抗值（也就是段阻抗動作阻抗標么值）為式中 基準功率；計算動作阻抗；可靠系數(shù)，取 0.70.8； 最小負荷阻抗標么值，額定電壓標么值。微機保護的動作原理及特性分析是我們設(shè)計微機保護的前提條件，在掌握了微機保護應有的功能和原理后，

32、下面，我就來逐步設(shè)計出一套基本的微機保護裝置。第四章 計算機繼電保護的算法設(shè)計4.1 概述微機保護裝置根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供的輸入電氣量的采樣數(shù)據(jù)進行分析、運算和判斷，以實現(xiàn)各種繼電保護功能的方法稱為算法。算法是研究微機保護的重點之一。目前已提出的算法有很多種。分析評價各種不同的算法優(yōu)劣的標準是精度和速度。其中，速度又包括兩個方面：一是算法所要求的采樣點數(shù)，二是算法的運算工作量。精度和速度又總是矛盾的。所以研究算法的實質(zhì)是如何在速度和精度兩方面進行權(quán)衡。4.2 算法舉例1. 微分方程算法解微分方程法僅用于計算阻抗。它假設(shè)被保護輸電線的分布電容可以忽略，因而從故障點到保護安裝處的線路段可用一電阻和電

33、感串聯(lián)電路來表示。于是在短路時下列微分方程成立： （4-1）式中，、故障點至保護安裝處線路段的正序電阻和電感，U、 i 分別為保護安裝處的電壓、電流。若用于反映線路相間短路保護，則方程中電壓、電流的組合與常規(guī)保護相同；若用于反映線路接地短路保護，則方程中的電壓用相電壓、電流用相電流加零序補償電流。式（4-1）中的 u、 i 和 di 、 dt 都是可以測量、計算的，未知數(shù)為、和。如果在兩個不同的時刻、 分別測量 u、 i 和 di 、 dt ，就可得到兩個獨立的方程，即式中 D 表示 di 、dt ，下標“1”和“2”分別表示測量時刻為、和 。聯(lián)立求解上述兩個方程可求得兩個未知數(shù)、和 。 在用

34、微機處理時，電流的導數(shù)可用差分來似近計算，最簡單的方法是取、。分別為兩個相鄰的采樣瞬間的中間值，如圖 4-1 所示。于是近似有電流、電壓取相鄰采樣的平均值，有 從上述方程可以看出，解微分方程法實際上解的是一組二元一次代數(shù)方程，圖 4-1 用差分近似求導數(shù)法，帶微分符號的量 D1 和 D2 是測量計算得到的已知數(shù)。解微分方程算法所依據(jù)的微分方程式（4-1）忽略了輸電線路分布電容。由此帶來的誤差需要用一個低通濾波器預先濾除電壓和電流中的高頻分量就可以基本消除。因為分布電容的容抗只有對高頻分量才是不可忽略的。解微分方程算法可以不必濾除非同期分量，因而算法時窗較短。且它不受電網(wǎng)頻率變化的影響。但將這種

35、算法和低通濾波器配合使用時，它將受信號中的噪聲影響比較大。2傅立葉算法傅里葉算法的基本思路來自傅里葉級數(shù)。本身具有濾波作用。它假定被采樣的模擬信號是一個周期性時間函數(shù)，除基波外還含有不衰減的直流分量和各次諧波，傅氏算法從傅氏級數(shù)導出，它假定被采樣信號是周期性的。符合這一假定時，它可以準確地求出基頻分量。但實際上電流中的非同期分量不是純直流而按指數(shù)規(guī)律衰減的，是連續(xù)的，不但含有直流分量，還有許多低頻分量。另外對于輸電線保護來說，由于線路分布電容而造成的暫態(tài)高頻分量的主要頻率成份取決于行波在故障點和保護安裝處母線之間來回反射所需要的時間，它不一定是基波分量的整數(shù)倍。再者，這些高頻分量也都是隨時間不

36、斷衰減的?？傊搪泛蟮碾娏骱碗妷憾疾皇侵芷诤瘮?shù)。實際上傅氏算法不僅能完全濾掉各種整次諧波和純直流分量，對非整次高頻分量和按指數(shù)衰減的非同期分量包含的低頻分量也有一定的抑制能力。因為對于目前實際可能的最長線路，由于分布電容引起的高頻分量都比50HZ 高得多，一般在 150HZ 以上，對這些頻率成分傅氏算法的濾波能力很好。但也可看出它對由于非周期分量引起的低頻分量抑制能力較差。試驗證明，如果不采取措施，在最嚴重的情況下，由非周期分量造成的傅氏算法的計算誤差可能超過 10。因此，國內(nèi)很多單位提出了各種補救措施。3半周積分算法當被采樣的模擬量是交流正弦量時可使用半周積分算法，如穩(wěn)態(tài)短路電流的采樣或后備

37、保護的采樣時可采用半周積分算法。該算法的依據(jù)是一個正弦量在任意半周期內(nèi)絕對值的積分為一個常數(shù) S，并且積分值 S 和積分的起始點初相角無關(guān)。半周積分算法也有一定的濾波作用，因為在半波積分過程中，諧波中的正負半周相抵消，剩余未被抵消的部分占總和的比重就減少。但由于它不能全部濾除諧波分量，因此仍要求加入濾波環(huán)節(jié)。4各種算法的應用本文設(shè)計的距離保護，其電流起動判據(jù)就是采用半周積分法來粗略地估算，以判別是否發(fā)生故障。全周傅氏算法、解微分方程算法都有用于構(gòu)成高壓線路阻抗保護的實例，各有其特點。一般采用傅氏算法時需考慮衰減直流分量造成的計算誤差，以及采取適當?shù)难a救措施。解微分算法一般不宜單獨應用于分布電容

38、不可忽略的較長線路,但若將它配以適當?shù)臄?shù)字濾波器而構(gòu)成的高壓、超高壓長距離輸電線的距離保護，還是能得到滿意的效果的，因此本次設(shè)計的距離保護阻抗計算算法采用解微分方程法。第五章 微型機距離保護的軟件設(shè)計5.1 軟件設(shè)計總框圖本保護裝置軟件流程是參照國內(nèi)對距離保護的四統(tǒng)一要求（把四統(tǒng)一要求詳細寫出來）設(shè)計的。全部軟件可以分成若干個程序模塊。如圖 5-1 所示。下面對圖 5-1 中標有序號的 6 個模塊進行重點介紹，先說明各模塊之間的連接關(guān)系和裝置的總體工作原理。1主程序圖 5-1 中左上角是程序的入口。每當裝置剛按通電源或手按復位（RESET）按鈕后，CPU 都要響應復位中斷，它將從一個規(guī)定的地址

39、（稱復位向量地址，它必須在 EPROM 區(qū)，不能在 RAM 區(qū)）去提取第一條要執(zhí)行的指令所存放的地址。從圖中可看出，程序入口的第一個模塊是初始化。經(jīng)過初始化后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將開始工作，可編程的定時器將按照初始化程序規(guī)定的采樣間隔 TS（本裝置TS=1ms）不斷地發(fā)出采樣脈沖，控制各通道的采樣保持器同時采樣。并在每一次采樣后向 CPU 請求中斷。2中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序示于圖 5-1 的右側(cè)，它主要包括三部分內(nèi)容，一是用程序查詢方式控制多路開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器輪流將各模擬輸入量的采樣值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后存入 RAM 區(qū)的循環(huán)寄存區(qū)；二是必須在中斷服務(wù)程序中進行一些自動檢測項目，例如對每一組采樣值檢

40、查三相電流之和是否與 3i。從圖 5-2 左側(cè)的主程序流程可見，在初始化剛完成，定時器尚未發(fā)出第一個采樣脈沖前，先將一個標志字 FRST 置“1”。主程序在將 FRST 置“1”后即進入振蕩閉鎖模塊，經(jīng)過確認系統(tǒng)在正常運行無振蕩后才將 FRST(及所有的標志字)清零，這相當于常規(guī)距離保護的整組復歸。此后，在中斷服務(wù)程序中的起動元件開始投入工作，主程序則進入一個自檢循環(huán)回路。它除了周而復始地對裝置各部分進行自動檢測外，另外，保護裝置在起動或動作后的各種信息不是立即通過打印機打印出，而是將信息先存放在一個規(guī)定的 RAM 區(qū)，并給相應標志字賦值，待整組復歸后再在自檢循環(huán)時查詢這些標志字，再將信息逐條

41、打印出。如果系統(tǒng)在正常運行，則主程序?qū)⒁恢痹谏鲜鲎詸z循環(huán)中循環(huán)，每隔 1ms(該裝置的采樣間隔時間)被定時器中斷打斷，去執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序則必須在 1ms 的時間內(nèi)完成，否則將丟失數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后又回到主程序中被中斷的地址(記憶在堆棧寄存器中)，繼續(xù)自檢循環(huán)。3故障處理程序如果電力系統(tǒng)有故障，它首先將標志字 FRST 置“1”，然后通過開關(guān)量輸出電路驅(qū)動一個繼電器發(fā)出中央和本地的保護起動信號， 5-1 中間的故障處理程圖序的人口地址，再從中斷返還。在執(zhí)行故障處理的過程中，定時器仍將每隔 1ms發(fā)出中斷請求，但中斷服務(wù)程序中因 FRST 已被置“1”，從而省出了 CPU

42、 時間，加快故障處理。故障處理程序主要包括兩個模塊，一是故障相判別模塊，二是阻抗計算和區(qū)段比較模塊。如果故障發(fā)生在區(qū)外，則程序流程轉(zhuǎn)向振蕩閉鎖，在區(qū)外故障切除，振蕩停息后整組復歸。如果是區(qū)內(nèi)故障，保護裝置在發(fā)出跳閘命令后，通過不斷監(jiān)視故障相是否有電流來判斷斷路器是否已切除故障。在跳閘完成后收回跳閘命令并經(jīng)振蕩閉鎖模塊整組復歸。如果發(fā)出跳閘命令后經(jīng)過 5s 故障相仍有電流，保護裝置將收回跳閘命令，并發(fā)出呼喚警報。此后 CPU 處在等待值班人員處理的狀態(tài)。故障處理程序是主程序的一部分，不要求在一個采樣間隔時間內(nèi)完成，所以圖 5-1 的軟件安排方法對硬件速度的要求是必須在一個采樣間隔時間內(nèi)完成中斷服

43、務(wù)程序，而并不要求在一個采樣間隔內(nèi)必須完成一次阻抗計算。5.2 程序模塊介紹1.初始化在初始化模塊中執(zhí)行的程序內(nèi)容見圖 5-2。（1）對所有可編程序的并行接口的初始化，規(guī)定每個端口的作輸入還是輸出，用于輸出的則要賦值等。（2）讀取所有開關(guān)量輸入的狀態(tài)，并將其保存在 RAM 區(qū)規(guī)定的地址內(nèi)，以備以后在自檢循環(huán)時不斷監(jiān)視開關(guān)量輸入是否有變化。（3）對裝置的硬件進行一次全面的自檢，因為它尚未工作。對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的檢測安排在中斷服務(wù)程序中。（4）將所有的標志字清零。（5）進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化，包括對定時器以及循環(huán)寄存區(qū)地址指針的初始化等。（6）開放中斷，剛給上電源時中斷都是由硬件自動屏蔽的。（7）

44、程序轉(zhuǎn)入振蕩閉鎖模塊。2起動元件微機保護通常采用電流突變量起動元件。因為循環(huán)寄存區(qū)有一定的存儲和記憶容量（該裝置為 5 個工頻周期），可以方便地取得電流的突變量， （5-1）式中 電流在某一時刻 K 的采樣值；N 一個工頻周期內(nèi)的采樣點數(shù)，在 Ts=1ms 時，N=20； 比早 20ms 的采樣值； K 時刻電流的突變量。從圖 5-3 可以看出，當系統(tǒng)在正常運行時，負荷電流是穩(wěn)定的，或者說負荷雖時時有變化，但不會在一個工頻周期這樣短的時間內(nèi)突然變化很大，因此這時 和 應當接近相等。如果在某一時刻發(fā)生短路，故障相電流突然增大如圖5-3 虛線所示，則在 K 點以后將有突變量電流。按式（5-1）計算

45、得到的 實質(zhì)是用疊加原理分析短路電流時的事故分量電流，負荷分量在式中被減去了。從式中取得的突變量僅在短路了生后的第一周期內(nèi)存在。采用這樣計算方法存在的一個問題是電網(wǎng)頻率偏離 50HZ 時會產(chǎn)生一定的不平衡電流，因為 和的采樣時刻差 20ms，這決定于微機的定時器，它是由石英晶振蕩器控制的，十分精確和穩(wěn)定。電網(wǎng)頻率變化后， 和 對應電流波形的電角度將不再同相，而有一個差值 ，特別是當 K 落在電流過零附近時，由于電流變化較快，不大的 引起的不平衡電流較大，在線路滿載時可能使起動元件誤動作。因此，為了補償電網(wǎng)頻率變化引起的不平衡電流，本裝置采用的方法是按式(5-2)取得突變電流，由于頻率偏離，造成

46、 和 之間一個相角差 ，則之間的角差也應當相同，因而式（5-2）右側(cè)兩項可以得到部分抵消，特別是當 K 落在電流過零附近時，這兩項各自都可能較大，但由于 很小時， sin ，所以這兩項將幾乎完全抵消。應當指出，用式(5-2)不僅可以補償頻率偏離產(chǎn)生的不平衡電流，還可以減弱由于系統(tǒng)靜穩(wěn)破壞而引起的不平衡電流，使只有振蕩周期很小時才會誤動作，這就保證了靜穩(wěn)破壞檢測元件能可靠地搶先動作。式(5-2)對應的突變量的存在時間不是 20ms,而是 40ms。該裝置起動元件的實際程序流程圖示于圖 5-4。注意它是安排在中斷服務(wù)程序中的，因此是每一毫秒執(zhí)行一次； 5-4 中 為圖按式(5-2)計算得到的當前一

47、次采樣值(k)的 A 相電流突變量。KA 則為 RAM 區(qū)某一字節(jié)，用作計數(shù)標志，它在初始化和整組復歸時被清零。圖中只詳細畫出了 A相部分，B 相和 C 相的流程和 A 相一樣，三者構(gòu)成“或”的關(guān)系。由圖可見，為了提高抗干擾能力，起動元件在任一相電流累計有三次超過門檻值的突變量時才起動。顯然，這種相電流突變量起動元件也可以可靠地反映三相同時的對稱短路3故障相判別在用微機構(gòu)成距離保護時，為了反映各種故障類型，也要有不同的程序分別取用不同相別的電壓和電流采樣值來進行阻抗計算通常為了簡化硬件，CPU 只有一個，這就不能同時進行各種故障類型的感受阻抗的計算。為此微機距離保護裝置設(shè)置了一個故障相判別程序

48、，在突變量起動元件檢出系統(tǒng)有故障后，先由它判別故障類型和相別，然后針對已知的相別提相應的電壓、電流，進行阻抗計算。微機可以方便地取得各相電流的突變量，去掉負荷分量的影響，使故障相判別十分簡單和可靠，而且切換完全由軟件實現(xiàn)，并沒有真正的切換接點，因此相別切換的原理在微機距離保護中得到了廣泛的應用。由分析可得出各種故障類型的特征可作為故障相判別程序的依據(jù)。（以下電流均指突變量電流，即事故分量電流）表 5-1 故障類型及其特征根據(jù)以上分析，編制出故障相判別程序的流程圖如圖 5-5 所示。流程圖步驟如下：（1）算三種電流差突變量的有效值 ，和。（2）比較求出三者中的一個最小者。圖中僅詳細示出了其他兩種

49、情況可以類推。如果最小，則先判別是否單相接地，如果是單相接地，只可能是 A 相接地。判別方法是觀察如果是否遠小于另兩相電流的有效值。因為其他形式的短路，都不符合以上特征。（3）如果經(jīng)判斷不是單相接地，那么必定是相間短路只要找出哪一種相電流差的有效值最大，即可按這種兩相短路計算阻抗。因為不論是兩相短路還是兩相接地短路，兩個故障相間的相電流差必定最大。（4）對于三相短路，由于三種相電流差的有效值理論上應相等，因此將按圖 5-5 的流程隨機地選出兩相進行阻抗計算，如果是轉(zhuǎn)換性故障(例如由單相接地轉(zhuǎn)換成兩相接地)，而且轉(zhuǎn)換時間在上述算法的數(shù)據(jù)窗長度以內(nèi)，則判斷結(jié)果可能為先接地的那一相單相接地，也可能為

50、相間短路，但不論用哪一種電壓和電流計算阻抗，都能正確反映故障距離。4區(qū)段比較本裝置設(shè)有三段相間距離和二段接地距離。相間和接地距離的阻抗動作特性均為多邊形。阻抗計算方法采用解微分方程法。本模塊的詳細流程示于圖 5-6 所示。首先根據(jù)故障相判別的結(jié)果，計算故障相（或相間）的阻抗。阻抗計算完畢后，將計算結(jié)果先暫存起來，然后能過開關(guān)量輸入通道查詢手合繼電器接點是否閉合，如果是手投在故障線路，可以加速段跳閘。為了適應電壓互感器在線路側(cè)的場合，此時段的特性應偏移，使之包括坐標原點。如果手合于正常線路，保護雖可能起動但測量阻抗在偏移段外，故程序轉(zhuǎn)至振蕩閉鎖。如果沒有手合加速信號，程序的下一步是判斷是否為出口

51、短路，如果是金屬性出口短路，由于電壓為零，計算結(jié)果 X 和 R 理論上均為零，而可能是一很小的數(shù)值，符號是隨機的，可能是正也可能為負，因而不能用此時的數(shù)值的符號作為判別正反故障的依據(jù)。為此加設(shè)以下方向判別的條件，即先判斷是否為出口短路，判斷的準則是 X 和 R 的絕對值均遠小于段的定值。如果是出口短路，則從循環(huán)寄存區(qū)中調(diào)取故障前一個工頻周期的電壓量來同故障后的電流量比相，以判別是正方向還是反方向出口短路。如為正方向則立即出口，如為反方向則程序轉(zhuǎn)至振蕩閉鎖。如果不是出口短路，則 X 和 R 的符號可以用來作為方向判別的依據(jù)，如果故障是在正向段保護范圍內(nèi)則立即跳閘，如在段范圍內(nèi)則要經(jīng)預定延時 t

52、n 后跳閘。在 t n 延時到達以前，微機不斷利用最新得到的電壓和電流采樣值進行故障相（或相間）的阻抗計算，一旦發(fā)現(xiàn)感受阻抗走出段動作區(qū)（表示故障已由相鄰線路開關(guān)切除），程序又轉(zhuǎn)至振蕩閉鎖。從圖 5-6 可見，保護裝置經(jīng)各種途徑出口時都準備好了相應的報告內(nèi)容，但不馬上打印，因這時 CPU 還要處理其他事務(wù)，待整組復歸才打印報告，如圖 5-1所示。第六章 提高微機保護裝置可靠性設(shè)計6.1 總述制定提高微機保護裝置可靠性的措施，是以對整機和零部件可靠性的分析及對可能出現(xiàn)的故障的研究為基礎(chǔ)的。微機保護裝置的可靠性主要面臨兩個問題，一是元器件損壞，二是干擾引起的功能障礙。微機保護由于計算機的工作是在時

53、鐘節(jié)拍的嚴格控制下以較高速度同步進行的，不能簡單的設(shè)置延時電路，這就增加了干擾問題的嚴重性，干擾對微機保護裝置的影響是嚴重的。所以提高微機保護裝置可靠性的重點是在抗干擾上。6.2 干擾源干擾就是除有用信號以外的所有可能對裝置的正常工作造成不利影響的內(nèi)外電磁信號。一般認為，干擾形式有兩種，即橫模干擾和共模干擾。實際現(xiàn)場中干擾來至如下幾點：(1)高壓隔離開關(guān)和斷路器的操作。這些操作可能在母線或線路上引起含有多種頻率分量的衰減震蕩波，母線(或電氣設(shè)備間的連線)相當于天線，將暫態(tài)電磁場的能量向周圍空間輻射，同時通過連接在母線或線路上的測量設(shè)備直接耦合至二次回路。斷路器操作產(chǎn)生的電磁干擾頻率一般為 0.

54、180mhz，每串電磁干擾波的持續(xù)時間為 10s10ms。由理論分析和實測數(shù)據(jù)可得出如下規(guī)律：暫態(tài)電磁場的幅值隨電壓等級的增高而增高，主導頻率隨電壓等級增高而降低。與隔離開關(guān)操作相比，斷路器操作所引起暫態(tài)電磁場的幅值小，主導頻率高、脈沖總數(shù)少?？焖俑綦x開關(guān)比慢速隔離開關(guān)產(chǎn)生的暫態(tài)重復頻率低、持續(xù)時間短。慢速隔離開關(guān)一次操作中可能產(chǎn)生上萬個脈沖，而快速隔離開關(guān)只產(chǎn)生幾十個脈沖。(2)雷擊線路、構(gòu)架和控制樓。直接雷擊到戶外線路或構(gòu)架，會有大電流流入接地網(wǎng)，二次電纜的屏蔽層在不同的接地點接地時，就會因地網(wǎng)電阻的存在而產(chǎn)生流過屏蔽層的暫態(tài)電流，從而在二次電纜的心線中感應出干擾電壓，線路感應的過電壓也會

55、通過測量設(shè)備引入二次回路。由雷擊變電所在二次回路中產(chǎn)生的干擾電壓可高達 30kV，其頻率可達幾兆赫。(3)系統(tǒng)短路故障。系統(tǒng)短路故障與雷擊構(gòu)架一樣會引起地網(wǎng)電位的升高，從而在二次電纜中引起干擾電壓。變電所內(nèi)高壓母線單相接地時，在二次電纜心線上產(chǎn)生的干擾電壓可以從幾十伏到近萬伏，暫態(tài)干擾電壓的頻率約千赫到幾百千赫。(4)靠近高壓線路受其工頻電磁場作用。這對于電子束類的顯示設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾是十分明顯的。在戶外變電所中，高壓線路或匯流排會產(chǎn)生工頻電磁場。一般而言，電壓等級越高，產(chǎn)生的電場也越大，但磁場相反減小。(5)局部放電產(chǎn)生頻率較高的電磁輻射，可能在電子設(shè)備的線路中引起電磁干擾。(6)二次回路中的開關(guān)操作。由于感性負載的存在，在二次回路的信號電源端口以及控制端口產(chǎn)生快速瞬變的脈沖干擾。由于電磁電器的大量使用，在二次回路自身工作時會產(chǎn)生中等頻率的振蕩暫態(tài)電壓。6.3 防止干擾進入微機保護裝置的對策首要任務(wù)是切斷各種耦合途徑，防止干擾進入微機保護裝置。下面所舉的各種對策是企圖把干擾進入的可能性減到最小。一、裝置可靠接