《电力系统继电保护(第2版)》教学课件—11.微机保护基础知识

电力系统继电保护第11章微机保护基础知识第11章微机保护的优点11.1电网的距离保护微机保护的硬件系统11.2微机保护的基本算法与数字滤波11.3微机保护的软件系统配置11.4微机保护的抗干扰措施11.5第11章微机保护基础知识➢本章介绍微机型继电保护装置的组成、特点和工作原理。

➢要特别注意微机保护硬件的组成及保护软件的基本算法；模数转换原理、保护算法的推导及特点。

（1）改善和提高了继电保护的动作特性和性能。

①用数学方程的数字方法构成保护的测量元件，其动作特性可以得到很大改进，或得到常规保护（模拟式）不易获得的特性。

②微机保护的记忆功很强，能更好地实现故障分量保护。

③可引进自动控制、新的数学理论和技术。

（2）可以方便地扩充其他辅助功能。

①能打印故障前后电量波形：故障录波、波形分析。

②能打印故障报告：日期、时间、保护动作元件、时间先后、故障类型。

③能随时打印运行中的保护定值。

④能利用线路故障记录数据进行测距（故障定位）。

⑤能通过计算机网络、通信系统实现与厂站监控交换信息。

⑥能远方改变定值或工作模式。

（3）工艺结构条件优越。

①硬件比较通用，制造容易统一标准。

②装置体积小，可减少盘位数量。

③功耗低。

（4）可靠性高。

①数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响。

②自检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件工况以及功能软件本身。

（5）调试维护方便。

微机保护采用了数字逻辑，其自身有完善的自检功能，装置上有故障就会立即报警，因此，检验和调试非常方便，大大减轻了运行维护的工作量。

11.2.1 微机保护装置硬件系统的基本构成微机保护装置是以微处理器为核心，根据数据采集系统所采集到的电力系统的实时状态数据，按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判别的一种安全装置，如图所示。

模拟量输入系统的主要功能是采集由被保护设备的TA 、TV 输入的模拟信号（电流、电压）；而微机系统只能识别数字量。

因此，需将模拟信号转换为微机系统能接受的数字信号，完成模拟量到数字量的变换就称为模数转换。

1. 模拟量输入系统11.2.1 微机保护装置硬件系统的基本构成微机系统用于分析计算电力系统有关电量，判定系统是否发生故障。

微机系统指挥中心是CPU ，CPU 执行存放在E2PROM 中的程序，对由数据采集系统输入到RAM 区的原始数据进行分析处理，并与存放在E2PROM 中的定值比较，来完成各种保护功能。

2. 微机系统开关量输入/输出系统由并行接口、光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成，用于完成各种保护的出口跳闸、信号指示及外部接点输入等工作。

3. 开关量输入/输出系统11.2.1 微机保护装置硬件系统的基本构成人机接口主要包括打印、显示、键盘、各种面板开关等，其主要功能用于人机对话。

4. 人机接口电源部分的作用是将220 V 或110 V 交/直流工作电压变换成微机系统各部分要求的直流弱电压（5 V ，±12 V ，24 V 等），通常采用开关电源来实现。

5. 电源部分通信接口是为了保护系统之间的通信及远动的要求而设置。

6.通信接口11.2.2 数据采集系统根据模数转换（亦称A/D 转换）的原理和特点不同，微机保护装置中模拟量输入有两种方式：直接式A/D 转换和间接式A/D 转换方式。

直接式A/D 转换是将模拟信号直接转换为数字量。

常见的有逐次逼近式、计数式、并行转换式等。

间接式A/D 转换是将模拟信号先变成中间变量（如脉冲周期、脉冲频率），再将中间变量变成数字量。

逐次逼近型A/D 转换方式的数据采集系统如图（a ）所示。

1. 逐次逼近型A/D 转换方式的数据采集系统11.2.2 数据采集系统需对TA 、TV 的二次输出电量进行变换（即变得更小），并将电流量转化为电压量。

一般采用各种中间变换器来实现这种变换。

电压形成回路除了电量变换作用外，还起着屏蔽和隔离的作用，以减少高压系统对微机系统的电磁干扰。

1. 逐次逼近型A/D 转换方式的数据采集系统1）电压形成回路采样保持电路用于在一个极短的时间内测量模拟量在该时刻的瞬时值，并在A/D 进行转换期间保持其输出不变。

2）采样保持电路（S/H ）1. 逐次逼近型A/D 转换方式的数据采集系统2）采样保持电路（S/H）（1）采样。

采样，就是将一个时间上连续变化的模拟信号x t转换为在时间上离散的模拟量x∗t的过程，又称为离散化。

理想采样是提取模拟信号的瞬时值，抽取的时间间隔由采样控制脉冲s t来控制，右图表明了理想采样过程。

理想采样，是指输入信号x t经过采样器变成x∗t后在采样点上无损耗，同时采样控制脉冲宽度很窄（已趋于零）的采样。

1. 逐次逼近型A/D 转换方式的数据采集系统2）采样保持电路（S/H）（2）保持。

每个通道的采样是同时进行的，而各通道的采样信号是依次通过A/D 回路进行转换的，每转换一路信号都需要一定的转换时间。

为保证各通道采样的同时性，在等待模数转换的过程中，必须保持采样值不变。

理想保持器的保持信号如图所示。

11.2.2 数据采集系统1. 逐次逼近型A/D 转换方式的数据采集系统2）采样保持电路（S/H）（3）采样保持电路。

采样保持电路原理图见右上图，它由1 个电子模拟开关AS、保持电容Ch 及2 个阻抗变换器（一般由运算放大器构成）组成。

对于高质量的采样保持电路应满足以下几点要求：①截获时间尽量短，特别是对快速变化的输入信号采样更应保证这一点。

②保持时间要长。

③模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的泄露电流要小。

11.2.2 数据采集系统1. 逐次逼近型A/D 转换方式的数据采集系统3）采样定理和ALF如图所示的波形。

当f s<2f0时，频率为f0的输入信号被采样之后，将被错误地认为是低频信号，这种现象就称为“频率混叠”。

采样定理：若要采样值准确无误地反映原输入信号，采样频率必须大于原输入信号中最高频率的两倍，即：为了成本考虑，可以在采样之前使输入信号限制在一定的频带之内，即降低输入信号的最高频率，从而可以降低采样频率，一方面可降低对硬件的速度要求，另一方面也不至于产生频率混叠现象。

1. 逐次逼近型A/D 转换方式的数据采集系统3）采样定理和ALF要限制输入信号的最高频率，只需在采样前用一个模拟低通滤波器（ALF）滤出f s/2 以上的频率分量即可。

模拟低通滤波器通常分为无源和有源两种。

无源滤波器在微机保护ALF 中很少使用。

实际上利用基波分量原理的微机保护常采用如右上图所示的RC 无源低通滤波器，其特性曲线见右下图。

11.2.2 数据采集系统1. 逐次逼近型A/D 转换方式的数据采集系统有源滤波器通常是由RC 网络加上运算放大器构成，其特性稳定，不受时间、温度变化的影响，还可以避免采用大电容，对既要求有较好特性又要求快速的场合十分有用，同时由于有电源及运算放大器的放大作用，可以补偿无源滤波器无法避免的插入损耗。

3）采样定理和ALF因为RC 无源低通滤波器接线简单、可靠性较高、能经受较大的浪涌冲击，因此应用较为广泛。

但对高次谐波的非基频分量保护，不宜采用。

1. 逐次逼近型A/D 转换方式的数据采集系统4）模数多路转换开关多路转换开关是一种通过控制逻辑从多路输入模拟信号中选一路作为输出的器件，其原理示意如图所示。

5）模数（A\D）转换器模数转换器的作用是将采样保持回路输出的模拟量变换为离散的数字量。

（1）模数（A\D）转换的基本原理。

模数转换的过程实质上就是对模拟信号进行量化和编码的过程。

11.2.2 数据采集系统2. VFC 转换方式的数据采集系统V/F 变换的基本原理是将输入的电压信号转换为相应频率的脉冲信号，然后在固定时间间隔内对此脉冲信号进行计数，将计数值送给CPU。

下图为电荷平衡式V/F 变换的电路原理图和工作过程的波形图，其中A1 和R、C 组成积分器，A2 为零电压比较器。

11.2.2 数据采集系统2. VFC 转换方式的数据采集系统整个电路可以看成一个振荡频率受输入电压Vi 控制的振荡器。

根据电荷平衡原理，知道充电和放电的电荷量相等，有：所以，输出的振荡频率为：即输出电压频率与输入电压信号V i成正比。

所以，计数器的计数结果即为与V i对应的数字量。

11.2.2 数据采集系统2. VFC 转换方式的数据采集系统然而，这种方法很难满足微机保护对精度的要求，故在实用中常采用如右上图所示的方法构成V/F 式模数转换电路。

其中保护CPU 定时读取计数器在若干个采样周期内的计数值。

模数转换的结果R t相当于输出电压V INT的频率在某一时段内对时间的积分，即：式中，R t相当于从到t i时刻所读到的计数器的计数值。

可知：利用VFC 原理进行的A/D 转换，本身具有滤波作用，不需要另加低通滤波器来克服频率混叠现象。

11.2.3 开关量输入回路对微机保护装置的开关量输入，多数是接点状态的输入，可以分成两类：（1）安装在装置面板上的接点。

（2）从装置外部经过端子排引入装置的接点。

装置面板上的接点与外界电路无关，可直接接至微机的并行接口，如图（a）所示，也可直接与CPU 的输入接口相连。

从外部装置引入的接点，按如图（b）所示接线，需经光电隔离后输入。

该图中的虚线框内是光耦元件，集成在一个芯片内。

11.2.4 开关量输出回路开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号等。

一般都采用并行接口的输出口来控制有接点继电器（干簧或密封小型中间继电器）的方法。

为提高抗干扰能力，也要经过光电隔离，如图所示。

设置与非门Y1（用作反相器）及与非门Y2而不是将发光二极管直接与并行口相连，一方面是为了增强并行口的带负荷能力，另一方面是在采用了与非门后，要满足两个条件才能使K 动作，从而增加了抗干扰能力。

其中PB0经过一个反相器，而PB1不经反相器，这样接可防止在拉合直流电源的过程中继电器K 的短时误动。

11.3.1 数字滤波器滤波的方式有两种，即模拟滤波和数字滤波。

这里仅介绍数字滤波的构成原理。

其实，数字滤波可理解为一个计算程序或算法，不需要硬件设备。

数字滤波将代表输入信号的数字时间序列转换为代表输出信号的数字时间序列，并在转换过程中使信号按照预定的形式变化，滤出不需要的非周期分量和谐波（6 次及以下）分量，6 次及以上的谐波靠模拟低通滤波器来滤出。

其流程如图所示。

11.3.1 数字滤波器在目前所研制的微机保护中，绝大多数都采用了数字滤波器，这是因为与模拟滤波器相比，数字滤波器有以下优点：（1）精度高。

（2）可靠性高。

（3）灵活性好。

数字滤波器按频率特性通常可分为高通、低通、带通和带阻等滤波器。

按不同的实现方法又可分为非递归型和递归型两类。