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1、分类号_密级_编号_硕硕硕硕 士士士士 学学学学 位位位位 论论论论 文文文文电力系统继电保护二次回路的保护研究电力系统继电保护二次回路的保护研究学位申请人：学位申请人：郭慈东郭慈东学 科 专 业：学 科 专 业：电力系统及其自动化电力系统及其自动化指 导 教 师：指 导 教 师：何人望何人望副教授副教授答辩日期答辩日期：华华华华东东东东交交交交通通通通大大大大学学学学2222000011113333届届届届硕硕硕硕士士士士学学学学位位位位论论论论文文文文电电电电力力力力系系系系统统统统继继继继电电电电保保保保护护护护二二二二次次次次回回回回路路路路的的的的保保保保护护护护研研研研究究究究电电
2、电电气气气气与与与与电电电电子子子子工工工工程程程程学学学学院院院院郭郭郭郭慈慈慈慈东东东东独创性声明独创性声明独创性声明独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人签名_日期_关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论
3、文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。本人签名_导师签名_日期_摘要I电力系统继电保护二次回路的保护研究电力系统继电保护二次回路的保护研究电力系统继电保护二次回路的保护研究电力系统继电保护二次回路的保护研究摘要摘要摘要摘要在电力系统安全运行中,高压断路器可靠动作与否决定了系统运行的稳定性和可靠性。而高压断路器可靠动作与否取决于控制回路的可靠性，而其中“防跳”回路和跳合闸回路的可靠性是控制回路的关键
4、。本论文就实际工程中控制回路图的具体方案提出“防跳”回路改善和跳合闸回路监视保护的合理化措施。首先，介绍电力系统二次回路的概念，对二次回路的控制回路反措施要求进行简单叙述。分析比较国内外控制回路中应用的“防跳”回路原理上，对于目前国内广泛应用的两种“防跳”回路进行仿真研究，对于存在的高压断路器辅助触点竞争问题，提出具体的解决措施。其次，分析国内目前控制回路的监视方法，根据实际工程控制回路图进行MATLAB仿真研究，发现目前监视方法都无法很好的实现跳合闸回路完整性监视。在目前监视方法上，考虑跳合闸线圈保护问题，对仿真模型进行改动，实现跳合闸回路的完整性监视和跳合闸线圈保护作用。最后，对实际工程控
5、制回路进行改进并分析可行性，合理设计硬件方案以实现对控制回路的实时监视和保护，并在 Protel 99 SE 上完成各种元器件的搭建连线。通过分析控制回路中可能出现的各种电流状况，完成单片机软件程序命令设计。关键词关键词：二次回路，防跳跃闭锁回路，跳合闸回路监视保护，MATLABAbstractIIPOWERPOWERPOWERPOWER SYSTEMSYSTEMSYSTEMSYSTEM RELAYRELAYRELAYRELAYPROTECTIONPROTECTIONPROTECTIONPROTECTION SECONDARYSECONDARYSECONDARYSECONDARYCIRCUIT
6、CIRCUITCIRCUITCIRCUIT PROTECTIONPROTECTIONPROTECTIONPROTECTION RESEARCHRESEARCHRESEARCHRESEARCHABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACTReliable operation of the high voltage circuit breakerin the safe operation of the powersystem,whether or not the decision of the stability and reliability of the system is
7、running.The reliable operation of the high voltage circuit breaker or not depends on the reliability ofthe control loop,which Antijump loop and the tripping/closing loop reliability is the keyto control loop.Paper on practical engineering control loop diagram specific proposals Anti jump the loop im
8、provement and rationalization tripping/closing loop monitoringprotection.First of all,the introduction of the concept of the secondary loop of the power system,and a brief description of the requirements of the secondary loop of the control loopcountermeasures.On the analysis and comparison of domes
9、tic and foreign control loopapplications of Antijump loop principle,for domestic two widely used Antijumploop simulation studies,for the presence of high voltage circuit breaker auxiliary contactscompetition issues,and propose concrete solutions measures.Secondly,the analysis of domestic current con
10、trol loop monitoring method,the controlloop diagram according to the actual engineering the MATLAB simulation study found thatthe current monitoring methods are not good tripping/closing loop integrity monitoring.Tripping/closing Coil protection issuesin the current monitoring methods,consider chang
11、esto the simulation model,tripping/closing loop integrity monitoring and tripping/closing coilprotection role.Finally,to improve the control loop of the actual project and analyze the feasibility,reasonable design hardware solutions to achieve complete various components of realtimemonitoring and pr
12、otection of the control loop,and Protel 99 SE build connections.Throughthe analysis of a variety of current condition may occur in the control loop,completesingle-chip software program command design.KeyKeyKeyKey WordsWordsWordsWords:Secondary loop,Anti leaping locking loop,The tripping/closing loop
13、monitoring and protection,Matlab.目录III目录目录目录目录第一章绪论.11.1前言.11.2防跳跃闭锁回路的研究现状.11.3跳合闸回路的监视保护研究现状.21.4本文工作.3第二章高压断路器控制回路.42.1电力系统二次回路.42.1.1二次回路的简介.42.1.2二次回路的分类及要求.42.2断路器控制方式及选择.42.3断路器控制回路设计时应注意下基本要求.52.4断路器控制回路在线监测.62.4.1采样与模数变换过程.62.4.2数字滤波.82.4.3全周傅式算法.10第三章高压断路器防跳跃闭锁回路.123.1防跳工作原理介绍.123.1.1微机保护装
14、置的防跳工作原理.123.1.2断路器本体防跳工作原理.133.1.3微机保护装置和断路器本体防跳共存时控制回路分析.133.1.4两者共存时应用中的问题及防跳的选择.153.2常用防跳回路.163.2.1串联式防跳回路.163.2.2并联式防跳回路.173.2.3跳闸线圈辅助接点式防跳回路.173.2.4弹簧储能式防跳回路.183.2.5利用防跳继电器 KO 防跳.193.3实际工程中防跳回路存在问题的分析和改进.193.3.1利用 MATLAB 对控制回路进行简化仿真分析.203.3.2实际工程中控制回路的改进.233.4实际应用中注意的问题.23第四章高压断路器控制回路监视保护.25目录
15、IV4.1现有的高压断路器监视方式.254.2结合实际工程深入探讨问题存在及解决.264.2.1实际工程的控制分析.264.2.2利用 MATLAB 对控制回路建模分析.294.2.3实际工程中具体解决方案措施.344.2.4实际工程控制回路改进后分析.35第五章高压断路器控制回路监视保护硬件设计.395.1硬件系统概述.395.2硬件电路方案图.395.2.1断路器电流信号采集.405.2.2断路器电压信号处理.405.2.3断路器电压信号转换.415.2.4单片机环节.415.2.5通信环节.425.2.6隔离电路.435.3总结.44第六章高压断路器控制回路软件设计.456.1主程序设计
16、.456.2子程序设计.466.2.1子程序主程序.466.2.2控制回路电流监视保护程序.476.3总结.54第七章总结.557.1主要工作回顾.557.2本课题今后需进一步研究的地方.55参考文献.56个人简历在读期间发表的学术论文.59致谢.60第一章绪论1第一章第一章第一章第一章绪论绪论绪论绪论1.11.11.11.1前言前言前言前言在现代电力系统运行中，高压断路器可靠动作与否决定了电力系统运行的稳定性和可靠性，而断路器可靠动作与否除了制造工艺之外，关键的是断路器控制回路的可靠性，因此对断路器控制回路可靠性要求十分严格。在发生故障时，根据继电保护1要求，开关设备能够快速，准确的切除故障
17、，除了发出命令的继电保护2装置能够准确可靠动作之外，作为命令的执行元件断路器能否可靠动作也是关键因素，也是切除故障的至关重要一环。假若发生故障时，继电保护装置5正确动作，而断路器拒绝跳闸，故障不能及时排除，势必会造成故障扩大，设备7寿命减短，经济损失加大。所以发生故障时绝对不允许出现断路器拒绝跳闸事件，即使断路器有紧急跳闸装置，可见断路器控制回路可靠动作很重要。根据世界性会议对断路器展开数据调查（见表 1.1）及对数据的有关研究，通过分析得出断路器运行中的事故发生与控制回路有直接的关系，且通过对变电站实际运行中断路器的运行情况调查可知，断路器控制回路可靠动作，则保障了电力系统的安全运行，所以深
18、入研究断路器控制回路动作状况并解决存在的问题，提高其动作稳定性。表 1-1大小事故率分布情况的对比（单位：/百开关*年）相关元件大事故小事故第一次第二次第一次第二次正常工作0.76（48%）0.14（21%）0.92（26%）1.44（31%）电气控制回路0.30（19%）0.19（29%）0.57（16%）0.92（20%）操作机构0.52（33%）0.29（43%）2.06（58%）2.05（44%）其他0.05（7%）0.25（5%）总失效率1.58（100%）0.67（100%）3.55（100%）4.66（100%）1.21.21.21.2防跳跃闭锁回路的研究现状防跳跃闭锁回路的研究
19、现状防跳跃闭锁回路的研究现状防跳跃闭锁回路的研究现状目前，在实际工程设计中，高压断路器控制回路接线中都有电气防跳跃闭锁回路（简称防跳）。“跳跃”就是指断路器合闸后，如果断路器的控制手柄未复归（合闸回路仍然接通）43，若系统发生故障，微机保护动作跳闸后会再次合闸，出现反复的跳闸合闸现象10，造成设备被损坏，严重时会危急人身安全，所以即使断路器有机械闭锁装置，也第一章绪论2要在控制回路接线中加装电气“防跳”回路12。“防跳”目的就是在断路器出现反复跳合闸时，闭锁合闸回路使其无法再次合闸。国内“防跳”回路2126由于国产断路器内部没有“防跳”功能，只能通过控制二次操作回路的接线来进行“防跳”。但是，
20、随着国外断路器的引进，断路器机构本身自带了“防跳”功能，给断路器运行和现场调试带来了方便，考虑断路器本体“防跳”性能比较好，就开始采用断路器机构箱本体防跳，取消操作箱外部“防跳”功能6。目前，实际工程设计中使用微机保护装置控制断路器跳合闸操作。而控制回路的“防跳”功能可以选择断路器操作箱“防跳”或断路器操作机构的防跳来实现，前者是基于串联“防跳”回路原理，后者是基于并联防跳回路原理，这 2 种“防跳”回路也是目前国内外使用比较广泛的电气“防跳”回路。两者35如何设置如何正确合理的选择应根据实际工程是需要，从而保障电力系统可靠运行及设备安全。1.1.1.1.3 3 3 3跳合闸回路的监视保护研究
21、现状跳合闸回路的监视保护研究现状跳合闸回路的监视保护研究现状跳合闸回路的监视保护研究现状现有的断路器控制回路的监视保护方法50有限，仅限于跳闸合闸保护、跳闸位置和合闸位置监视指示灯、保护测控装置及信号电源开关报警小母线、装置事故音响、控制回路断线报警等。在实际工程中，对于断路器控制回路监视方法17大体上有四种：一是在跳合闸回路并联一个辅助回路，串接电阻和红路灯进行监视；二是在跳合闸回路并联一个辅助回路，串接电阻和跳合闸位置继电器，靠两个继电器的常闭接点来进行监视；三是在跳闸回路中串接一个灯光进行监视；四是在跳闸回路中串接一个高内阻继电器进行监视。上述四种监视方式：前面两种监视原理一样，断路器在
22、合闸后对跳闸回路能否跳闸进行完整性监视，而合闸回路下次能否正常合闸不知道；同理，断路器在跳闸后对合闸回路能否合闸进行完整性监视，而跳闸回路下次能否正常跳闸不知道；第三种监视方式，只是在合闸后对跳闸回路能否跳闸进行完整性监视，跳闸后跳闸回路下次能否正常跳闸不知道；第四种监视方式，此方法可以实现对跳闸回路进行跳闸或合闸情况下完整性监视，但是合闸回路在合闸后完整性没有进行监视。通过对现有的四种跳合闸回路的监视方式分析，我们发现都不能实现对跳合闸的完整性监视，若系统发生故障，则断路器可能拒绝跳闸，故障不能及时切除，则会造成系统不稳定，设备损坏，事故扩大等后果；若故障排除后，也有可能发生断路器拒合闸36
23、现象，虽然损失不大，但是妨碍了供电的可靠性，所以有必要对断路器实现真正的完整性监视。高压断路器在实际运行中，经常会发生跳闸合闸线圈被烧毁的事情，断路器线圈被烧毁主要原因就是因为线圈动作设定是短时间通电的，如果发生断路器操作机构卡死或者辅助触点切换不正常，造成线圈长时间通电而被烧毁18。而目前对于跳合闸线圈保护并没有具体的措施，只是要求变电站值班人员在断路器进行跳合闸操作时注意控制屏台第一章绪论3上跳合闸位置指示灯和电流变化，当出现异常情况时立即采取必要措施，这种方法不科学，所以有必要对跳合闸线圈进行保护。1.1.1.1.4 4 4 4本文工作本文工作本文工作本文工作本文主要做了以下几个方面的工
24、作：（1）分析了国内外“防跳”回路的研究现状，并结合实际工程控制回路进行仿真研究，给出一种合理化改善。（2）分析了国内外对控制回路监视保护技术的现状，并结合实际工程控制回路进行仿真研究，提出一种改进方法。（3）在分析研究（2）的基础上，结合实际工程，给出了具体的硬件方案并在 Protel上完成元器件的搭接连线。（4）通过分析控制回路中可能出现的各种动作，完成单片机软件程序命令设计。第二章高压断路器控制回路4第二章第二章第二章第二章高压断路器控制回路高压断路器控制回路高压断路器控制回路高压断路器控制回路在现代电力系统3运行中，高压断路器可靠动作与否决定了电力系统运行的稳定性和可靠性，而断路器可靠
25、动作与否除了制造工艺之外，关键的是断路器控制回路的可靠性，因此对断路器控制回路可靠性要求十分严格。2 2 2 2.1 1 1 1电力系统二次回路电力系统二次回路电力系统二次回路电力系统二次回路2.2.2.2.1 1 1 1.1 1 1 1二次回路的简介二次回路的简介二次回路的简介二次回路的简介在电力系统运行中，电气设备9分为一次设备和二次设备。二次回路4就是把二次设备按一定功能要求连接起来所形成的电气回路，以实现对一次系统设备运行工况的监视、测量、控制、保护、调节等功能2425。2.2.2.2.1 1 1 1.2 2 2 2二次回路的分类及要求二次回路的分类及要求二次回路的分类及要求二次回路的
26、分类及要求根据二次回路的作用，二次回路1631可分为继电保护及安全自动装置回路、测量回路、调节回路、控制回路、信号回路、直流电源回路等。（1）控制回路：控制断路器进行跳合闸操作。（2）信号回路:反映一次设备工作状态，并在一次设备出现异常运行状况时，提醒运行人员对一次设备运行状况进行及时处理。（3）测量回路：指示或记录一次设备的运行参数，当一次设备发生故障时，运行人员可查看一次设备运行情况，分析故障并及时处理。（4）继电保护与自动装置回路：对一次设备运行状态进行控制，并在系统发生故障时能够自动处理，并发出信号。（5）调节回路：根据系统运行需要，一次设备参数的变化，实时调节一次设备参数。（6）操作
27、电源：直流及交流电源系统。2.22.22.22.2断路器控制方式及选择断路器控制方式及选择断路器控制方式及选择断路器控制方式及选择断路器的控制方式14有多种，分析如下：1.按控制地点分断路器的控制方式按控制地点分为集中控制和就地（分散）控制两种。（1）集中控制：在主控制室的控制台上，用控制开关或按钮通过控制电缆去接通或断开断路器的跳合闸线圈，对断路器进行控制。第二章高压断路器控制回路5（2）就地（分散）控制：在断路器安装地点（配电现场）就地对断路器进行手动或自动跳合闸操作。2.按控制电源电压分断路器的控制方式按控制电源电压分为强电控制和弱电控制两种。（1）强电控制：从断路器的控制开关到其操作机
28、构的工作电压均为 110V 或 220V。（2）弱电控制：控制开关的工作电压是弱电（直流 48V），而断路器的操动机构的电压是 220V。目前在 500KV 变电所二次设备分散布置时，在主控制室采用弱电一对一控制。3.按控制电源的性质分断路器的控制方式按控制电源的性质可分为直流操作和交流操作两种。直流操作一般采用蓄电池供电；交流操作一般是由电流互感器、电压互感器或所用变压器提供电源。4.按控制操作方式分断路器的控制方式按操作方式可分为一对一控制和一对 N 选线控制两种。（1）一对一控制：每一个断路器都有一套独立的控制回路。（2）一对 N 选线控制：N 个断路器只有一套控制回路、一个控制开关。5
29、.按控制回路监视方式分断路器的控制方式按按控制回路监视方式可分为灯光监视和音响监视两种。（1）灯光监视：在跳合闸回路并联一条辅助回路，串接电阻和灯光对跳合闸回路进行监视，接线简单，并能指示断路器的位置。（2）音响监视：在跳合闸回路并联一条辅助回路，串接电阻和跳合闸位置继电器，在信号回路串接两个继电器常闭触点启动音响报警监视，并能提醒运行人员处理。由上述分析可知，对于断路器控制可以采取强电控制和弱电控制，两者区别主要是控制电源的不同和控制方式的不同。如果采用弱电控制，则它的优点是可以节省设备和电缆，而且目前变电站大都采用微机保护，弱电控制容易与计算机通信进行控制。但是弱电控制也有控制设备接线复杂
30、，操作繁琐，端子间电气绝缘距离较小容易短路等缺点。如果采用强电控制，它的优点是操作简单，稳定性高，但是强电控制需要的控制室的面积较大，不方便运行人员进行操作。目前，变电站 500KV 以上等级采用弱电控制，而 500KV 以下等级采用强电控制，而且变电站采取自动化管理方式，站内都采取微机保护进行控制。2.2.2.2.3 3 3 3断路器控制回路设计时应注意下基本要求断路器控制回路设计时应注意下基本要求断路器控制回路设计时应注意下基本要求断路器控制回路设计时应注意下基本要求2240（1）能对控制回路电源及跳合闸回路完整性进行监视。一旦失去控制电源,而此时若系统发生故障，则故障也无法切除。或者当断
31、路器处于合闸位置时，保护动作跳闸，但若此时断路器拒绝跳闸，则故障也会无法切除，造成事故扩大，影响系统正常运行。第二章高压断路器控制回路6所以一旦控制电源和控制回路完整性被破坏，则要发出信号提醒运行人员。（2）无论断路器是否带有机械闭锁，都应该有防止多次跳合闸的电气“防跳”措施。“跳跃”对断路器是绝对不允许的，不仅会对设备造成损坏，严重时会危急人身安全。而在变电站实际工程中，因为断路器外部操作箱和内部操动机构都有“防跳”功能，在实际应用时，一般都是采取其中之一的防止断路器“跳跃”的电气回路。（3）对于断路器处于合闸位置还是跳闸位置，控制回路中有明显的指示信号，对于自动或者手动跳合闸也应该有不同的
32、显示信号。（4）当断路器进行跳合闸操作时，应有跳合闸保持继电器保证跳合闸完成，跳合闸操作完成后，应由断路器辅助触点自动解除合闸命令，防止跳合闸线圈长时间通电被烧毁。（5）对于采用弹簧操作机构，液压和气压的断路器，应有对弹簧机构的弹簧是否拉紧到位，液压或气压机构的应用压力是否正常等进行监视，当操作动力消失或不足时，应立即对断路器进行闭锁动作，并发出报警信号。（6）在满足断路器控制要求的前提下，应尽可能是控制回路简单30，使用的设备，保护装置，电缆数较少。2.42.42.42.4断路器控制回路在线监测断路器控制回路在线监测断路器控制回路在线监测断路器控制回路在线监测断路器控制回路完整性是保障电力系
33、统安全运行的重要条件，对控制回路实施在线监测能够满足继电保护的“四性”要求，对控制回路在线监测就是基于数字式继电保护技术72，它主要包括数字核心部件，模拟量输入接口部件，开关量输入接口部件，开关量输出接口部件，人机对话接口部件以及外部通信接口部件。而其中数字采集系统和数据处理是在线监测的重要关键部分。2.4.12.4.12.4.12.4.1采样与模数变换过程采样与模数变换过程采样与模数变换过程采样与模数变换过程（1）采样过程描述及采样定理设输入模拟信号为)(xtA，现在以确定的时间间隔sT对其连续采样，得到一组代表)(xtA在各采样点瞬时值得采样值序列)(nx，可表为,.3,2,1),()(=
34、nnTxnxSA（2-1）设输入模拟信号)sin()(x+=tXtmA（2-2）则有)sin()(+=SmnTXnx（2-3）第二章高压断路器控制回路7其中)(nx是以 n 为变量，以ST为时间间隔的一组采样序列。上述确定的相邻采样值之间的间隔时间ST称为采样周期。设采样频率为Sf，则SSTf1=（2-4）采样率反映了采样速度。在电力系统的实际应用中，习惯用采样率Sf相对于基波频率的倍数（记为 N）来表示采样速率，称为每基频周期采样点数，或简称为 N 点采样。设基频频率为1f、基频周期为1T，则有SSTTffN11=（2-5）如何选择采样率，或者说，对连续信号进行采样时应选择多高的采样率才能保
35、证不丢失原始信号中的信息？研究表明，采样值能完整、正确和惟一地恢复输入连续信号的充分必要条件是，采样率Sf应大于输入信号的最高频率maxf的 2 倍，即max2ffS（2-6）（2）模数变换过程及技术指标模数变换的基本原理简单地说是用一个微小的标准单位电压来度量一个无限精度的待测量的电压值，从而得到它所对应的一个有限度的数字值。显然，选定的标准单位电压越小，A/D 变换的分辨率越高，得到的数字量就能越精确地刻划瞬时采样值；但无论多小，总会有误差，该误差被称为量化误差。这也说明了 A/D 的分辨率越高，量化误差越小。A/D 变换器的主要技术指标是分辨率、精度和变换速率。（a）分辨率是反映 A/D
36、 对输入电压信号微小变化的区分能力的一种度量。A/D 变换器分辨率的计算公式为DABDADAU/2r/=（2-7）式中DAr/A/D 变换器的分辨率（用最小可分辨电压表示），V；DAU/A/D 变换器额定满量程电压，即最大允许的输入信号电压，V；DAB/A/D 变换器最大可输出数字量对应的二进制位数。以满量程电压值为5V、最大可输出数字量对应的二进制位数DAB/=12 的 A/D 变换器为例,其 A/D 变换器的分辨率DAr/=10/212=10/40960.00244(V)。也就是说，如果输入信号电压比这个数值还小，则该 A/D 变换器将无法分辨。由于 A/D 转换器的分辨率与其输出数据的位
37、数直接相关，通常又用 A/D 变换器的二进制位数DAB/来表示。在数字保护装置中多使用 12 位、14 位或 16 位分辨率的 A/D 变换器。（b）A/D 变换器的精度是指 A/D 变换的结果与实际输入的接近程度，也就是准确度，或者说 A/D 变换器的精度反映变换误差。A/D 变换器的精度通常最低有效位（ISB）第二章高压断路器控制回路8来表征，即当 A/D 变换结果用二进制数来表示时，其低位端最大可能有几位是不准确的。（C）A/D 变换器的速度通常用完成一次 A/D 变换的时间来表示，记为DAT/。目前数字保护装置中常用 A/D 变换器的变换时延仅为数微妙。2.4.22.4.22.4.22
38、.4.2数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波目前，大多数数字式继电保护是以故障信号中的基频分量或某种整次谐波分量为基础构成。而在实际故障情况下，输入的电流、电压信号中，除了保护所需的有用成分外，还包含有许多无效的“噪声”分量，如衰减直流分量和各种高频分量等。为了消除噪声分量的影响，有两种基本途径：一是首先采用数字滤波器对输入信号采样序列进行滤波，然后再使用算法对滤波后的有效信号进行运算处理；二是设计算法时使其本身具有良好的滤波性能，直接对输入信号采样序列进行运算处理。但一般情况下这两种基本途径或多或少都需要用到数字滤波器。数字滤波器的特点是不以计算电气量特征参数为目的，而是通过对采样序列的数字运算
39、得到一个新的序列，在这个新的采样序列中已滤除了不需要的频率成分，只保留了需要的频率成分。一般地，线性数字滤波器的运算过程可用常系数线性差分方程表述为=+=kttktttnybtnxan00)()()(y（2-8）式中)(nx、)(ny分别为滤波器的输入值采样序列和输出值采样序列；ta、tb滤波器的系数，简称滤波系数。通过选择滤波系数ta和tb，可控制数字滤波器的滤波特性。在式（2-8）中，若系数tb全部为 0 时，称之为有限冲激响应（FIR）数字滤波器，此时，当前的输出)(ny只是过去和当前的输入值)t-(nx得函数，而与过去的输出值)t-(ny无关。若系数tb不全为0，即过去的输对现在的输出
40、也有直接影响，称之为无限冲激响应（IIR）数字滤波器。与模拟滤波器对比，FIR 和 IIR 数字滤波器可以理解为前者没有输出信号对输入的反馈，而后者则有输出信号对输入的反馈。数字滤波器的滤波特性用频率响应特征来表征，包括幅频特性和相频特性。幅频特性反映经过数字滤波后，输入和输出信号的幅值随频率的变化情况；而相频特性则反映输入和输出信号的相位移随频率的变化情况。获得数字滤波器的频率响应特性需要使用数学工具 Z 变化。设离散序列)(nx的 Z 变换为)()(xzXnZ=，这里sTez=,j+=S。对离散系统的差分方程式（2-8）进行 Z 变换，有tKtttKttzYbzzXazY=+=)z()()
41、(00（2-9）第二章高压断路器控制回路9定义该离散系统的转移函数为)()()(zXzYzH=,则有=KtttKtttzbzazXzYzH001)()()(（2-10）注意)()()(zjHezHzH=，)()()(zjyezYzY=，)(x)()(zjezXzX=均为复数，因此，式（2-10）还可以表示为()()()()()()()()()()(z)()(zjzjzjzjxzyxyHezXzYezXezYXzYezHzH=?（2-11）若在式（2-11）中取STjez=带入，即获得该系统的频域响应特性，记为)(H。于是得到幅频和相频特性响应分别为()()()ZYH=?（2-12）()()()
42、XYH=?（2-13）在数字保护中，只要各通道模拟信号采用同样的数字滤波器，无论相频特性响应如何，都不会改变各种信号的相对相位关系，从而不会影响相位判别，因此，通常主要关系幅频特性响应，因为它真正反映了对不同频率信号的增益。对于 FIR 型数字滤波器，其差分方程为)()(y0tnxanhtt=（2-14）这意味着当前滤波输出与当前及前 K 个输出数据有关。更确切地说，需等待 K+1个输入数据之后滤波器才可能得到第一个滤波器输出数据，也就是说，滤波输出采样序列相对于输入采样序列出现了时间上的延迟，K 越大则时延越长。定义 FIR 数字滤波器的响应时延为SKT=（2-15）由于ST为常数，因而在实
43、用中广泛采用数字滤波器产生一个输出数据所需要等待的输入数据的个数来表示时延，称为数据窗，记为dW（为整数）。显然有=+=SddTWKW)1(1（2-16）时延和数据窗反映数字滤波器对输入信号的响应速度，是非常重要的技术指标。FIR 型数字滤波器的优点是由于采用有限个输入信号的采样值进行滤波计算，不存在信号反馈，因而滤波器没有稳定问题，也不会因计算过程中舍入误差的累积造成滤波特性逐步恶化。此外，由于滤波器的数据窗明确，便于确定它的滤波时延，易于在滤波特性与滤波时延之间进行协调，而 IIR 数字滤波器利用了反馈信号，易于获得较理想的第二章高压断路器控制回路10滤波特性，但存在滤波系统稳定性问题，在
44、设计和应用中需特别注意。目前在实用的数字保护装置中实用 FIR 数字滤波器居多。2.4.32.4.32.4.32.4.3全周傅式算法全周傅式算法全周傅式算法全周傅式算法全周傅氏算法的基本思想源于傅里叶级数。假设输入信号为周期函数，即输入信号中除基频分量外，还包括直流分量和各种整次谐波分量。仍以电压为例，此时输入信号可表示为=+=+=+=MkIRkMkkkMkkmtkwUtkUUtkUtkUUtkUUtu11k10m11mk1mk0m11mk0)cos()sin()cos(sin)sin(cos)sin()(（2-17）式中1基频角频率；M信号中所含的最高次谐波的次数；k谐波次数，表示第 k 次
45、谐波；mkU、k第 k 次谐波分量的幅值和相位；kRU第 k 次谐波分量的实部，kmRkUUcos=；kIU第 k 次谐波分量的虚部，kmIkUUsin=;m0U直流分量，即第零次谐波。根据三角函数系在区间1,0T（1T为基频周期）上的正交性和傅里叶系数的计算方法，可在式（2-17）中直接导出实、虚部计算式为=11011k1011)cos()(2)sin()(2TTRkdttktuTUdttktuTU（2-18）取每基频周期 N 点采样，并采用按采样时刻分段的矩形面积之和（也可以采用梯形面积之和）来近似上式连续积分，则有=10k10)2ktcos()(2)2sin()(2NtINtRkNtuN
46、UNkttuNU（2-19）该算法的数据窗为一个完整的基频周期，称之为全周傅氏算法。注意到全周傅氏算法的滤波系数为可事先算得的常数，故算法的实时计算量不大。如取 k=1,则得到基频分量的实部和虚部为第二章高压断路器控制回路11=101101)2tcos()(2)2sin()(2NtINtRNtuNUNttuNU（2-20）式（2-20）的幅频特性可以看出，全周傅氏算法可保留基波并完全滤除恒定直流分量及所有整次谐波分量；虽不能完全滤除非整次谐波分量，但有很好的抑制作用，尤其对高频分量的滤波能力相当强。分析表明，全周傅氏算法的主要缺点是易受衰减的非周期分量的影响，在最严重情况下，此时的计算误差可能
47、超过 10%。为减少由衰减直流分量引起的计算误差，一个简单可行的方法是对输入的原始采样数据先进行一次差分滤波，然后再进行傅氏计算。观察式（2-19），其实部和虚部算法实质上是两个 FIR 数字滤波器，而这两个 FIR数字滤波器的系数严格满足正交条件，因此全周傅氏算法的实部和虚部算法构成了一组正交滤波器。正是这种正交特性，使其可正确获得基波及各次谐波对应向量的实部和虚部。由此可以看出，输入信特征量的实、虚部算法与数字滤波器可以统一起来，构造实、虚部算法无非是要找到一组正交滤波器。总得来看，全周傅氏算法原理清晰，计算精度高，因此在数字保护装置中得到了广泛应用。不过该算法的数据窗较长，使保护的动作速
48、度受到一定限制。实际上，无论采用何种算法或数字滤波器，要提高滤波性能，都不可避免地需要延长它们的数据窗，这需要根据实际要求在这两者之间进行权衡。对断路器控制回路实施防跳回路设计和跳合闸回路的监视保护，保障电力系统安全运行，并且对断路器实时在线监测，能够确保断路器的可靠动作。第三章高压断路器防跳跃闭锁回路12第三章第三章第三章第三章高压断路器防跳跃闭锁回路高压断路器防跳跃闭锁回路高压断路器防跳跃闭锁回路高压断路器防跳跃闭锁回路目前，在实际工程设计中，高压断路器控制回路接线中都有防跳跃闭锁回路（简称防跳）27。“跳跃”就是指断路合闸后，如果断路器的控制手柄未复归（合闸回路仍然接通）43，若系统发生
49、故障，微机保护动作跳闸后会再次合闸，出现反复的跳闸合闸现象，造成设备被损坏，严重时会危急人身安全，所以即使断路器有机械闭锁装置，也要在控制回路接线中加装电气“防跳”回路37。3 3 3 3.1 1 1 1防跳工作原理介绍防跳工作原理介绍防跳工作原理介绍防跳工作原理介绍3 3 3 3.1 1 1 1.1 1 1 1微机保护装置的防跳工作原理微机保护装置的防跳工作原理微机保护装置的防跳工作原理微机保护装置的防跳工作原理微机保护装置的“防跳”回路46是由跳闸回路启动的，其接线原理图如图 31 所示：当断路器处于合闸状态时，若此时系统发生故障，微机保护动作，跳闸回路接通，则会达到 TBJ 电流线圈启动
50、电压，TBJ 动作后，串接于合闸回路中的常闭触点 TBJ1断开，则会使合闸回路断开，如果合闸信号还存在，由于常开触点 TBJ2 闭合，并联于合闸回路的 TBJ 电压线圈“防跳”回路接通，则会达到 TBJ 电压线圈启动电压，即使跳闸结束后，断路器常开触点 QF 断开，跳闸回路断开，TBJ 电流线圈复归，而由于TBJ 电压线圈一直动作，串接于合闸回路中的常闭触点 TBJ1 一直断开合闸回路，断路器常闭触点 QF 闭合也不会使断路器合闸，从而防止断路器多次跳合闸。图 3-1微机保护装置的“防跳”原理图Fig.3-1Microcomputer protection device against jum