基于Matlab的數字濾波器在微機保護中的應用

楊婷婷

摘 要 在電力系統運行過程中，當供電網絡中發生短路時故障時，短路電流含有短路工頻周期分量、暫態高頻分量和衰減直流分量。為了準確地從獲取的電壓電流信號中濾除無用信號，保留有用成分，采用Matlab設計數字濾波器非常重要。通過設計減法數字濾波器，仿真結果表明數字濾波器濾波效果良好。

關鍵詞 微機保護 Matlab 數字濾波器 裝置

中圖分類號：TN713.7文獻標識碼：A

1概述

電子計算機技術的迅速發展，使得電力系統繼電保護技術進一步完善，出現了微機繼電保護相關研究。微機保護主要是基于微處理的繼電保護。

1.1國內外發展現狀

國外在微機保護的研究主要開始于20世紀60年代，有學者提出將計算機應用到繼電保護裝置的想法，引發各國繼電保護研究者的熱潮。70年代，集成電路大規模出現，出現了單片微型計算機，電力系統繼電保護技術迅速發展。80年代中期，微機保護的硬件結構和軟件技術得到大力發展。90年代中期，微機保護采用了多CPL結構，大大提高保護的可靠性。

我國在微機保護方面的技術研究起步比較遲，但是發展迅速。研究工作主要有三個階段。第一階段是單CPU階段，第二階段是實現保護功能在單個插件內實現，總線不出插件的微機保護裝置。第三階段是將所有的保護功能，比如電流保護、距離保護等，都集成于一個芯片，構成微機保護裝置。

1.2微機保護裝置簡述

數據采集系統、CPU主系統，開關量輸入/輸出、電源回路四個部分構成了微機保護裝置。其中，數據采集系統是將模擬量輸入系統中，采集設備主要是電流互感器和電壓互感器，將輸入的模擬信號通過TA和TV進行轉化，并將輸入信號經過預處理，然后轉換為適合處理的數字量。CPU主系統包括微處理器CPU、存儲器、存儲器、復位電路、定時器、接口等。其主要是對轉化的數字信號進行分析處理，最后完成繼電保護的測量比較、邏輯判斷和執行輸出功能。開關量的輸入輸出回路，完成各種保護的出口跳閘，比如三段式電流保護、距離保護、縱聯保護以及變壓器保護等。電源回路提供電源，保證整個微機保護裝置的用電的可靠性。

2仿真軟件簡述

在電力系統微機保護中，利用仿真軟件，可以對電力系統短路故障，微機保護的算法進行仿真。其中電力系統的短路故障模擬仿真，主要是獲取故障信號。微機保護算法仿真是對所獲取的故障信號進行分析處理，從而判斷故障當前的狀態，發出斷路器跳閘或給出信號的命令。

目前，可以完成電力系統微機保護仿真的軟件主要有EMTP軟件，PSCAD軟件及MATLAB軟件，它們可以完成電力系統各元件，線路故障的暫態仿真，但如果需要對故障電流、電壓信號進一步分析處理時，需要電力系統工具箱SimPowerSystem，它可以實現電力系統的故障模擬，獲得故障電壓，電流等信號。

數字濾波器：

當電力系統發生三相短路、兩相短路以及單相接地故障時，電力系統發生故障一開始的時候，電力系統各處的電壓和電流的信號中含有衰減的直流和各次諧波，這就使得獲取的故障信號混雜，不利于進行信號的分析處理。微機保護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，保留所需要的信號，這樣才能更為準確的進行數據分析和處理，微機保護的各種功能才能可靠性實現。在微機繼電保護裝置中用到的濾波器有模擬濾波器和數字濾波器。模擬濾波器是一個裝置，主要包含無源元件R、L、C或有源元件放大器，本裝置可以對采集的輸入型號進行加工，從而獲得信號中所需要的成分。而數字濾波器是通過matlab編寫程序，通過運行程序，對所采集的數字信號進行數學運算，從而獲得信號中的有用成分，達到要求。

在電力系統微機繼電保護的算法仿真中，主要采用數字濾波器，它是一種數字信號處理系統，具有離散時間系統的基本特征，其軟件實現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單的濾波器。上述數字濾波器需要是通過對輸入的信號進行簡單的加，減法運算。

下面以減法濾波器為例利用MATLAB進行輔助設計和分析的方法。

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k，可以根據不同的濾波要求進行選擇。

3仿真實例

基于Matlab設計一個簡單數字濾波器，能夠濾除直流分量和4，8，12次諧波。

濾波器的差分方程式為

相應的傳遞函數為

通過分析，采用matlab輔助設計，運行所設計的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，圖中帶圓圈標記的為基波電壓，帶方形標記的為疊加直流分量和4、8次諧波分量后的電壓，帶星號標記的為經過濾波后的輸出電壓。顯然輸出電壓已經完全濾除了直流分量和4、8次諧波分量。

4結論

在電力系統微機保護中，繼電保護的算法，首先是對采集的信號進行數字濾波，然后在再進行分析處理，最后實現各種繼電保護的功能。因此，數字濾波器非常重要。本文采用基于matlab輔助設計減法濾波器，對信號進行處理。仿真結果表明，減法濾波器可以很好的濾除直流分量和各種諧波分量。簡單濾波器運算簡單，濾波器僅有零點沒有極點，濾波器不存在穩定問題，可以有效濾除直流分量和整次諧波分量。

基金項目：滁州學院教學研究項目（項目編號：2018JYC024）電力系統繼電保護教學改革研究。