电力系统继电保护原理(第四版)-2(最详细版)

-1 0
数值上的数字化:每
个数值必须转变为
二进制的微机能够
1
0.8
读懂的数字量
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
1001010101001101 -0.8
-1 0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
时间上的
离散化
5
10
15
20
25
1
微机保护装置硬件系统构成
按功能可分为五个部分
输入信号的采样保持过程如图2-9所示
TC为采样脉冲宽度，TS为采样周期 采样保持电路输出的信号已经是离散化的模拟量
采护样硬周件期设T计S的的一倒个数关称键为问采题样频率fS，其选择是微机保
采样频率应该选多少？ 采样频率越高，精度越高，但
要求微处理器的运算速度越高
微机保护为实时系统，数据采 集单元以采样频率所决定的时 间向微处理器输入数据
微处理器必须在一个采样周期 内完成所需的各种运算和操作
采样频率过低，将不能真实反 映被采样信号的变化情况
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采样频率的选择 连续时间信号经采样离散化成为离散时间信号后是否
会丢失一些信息？ 以下图为例进行分析，设信号的频率为f0
每周采样一个点，即fS＝ f0：采样所得到的是一直流量 fS＝1.5 f0，即每两周采样
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。
数据处理单元：包括微处理器、只读存储器、随机存取存 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，对数据采集系统输入至随机存储器中 的数据进行分析处理，以完成保护功能。
开关量输入/输出接口：由若干并行接口、光电隔离器及中 间继电器组成，完成保护出口跳闸、信号报警、外部接地 输入及人机对话等功能。
微机保护装置硬件的核心是微处理器 其选择原则
速度、功能、通用性和工作环境
国内外微机保护装置所用的微处理器
单片机 数字信号处理器（DSP） 多核芯片：一个物理IC芯片上同时集结了多个中央微
控制器和外围控制器，并实现多个控制器的并行处理
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第三节 微机继电保护硬 件系统的构成
源于计算机技术重大突破：价格大幅度下降、可靠性提高 70年代中后期，国外已有少量样机试运行。
我国的微机保护发展
始于上世纪70年代后半期 1984年华北电力学院研制的第一套微机距离保护样机投入试
运行 目前，在我国不同原理、不同机型的微机线路和主设备保
护异彩纷呈，各具特色，为电力系统提供一批新一代性能 优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置
微机保护是用微机实现继电保护功能
难点在于电气量测量和执行部分，判据比较和逻辑
部分是微机的强项
转变
电气量测量的关键：模拟信号
数字信号
离散时间信号 的数字化表示
输入信号 测量部分 整定值
逻辑部分
输出信号 执行部分
16
8
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8
H
(s)
=
1
+
3RCS
1 +
( RCS
)
2
(R1 = R2 = R)
调整RC数值可以改变滤波器的截止频 率，一般取为fs/2
接线简单，但对信号有衰减作用，且 会带来延时
有源低通滤波器
频率特性更理想
是主要采用的方式
二阶无源低通滤波器 幅频特性曲线
4.模拟量多路转换开关
继电保护原理绝大多数基于多个输入信号，因 此保护装置必需对多个模拟量同时采样
3个点，采样得到的是一 个频率低于f0的低频信号 当fS＝2f0时，采样所得到 的波形的频率为f0
只有fS>2fmax时，采样后所 得到的信号才有可能较为真 实地代表输入信号，否则会 出现频率混叠现象，造成信 号失真——香农采样定理
3.模拟低通滤波器
对于微机保护而言 大多数的保护原理都是基于工频或低频电气量 — —所要求的采样频率不需要很高 但是在系统故障瞬间，电压、电流信号中都可能含 有相当高的频率分量
数据处理单元包括微处理器、只读存储器、随机存取 存储器、定时器以及并行口等，核心是微处理器。
有或无继电器 在保护装置中作为辅助元件 中间、时间、信号继电器等
电磁式继电器
弹簧 电磁铁
衔铁
触点
信号电源
工作回路
电磁继电器
2
一、电磁型继电器（Relay）
继电特性：无论起动和返回，继电器的动作都是明确 干脆的，它不可能停留在某一个中间位置
动作电流：使继电器动作的最小 电流值 <最小短路电流
为了满足采样定理，防止频率混叠，必须限制输 入信号的最高频率——前置低通滤波器的作用 一种使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号 的电路
无源滤波器 有源滤波器，RC元件与运算放大器构成
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无源滤波器
RLC元件构成
常用的二阶无源低通滤波器的电路 图及对应的幅频特性
其传递函数为
通信
接口：
实现
多机
通信
和联
网
开关量输入/输出接口：完成保护出口 跳闸、信号报警及人机对话等功能
电源
（一）数据采集单元
1. 电压变换
微机保护要从被保护元件的电流互感 器、电压互感器等取得电气量信息.
但这些互感器二次侧数值的变化范围 与微机保护装置硬件电路对输入信号 的承受水平并不匹配，故需要降低或 变换
直接型：输入的模拟电压离散值被直接转换成数字 代码，不经任何中间变换——逐次逼近式A/D转换 器原理
间接型：先把输入的模拟电压转换成某种中间变量， 然后再把这个中间变量转换成数字代码输出——电 压频率变换式（VFC）
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逐次逼近式A/D转换器
将一待转换的模拟输入信号Uin与一个推测信号Ui相比较，根据 推测信号大于还是小于输入信号来决定增大还是减小该推测信 号，以便向模拟信号逼近
返回电流：使继电器返回原位的 最大电流值 >最大负荷电流
返回系数（恒小于1）
触发特性曲线
返回
动作
K re
=
I K⋅re I K⋅act
= 0.85 ~ 0.9
旋转衔铁式电流继电器结构
6
3
二、感应型继电器
用电磁铁在一铝制圆盘中或圆筒中感应产生电流，电流 产生转矩使圆盘或圆筒转动，使接点闭合的继电器。
四极感应圆筒式感应继电器 工作原理与鼠笼式感应电机相似
相当于两相式的电动机，垂直方向两磁极的线圈和水平两 级的绕组磁通在空间上相差900，如果两磁通在时间上也相 差900则可产生最大的旋转磁场
圆筒上的转矩：M = KΦ1Φ2 sinθ
动作条件：电流大于定值（转矩 大于弹簧反作用转矩），且 θ 为 正（900时转矩最大）
通道1 通道2
采样保 持器1
采样保 持器2
通道n 采样保 持器n
多
A
数
路
/
据
转
D
总
换 器
转 换
线
器
同时采样依次A/D转换
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多路转换开关——实现通道切换，轮流由公用的
模数转换器将模拟量转换成数字量
二进制通道地址，
基本原理
由微机控制
把多个模拟量通道按顺序赋予不同的二进 制地址
在微机输出地址信号后，多路转换开关通 过译码电路选通某一通道（开关接通）
采样保持器的作用：把随时间连续变化的电气量离散化
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保持其输出不变
z 工作原理：
• 开关S受逻辑输入端电平控制 • 采样状态：高电平时S闭合，
电容迅速充电，使电容两端电 压等于采样时刻的电压值 • 保持状态：S打开，则电容C 上保持住K打开瞬间的电压值
推测信号由D/A转换器的输出获得
推测值的取值方法
使二进制计数器中的每一位从最高位其依次置1，尚未置位的 较低各位为0；
若模拟输入信号小于推测信号，则比较器输出为零，计数器 该位清零
若模拟输入信号大于推测信号，则比较器输出为1，计数器该 位保持1
不断比较，直到 最末一位
数据输出位即对 应模拟输入信号 的数字量
通道1 通道2
采样保 持器1
采样保 持器2
通道n 采样保 持器n
多
A
数
路
/
据
转
D
总
换 器
转 换
线
器
同时采样依次A/D转换
接A/D芯片 接模拟量通道
5. 模数转换器（A/D）
微处理器只能对数字信号进行分析运算，所以检 测到的随时间连续变化的电压、电流等模拟量必 须转化成离散的数字量
实现模拟量变换成数字量的硬件芯片——模数 转换器
如此依次比较，最后 可得模拟量的数字转 换结果为10111111
A/D转换器的主要技术指标（一）
分辨率：A/D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变 化量。即数字输出最低位1所对应的模拟量大小。
设A/D转换器位数为n，满量程电压为FSR，则定义为 分辨率 = FSR
2n 举例：一个满量程为10V的12位A/D，分辨率为2.44mV；
每一通道都设置A/D转换器，同时采样后同时进行 A/D转换 ——经济上不划算
全部通道合用一个A/D转换器，同时采样，依次 A/D转换 ——需要多路转换开关
通道1 采样保 持器1
A/D转 换器1
数
通道2 采样保 持器2
A/D转 换器2
据 总
线
通道n 采样保 持器n
A/D转 换器n
同时采样同时A/D转换
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例子：输入的模拟量为191
二进制计数器的最高位D7置1，即10000000，对应十进制 为128，因此有191>128，所以最高位的1保留下来
接着是次高位D6置1，即为11000000，对应十进制为192， 有191<192，于是次高位应该清零
然后是比较第三位，将其置1，即为10100000，对应十进制 为160，有191>160，于是该位的1保持下来
FSR
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A/D转换器的主要技术指标（二） 转换时间和转换速率
转换时间：按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号 并输出所需要的时间，一般用微秒表示。
转换速率：能够重复进行数据转换的速度，用每秒转换 的次数表示。
实际应用中，至少要求所有通道轮流转换所需要的时间 总和小于采样间隔
（二）数据处理单元
第二章 继电保护的硬件构 成
第一节 继电器的类别和发展 历程
1
继电器
能反应一个弱信号（电、磁、声、光、热）的变化而 突然动作，闭合或断开其接点以控制一个较大功率的 电路或设备的器件。
继电器的分类
按输入信号性质分：非电量继电器和电量继电器 按功能分
量度继电器 在继电保护和自动装置中作为主要元件，与辅助元 件有或无继电器配套 电流、电压、频率、功率继电器等
16位A/D则为0.15mV
A/D转换器的分辨率的高低取决于位数的多少
量程：A/D转换器所能转换模拟信号的电压范围。
0V～5V、－5V～5V、－10V～10V等
精度
绝对精度：输出数码的模拟电压与实际模拟电压之差
相对精度：绝对精度与FSR之比的百分数，绝对精度 ×100
精度和分辨率是两个不同的概念。
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名词解释——元件
电网中的元件是指一次设备，如线路、变压器、 发电机等；
在保护装置内部有提到元件，指保护装置的某环 节，如电压元件、电流元件、启动元件、方向元 件等；
继电保护有二大研究方面：线路保护和元件保护， 这里的元件指发电机、变压器、电容器等的主设 备。
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第二节 微处理器简介
电压变换器:类似与小电压互感器
电流变换器：通过电流变换器二次侧 并联电阻的方式取得微机保护装置硬 件芯片所需的电位信号
电流、电压变换回路除了起电气量变 换作用外，还起隔离作用
电压变换回路 电流变换回路
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2.采样保持电路及采样频率的选择
采样保持电路原理
模拟信号进行数字量转换时，从起动转换到转换结束输出 数字量，需要一定的时间。为了防止转换误差，必须使模 拟信号在转换过程中基本保持不变。
通信接口：包括通信接口电路及接口实现多机通信和联网。 电源：供给微处理器、各集成电路及继电器等所需电源。
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微机保护装置硬件系统构成

按功能可分为五个部分
数据处理单元：执行程序存储器中的 保护程序，对数据采集系统输入的数
数据采集系统：将模
据分析处理，以完成保护功能
拟输入量准确地转换
为数字量的功能。
可反应两个电气量，如电压、电 流，可实现方向继电器、阻抗继 电器、差动继电器等
电磁式电流继电器
百度文库
正面
侧面
4
电磁式中间继电器
正面
侧面
五、微机保护
将反应故障量变化的数字式元件和保护中需要的逻辑 元件、时间元件、执行元件等和在一起用一个微机实 现，成为微机保护，是继电器发展的最高形式。
20世纪70年代初、中期开始了微机保护研究的热潮