第九章 数字式继电保护技术基础 2015.6.10

序 号 3
保护装置
优点
缺点
集成电路 式
体积更小、 易受外界电磁干 功率消耗小、扰、可靠性差、 动作速度快 维护困难，装置 可靠性取决于芯 片
三、微机保护的优点
序号 优点 1 2 3 体积小、可靠性高（软件及硬件可靠双重保证） 调试、维护方便（新一代保护精度可以通过软 件实现） 可以实现继电保护的各种动作特性，提高保护 的性能指标（变压器器差动保护特性、电动机 动作特性、线路保护动作特性等；保护装置定 值精度、动作时间（快速保护在20ms内）等）
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年
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二、传统继电保护的优缺点
序号 保护装置 优点 缺点
1
机电式
比较可靠
体积大、消耗功率大、 动作速度慢、转动部 分容易磨损、触点容 易粘连、调试复杂、 不能满足超高压、及 大容量要求
2
晶体管 式/整流 式
体积小、功 易受外界电磁干扰、 率消耗小、 可靠性差、维护困难 动作速度快
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2、模拟量输入系统 微机系统只能识别数字量，需要将电流、 电压模拟信号转换为相应的微机系统能接受 的数字信号。 继电保护的基本输入电量是模拟性质的电信 号。一次系统的模拟电量可分为交流电量 （交流电压和交流电流）、直流电量以及各 种非电量。它们经过各种电力传感器（如电 压互感器和电流互感器）转变为二次电信号， 再由引线端子进入数字式保护装置。模拟电 信号还要正确地变换成离散化的数字量。




9.1 数字式保护装置硬件原理概述 传统保护的实现是利用硬件电路，如定时限过电流保护 是由电流继电器、时间继电器、信号继电器等组成；而 微机保护的实现，要利用微机保护的硬件装置同时还需 要软件构成。 一、数字式保护装置硬件结构 微机保护主要部分是微机，还配有输入、输出接口， 有关计算和操作程序、人机联系部分。 硬件指模拟和数字电子电路，硬件提供软件运行的平台， 并且提供数字式保护装置与外部系统的电气联系； 软件指计算机程序，由它按照保护原理和功能的要求对 硬件进行控制，有序地完成数据采集、外部信息交换、 数字运算和逻辑判断、动作指令执行等各项操作。
V

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电压形成的方式与数字式保护装置所采用的电流变换器 的形式有关，常用的有以下两种形式：
变换器作用：变换电量；隔离电路；用于定值调整；用 于电量综合。 第一种采用电流变换器。其工作原理与电流互感器相似。 电压形成的方式在副方接入一个低阻值电阻。 电流变换器，主要是将一次电流转换成与一次电流成正 26 比的二次电压。

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交流信号输入变换由输入变换器来实现，接受来 自电力互感器二次侧的电压和电流信号。 其作用是通过装置内的输入变压器和变流器将二 次电压和电流进一步变小，以适应弱电电子元件 的要求； 同时使二次回路与保护装置内部电路之间实现电 气隔离和电磁屏蔽，以保障保护装置内部弱电元 件的安全，减少来自高压设备对弱电元件的干扰。

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1、采样过程描述及采样定理 设输入模拟信号为xA(t)，现在以确定的时间间隔 Ts对其采样，得到一组代表在各采样点瞬时值的 采样值序列x (n) 。可表为 x (n) =xA(nTs),n＝1，2，3… 设xA(t)＝xmsin(ωt+φ ) 则x (n) =xA(nTs) ＝xmsin(ωnTs+φ )
4
容易获得附加功能（谐波分析、故障记录、CT 极性、开关动作次数等）
序号 优点 5 可以很容易实现新的原理
6
7
数字元件不易受温度影响、使用年限的影响；
保护装置体积小、具有很强的自检功能，人机 交换友好，可以实现远方监控，方便实现无人 值班。 经济性好，芯片价格下降。降低变电站综合造 价，尤其是面向对象全分散式微机保护，变电 站的占地面积可以极大缩小、二次电缆大为减 少等。

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5、人机对话接口 作用是建立起数字保护装置与使用者之间的 信息联系，以便对保护装置进行人工操作、 调试和得到反馈信息。 继电保护的操作主要包括整定值和控制命令 的输入等，而反馈信息包括被保护线路的一 次设备是否发生动作以及保护装置本身是否 运行正常等。 包括：打印、显示、键盘及信号灯、音响或 语言告警等。 6、电源 电源是微机保护装置重要组成部分，通常采 用逆变稳压电源。

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（3）电可擦除且可编程存储器（EEPROM） 用来保存在使用中有时需要改写的那些控制系数， 如继电器的整定值等。EEPROM中的数据允许 高速读取和写入，在失电后不会丢失，同时无需 专用设备就可以在使用中在线改写，对于修改整 定值比较方便。

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定时器 /计数器在数字保护中也是十分重要的器件， 它除了为延时动作的保护提供精确计时外，还可 以用来提供定时采样触发信号、形成中断控制等
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数字式保护装置的硬件系统原理图如图所示
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1、微机系统 微型机系统用来分析计算电力系统的有关电量 和判定系统是否发生故障，然后决定是否发出跳 闸信号。 微型机系统是微机保护装置的核心，一般包括： 微处理器(CPU)、只读存储器、随机存取存储器 以及定时器、Watchdog等。 CPU是微机系统自动工作的指挥中枢。 定时器用于触发采样信号，在V/F变换中，是频率 信号转换为数字信号的关键部件。
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四、微机继电保护发展史
1、世界微机保护发展史，（表1） 2、中国微机保护发展史，（表2）

表1
序号 年代
世界微机保护 提出计算机构成保护装置（主要是理 论计算方法和程序结构研究；将模拟 量数字化（电流、电压、温度等）） 在理论研究，主要是算法研究、数字 滤波及实验室样机试验等，期间，大 规模集成电路技术的飞速发展，微型 计算机和微处理器进入实用阶段，价 格大幅度下降，可靠性及运算速度大 幅度提高。70年代后期，国外有少数 微机保护在试运行。
表2
序号 年代
1
2
1950以 前 1950
保护装置 机电式继电器（机电式保护装置） 晶体管式继电保护装置（电子式静态 继电保护（1代））（70年代大量应 用） 整流型的继电保护 集成电路式静态继电保护（2代）
微机继电保护装置 国内第一套微机保护经试运行后鉴定
3 4
5 6
1980后 期 1970中 后期 1984

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7、外部通信接口部件 作用是提供与计算机通信网络以及远程通信网络 的信息通道。 CI可分为两大类： 一类为实现特殊保护功能的专用通信接口， 另一类为通用计算机网络接口，可与电站计算机 局域网以及电力系统远程通信网相联，实现更高 一级的信息管理和控制功能。

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9.2 数字式保护的数据采集与数据滤波 一、数据采集系统的基本原理 通过数字信号采集系统将连续的模拟信号转 变为离散的数字信号。 离散化过程包含了两个子过程： 第一步为采样过程，通过采样保持器对时间 进行离散化，即把时间连续的信号变为时间 离散的信号，或者说在一个个等时间间隔的 瞬时点上抽取信号的瞬时值； 第二步为模数变换过程，通过模数变换器对 采样信号幅度进行离散化，即把时间上已离 散而在数值上仍连续的瞬时值变换为数字量

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继电保护的基本输入电量是模拟性质的电信号。 一次系统的模拟电量可分为交流电量（交流电压 和交流电流）、直流电量以及各种非电量。 它们经过各种电力传感器（如电压互感器和电流 互感器）转变为二次电信号，再由引线端子进入 数字式保护装置。 模拟电信号还要正确地变换成离散化的数字量。

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传统保护
现代保护
新保护 暂态保护
单元（1927） 距离（1923） 定向（1910） 差动（1908） 过流（1901） •
基于人工
智能的保护
自适应保护
超高速 继电保护原理的发展 集成保护 微机保护 数字（计算机）式 静态
机电式 继电保护技术的发展
…
190
1901 1908 1910 1923 1927
1950年
原理 感应型的过流继电器 电流差动保护（两端电流） 方向性 距离保护（电流和电压比较） 相差高频和方向高频保护（高频载波电 流） 微波保护（微波中继通信技术）
6 7
1950 1980
行波保护设想（利用故障点产生的行波） 利用光纤通道构成继电保护（电流差动）

第二种采用电抗变换器。可一次形成电流标度变 换和电压形成。 电抗变换器是一个铁心具有间隙的变压器，它的 原方是输入电流而副方输出电压，理想状态下输 出电压与原方电流中的微分成正比。 变换器共性：无论输入是电流还是电压，输出都 为电压。

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（2）前置模拟低通滤波器（ALF）是一种简单 的低通滤波器，每一路AI通道都需要配置。 ALF 的作用是仅仅是为了抑制输入信号中对保护 无用的较高频率的成分，以便采样时易于满足采 样定理的要求。

第九章 数字式继电保护技术基础
1
一、继电保护的发展史
1、20世纪初，继电器开始广泛应用于电力 系统（认为是继电保护的开端） 2、继电保护原理发展过程（表1） 3、构成继电保护装置元件、材料、保护装 置结构型式和制造工艺变化，出现不同保 护装置的发展过程（表2）

表1
序号 年代
1 2 3 4 4 5

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3、开关量输入接口（DI）系统 作用：是为开关量提供输入通道，并在数字保护 装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电 电子电路的安全和减少外部干扰。

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4、开关量输出接口（DO）系统 作用：是为开关量提供输出通道，并在数字保护 装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电 电子电路的安全和减少外部干扰。
1
60年代270年代源自序号 年代3 280年代 90年代