第2章 微机保护基础(1)

2.1 微机继电保护硬件系统的构成原理
传统保护装置硬件系统构成
电力系统发生故障时，相关电气参数将发生变化。例如， 电流增大、电压降低以及电流与电压之间的相位角变化等。利 用故障前后这些基本电气参数的差别，就可构成不同原理的继 电保护装置，如： （1）电流明显增大—>过电流保护 （2）电压明显降低—>低电压保护 （3）电压与电流间的相位角会发生变化—>方向保护。 （4）测量阻抗会发生变化—>阻抗保护 （5）电气元件流入与流出 电流的关系发生变化—>电流差动 保护 （6）出现负序和零序分量—>零序保护和负序保护
图2.3 采样保持电路
2.1.1

模拟数据采集系统
采样就是将连续变化的模拟量通过采样器加以离散化。 其过程如图2-4(a)(b)(c)所示。模拟量连续加于采样器的 输入端，由采样控制脉冲控制采样器，使之周期性的短 时开放输出离散脉冲。采样脉冲宽度为TC，采样脉冲 周期为TS。采样器的输出是离散化了的模拟量。

(3)、分组同时采样
分组同时采样是指将所有的模拟输入信 号分成若干组，在同组内的各模拟信号同时 采样，不同组模拟信号之间用顺序采样，在 完成同一组的模拟输入信号采样后，再对其 他组的模拟输入信号进行采样。 在微机保护中有一些要求电压或电流旋转一 个角度，可通过对模拟输入信号的采样增加 合适的延时来实现。
图2-1微机保护硬件示意框图
2.1.1
模拟数据采集系统
微机保护为什么要采用模数变换？
（1）采样基本原理 采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输 入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。采样保持电路如图2.3所示。 它由一个电子模拟开关AS、保持电容器Ch以及两个阻抗变换 器组成。模拟开关AS受逻辑输入端的电平控制，该逻辑输入 就是采样脉冲信号。
现场微机保护装置:
2.1.2
微机保护的特点
(l）维修调试方便 相比较于过去大量使用的整流型继电保护装置，微机保 护装置几乎可以不用调试，微机保护对硬件和软件都有自检 功能，装置上电时，有故障就会立即报警，可以大大地减轻 运行维护的工作量。 (2）可靠性高 在各种保护方法中，考虑到了电力系统中的各种情况， 具有很强的综合分析和判断能力。微机系统运行时，可以不 断进行自检，因此，可以立即检查出微机保护内部的大多数 随机故障，而采取适当的纠正措施。 (3）易于获得各种附加功能 由于计算机的通用性，因而在继电保护硬件的基础上， 可以很方便地通过增加软件的方法获得保护之外的功能。例 如，保护的动作顺序记录，故障谐波分析，故障测距，低频 减载等。

（1）、同时采样
（a）同时采样同时模数转换
（b）同时采样分时模数转换
(2)、顺序采样
在每个采样周期内，依次对每一个模拟输入信号进行采样 和模数转换，这种方式称为顺序采样。 通道1
多路模拟 开关
采样保持 器
顺序采样原理框图
模数转 换器
CPU
通道n 采用顺序采样方式，必然使各模拟输入信号的采样 值之间在时间上有差别。 在输入信号较多时，采样值之间的时间差别很大， 使各模拟信号的采样值存在相角差。
2.3 模拟数据采集系统 1.逐次比较式数据采集系统(ADC）的采样方式
<1>采样频率的方式选择
（1）异步采样 异步采样也称为定时采样 ，即采样周期Ts和 采样频率fs永远保持固定不变。

<1>采样频率的方式选择
（2）同步采样（跟踪采样） 即为了使采样频率fs始终与系统实际运行频 率f1保持固定的比例关系 N=fs/f1 必须使采样频率随系统运行频率的变化而实 时地调整。

<1>采样频率的方式选择
<2>.对多个模拟输入信号的采样方式
微机继电保护绝大多数的算法都是基于多个 模拟输入信号（如三相电压、三相电流等） 采样值进行计算的。如何对多个信号进行采 样，根据多个模拟输入信号在采样时刻上的 对应关系，可分别采用以下三种采样方式： 1、同时采样 2、顺序采样 3、分组同时采样
电流互感器（TA）主要作用是以合理的准确度， 将大电流按电流比变换为小电流，以供继电保 护装置及其它测量装置使用，以满足（保证） 设备及人身的安全。
2.电压互感器：
TV是也是一种变压器，其特点是二次阻抗越大，负载越轻。
TV二次可以开路，但严禁短路； TV二次侧的额定电压为100V。 继电保护用电压互感器的标准准确度级有3P和6P两个等级； 电力系统中星、三角型TV较为常用，其二次有主绕组与辅 助绕组之分，主绕组采用星形接线，辅助绕组为开口三角。 变换器的主要作用是电量变换、电气隔离、调节定值。
2.1.1
模拟数据采集系统
微机保护的模数变换方式主要有两种： 一种是逐次比较方式的A/D转换器构成的逐次比 较式数据采集系统(ADC方式），另一种是以电压频率 变换方式的A/D转换器构成的电压/频率变换式数据采 集系统（VFC方式）。 对于中低压电力系统这两种方式都在使用，而高 压或超高压的保护装置，我国目前大都采用VFC变换 方式。ADC方式是将模拟量直接转变为数字量的方法， 而VFC是将模拟量先转变为频变脉冲量，再通过脉冲 计数变换为数字量的一种变换方法。
根据不同原理构成的继电保护装置种类虽然很多，但一般情况 下，它们都是由三个基本部分组成，即测量部分、逻辑部分和 执行部分，其原理框图如下所示。
图1-2 传统继电保护装置的原理结构图
传统保护装置工作原理图
10.2.2
微机保护装置硬件系统构成
微机保护装置硬件系统按功能可分为如下五个部分 (1）微机系统（数据处理单元）：包括微处理器、存储器、定 时器以及并行口等。微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序， 对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理， 以完成各种继电保护的功能； (2）模拟数据采集单元。包括电压形成和模数转换等模块，完 成将模拟输入量准确地转换为数字量的功能； (3）开关量输入／输出系统：由若干并行接口、光电隔离器及 中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部 接点输入及人机对话等功能； (4）人机对话微机系统：人机接口部分的作用是建立起微机保 护与使用者之间的信息联系，以便对装置进行人工操作、调试和信 息反馈。外部通信接口的作用是提供计算机局域通信网络以及远程 通信。 (5）电源系统。供给微处理器、数字电路、模数转换芯片及继 电器所需的电源。 一种典型的保护装置的硬件结构示意图如图2.2所示。
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变换器简介
变换器作用
变换器的基本作用如下： (1) 电量变换： 将互感器二次侧电压、电流，转换成弱电 压，以适应弱电元件的要求。 (2)电气隔离： 电流、电压互感器二次侧的保安、工作接地， 是用于保证人身和设备安全的，而弱电元件往往与直流 电源连接，直流回路需要经变换器实现电气隔离。 (3)调节定值： 整流型、晶体管型继电保护可以通过改变变 换器一次或二次线圈抽头来改变测量继电器的动作值。
（6）灵活性大 目前，国内中低压变电站内不同一次设备的保护装置 在硬件设计时，尽可能采用同样的设计方案。而超高压电 力系统保护装置若采用多CPU实现多种保护功能时，每块 CPU模块的硬件设计也倾向于尽量相同。由于保护的原理 主要由软件决定，因此，只要改变软件就可以改变保护的 特性和功能，从而可灵活地适应电力系统发展对保护要求 的变化，也减少了现场的维护工作量。 （7）经济性好 微处理器和集成电路芯片的性能不断提高而价格一直 在下降，而电磁型继电器的价格在同一时期内却不断上升。 而且，微机保护装置是一个可编程序的装置，它可基于通 用硬件实现多种保护功能，使硬件种类大大减少。这样， 在经济性方面也优于传统保护。
图2-4 采样保持过程示意图
2) 采样频率的选择
采样间隔Ts 的倒数称为采样频率fs。
采样频率越高，要求CPU 的运行速度越高。 因为微机保护是一个实时系统，数据采集系 统以采样频率不断地向微型机输入数据，微 型机必须要来得及在两个相邻采样间隔时间 Ts内处理完对每一组采样值所必须做的各种 操作和运算，否则CPU 跟不上实时节拍而无 法工作。相反，采样频率过低，将不能真实 地反映采样信号的情况。 采样函数为一周期信号,采样间隔Ts太大，就 会有一部分相互交迭，新合成的X(f)*G(f)图 形与X(f)/Ts不一致，这种现象称为迭混。 为了避免迭混以便采样后仍能准确地恢复原 信号，采样频率fS必须大于信号最高频率fC 的两倍，即fS＞2fC，这就是采样定理。
例

图
MAX125内部结构图
2.1.1
模拟数据采集系统
2、逐次比较数据采集系统的组成
U(t)
i(t)
变送器
低通滤波器
多路开关采 样保持器
模/数 转换器
至CPU
逐次比较数据采集系统百度文库组成原理框图
2.3
模拟数据采集系统
(1).变送器
1.电压形成回路 来自被保护设备的电流互感器、电压互感器的二次侧交流输 入量，其数值较大，变化范围也较大，不适应模数转换器的转 换要求，故需对它进行变换。 一般采用各种中间变换器来实现这种变换，例如电流变换器 （UA）、电压变换器（UV）和电抗变换器（UR）等。 电压形成回路除了电量变换作用，还起着屏蔽和隔离的作用
复习
1.电流互感器：
TA是也是一种变压器，其特点是二次阻抗越小，负载越轻。
TA二次可以短路，但严禁开路； TA二次侧的额定电流有5A及1A两种。 继电保护用电流互感器的存在误差，应合理选择型号或者 对互感器的接线及二次回路加以改进以满足10%误差曲线的 要求。 电流互感器有多种接线方式，接线方式及一次系统故障方 式变化不同，电流互感器二次负载的计算方法也不相同。
图2-12电流变换器应用
3、电抗变压器（UX）
将TA输出二次电流变换为电压还可以采用电抗变压器（UX）， UX输入阻抗很小，串于TA二次回路；对于负载，UX近似为电 压源。UX励磁阻抗相对于负载来说很小，可以认为一次电流 全部用于励磁。 与使UA的电压变换电路不同，UX输出电压超前输入电流一定 相位角，具有“电抗特性”。由于UX励磁阻抗较小，其铁芯 一般带有气隙。UX转移阻抗大小通过调整铁芯气隙及一、二 次线圈匝数改变；转移阻抗的角度通过并于辅助绕组的电阻 调整， 越大转移阻抗角越接近900， 越小则转移阻抗角越 小，如图
绪论
微机保护的发展概况
20世纪60年代末期，国外提出用计算机构成继电保护的 倡议。当时还不具备商业性生产这类保护装置的条件，早期 的研究工作是以小型机为基础的,要采用一台小型计算机来实 现多个电气设备或整个变电站的保护功能。 70年代中期，随着大规模集成电路技术的发展，微型计 算机进入了实用阶段，性价比和可靠性大为提高，为微机保 护的实用化打下了硬件基础。 经过30多年的发展和变化，目前微机保护已经在各个电 力系统的变电站、发电厂和线路上大量使用。
第二章


微机保护基础


绪论 微机保护的发展概况 微机保护的特点 2.1 微机继电保护硬件构成原理 传统保护装置硬件系统构成 微机保护装置硬件系统构成 2.11 模拟数据采集系统 ADC式数据采集系统 电压形成电路 采样保持（S/H）电路和模拟低通滤波器（ALF) 逐位比较式A/D转换 VFC 数模变换器 2.12 开关量输入输出电路
1、电压变换器（UV）
电压变换器原理接线如图2-11所示，UV原方与电压互感器相 联，TV二次侧有工作接地，UV副方的“直流地”为保护电源 的0V，电容C容量很小，起抗干扰作用。
图2-11 电压变换器应用
2、电流变换器（UA）
电流变换器与电压变换器不同，从UA原方看进去，输入阻抗 很小，对于负载而言UA可以看成一个电流源。电流变换器应 用接线如图2-12所示。
(4）保护性能易于改善 对于相同的硬件，可以通过算法的不同，实现不同的保 护。这样，也就可以通过改善算法来不断完善保护性能，而 不需要改动硬件。通过软件算法的改善，可以较好地解决原 有模拟继电保护装置无法解决的一些问题。
(5）便于远方监控 目前的微机保护装置均设有通信接口，这样可以方便地 将各地保护装置纳入变电站综合自动化系统，可以实现远方 修改定值与投切保护装置。