基于Matlab的数字滤波器在微机保护中的应用

杨婷婷

摘 要 在电力系统运行过程中，当供电网络中发生短路时故障时，短路电流含有短路工频周期分量、暂态高频分量和衰减直流分量。为了准确地从获取的电压电流信号中滤除无用信号，保留有用成分，采用Matlab设计数字滤波器非常重要。通过设计减法数字滤波器，仿真结果表明数字滤波器滤波效果良好。

关键词 微机保护 Matlab 数字滤波器 装置

中图分类号：TN713.7文献标识码：A

1概述

电子计算机技术的迅速发展，使得电力系统继电保护技术进一步完善，出现了微机继电保护相关研究。微机保护主要是基于微处理的继电保护。

1.1国内外发展现状

国外在微机保护的研究主要开始于20世纪60年代，有学者提出将计算机应用到继电保护装置的想法，引发各国继电保护研究者的热潮。70年代，集成电路大规模出现，出现了单片微型计算机，电力系统继电保护技术迅速发展。80年代中期，微机保护的硬件结构和软件技术得到大力发展。90年代中期，微机保护采用了多CPL结构，大大提高保护的可靠性。

我国在微机保护方面的技术研究起步比较迟，但是發展迅速。研究工作主要有三个阶段。第一阶段是单CPU阶段，第二阶段是实现保护功能在单个插件内实现，总线不出插件的微机保护装置。第三阶段是将所有的保护功能，比如电流保护、距离保护等，都集成于一个芯片，构成微机保护装置。

1.2微机保护装置简述

数据采集系统、CPU主系统，开关量输入/输出、电源回路四个部分构成了微机保护装置。其中，数据采集系统是将模拟量输入系统中，采集设备主要是电流互感器和电压互感器，将输入的模拟信号通过TA和TV进行转化，并将输入信号经过预处理，然后转换为适合处理的数字量。CPU主系统包括微处理器CPU、存储器、存储器、复位电路、定时器、接口等。其主要是对转化的数字信号进行分析处理，最后完成继电保护的测量比较、逻辑判断和执行输出功能。开关量的输入输出回路，完成各种保护的出口跳闸，比如三段式电流保护、距离保护、纵联保护以及变压器保护等。电源回路提供电源，保证整个微机保护装置的用电的可靠性。

2仿真软件简述

在电力系统微机保护中，利用仿真软件，可以对电力系统短路故障，微机保护的算法进行仿真。其中电力系统的短路故障模拟仿真，主要是获取故障信号。微机保护算法仿真是对所获取的故障信号进行分析处理，从而判断故障当前的状态，发出断路器跳闸或给出信号的命令。

目前，可以完成电力系统微机保护仿真的软件主要有EMTP软件，PSCAD软件及MATLAB软件，它们可以完成电力系统各元件，线路故障的暂态仿真，但如果需要对故障电流、电压信号进一步分析处理时，需要电力系统工具箱SimPowerSystem，它可以实现电力系统的故障模拟，获得故障电压，电流等信号。

数字滤波器：

当电力系统发生三相短路、两相短路以及单相接地故障时，电力系统发生故障一开始的时候，电力系统各处的电压和电流的信号中含有衰减的直流和各次谐波，这就使得获取的故障信号混杂，不利于进行信号的分析处理。微机保护算法仿真的原理算法必须用采用滤波器滤除其他不需要的信号，保留所需要的信号，这样才能更为准确的进行数据分析和处理，微机保护的各种功能才能可靠性实现。在微机继电保护装置中用到的滤波器有模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器是一个装置，主要包含无源元件R、L、C或有源元件放大器，本装置可以对采集的输入型号进行加工，从而获得信号中所需要的成分。而数字滤波器是通过matlab编写程序，通过运行程序，对所采集的数字信号进行数学运算，从而获得信号中的有用成分，达到要求。

在电力系统微机继电保护的算法仿真中，主要采用数字滤波器，它是一种数字信号处理系统，具有离散时间系统的基本特征，其软件实现方式为采用滤波程序和算法完成。差分滤波器、加法滤波器、减法滤波器以及积分滤波器都是简单的滤波器。上述数字滤波器需要是通过对输入的信号进行简单的加，减法运算。

下面以减法滤波器为例利用MATLAB进行辅助设计和分析的方法。

减法滤波器为常用的一种滤波器，又称为差分滤波器，其差分方程为

式中，差分步长k，可以根据不同的滤波要求进行选择。

3仿真实例

基于Matlab设计一个简单数字滤波器，能够滤除直流分量和4，8，12次谐波。

滤波器的差分方程式为

相应的传递函数为

通过分析，采用matlab辅助设计，运行所设计的M文件，得到滤波效果的仿真波形，如下图1所示。

滤波效果的仿真波形如图1所示，图中带圆圈标记的为基波电压，带方形标记的为叠加直流分量和4、8次谐波分量后的电压，带星号标记的为经过滤波后的输出电压。显然输出电压已经完全滤除了直流分量和4、8次谐波分量。

4结论

在电力系统微机保护中，继电保护的算法，首先是对采集的信号进行数字滤波，然后在再进行分析处理，最后实现各种继电保护的功能。因此，数字滤波器非常重要。本文采用基于matlab辅助设计减法滤波器，对信号进行处理。仿真结果表明，减法滤波器可以很好的滤除直流分量和各种谐波分量。简单滤波器运算简单，滤波器仅有零点没有极点，滤波器不存在稳定问题，可以有效滤除直流分量和整次谐波分量。

基金项目：滁州学院教学研究项目（项目编号：2018JYC024）电力系统继电保护教学改革研究。