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1、电气智能化第1页，此课件共42页哦 一般来说，运行现场的电压、电流是与供电电网同频率的周期函数（在不考虑各类干扰造成的畸变时，应该是正弦波），短路故障电流却是一个非周期函数。因此，处理器在处理上将有很大的区别。4.5被测电参量的测量和保护算法第2页，此课件共42页哦4.5.1.电压和电流参量信号的采样方法n对智能电器工作现场的电压和电流采样，有交流和直流两种方法。早期的电力系统继电保护中基本采用直流采样，而在以可编程数字处理器件为核心的智能电器监控器中，都用交流采样。第3页，此课件共42页哦4.5.1.电压和电流参量信号的采样方法n直流采样的特点：(1)直流采样对A/D转换器的转换速率要求不高
2、。(2)直流采样程序简单，采样后只需乘以相应的标度系数便可得到电压电流的有效值或功率值。(3)直流采样的变送器经过了整流、滤波等环节，抗干扰能力较强。(4)直流采样输入回路采用R-C滤波电路，相应时间较长，使采样的实时性较差。实时性较差。(5)直流采样误差较大。变送器本身功率较大，使作为测量信一号源的TV/TA输出精度下降;变送器的电路中采用的非线性元件如铁心、整流二极管等都引起误差。(7)直流采样需要很多变送器，硬件数量多，接线繁琐，占用平面多第4页，此课件共42页哦4.5.1.电压和电流参量信号的采样方法n 交流采样的特点：n (1)对A/D转换器转换速率和采样保持器要求较高。一个交流周期
3、内采样点数为12、16、20、24点等，32点用于分析高次谐波。n (2)交流采样采用大规模的集成电路，稳定性、可靠性高，延长了校验的次数周期。n (3)交流采样的周期采样次数N提高，即可提高相应的速度，减小系统误差。n交流采样实时性好、相位失真小、投资少、便于维护，因此越来越受到人们的重视第5页，此课件共42页哦4.5.1.电压和电流参量信号的采样方法n从4.2.3节中已知，对模拟量信号采样必须满足采样定理，而选择采样频率的关键是确定被测信号的截止频率。n电力传输线工作于强磁干扰环境，会有谐波干扰。这些干扰引起的电网电压和电流波形的畸变不能忽略，所以在确定被测信号截止频率时，要考虑保持实际电
4、压、电流的非正弦特性，否则会产生测量误差。此外，非周期、非正弦的短路电流具有更宽的信号频带，选择它们的截止频率时，需要更严格的分析，以保证保护操作的正确性。第6页，此课件共42页哦4.5.1.电压和电流参量信号的采样方法n在中低压等级的智能电器监控单元中，六次以上的谐波不影响电参量的测量精度，因此截止频率一般定为6倍的基波频率，大多数使用600Hz采样频率，也就是每个电源周期采样12点。n在高压智能监控单元中，中央处理器多采用DSP，每个电源周期采样32点和64点。第7页，此课件共42页哦4.5.2常用的电量测量算法n智能电器对电量的测量是采样被测电压、电流信号，根据采样结果实时计算并显示被测
5、量的当前值，包括监控和保护对象的电压、电流有效值、有功和无功功率及功率因数。第8页，此课件共42页哦4.5.2常用的电量测量算法n1.电压、电流的有效值计算 电压、电流的有效值就是其方均根值，任意周期函数f(x)的方均根公式为式中，T为函数f(x)的周期。同理，检测器根据采样结果计算电压电流有效值的表达式分别为第9页，此课件共42页哦4.5.2常用的电量测量算法式中，N为每个电源周期的采样点数；ik和uk为电压、电流在第k点的采样值。这两个式子就是复化梯形求积公式。第10页，此课件共42页哦4.5.2常用的电量测量算法n复化梯形求积公式法是根据采样结果直接计算周期函数有效值，而且与函数波形无关
6、，得到的结果是函数的真有效值。在中、低压电网中，由于受到各种大功率非线性负载影响，实际电压、电流往往不是正弦；另一方面，在低压电网中处理故障，都是在故障电流的真有效值与额定电流之比超过设定阈值时进行，监控器采用这种方法计算可以快速得到结果。第11页，此课件共42页哦4.5.2常用的电量测量算法n在高压和超高压电网中，处理短路电流的依据是短路时电流的基波有效值和额定电流是否超过设定阈值。因此总要对电流、电压的采样结果进行傅里叶分析和离散傅里叶分析，以便计算电流基波和各次谐波有效值。在这种情况下，也可以根据已经得到的基波和各次谐波有效值直接求得电流、电压的有效值。第12页，此课件共42页哦4.5.
7、2常用的电量测量算法n公式如下式中，In和Un分别为被测电流和电压第n次谐波的有效值，n最大值由测量精度确定。第13页，此课件共42页哦4.5.2常用的电量测量算法n2.有功功率、无功功率与功率因素计算 电网中有功功率的测量有三瓦法和两瓦法。三瓦法对应的表达式为：第14页，此课件共42页哦4.5.2常用的电量测量算法n两瓦法对应的表达式为：采用电流、电压采样值计算时，上面两个式子可以变为第15页，此课件共42页哦4.5.2常用的电量测量算法第16页，此课件共42页哦4.5.2常用的电量测量算法n根据无功功率和功率因数定义，可得三瓦法测量无功功率的计算公式SA、SB、SC分别为A、B、C三相视在
8、功率，由求得的各相电压、电流有效求得。第17页，此课件共42页哦4.5.2常用的电量测量算法 三相总视在功率为按两瓦计法测量原理计算，三相总视在功率为无功功率为第18页，此课件共42页哦4.5.2常用的电量测量算法n功率因素的算法 有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cos 所以就可以根据上面的式子计算出功率 因数。第19页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法n智能电器被监控和保护对象及其运行现场的电压等级不同，对故障的判断方法和要求的保护功能不同。因此，需要采用不同的算法实现故障的判断和保护。第20页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法n1.短路保护 短路是供电线路的严重故障之
9、一。出现短路时，线路中的电流异常增大，而且因为线路的分布电感、电容等参数影响，使故障出现的瞬态电流中含有衰减的非周期分量和高次谐波，造成波形严重畸变。一旦发生短路，智能电器的一次开关元件必须在规定的时间内分段，故障段，避免造成大面积停电事故。第21页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法n在高压和超高压电网中，处理短路电流是依据短路时电流的基波有效值和额定电流是否超过来设定阈值的。n所以监控器必须快速的从非正弦的短路电流中提取基波分量。第22页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法n2.过载保护 特点：1）供电线路或负载发生过载时，允许继续运行一定的时间，才发出分断操作的指令。2）过载电流
10、相对于额定电流的倍数越小，保护动作的延时时间越长，即所谓反时限保护。第23页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法n智能电器监控器处理过载故障时，可以有两种方法：1)按实际电流有效值计算 2)累计热效应判断第24页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法n1)按实际电流有效值计算步骤 从电流信号采样值求当前电流有效值。求当前电流比额定电流的过载倍数。根据保护特性取得延时时间，由处理器件完成延时处理。第25页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法存在问题：根据电流有效值取得延时时间，处理器件需要额外的软硬件开销。处理器的数据处理负担较重。对负载波动的适应性较差。无法保证处理瞬动操作的实时性。
11、第26页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法式中，i为通过元件的电流瞬时值，t为通电时间。2)累计热效应判断 考虑实际热脱扣器的散热条件下，温升（热效应）与通过热元件的电流平方及通电时间的积累成正比。如下式所示第27页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法第28页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法K为对应于保护特性曲线上某点的电流过载倍数；tD为动作时间；Ie为被保护对象的额定电流。上式对应的采样离散化计算式为：第29页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法n考虑到电流可能发生波动，在计算热量累加值时，应当先判断当前周期的电流有效值是否达到过载电流。如果是才进行累加，如果不是，则
12、不进行累加。下图所示的是这种处理算法的流程图。第30页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法第31页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法n3.瞬动保护 定义：当供电线路和某些用电负载中的电流超过其负载保护特性上的最大电流值时，要求一次开关电器立即分开，切断故障。保护特性上相应的电流值就是瞬动电流阈值。第32页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法n在监控器的操作中，计算电流有效值总是一个电源周期采样完后在下一个周期中进行，实际得到的是上一个周期的有效值。所以，这样就造成了操作响应时间的延迟。n解决办法：传统的措施是在电流峰值大于保护特性上的瞬动电流峰值时，分断开关元件。该方法的特点是，
13、方法简单，响应快，但抗干扰性能差。第33页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法n窗口移动的有效值计算方法可以有效地提高抗干扰能力。n这种算法用于瞬动保护，每次采样完成后即可计算电流有效值，比传统算法有更好实时性，又可避免用峰值电流判断时可能因噪声干扰引起的误动。第34页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法n4.差动保护：根据流入和流出保护区各引线端电流和来识别故障，有很高的反应速度和准确性。n原理：忽略内部损耗时，正常运行状态下流入和流出保护对象的功率相等。根据这个特点来判断是否发生故障。第35页，此课件共42页哦4.5.3基本保护算法第36页，此课件共42页哦4.5.4测量和保护计算
14、的误差分析n智能电器对被监控保护对象的测量和保护误差包括硬件误差和软件误差。第二章已经介绍过硬件误差，本章介绍的是软件误差。n产生软件误差的原因有如下4个方面。第37页，此课件共42页哦4.5.4测量和保护计算的误差分析n1.方法误差（截断误差）n2.采样不同步误差n3.数据误差n4.舍入误差第38页，此课件共42页哦4.5.5常用提高计算结果精度的措施n1.减小截断误差的措施：n增加采样点数，可以有效地减小由复化梯形求积算法引起的误差。（有缺点）n使用复化求积法中的复化辛普森公式，在同样的采样点数下，可以提高计算结果的精度。第39页，此课件共42页哦4.5.5常用提高计算结果精度的措施n2.
15、减小采样不同步误差的方法：n(1)用锁相环倍频电路控制A/D转换器采样n(2)电源频率的实时监测n(3)软件测频的同步采样控制第40页，此课件共42页哦4.5.5常用提高计算结果精度的措施n3.减小短路电流非周期分量引起的保护误差。n在电网发生短路故障时，电流波形中含有非周期分量。而且非周期分量会对傅里叶滤波的效果有很大的影响，采用一般傅里叶滤波算法实现短路保护时，会造成智能电器的误动作。n所以在智能电器中，减小这种误差的最简单最有效的方法是对采样点的数据先进性查分处理，在做傅里叶滤波运算。第41页，此课件共42页哦n本章从原理上讨论了几种常用的测量和保护算法，分析了使用的处理算法和采样方法引起的误差、处理过程的数据误差等软件误差对测量精度的影响，并给出了减小这些误差的基本措施。4.6本章小结第42页，此课件共42页哦