基于Matlab的數(shù)字濾波器在微機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用

楊婷婷

摘 要 在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生短路時(shí)故障時(shí)，短路電流含有短路工頻周期分量、暫態(tài)高頻分量和衰減直流分量。為了準(zhǔn)確地從獲取的電壓電流信號(hào)中濾除無(wú)用信號(hào)，保留有用成分，采用Matlab設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器非常重要。通過(guò)設(shè)計(jì)減法數(shù)字濾波器，仿真結(jié)果表明數(shù)字濾波器濾波效果良好。

關(guān)鍵詞 微機(jī)保護(hù) Matlab 數(shù)字濾波器 裝置

中圖分類號(hào)：TN713.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)進(jìn)一步完善，出現(xiàn)了微機(jī)繼電保護(hù)相關(guān)研究。微機(jī)保護(hù)主要是基于微處理的繼電保護(hù)。

1.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外在微機(jī)保護(hù)的研究主要開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，有學(xué)者提出將計(jì)算機(jī)應(yīng)用到繼電保護(hù)裝置的想法，引發(fā)各國(guó)繼電保護(hù)研究者的熱潮。70年代，集成電路大規(guī)模出現(xiàn)，出現(xiàn)了單片微型計(jì)算機(jī)，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)迅速發(fā)展。80年代中期，微機(jī)保護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)得到大力發(fā)展。90年代中期，微機(jī)保護(hù)采用了多CPL結(jié)構(gòu)，大大提高保護(hù)的可靠性。

我國(guó)在微機(jī)保護(hù)方面的技術(shù)研究起步比較遲，但是發(fā)展迅速。研究工作主要有三個(gè)階段。第一階段是單CPU階段，第二階段是實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能在單個(gè)插件內(nèi)實(shí)現(xiàn)，總線不出插件的微機(jī)保護(hù)裝置。第三階段是將所有的保護(hù)功能，比如電流保護(hù)、距離保護(hù)等，都集成于一個(gè)芯片，構(gòu)成微機(jī)保護(hù)裝置。

1.2微機(jī)保護(hù)裝置簡(jiǎn)述

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)量輸入/輸出、電源回路四個(gè)部分構(gòu)成了微機(jī)保護(hù)裝置。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將模擬量輸入系統(tǒng)中，采集設(shè)備主要是電流互感器和電壓互感器，將輸入的模擬信號(hào)通過(guò)TA和TV進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并將輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理，然后轉(zhuǎn)換為適合處理的數(shù)字量。CPU主系統(tǒng)包括微處理器CPU、存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器、復(fù)位電路、定時(shí)器、接口等。其主要是對(duì)轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，最后完成繼電保護(hù)的測(cè)量比較、邏輯判斷和執(zhí)行輸出功能。開(kāi)關(guān)量的輸入輸出回路，完成各種保護(hù)的出口跳閘，比如三段式電流保護(hù)、距離保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)以及變壓器保護(hù)等。電源回路提供電源，保證整個(gè)微機(jī)保護(hù)裝置的用電的可靠性。

2仿真軟件簡(jiǎn)述

在電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)中，利用仿真軟件，可以對(duì)電力系統(tǒng)短路故障，微機(jī)保護(hù)的算法進(jìn)行仿真。其中電力系統(tǒng)的短路故障模擬仿真，主要是獲取故障信號(hào)。微機(jī)保護(hù)算法仿真是對(duì)所獲取的故障信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而判斷故障當(dāng)前的狀態(tài)，發(fā)出斷路器跳閘或給出信號(hào)的命令。

目前，可以完成電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)仿真的軟件主要有EMTP軟件，PSCAD軟件及MATLAB軟件，它們可以完成電力系統(tǒng)各元件，線路故障的暫態(tài)仿真，但如果需要對(duì)故障電流、電壓信號(hào)進(jìn)一步分析處理時(shí)，需要電力系統(tǒng)工具箱SimPowerSystem，它可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的故障模擬，獲得故障電壓，電流等信號(hào)。

數(shù)字濾波器：

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路、兩相短路以及單相接地故障時(shí)，電力系統(tǒng)發(fā)生故障一開(kāi)始的時(shí)候，電力系統(tǒng)各處的電壓和電流的信號(hào)中含有衰減的直流和各次諧波，這就使得獲取的故障信號(hào)混雜，不利于進(jìn)行信號(hào)的分析處理。微機(jī)保護(hù)算法仿真的原理算法必須用采用濾波器濾除其他不需要的信號(hào)，保留所需要的信號(hào)，這樣才能更為準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，微機(jī)保護(hù)的各種功能才能可靠性實(shí)現(xiàn)。在微機(jī)繼電保護(hù)裝置中用到的濾波器有模擬濾波器和數(shù)字濾波器。模擬濾波器是一個(gè)裝置，主要包含無(wú)源元件R、L、C或有源元件放大器，本裝置可以對(duì)采集的輸入型號(hào)進(jìn)行加工，從而獲得信號(hào)中所需要的成分。而數(shù)字濾波器是通過(guò)matlab編寫(xiě)程序，通過(guò)運(yùn)行程序，對(duì)所采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而獲得信號(hào)中的有用成分，達(dá)到要求。

在電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)的算法仿真中，主要采用數(shù)字濾波器，它是一種數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，具有離散時(shí)間系統(tǒng)的基本特征，其軟件實(shí)現(xiàn)方式為采用濾波程序和算法完成。差分濾波器、加法濾波器、減法濾波器以及積分濾波器都是簡(jiǎn)單的濾波器。上述數(shù)字濾波器需要是通過(guò)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的加，減法運(yùn)算。

下面以減法濾波器為例利用MATLAB進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和分析的方法。

減法濾波器為常用的一種濾波器，又稱為差分濾波器，其差分方程為

式中，差分步長(zhǎng)k，可以根據(jù)不同的濾波要求進(jìn)行選擇。

3仿真實(shí)例

基于Matlab設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)字濾波器，能夠?yàn)V除直流分量和4，8，12次諧波。

濾波器的差分方程式為

相應(yīng)的傳遞函數(shù)為

通過(guò)分析，采用matlab輔助設(shè)計(jì)，運(yùn)行所設(shè)計(jì)的M文件，得到濾波效果的仿真波形，如下圖1所示。

濾波效果的仿真波形如圖1所示，圖中帶圓圈標(biāo)記的為基波電壓，帶方形標(biāo)記的為疊加直流分量和4、8次諧波分量后的電壓，帶星號(hào)標(biāo)記的為經(jīng)過(guò)濾波后的輸出電壓。顯然輸出電壓已經(jīng)完全濾除了直流分量和4、8次諧波分量。

4結(jié)論

在電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)中，繼電保護(hù)的算法，首先是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，然后在再進(jìn)行分析處理，最后實(shí)現(xiàn)各種繼電保護(hù)的功能。因此，數(shù)字濾波器非常重要。本文采用基于matlab輔助設(shè)計(jì)減法濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。仿真結(jié)果表明，減法濾波器可以很好的濾除直流分量和各種諧波分量。簡(jiǎn)單濾波器運(yùn)算簡(jiǎn)單，濾波器僅有零點(diǎn)沒(méi)有極點(diǎn)，濾波器不存在穩(wěn)定問(wèn)題，可以有效濾除直流分量和整次諧波分量。

基金項(xiàng)目：滁州學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2018JYC024）電力系統(tǒng)繼電保護(hù)教學(xué)改革研究。