35KV变电所线路微机保护研究与设计论文.doc

本科毕业论文设计论文题目：35kV变电所线路微机保护研究与设计姓名 专业 机械电子工程（本科）导师 论文完成日期 2011年9月25日摘 要论文论述了微机保护装置在国内外的发展历史和研究现状，设计了35KV线路保护功能配置方案和故障判据，对装置的算法进行设计，选择滤波性能良好的全波傅氏算法作为装置的算法，这样在无需增加硬件电路的基础上，即可完成数据采集。为了验证装置设计的故障判据的正确性，本文以小电流系统中的最常见的单相接地故障为例，建立了电力系统故障模型，通过仿真对小电流系统单相接地故障进行了分析，并提出了预防方法；并采用RBF神经网络算法对故障模拟量进行滤波仿真。分析与仿真表明：小电流系统发生单相接地短路时，线电压仍然对称，对负荷的供电基本没有影响，但是为了防止故障进一步扩大，可以根据零序电流的变化来发出告警信号；RBF算法具有良好的滤波性能，可以滤掉故障情况下模拟量的高次谐波，从而准确的采集数据进行计算以达到有效判断故障的目的。本文设计了一套35KV线路微机保护装置，装置的硬件结构由双CPU构成，包括由CPUl控制的按键电路、液晶显示电路和由CPU2控制的低通滤波电路、数据采集电路、继电器控制电路；针对硬件开发了系统的软件，包括按键和液晶显示系统软件、串口通讯软件、数据采集系统和故障处理系统软件；实现了保护的三段式电流电压联锁保护、小电流告警、过负荷保护、PT断线检测，三相一次重合闸等功能。最后通过实验验证了装置的算法和保护功能。测试结果表明：数据采集系统的精度满足系统的要求，装置能实现预定的功能。关键词：微机保护；数据采集；傅氏算法；单相接地短路；RBF神经网络算法。目录1 绪论111电力系统微机保护的历史及发展现状11.1.1电力系统微机保护概述11.1.2微机保护的国内外历史及发展概况11.1.3国内外关于线路微机保护的研究现状212论文的主要内容 32. 35KV线路微机保护功能配置方案及算法设计42.1 35KV线路保护的功能配制方案 42.1.1 三段式电流电压联锁保护 42.1.2 小电流告警42.1.3 过负荷保护52.1.4 PT断线检测52.1.5 三相一次重合闸52.2 35KV线路保护的原理和特点52.2.1三段式电流电压联锁保护原理 52.2.2 输电线路方向性电流保护的工作原理102.2.3 单相接地报警原理122.3 基于多次谐波的周期函数算法-傅氏算法 132.4 本章总结163 电力系统故障分析和基于神经网络的非线性滤波173.1 电力系统运行故障分析173.1.1 系统建模及参数调节173.1.2 系统中物理量的分析1932谐波概述213.3 RBF 网络拓扑结构及训练算法223.4 RBF神经网络用于非线性滤波233.5 本章总结264.1 系统硬件基本结构设计框图274.2 前端滤波和数据采集电路硬件设计274.2.1 低通滤波电路274.2.2 数据采集电路284.3 开关量输入输出电路设计334.4 键盘和液晶显示电路设计344.4.1 LCD的功能及引脚介绍374.4.2 键盘和液晶显示电路工作原理384.5 单片机出口控制电路和通讯电路设计394.5.1 单片机出口控制电路设计394.5.2 串口通讯电路设计394.6 装置的硬件抗干扰措施404.7本章总结415 线路微机保护系统的软件设计425.1 微机保护软件的系统配置 425.1.1 软件系统概述 425.1.2 系统软件系统构成 425.2 监控系统软件设计 435.2.1 监控系统实现功能 435.2.2 监控系统程序设计 435.3 串口通讯软件设计 445.3.1串口通讯功能 445.3.2 串口通讯软件设计445.4 保护功能程序软件设计465.4.1保护功能软件实现功能465.4.2 数据采集系统软件设计475.4.3故障处理系统软件设计505.5 装置的软件抗干扰措施515.6 本章总结526装置实验结果536.1 装置的实验结果536.1.1 数据采集系统采集精度测试536.1.2 保护功能测试536.2本章总结547 结束语 55致谢56参考文献57591 绪 论11电力系统微机保护的历史及发展现状1.1.1电力系统微机保护概述电力是整个国民经济的命脉，也是现代化工业生产的主要能源。变电所是电力系统的重要组成部分，11OKV、35KV及以下的变电站一般与电力系统直接相关。变电所的可靠运行与国民经济的发展密切相关，其最大特点是发电、输配电，用电都必须在同一时刻完成，因此对整个电力系统的运行有着极为严格的要求。但是，由于自然因素和运行过程中的老化、操作错误等原因使电力系统产生故障及不正常运行状态，为了及时处理这些故障，必须建立经济合理、技术先进的变电所继电保护系统，实现变电所的综合自动化。输电线路的保护是变电所继电保护系统中最重要的部分，一旦线路产生故障，将造成供电线路供电的不正常，严重时甚至造成整个电力系统的瘫痪。因此必须设计一套线路保护系统，将产生故障的线路迅速切除，线路保护系统的功能包括：(1)三段式电流的保护。(2)电流电压联锁保护和方向电流保护。(3)单相接地保护(4)过负荷保护。(5)重合闸和后加速保护。(6)线路PT断线检测。(7)低周减载保护。1.1.2微机保护的国内外历史及发展概况微机继电保护指的是以数字式计算机(包括微型机)为基础而构成的继电保护。它起源于20世纪60年代中后期，在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。早在50年前，美国著名学者JL Blackburn就提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是因为当时计算机的价格较高，同时无法满足继电保护高速的要求，最终没有应用到实际，但是却对继电保护的理论计算方法和程序结构做了很多研究，这也为继电保护后来的发展奠定了基础。1975年初，英国GEC公司应用微处理机于变电所的控制和自动重合闸上的情况己有报道。1979年，IEEE的教育委员会组织了第一次世界性的计算机保护研究班。之后，世界各大继电器制造商都先后推出了各种商业性微机保护装置，微机保护逐渐趋于实用。意大利专家VCalderaro在基于安全性和可靠性的基础上，提出自适应算法处理电网故障，并通过微处理器程序实现了反时限特性，曲线受微处理器温度、风速、辐射和光照的影响 15。在电力系统微机保护技术方面，日本、美国、英国、德国发展最快。在国内，我国的继电保护起步晚，但是近30年来，计算机技术的飞速发展影响到人们生活的各个领域，同样，也推动了电力系统微机保护的发展。我国在对微机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起了先导的作用。从70年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学自动化研究院都相继研制了不同原理和不同型式的微机保护装置。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定并在系统中得以应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。随着微机保护系统的成熟，系统的算法也越来越多样化，Zoran MRadojevi6在文章中提出了用于计算故障距离和判断故障类别的两种算法131，计算故障距离的算法将线路的正序、零序阻抗作为输入参数计算出距离；判断故障类别的算法将三次谐波的参数作为输入，计算出电弧电压的幅值，从幅值可以判断故障是暂时性故障还是永久性故障。到目前为止，从有关变电所自动化产品方面看。国内目前已有众多厂家能生产微机远动、微机保护等设备，大部分都已达到能投入实际运行的水平，有些产品如微机保护已跻身国际先进行列。综上所述，目前国内微机保护自动化工作正处于飞速发展、蒸蒸日上的阶段。1.1.3国内外关于线路微机保护的研究现状目前国内外应用于微机保护的处理器有单片机、DSP和嵌入式的处理器。其中，DSP由于其独特的算法处理功能而在最近的国内外市场上占有主导地位。单片机是通过大规模集成电路技术将CPU、ROM、RAM等封装在一个芯片中，具有接口设计简单、可靠性高、低功耗和性价比高的特点，从最初的8位单片机到16位、32位单片机的保护设计；从最初的单CPU到现在的多CPU，都在电力系统微机保护中得到了广泛的应用。目前应用最广泛的处理器。DSP处理器与单片机处理器不同，它是一种为了达到快速数学运算而具有特殊结构的微处理器，DSP的硬件资源丰富，开发平台先进，还具有计算能力强、精度高、总线速度快等特点，将DSP应用于微机保护系统，可以缩短数字滤波和算法的计算时间，还可以完成单片机的控制功能。总的来说，用单片机实现微机保护系统有以下几个优点：(1)单片机价格低廉，接1：3电路设计简单，扩展外围电路比较容易。(2)单片机主要面向控制领域，抗干扰能力强，可靠性比较高。(3)单片机技术基本已经成熟，可参考的例子和资料非常多，可以缩短开发周期。12论文的主要内容本文设计了一套35KV微机线路保护装置，主要包括功能配置方案和故障判据设计、系统硬件设计、系统软件设计、抗干扰设计等，另外通过建立电力系统模型对电力系统常见故障进行仿真分析，并通过RBF算法对故障模拟量进行仿真滤波。论文的具体章节安排如下： 第一章绪论：主要介绍了线路微机保护的历史、现状及发展趋势。第二章35KV线路微机保护功能配置方案及算法设计：设计了35KV线路保护的功能配置方案和故障判据，详细分析了35KV线路保护的原理和特点；介绍了傅氏算法的工作原理和特点。第三章电力系统故障分析和基于电力系统的非线性滤波：通过建立电力系统故障模型并对单相接地故障进行了仿真，最后将RBF算法应用于非线性滤波仿真。第四章线路微机保护系统的硬件设计：设计了35KV线路微机保护系统的硬件系统详细分析了其工作原理及实现功能。最后介绍了装置的硬件抗干扰措施。第五章线路微机保护系统的软件设计：开发了35KV线路微机保护系统的软件系统，给出了程序设计的流程图，详细分析了其原理及实现功能。最后介绍了装置的软件抗干扰措施。第六章装置实验结果：通过实验验证了系统的算法和保护功能.2 35KV线路微机保护功能配置方案及算法设计本章首先设计了35KV线路保护的功能配置方案和故障判据，装置的主要功能包括三段式电流电压联锁保护、小电流告警、过负荷保护、PT断线检测、三相一次重合闸。然后详细分析了35KV线路保护的故障判据和原理，介绍了傅氏算法的原理和特点，从精度、速度和系统的要求各方面综合考虑，最后选择全波傅氏算法作为装置的算法。2.1 35KV线路保护的功能配制方案在35KV线路微机保护装置中，配置了三段式电流电压联锁保护、小电流告警、过负荷保护、PT断线检测、三相一次重合闸等功能。相应的保护功能框图如图21所示。装置的功能判据如下：2.1.1 三段式电流电压联锁保护在35KV电网中，短路故障占系统总故障的80以上，当电网中发生相间短路的时候，短路电流比正常工作时的电流要大的多，同时相间电压下降，根据这个特点，在设计中选择三段式电流电压联锁保护，I段为电流速断保护，II段为限时电流速断保护，I段为过电流保护，其中I段、段为主保护，段为后备保护，电压保护采用低电压闭锁保护。2.1.2 小电流告警在35KV中性点不接地电网发生单相接地短路时，故障点仅流过对地的电容电流，数值很小，这时电网的线电压仍然保持对称，对负荷的供电基本没有影响，在这种情况下，可以允许继续运行1-2小时，不需立即跳闸，但是为了防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路而影响供电，设计小电流告警功能，以便运行人员采取措施给予解决。2.1.3 过负荷保护装置设计过负荷保护功能，即监视三相电流，如果发现相电流超过线路正常运行时允许通过的最大电流时，经设定的延时后动作(跳闸或告警)。2.1.4 PT断线检测装置设计PT断线检测功能，通过检测三相线电压和三相电流，当有任意一个线电压<30V，同时有任意一个相电流>0.1A时，这种状态持续10s就判断为母线PT断线。2.1.5 三相一次重合闸输电线路的故障分为瞬时性故障和永久性故障，其中大多数为瞬时性故障，瞬时性故障多为天气、鸟兽等自然原因引起，这种故障当保护装置反映跳闸后，故障已经消失，这时，装置配制的重合闸功能会自动重合一次，如为瞬时性故障，则继续运行，如为永久性故障，则再次加速反映出口跳闸。2.2 35KV线路保护的原理和特点2.2.1三段式电流电压联锁保护原理输电线路发生短路时，相电流突然增大，线电压降低，当故障线路上的相电流大于某一个规定值同时保护安装处母线电压小于某一个规定值时，保护将跳开故障线路上的断路器而将故障线路断电，这就是电流电压联锁保护的工作原理。其中，规定值就是电流、电压联锁保护的动作电流和动作电压，它是能使电流保护动作的最小电流和使电压保护动作的最大电压，通常用IDZ和UDZ表示。电流电压联锁保护在35KV及以下的输电线路中被广泛应用。下面对三段式电流电压联锁保护分别予以介绍：(1)无时限的电流速断保护(电流I段保护)我们以图22中单侧电源网络中输电线路AB上所装设的电流保护来分析电流保护的原理。在图22中，为了反映全线路的短路电流，设AB线路的电流保护装于线路始端母线A处，在图上称做电流保护1，显然电流保护1要可靠动作，它的动作值IDZ必须选择小于或等于保护范围内可能出现的最小短路电流。在图22中，假设AB线路上d1点发生三相短路，则线路上的短路电流为：Id(3)=E/Zs+Zd (2-1)其中，E是电源系统相电势，Zs是电源系统阻抗，Zd是故障点到保护安装处之间的阻抗，由式(2-1)可以看出，当系统电压一定的时候，短路电流的大小与系统阻抗和短路点的位置及短路类型有关，系统阻抗是由运行方式决定的，在最大运行方式下Zs取最小值，在最小运行方式下Zs取最大值，在实际中，一般来说系统在最大运行方式下三相短路电流最大，称此为保护的最大运行方式，系统在最小运行方式下两相短路电流最小，称此为保护的最小运行方式。这两种情况下的短路电流随故障点位置变化的曲线如图22中的曲线l和曲线2，曲线1为最大运行方式下的曲线，曲线2为最小运行方式下的曲线，当系统运行在其它任何方式下发生任何类型的短路时，Id=f(Ld)曲线位于曲线l和曲线2之间。对安装在AB线路的保护1来说，快速切除AB线路的故障是它的首要任务，因此，其动作值IDZ应该小于等于AB线路上可能出现的最小短路电流，最小短路电流为线路末端发生两相短路时的短路电流I(2)Bmin，即I(2)BminIDZ.同时，当BC线路靠近B端发生短路时，由于短路电流大于I(2)Bmin，这时有可能使在AB线路的保护1误动作，因此，为了不使保护1误动作同时可以区分所保护线路的末端故障和下一条线路的始端故障并且考虑到信号处理系统所产生的误差，保护1的动作电流应满足：IDZ=KkI(3)Bmax (2-2)其中，Kk是可靠系数,通常Kk13，I(3)Bmax是B母线处在最大运行方式下发生三相短路的电流。按照式(2-2)整定的电流可以保证保护的选择性，如果省略装置和断路器的动作时间，保护可以无延时动作，因此将此电流保护称做无时限电流速断保护，也叫电流I段保护，它的动作值选择原则为：按躲开本线路末端发生短路时的最大短路电流整定。但是，从图2.2中可以看出，系统在最小运行方式下保护的范围Lmin最小，而在最大运行方式下保护的范围上Lmax。最大，无时限电流速断保护的范围随着运行方式的变化而变化，在最小方式下保护范围可能为0，这是无时限电流速断保护的缺点。(2)限时电流速断保护(电流II段保护) ”电流I段保护并不能保护线路的全长，应该在A母线处再装设一套电流保护，这套电流保护用来保护AB线路的全长，这样，如果在下一段相邻线路BC靠近B端发生短路时，这套保护将会跳开1DL而失去选择性，因此，将这套保护启动以后经过一个延时再作用于出口跳闸，当BC始端发生短路时，装在B母线的电流速断保护2首先动作，而装在保护l处的带延时的电流保护不会误动，从而保证了选择性。这套电流保护被称为限时电流速断保护，也叫电流段保护，电流段保护的延时时间一般为0.3左右。在图23中看出，只要AB间的II段电流保护范围不超过BC间的I段电流保护范围，就可以保证选择性，即：IDZ.1KK IDZ.2 (2-3)其中IDZ.1是AB问II段电流保护的整定值，IDZ.2是BC间I段电流保护的整定值，KK为可靠系数，KK一般大于1.1。在线路上安装了电流I段和电流段保护以后，整段线路的故障可在0.3-0.5s之内得到解决，我们称电流I段和段保护为线路的主保护。 (3)定时限过电流保护(电流段保护)一条线路保护中只安装了主保护，理论上来说可以解决线路的所有故障，但是当主保护由于各种原因而拒动时，就需要一个后备保护，用来解决当主保护拒动时切除线路故障，后备保护可以保护本线路全长，也可以保护相邻线路全长。后各保护也叫电流段保护，一般是定时限过电流保护，在图23中可以看出段电流的保护范围，它的动作值整定原则为：按躲过正常运行时的最大负荷电流来整定，即：IDZ.1=KKKzqIfh.ABmax/Kf (2-4)与相邻线路的过电流保护动作值相配合，即：IDZ.1=KKKfz.max IDZ.2 (2-5)其中，KK是电流段可靠系数，KK大于1.2，Kzq是电动机自启动系数，Kzq大于等于l，Kf为返回系数，Kf在09左右，KK为配合系数，大于或等于1.1，Kfz.max为最大分支系数，Ifh.ABmax为线路AB上可能流过的最大电流，IDZ.1是装在保护1处的电流段整定值，IDZ.2是装在保护2处的电流段整定值，电流段保护动作值可以取式2-4和式2-5中的最大值。电流段保护的延时时间比电流段保护的延时时间要长，而且，越靠近电网末端的段电流保护动作时间越短，在越靠近电源附近的段电流保护动作时间越长，所以电流段保护只能用做后备保护。(4)电流电压联锁保护在输电线路的保护中，规定电流I段保护的保护范围应该不小于线路全长的15，但是当系统的运行方式变化较大时，往往满足不了系统灵敏度的要求，这时就要利用线路发生故障时母线电压下降的条件来配合三段式电流的保护，在装置中利用同时判断电压的降低和电流增大构成电流电压联锁保护，这种保护既可以反映电流的增大，也可以反映电压的降低，保护的测量元件由电流元件和电压元件共同组成，电流元件和电压元件的逻辑关系图如图24所示：在电流电压联锁保护中，电流元件的动作电流取在主要运行方式下，保护区末端三相短路时的短路电流，电压元件的动作电压取在主要运行方式下，保护区末端三相短路时，保护安装处母线上的残余电压。电流元件和电压元件的动作值整定公式如下：IDZ=EXT/(ZXT+ZL/HK) UDZ= IDZZL /(ZXT+ZL/KK) (2-6)其中，KK13，ZXT是正常运行方式下系统的阻抗，ZL是所保护线路的总阻抗。按照这种原则整定以后，电压电流联锁保护不会误动作，而且在主要运行方式下的保护范围比单独的电流速断和电压速断的保护范围要大。对于系统运行方式变化比较大的线路，在各种可能的运行方式下，电压电流联锁速断保护的最小保护范围不应该小于线路全长的15。2.2.2 输电线路方向性电流保护的工作原理之前分析的三段式电流保护是以单电源网络为基础的，各段保护安装在被保护线路靠近电源的一端，线路发生故障时，电流从母线流向被保护的线路，但是在实际中，系统都是多电源网络，即在一条线路的两侧都有供电电源，为了切除线路上的故障，线路的两侧都应该装设保护装置和断路器。从图25可以看出，当两端都有电源时，如果dl点发生短路故障，按选择性要求应该是离故障点最近的保护l和保护2动作，使IDL和2DL跳闸切除故障，但是由于保护2和保护3流过同一电流I，有可能使保护3误动作，而这个误动作的保护是由于保护安装处反方向发生故障时，由对侧电源提供的短路电流而引起的，而且误动作的保护上流过的电流方向都是由被保护的线路流向保护安装处母线，正确动作的保护上电流方向是由保护安装处母线流向被保护的线路，两者电流方向正好相反，所以，应该在原来三段式电流保护的基础上加上一个判断电流方向的元件，当正方向电流时保护动作，而负方向电流时保护不动作，这就是方向电流保护的工作原理。在实际中，由于电流是交流量，不用直接来判断它的方向，但是当故障点一定的时候，短路电流和保护安装处的母线电压之间的夹角是不变的，所以应该利用功率方向元件来判断，如果设保护2的短路电流和母线电压之间的夹角为，那么保护3的短路电流和母线电压之间的夹角是180°+，则保护2和保护3处的短路功率为P2O,P3O，根据功率方向元件可以判断哪个保护应该动作，哪个保护不应该动作，从而有效的解决了保护的误动作。功率方向元件的动作条件如下；-90°90° （2-7）因为功率方向元件一般有一个内角口，如果考虑功率方向元件的内角，则功率方向元件的动作方程为：-90°90° （2-8）对应于上式的功率方向元件的动作区如图26所示：功率的计算不但和电流、电压的夹角有关，还和保护安装处电流、电压的大小有关，当保护安装处附近发生短路时，母线电压很小甚至为0，这样功率P变的很小，功率方向元件由此会失去判断的根据，我们把保护安装处附近一段区域称为“死区”，为了消除死区，我们将电流和电压采取90°接线的方式接入保护，所谓90°接线是指在三相对称的情况下，加入保护的电流和电压的相位相差90°，采用这种接线后，反映A、B、C三相功率方向元件应接入的电流和电压分别为IA、UBC、IB、UCA、IC、UAB。采用90°接线方式后，当保护安装处附近发生两相相间短路时，有两相输入保护的电压中含有非故障相电压，而非故障相电压不变，故障相电压降低，所以输入保护装置的电压仍然很高，这样就消除了保护的死区，当保护安装处附近发生三相短路时，因为输入保护的电压都很低，但是在故障前瞬间这些值都很大，所以可以利用微机保护的记忆功能来使输入电压的幅值增大而保持故障电压的相位特征，从而可以消除死区。2.2.3 单相接地报警原理35KV电网是中性点不接地系统，当发生单相接地故障时，故障点的电流很小，而且三相线电压仍然保持对称，对负荷的供电基本没有影响，在一般情况下，允许再运行1-2小时，不必立即跳闸，但是这时其它两相的对地电压要升高倍，为防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路而对负荷供电造成影响，应该及时的发出报警信号，以便运行人员采取措施给予清除。小电流系统的单相接地原理图如图27所示。 在图27中可以看出，系统在正常运行情况下，三相对地有相同的电容C0，每一相都有一个对地电容电流，这三个电流之和为0，假设A相发生单相接地短路，A相对地电压为0，其它两相对地电压变为原来的倍，对地电容电流也变为原来的倍，我们用Ib和Ic来表示非故障相的对地电流，则可以得出：Ib=UB-DjC0 Ic=UC-DjC0 (2-9)此时，从接地点流回的电流Id= Ib+Ic=，为正常运行时三相对地电容电流的算术和。当系统中有多条线路存在时，每条线路上都有对地电容存在，当其中一条线路A相发生单相接地故障时，整个系统的A相对地电压都为0，所以A相的对地电容电流为0，在非故障线路上，B相和C相流有本身的电容电流，因此，在线路的始端反应的零序电流为 (2-10)其有效值是=，就是该线路本身的电容电流，该电容电流的方向为母线流向线路。总结以上分析的结果，我们可以得出以下结论：(1)发生单相接地故障时，整个系统都出现零序电压。(2)非故障线路上的零序电流数值上等于本身的对地电容电流，电容性无功功率实际方向是从母线流向线路。(3)故障线路上，零序电流为整个系统非故障线路对地电容电流之和，数值比较大，电容性无功功率方向是从线路流向母线。2.3 基于多次谐波的周期函数算法-傅氏算法任何一个周期函数，都可以分解成直流分量和各次谐波分量的和，其表达式为X(t)=bncosn1t+ansinn1t其中，n=O、l、2，an、bn为各次谐波正弦和余弦的幅值，1为基波的角频率，各次谐波的实部和虚部可以通过式(2-11)和式(2-12)计算：an= (2-11)bn= (2-12)进一步推导可得到：an= (2-13)bn= (2-14)其中，N为一个周期的采样点数，根据n取不同值时，可以根据式(2-15)和(2-16)求得各次谐波的幅值和相角： (2-15) (2-16)在线路微机保护系统的算法设计中需要的是基波分量，就是当n=l时的分量，当每个周期采样12个点时，式(2-13)和(2-14)可以写成式(2-17)和式(2-18)：6al=(X3-X9)+（X1+X5-X7-X11）+(X2+X4-X8-X10） (2-17)6bl=(X12-X6)+ （X2+X10-X4-X8）+（X1+X11-X5-X7） (2-18)由式(2-15)、(2-16)、(2-17)、(2-18)可以方便的计算基波的幅值和相角，这种计算方法的数据窗为一个周期，因此它的反映速度比较慢，数据窗为一个周期的傅氏算法称为全波傅氏算法，我们利用正弦函数和余弦函数的性质，可以只取半个采样周期来计算，这样可以提高响应速度，数据窗为半个周期的傅氏算法为半波傅氏算法。半波傅氏算法和全波傅氏算法类似，其计算公式如式(2-19)和(2-20)： (2-19) (2-20)在衰减的非周期分量的影响下，傅氏算法的计算误差比较大。另外，由于半波傅氏算法的数据窗只有半周，所以它的精度比全波傅氏算法精度低，但是半波傅氏算法是以提高运算速度为前提的，因此，当线路故障发生在保护范围的O90以内时，用半波算法计算很快就趋于真值，虽然精度不高，但是足以正确判断是范围内故障，当故障在保护范围的90以外时，为了保证计算精度，要以全波傅氏算法的计算结果为准。由以上分析可以得到总结：1任何一种算法的精度和速度都是与采样点数(也就是采样频率)直接相关的，采样频率越高，精度越高，响应速度越慢，采样频率越低，精度越低，响应速度越快。2傅氏算法具有滤波作用，可以消除恒定的直流分量和整次谐波分量，但是不能消除衰减的直流分量，在最严重的情况下，由衰减直流分量造成的傅氏算法的计算误差达到10以上，因此，必须采取措施给予补救。3全波傅氏算法的数据窗为一个周期，响应速度比较慢，但运算精度相对较高，半波傅氏算法的数据窗缩短为半个周期，响应速度相对较快，但运算精度有所下降。在装置的主保护板的算法设计中，我们选择全波傅氏算法作为线路保护的算法，故障模拟量经过电压互感器和电流互感器进入AD转换器，采样频率选择为600HZ，即一路信号一个周期有12个采样点，然后得到的12个采样值通过式(2-17)和式(2-18)计算得到输入模拟量的实部和虚部，根据式(2-15)和式(2-16)就可以计算模拟量的幅值和相角装置要实现的功能是把计算得到的模拟量有效值与系统的整定值相比较，如果模拟量有效值超过系统整定值，就迸一步通过驱动出口继电器和断路器跳闸，从式(2-11)和式(2-12)可知，基波电流可以表示为 (2-21)或 (2-22)基波电流的有效值及相角为： (2-23) (2-24)同理可以推出n次谐波分量的有效值和相角为： (2-25) (2-26)在算法的判据设计中，主要是把采集的一路信号的12个离散值根据式(2-17)和式(2-18)计算出模拟量基波分量的实部和虚部，然后再根据式(2-23)和式(2-24)就可以计算出基波分量的有效值和相角，最后通过与保护整定值进行比较而判断装置是否动作。2.4 本章总结本章主要设计了35KV线路保护的功能配置方案和故障判据，分析了35KV线路微机保护功能配置、特点和实现原理，最后详细分析了傅氏算法的工作原理和特点，从算法的精度、速度和系统的功能要求各方面综合考虑，确定全波傅氏算法作为主保护板的算法。3 电力系统故障分析和基于神经网络的非线性滤波在第二章中重点设计了35KV线路保护的功能配置方案和判据，所有的保护功能都是为了处理在输电线路上可能出现的各种类型的故障。为了验证装置设计的功能判据的正确性，在本章中，通过建立电力系统故障模型并且以最常见的故障一单相接地故障为例，对小电流系统进行了故障仿真分析，最后将RBF神经网络算法应用于非线性滤波。仿真结果表明，RBF算法可以滤除故障模拟量的高次谐波，可以为数据采集、有效值计算带来方便，进一步使保护正确的动作。3.1 电力系统运行故障分析电力系统是电能生产、变换、输送、分配和使用的各种电力设备按照一定的技术与经济要求有机组成的一个联合系统，一般我们将电能通过的设备称为电力系统的一次设备，如高压输电线路、变压器、电容器等等。对一次设备进行监视、测量、控制和保护的设备称为电力系统的二次设备。电力系统的一次设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因会发生如短路、断线等故障。最常见的也是最危险的故障是各种类型的短路，这些故障一旦处理不当将会造成国民经济的巨大损失，严重时甚至有可能造成人员伤亡。各种类型的短路包括三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路，其中单相接地故障在各种故障中所占的比例最大，一般都在80以上，据统计，我国2002年的35KV的输电线路发生的各种故障中，单相接地短路故障占所有故障的89左右。3.1.1 系统建模及参数调节本章通过仿真软件MATLAB对电力系统中恒定电压源输电线路的单相接地短路故障进行仿真分析，恒定电压源电路短路模型如图31所示。在图31的模型中，使用三相电压源作为电路的供给电源，电压源为Y接(即中性点不接地)类型，其中线电压的有效值为35KV，A相初始相角为0度，属于小接地电流系统。用分布参数输电线路(如图中的Distributed Parameter Line和Distributed Parameter Line1)作为输电线路，两路输电线路的长度均为30km,两条输电线路的各个参数保持不变。线路中串联一个三相RLC串联负载(Three-Phase RLC Load)，另外三相电压电流测量仪器(3-Phase V-I Measurement)负责测量线路初始端的三相电压和电流，在模型中，主要采用三相短路故障发生器(3-PhaseFault)来模拟单相接地短路故障的发生，在短路故障发生器的参数对话框的故障相(Phase Fault)中任意选择一相，这里选择A相，同时选择故障相接地(Ground Fault)， 转换时间(Transition times)的时间改为0.01 0.04，即在0.01秒时发生A相接地短路，而在0.04秒时恢复正