微机保护1

2）采样频率的选择 • 采样间隔TS的倒数称为采样频率fS。采样频率的选择是微 机保护硬件设计中的一个关键问题，为此要综合考虑很多因 素，并要从中作出权衡。 • 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。 • 由采样奈奎斯特(Nyquist)定理可以证明，如果被采样信号中 所含最高频率成分的频率为fmax，则采样频率fS必须大于 fmax的2倍(即fS＞2fmax)，否则将造成频率混叠。
2. 保护软件
保护软件为主程序和两个中断服务程序。 • 主程序包括初始化和自检循环模块、保护逻辑判断模块及 跳闸处理模块。 • 中断服务程序有定时采样中断服务程序和串行口通信中断 服务程序。
3.中断服务程序
• 绝大多数的工程计算机的应用软件都采用了中断技术，继 电保护系统是一种对时间要求很高的实时系统，一方面要 求实时地采集各种输入信号，随时跟踪系统运行工况；另 一方面，在电力系统短路时，应快速判别短路的位置或区 域，尽快切除短路故障。实时系统是对具有苛刻时间条件 的活动及外来信息要求以足够快速度进行快速处理，并在 一定的时间内做出响应。 • 对保护装置而言，电力系统状态是保护最关心的外部事件， 必须每时每刻掌握保护对象的系统状态，这就要求保护定 时采样系统状态，常采用定时器中断方式，每经过 1.66ms中断原程序的运行，转去执行采样计算的服务程序。 • 采样结束后，通过存储器中的特定存储单元将采样计算结 果送给原程序，然后再去执行被中断了的程序，这就是定 时采样中断服务程序。
• 在微机保护中，各个通道的模拟电压是在同一瞬间采样并保 持记忆的，在保持期间各路被采样的模拟电压依次取出并进 行模数转换，这样按保护算法由微机计算得出正确结果。
4.A/D转换器（模拟量转换为数字量） 类型： • • • • 逐位比较型 积分及技术型 并行比较型 电压频率型（V/F） 主要指标： • 分辨率--反映A/D对输入电压信号微小变化的区分能力。 • 转换时间（速度）--完成一次A/D 转换的时间。 • 数字输出位数（精度）--A/D变换的结果与实际输入的接 近程度。
1)顺序结构 • 如图所示的一次中断服务流程中，将功能 1，2，…，N完全 按顺序执行一遍。 • 这种结构的特点是流程较清晰，N个功能的地位完全相同，不 突出任何一个功能。 • 要求N个功能的执行时间之和小于中断服务程序被允许执行的 时间(如采样间隔)。 • 当微型机的运行速度较快，尤其是结合DSP技术后，完全可以 采取顺序结构的方法来实现继电保护的功能。
• 采用低通滤波器消除频率混叠问题后，采样频率的选择在 很大程度上取决于保护的原理和算法的要求，同时还要考 虑硬件的速度问题。
RC低通滤波器
3. 多路转换开关
• 多路转换开关又称多路转换器，它是将多个采样保持后的信 号逐一与A/D芯片接通的控制电路。它一般有多个输入端， 一个输出端和几个控制信号端。 • 在实际的数据采集系统中，被模数转换的模拟量可能是几路 或十几路，利用多路开关(MUX)轮流切换各被测量与A/D 转 换电路的通路，达到分时转换的目的。
微机保护的硬件系统框图：
1.电压形成回路（采用电压、电流变换器） • 将PT、CT二次侧交流信号转换为±5V或±10V。 • 交流电压信号可以采用小型中间变压器；而将交流电流信 号变换为成比例的电压信号，可以采用电抗变换器或电流 变换器。 • 屏蔽或隔离作用，提高保护的可靠性。
2.采样保持电路和模拟低通滤波器 1）采样基本原理：采样保持(S/H)电路，其作用是在一个极 短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模/数 转换器进行转换的期间内保持其输出不变。 • TC称为采样脉冲宽度，TS称为采样间隔(或称采样周期)。等 间隔的采样脉冲由微型机控制内部的定时器产生，“采样脉 冲”，用于对“信号”进行定时采样，从而得到反映输入信号 在采 样时刻的信息，并在随后一定时间内保持采样信号处于不变的 状态。
• 模数变换的基本原理简单地说是用一个微小的标准单位电 压来度量一个无限精度的待测量的电压值，从而得到它所 对应的一个有限精度的数字值(即待测量的电压值可以被 标准单位电压分为多少份)。 • 显然，选定的标准单位电压越小，A/D变换的分辨率越高， 得到的数字量就越能精确地刻划瞬时采样值；
• 但无论多小，总会有误差，该误差称为量化误差。A/D的 分辨率越高，量化误差越小。
H1输出0，K动作； H1输出1，K不动作。
开关输出回路接线图
2）开关量输入电路 • 微机保护装置中一般应设置几路开关量输入电路。 • 开关量输入(DI，简称开入)主要用于识别运行方式、运行 条件等，以便控制程序的流程。 • 所谓开关量输入电路主要是将外部一些开关接点引入微机 保护的电路，通常这些外部接点不能直接引入微机保护装 置，而必须经过光电隔离芯片引入。
2. 微机保护的基本构成 • 与传统保护对比 • 传统保护：使输入的电流、电压信号直接在模拟量之间进 行比较和运算处理，使模拟量与装置中给定的机械量或电 气量进行比较和运算处理。 • 微机保护：将模拟量输入的电流、电压的瞬时值变换为离 散的数字量，然后才送入计算机的中央处理器，按规定的 算法和程序进行运算，且将运算结果随时与给定的数字进 行比较，最后做出是否跳闸的判断。
6. 开关量输入输出电路 1）开关量输出电路 • 在微机保护装置中设有开关量输出(DO，简称开出)电路， 用于驱动各种继电器。 • 开关量输出电路wk.baidu.com要包括保护的跳闸出口、本地和中央信 号及通信接口、打印机接口，一般都采用并行接口的输出 口来控制有接点继电器的方法，但为提高抗干扰能力，最 好经过一级光电隔离。
• 1984年上半年，华北电力研制第一套以6809为基础的距离 保护样机投入试运行。 • 1984年底在华中工学院召开了我国第一次计算机继电保护 学术会议，这标志着我国计算机保护的开发开始进入了重 要的发展阶段。 • 20世纪90年代，我国许多电力设备的生产厂家已有很多套 的微机保护装置产品投入现场运行并在电力系统中取得了 较成功的运行经验。 • 现在新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机 保护产品。
分类
• 基本算法 计算被测电气量大小和相位的方法，它们是微机保护 的基础。 • 继电器算法 根据继电器的动作特性拟定的算法，也称动作特性算 法。 评价指标： • 算法的精度 • 算法的运算速度 √算法所要求的采样点数（或称数据窗长度） √算法的运算工作量
研究算法的实质是如何在速度和精度两方面进行权衡。 • 全波傅里叶算法 • --- 以傅里叶级数为基础，适用于任何周期函数的输入信 号。 • 设电流i（t）为输入模拟信号，进行傅式展开：
当K1接通，PA0=0 当K1断开，PA0=1
装置外部接点与微机连接的接线图
三、微机保护的算法
-----是保护的数学模型，是微机保护工作原理的数学表达式， 也是编制微机保护计算程序的依据。 ----- 微机保护的硬件是共同的，保护的特性与功能主要由软 件（计算程序）所决定。 • 核心问题 算出可表征被保护对象运行特点的物理量，如电压、 电流的有效值和相位等，或者算出它们的序分量，或基波 分量，或某次谐波分量的大小和相位等。
频率混叠示意图
设被采样信号x(t)中含有的最高频率为fmax，现将x(t)中这一成分xfmax(t)单独 画在图(a)中。从图(b)可以看出，当fS=fmax时，采样所看到的为一直流成分； 而从9-3(c)看出，当fS略小于fmax 时，采样所得到的是一个差拍低频信号。也 就是说，一个高于 fS/2 的频率成分在采样后将被错误地认为是一低频信号， 或称高频信号“混叠”到了低频段。显然，在满足奈奎斯特定理后，将不会出 现这种混叠现象。
1.接口软件
• 接口软件是指人机接口部分的软件，其程序分为监控程序和 运行程序。 • 监控程序主要是键盘命令处理程序，是为接口插件及各CPU 保护插件进行调节和整定而设置的程序。 • 运行程序由主程序和定时中断服务程序构成。 • 主程序的任务是完成巡检、键盘扫描和处理及故障信息的排 列和打印；定时中断服务程序包括软件时钟程序，以硬件时 钟控制并同步各CPU插件的软时钟，和检测各CPU插件启动元 件是否动作的检测启动程序。
第五章 微机保护
一、微机保护系统简介
1.微机保护的应用和发展概况 • 1965年，有人倡议用计算机构成继电保护。 • 70年代，微机保护研究热潮，发表了200多篇论文。 • 1977年，日本人投入了一套以微处理机为基础的控制与保护 装置。 • 北美与西欧以理论研究为主；日本以微保商品化研究为主。
我国发展概况：
4.程序流程的基本结构 • 微机保护的程序结构与微型机的运行速度、功能的构成等 诸多因素有较大关系，可以有多种多样的实现方案。在微 机保护中，定时中断通常是最主要的中断方式。以其为例， 下面介绍三种典型的流程结构。 • 在每次执行定时中断服务程序的过程中，可能会因运行条 件的不一样，引起执行的时间有长有短，但是，必须保证 最长的定时中断服务程序所执行的时间一定要小于采样间 隔时间TS，并留有一定的时间裕度。否则，将造成微型机 还没有从中断返回时，又出现一次中断，导致微型机工作 紊乱，无法正常工作。
5.CPU主系统
微机保护的CPU主系统包括中央处理器(CPU)、只读存储 器EPROM、电擦除可编程只读存储器E2PROM、随机存取存储器 RAM、定时器等。 • CPU主要执行控制及运算功能。 • EPROM主要存储编写好的程序，包括监控、继电保护功能程序 等。 • E2PROM可存放保护定值，保护定值的设定或修改可通过面板 上的小键盘来实现。 • RAM是采样数据及运算过程中数据的暂存器。 • 定时器用来记数、产生采样脉冲和实时钟等。 • 而CPU 主系统中的小键盘、液晶显示器和打印机等常用设备 用于实现人机对话。
微机保护构成 • 硬件：用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统、CPU 主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。 • 软件：由初始化模块、数据采集管理模块、故障检出模块、 故障计算模块与自检模块等组成。
3. 微机保护的特点和优点 特点
优点
二、微机保护的硬件构成 • 微机保护的硬件系统常采用插件结构。机箱内装有相应的 插座，印制板均可以方便地插入和拔出。通过机箱插座间 的连线将各个印制板连成整体并实现到端子排的输入输出 线的连接。 • 印制板插件通常包括：电源插件、出口继电器板、保护插 件、模拟量输入变化插件等。
设每工频周期采样N次，对上式用梯形法数值积分来代替， 则得:
电流n次谐波幅值和相位：
评价 • 优点 该算法本身有滤波作用，能抑制恒定的直流分量及消除 各整数次谐波。
• 缺点 1）暂态的衰减直流分量将计算结果产生较大误差，应采 用数字滤波进行补偿。 2）数据窗为一个工频周期，响应时间长。
四、微机保护的软件构成 微机保护的软件分为接口软件和保护软件两大部分。
2) 切换结构 • 采用分时切换的方法，每一次的中断流程只执行 1， 2，…，N功能模块中的一个功能。这种结构中，N个功能 的地位完全相同，不突出任何一个功能。同时，每个功能 模块在N次采样间隔中只执行一次。要求N个功能中，最长 一个功能的执行时间应小于采样间隔。 • 这种方法的采样间隔时间小于顺序结构的采样间隔。P为 按模N进行加法的计数器，每次中断流程中，均进行一次 P+1计数，当P计数到N时归0，这样，P就相当于分时切换 开关的功能，控制着每次中断流程的走向，保证 1， 2，…，N的每个功能都能顺序执行到。
3）模拟低通滤波器的应用
• 对微机保护来说，在故障初瞬，电压、电流中含有相当高 的频率分量，为防止混叠，fS将不得不用得很高，从而对 硬件速度提出过高的要求。但实际上，目前大多数的微机 保护原理都是反映工频量的，在这种情况下，可以在采样 前用一个低通模拟滤波器(LPF)将高频分量滤掉，这样就 可以降低fS，从而降低对硬件提出的要求。