變電站綜合自動化變電站綜合自動化變電站綜合自動化概述變電站綜合自動化信息的測量和采集數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)變電站微機(jī)保護(hù)變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信技術(shù)變電站運(yùn)行的自動控制與調(diào)節(jié)變電站綜合自動化系統(tǒng)實例變電站綜合自動化變電站微機(jī)保護(hù)變電站微機(jī)保護(hù)●概述●微機(jī)保護(hù)的硬件系統(tǒng)●微機(jī)保護(hù)裝置的軟件構(gòu)成●微機(jī)保護(hù)的數(shù)字濾波器●微機(jī)保護(hù)算法●微機(jī)線路保護(hù)§1概述

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置經(jīng)歷了機(jī)電型、整流型、晶體管型、集成電路型到微機(jī)保護(hù)裝置發(fā)展階段。微機(jī)保護(hù)裝置的特點(diǎn)1.調(diào)試維護(hù)方便在微機(jī)保護(hù)應(yīng)用之前，整流型或晶體管型繼電保護(hù)裝置的調(diào)試工作量很大，原因是這類保護(hù)裝置都是布線邏輯的，保護(hù)的功能完全依賴硬件來實現(xiàn)。微機(jī)保護(hù)則不同，除了硬件外，各種復(fù)雜的功能均由相應(yīng)的軟件(程序)來實現(xiàn)。2.高可靠性微機(jī)保護(hù)可對其硬件和軟件連續(xù)自檢，有極強(qiáng)的綜合分析和判斷能力。3.易于獲得附加功能微機(jī)保護(hù)裝置除了提供常規(guī)保護(hù)功能外，還可以提供一些附加功能。例如，保護(hù)動作時間和各部分的動作順序記錄，故障前后電壓和電流的波形記錄等。這將有助于運(yùn)行部門對事故的分析和處理。

4.靈活性由于微機(jī)保護(hù)的特性主要由軟件決定，從而改變軟件就可以改變保護(hù)的特性和功能，可靈活地適應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化。5.改善保護(hù)性能由于微型機(jī)的應(yīng)用，可以采用一些新原理，解決一些常規(guī)保護(hù)難以解決的問題。例如，利用模糊識別原理判斷振蕩過程中的短路故障，采用自適應(yīng)原理改善保護(hù)的性能等。6.簡便化、網(wǎng)絡(luò)化微機(jī)保護(hù)裝置本身消耗功率低，降低了對電流、電壓互感器的要求，而正在研究的數(shù)字式電流、電壓互感器更易于實現(xiàn)與微機(jī)保護(hù)的接口。同時，微機(jī)保護(hù)具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信能力，可適應(yīng)無人或少人值守的變電站綜合自動化。&2微機(jī)保護(hù)的硬件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的微機(jī)保護(hù)裝置硬件框圖一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1、電壓形成回路2、模擬低通濾波器(LPF)對微機(jī)保護(hù)來說，在故障初瞬，電壓、電流中含有相當(dāng)高的頻率分量(如2kHz以上)，為防止混疊，fs將不得不用得很高，從而對硬件速度提出過高的要求。但實際上，目前大多數(shù)的微機(jī)保護(hù)原理都是反映工頻量的，在這種情況下，可以在采樣前用一個低通模擬濾波器(LPF)將高頻分量濾掉，這樣就可以降低fs，從而降低對硬件提出的要求。通常并不要求模擬低通濾波器濾掉所有的高頻分量，而僅用它濾掉fs/2以上的分量，以消除頻率混疊，防止高頻分量混疊到工頻附近來。低于fs/2的其他暫態(tài)頻率分量，可以通過數(shù)字濾波器來濾除。3、采樣保持器（S/H）采樣頻率的選擇采樣間隔Ts的倒數(shù)稱為采樣頻率fs。采樣頻率的選擇是微機(jī)保護(hù)硬件設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題，為此要綜合考慮很多因素，并要從中作出權(quán)衡。采樣頻率越高，要求CPU的運(yùn)行速度越高。因為微機(jī)保護(hù)是一個實時系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采樣頻率不斷地向微型機(jī)輸入數(shù)據(jù)，微型機(jī)必須要來得及在兩個相鄰采樣間隔時間Ts內(nèi)處理完對每一組采樣值所必須做的各種操作和運(yùn)算，否則CPU跟不上實時節(jié)拍而無法工作。相反，采樣頻率過低，將不能真實地反映采樣信號的情況。由采樣(香農(nóng))定理可以證明，如果被采樣信號中所含最高頻率成分的頻率為fmax，則采樣頻率fs必須大于fmax的2倍(即fs＞2fmax)，否則將造成頻率混疊。4、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)又稱多路轉(zhuǎn)換器，它是將多個采樣保持后的信號逐一與A/D芯片接通的控制電路。它一般有多個輸入端，一個輸出端和幾個控制信號端。在實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬量可能是幾路或十幾路，利用多路開關(guān)(MUX)輪流切換各被測量與A/D轉(zhuǎn)換電路的通路，達(dá)到分時轉(zhuǎn)換的目的。在微機(jī)保護(hù)中，各個通道的模擬電壓是在同一瞬間采樣并保持記憶的，在保持期間各路被采樣的模擬電壓依次取出并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，但微機(jī)所得到的仍可認(rèn)為是同一時刻的信息(忽略保持期間的極小衰減)，這樣按保護(hù)算法由微機(jī)計算得出正確結(jié)果。

1）逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

5、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC)2）V/F式A/D轉(zhuǎn)換器微機(jī)保護(hù)的CPU主系統(tǒng)包括中央處理器(CPU)、只讀存儲器EPROM、電擦除可編程只讀存儲器、隨機(jī)存取存儲器RAM、定時器等。CPU主要執(zhí)行控制及運(yùn)算功能。EPROM主要存儲編寫好的程序，包括監(jiān)控、繼電保護(hù)功能程序等。可存放保護(hù)定值，保護(hù)定值的設(shè)定或修改可通過面板上的小鍵盤來實現(xiàn)。RAM是采樣數(shù)據(jù)及運(yùn)算過程中數(shù)據(jù)的暫存器。定時器用來記數(shù)、產(chǎn)生采樣脈沖和實時鐘等。而CPU主系統(tǒng)中的小鍵盤、液晶顯示器和打印機(jī)等常用設(shè)備用于實現(xiàn)人機(jī)對話。二、CPU主系統(tǒng)1、開關(guān)量輸出電路在微機(jī)保護(hù)裝置中設(shè)有開關(guān)量輸出(DO，簡稱開出)電路，用于驅(qū)動各種繼電器。例如跳閘出口繼電器、重合閘出口繼電器、裝置故障告警繼電器等。三、開關(guān)量輸入輸出電路1微機(jī)保護(hù)裝置中一般應(yīng)設(shè)置幾路開關(guān)量輸入電路。開關(guān)量輸入電路主要是將外部一些開關(guān)接點(diǎn)引入微機(jī)保護(hù)的電路，通常這些外部接點(diǎn)不能直接引入微機(jī)保護(hù)裝置，而必須經(jīng)過光電隔離芯片引入。開關(guān)量輸入電路包括斷路器和隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)或跳合閘位置繼電器接點(diǎn)輸入，外部裝置閉鎖重合閘觸點(diǎn)輸入，輕瓦斯和重瓦斯繼電器接點(diǎn)輸入，及裝置上連接片位置輸入等回路。2）開關(guān)量輸入電路

微機(jī)保護(hù)的硬件分為監(jiān)控插件和保護(hù)插件兩大部分，與之相對應(yīng)的軟件也分為監(jiān)控軟件和保護(hù)軟件兩大部分。1.監(jiān)控軟件（人機(jī)對話軟件）監(jiān)控軟件是指人機(jī)對話插件的軟件，其程序分為主監(jiān)控程序和運(yùn)行程序。主監(jiān)控程序主要是鍵盤命令處理程序，是為監(jiān)控插件及各CPU保護(hù)插件進(jìn)行調(diào)節(jié)和整定而設(shè)置的程序。運(yùn)行程序由主程序和定時中斷服務(wù)程序構(gòu)成。主程序的任務(wù)是完成巡檢、鍵盤掃描和處理及故障信息的排列和打印；定時中斷服務(wù)程序包括軟件時鐘程序，以硬件時鐘控制并同步各CPU插件的軟時鐘，和檢測各CPU插件啟動元件是否動作的檢測啟動程序。

§3微機(jī)保護(hù)裝置的軟件構(gòu)成2.保護(hù)軟件保護(hù)軟件為主程序和兩個中斷服務(wù)程序。主程序包括初始化和自檢循環(huán)模塊、保護(hù)邏輯判斷模塊及跳閘處理模塊。中斷服務(wù)程序有定時采樣中斷服務(wù)程序和串行口通信中斷服務(wù)程序。3.中斷服務(wù)程序絕大多數(shù)的工程計算機(jī)的應(yīng)用軟件都采用了中斷技術(shù)，特別是實時性要求較強(qiáng)的系統(tǒng)，更離不開中斷的工作方式。繼電保護(hù)系統(tǒng)是一種對時間要求很高的實時系統(tǒng)，一方面要求實時地采集各種輸入信號，隨時跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行工況；另一方面，在電力系統(tǒng)短路時，應(yīng)快速判別短路的位置或區(qū)域，盡快切除短路故障。

對保護(hù)裝置而言，電力系統(tǒng)狀態(tài)是保護(hù)最關(guān)心的外部事件，必須每時每刻掌握保護(hù)對象的系統(tǒng)狀態(tài)，這就要求保護(hù)定時采樣系統(tǒng)狀態(tài)，常采用定時器中斷方式(較高級別的中斷)，每經(jīng)過1.66ms中斷原程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行采樣計算的服務(wù)程序。采樣結(jié)束后，通過存儲器中的特定存儲單元將采樣計算結(jié)果送給原程序，然后再去執(zhí)行被中斷了的程序，這就是定時采樣中斷服務(wù)程序。

保護(hù)裝置應(yīng)隨時接受工作人員利用人機(jī)對話方式進(jìn)行的干預(yù)(即改變保護(hù)裝置的工作狀態(tài)、查詢系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、調(diào)試保護(hù)裝置)保護(hù)工作。對保護(hù)的高層次干預(yù)是系統(tǒng)機(jī)與保護(hù)的通信要求，這種通信要求常用主從式串行口通信實現(xiàn)。當(dāng)主機(jī)對保護(hù)裝置有通信要求時，或者接口CPU對保護(hù)CPU提出巡檢要求時，保護(hù)串行通信口提出中斷請求，在中斷響應(yīng)時，轉(zhuǎn)去執(zhí)行串行口通信的中斷服務(wù)程序。微機(jī)保護(hù)裝置典型人機(jī)對話菜單一、數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)前面提到的模擬低通濾波器的作用主要是濾掉fs/2以上的高頻分量，以防止混疊現(xiàn)象產(chǎn)生，而數(shù)字濾波器的用途是濾去各種特定次數(shù)的諧波，特別是接近工頻的諧波。數(shù)字濾波器不同于模擬濾波器，它不是純硬件構(gòu)成的濾波器，而是由軟件編程去實現(xiàn)，改變算法或某些系數(shù)即可改變?yōu)V波性能。數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)數(shù)字濾波器不需增加硬設(shè)備，所以系統(tǒng)可靠性高，不存在阻抗匹配問題。

&4微機(jī)保護(hù)的數(shù)字濾波器(2)使用靈活、方便，可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法，或改變?yōu)V波器的參數(shù)。(3)數(shù)字濾波器是靠軟件來實現(xiàn)的，沒有物理器件，所以不存在特性差異。(4)數(shù)字濾波器不存在由于元件老化及溫度變化對濾波性能的影響。(5)精度高。數(shù)字濾波器框圖所示。二、數(shù)字濾波器的分類1、按頻率響應(yīng)的通帶劃分0π2πω0π2πω0π2πω0π2πω低通高通帶通帶阻2、按單位抽樣響應(yīng)的時間特性劃分3、按實現(xiàn)方法和類型分1）遞歸型2）非遞歸型三、非遞歸型數(shù)字濾波器設(shè)計梳狀濾波器是非遞歸型數(shù)字濾波器最常見的一種濾波器。其特點(diǎn)：1）可抑制非周期分量和某些整次諧波2）只作加減運(yùn)算，不做乘除運(yùn)算3）濾波器沒有極點(diǎn)，不存在穩(wěn)定性問4）暫態(tài)延時τ=kTs,可提高采樣頻率減少τ1、差分濾波器某次諧波頻率數(shù)字頻率一個工頻周期采樣的次數(shù)m=NI/k即f=mf1=I(N/k)f1=Ifm時，H(f)=0,經(jīng)差分濾波后，輸入信號中的直流分量以及頻率為f的諧波分量完全濾除。0fm2fm3fm4fmω例N=k時，f=I(N/k)f1=If1I=0,1,2,3●●●即該差分濾波器可濾除直流、基頻及所有整次諧波分量。例y(n)=x(n)-x(n-4)H(z)=1-z-4采樣頻率為1000Hzk=4N=fs/f1=1000/50=20濾除的諧波次數(shù)為m=(N/k)I=5II=0,1,2….即m=0,5,10…..完全濾去直流及5，10，….次諧波。2、積分濾波器可濾除的濾波次數(shù)為m=NI/(k+1)I=0,1,2,…..3、加減濾波器k為奇數(shù)，可濾去的諧波次數(shù)m=NI/(k+1)k為偶數(shù)，可濾去的諧波次數(shù)m=(0.5+I)N/(k+1)I=0,1,2,…….幾個簡單梳狀濾波器的級聯(lián)濾波單元1濾波單元2濾波單元n

x(n)

y1(n)

y(n)例4-1試用簡單梳狀單元的級聯(lián)組合構(gòu)成一濾波器，采樣頻率為1000Hz,完全去直流及2、4、5、6、8、10次諧波。差分濾波器積分濾波器加減濾波器濾去直流及5、10次諧波濾去4、8、12次諧波濾去2、6、10次諧波&5微機(jī)保護(hù)算法根據(jù)輸入電氣量的若干點(diǎn)采樣值，通過一定的數(shù)學(xué)式或方程式計算出保護(hù)所反映的量值，然后與定值進(jìn)行比較。分析和評價各種不同算法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是精度和速度。速度包括算法所需的采樣點(diǎn)數(shù)和算法的運(yùn)算工作量。精度與速度往往存在矛盾。算法是否本身包括數(shù)學(xué)濾波功能。一、正弦函數(shù)的算法

1、半周絕對值積分算法半周絕對值積分算法依據(jù)是一個正弦量在任意半個周期內(nèi)絕對值的積分為一個常數(shù)S(即正比于信號的有效值)。

從而可求出幅值可用梯形法則近似求得

式中TS——采樣間隔；

Um——電壓最大值；u0、、uN/2——第0、K、N/2次的采樣值。半周絕對值積分法有一定的濾除高頻分量的能力，因為疊加在基頻成分上的幅度不大的高頻分量，在積分中其對稱的正負(fù)部分相互抵消，剩余的未被抵消的部分占的比重減小了，但它不能抑制直流分量。這種算法適用于要求不高的電流、電壓保護(hù)，因為它運(yùn)算量極小，可用非常簡單的硬件實現(xiàn)。另外，它所需要的數(shù)據(jù)僅為半個周期，即數(shù)據(jù)長度為10ms。

2、一階導(dǎo)數(shù)算法導(dǎo)數(shù)算法是利用正弦函數(shù)求導(dǎo)后為余弦函數(shù)的特點(diǎn)來求采樣值的幅值和相位的一種方法。設(shè)在計算機(jī)中，常用差分來代替求導(dǎo)數(shù)，設(shè)u，i對應(yīng)時刻為，，對應(yīng)時刻為，，計算時刻t1位于和的中間，則，而該時刻電壓的導(dǎo)數(shù)。tk-1tkt1u(t)Ts=tk-tk-13、兩點(diǎn)采樣算法設(shè)

若相隔π/2采集2點(diǎn)，有

平方相加得有效值

同理可得簡單快速。無濾波作用，輸入信號有諧波分量會影響計算精度。

兩點(diǎn)乘積算法從原理上并不是必須用相隔的兩個采樣值。若用同一電壓或電流信號的采樣值相乘，則=0，此時可得二、傅里葉算法

正弦函數(shù)模型算法只是對理想情況的電流和電壓波形進(jìn)行了粗略的計算，而故障時的電流和電壓波形畸變較大，通常假設(shè)包含各種分量的周期函數(shù)。在微機(jī)保護(hù)裝置中，針對這種模型，提出了傅里葉算法。傅里葉算法是一個被廣泛應(yīng)用的算法，它本身具有濾波作用。設(shè)被采樣的模擬信號是一個周期性時間函數(shù)，可表示為對于基波分量，取n=1，則可得另一形式在用微機(jī)處理時，取一周期的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換，得

式中N——工頻每周采樣點(diǎn)數(shù)。、——經(jīng)過離散傅里葉變換后基波分量的虛部和實部。求基波分量的離散計算公式。由、即可求出基波分量的有

類似地，可得出求n次諧波的虛部和實部分量的公式為

&6微機(jī)線路保護(hù)一、電網(wǎng)相間短路電流保護(hù)1、三段式電流保護(hù)三段式電流保護(hù)構(gòu)成邏輯框圖2、反時限過電流保護(hù)-----特性tp時間系數(shù)，范圍0.05~1Ip電流基準(zhǔn)值I故障電流反時限過電流保護(hù)配合反時限過電流與定時限過電流保護(hù)配合3、方向電流保護(hù)1）具有明確的方向性。1.對功率方向判別元件的基本要求2）正方向故障有足夠的靈敏性。k1k212.UΦk1Φk2Ik2.180°+Φk2k1點(diǎn)短路向量圖0o≤Φk1≤90o180o≤Φk2+180o≤270o∴判別電壓、電流之間的相角或短路功率的方向，即可判別故障的方向。.Uk1k212Ik1=Ir..-Ik2=Ir..k2點(diǎn)短路向量圖2.