微机继电保护培训课件

2.2 微机保护装置的硬件结构
微机保护装置的典型结构
１、信号输入电路 ２、单片微机系统 ３、人机接口部分 ４、输出通道回路 ５、电源部分
(一)信号输入电路
微机保护装置输入信号主要有两类，即开关量和 模拟量信号。信号输入电路部分就是妥善处理这二 类信号，完成单片微机系统输入信号接口功能。 通常输入的开关量信号不能满足单片微机的输入 电平要求，因此需要信号电平转换。为了提高保护 装置的抗干扰性能，通常还需要经整形、延时、光 电隔离等处理。 输入的电压和电流信号，是模拟量信号。由于计 算机是一种数字电路设备，只能接受数字脉冲信号， 所以就需要将这一类模拟信号转换为计算机能接受 的数字脉冲信号。完成模拟量至数字脉冲的变换称 为模数变换，输入模拟量信号的模数变换电路也称 作输入信号调理电路。
2、采样频率与采样定理
设被采样信号x(t)的频率为f0 ，采样间隔Ts的
倒数称为采样频率fs，若fs>2f0，则采样后所得到的
信号才有可能较为真实地代表输入信号x(t) .
3．低通滤波器(ALF) 1、作用
（1）将fs／2以上的频率分量滤去，保证对所需最高频率信 号的 采样不发生失真。 （2）降低了对硬件的速度要求
1．采样保持电路(S／H)
AS
变 换 器 1
ui
Ch
变 换 器 2
u0
采样保持原理 : 在高电平时AS闭合，此时电路处于采样状态。Ch迅速充电到在 采样时刻的电压值Ui。在低电平时，AS打开，电容Ch上保持住AS 打开瞬间的电压，电路处于保持状态。AS的闭合时间应满足Ch有足 够的充电时间，即采样时间。
2.3 微机保护的数据采集系统
2.3.1模拟量输入电路概述 2.3.2ADC变换模式的构成部分 2.3.3开关量输入输出回路原理
2.3.1模拟量输入电路概述
1、模拟量输入电路的主要作用 隔离、规范输入电压及完成模数变换，以便与CPU接口，完 成数据采集任务。因此这部分电路又称数据采集电路。
2、微机保护的模数变换方式主要有: （1）ADC变换方式：直接将模拟量转变为数字量的变换方式 （2）VFC变换方式：VFC是将模拟量电压先转变为频率脉冲量， 通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式
2.3.2 ADC变换模式的构成部分
（1）电压形成回路 （2）采样保持电路(S／H)模拟低通滤波器(ALF) （3）模拟量多路转换开关(MPX)
（4）模数变换器
(一)电压形成回路
1、作用
（1）变换作用：将交流强电系统转变为弱电系统 （2）隔离作用：将交流强电系统与弱电系统相隔 离
2、变换器的种类
(四)模数变换(A／D)
1．模数变换器(ADC)原理 （１）逐次逼近法的原理 （２）重要指标 a 转换精度
即A／D转换分辨率，它主要取决于设定数码的最小量化
单位，A／D转换输出的数字量位数越多，最小量化单位越小， 分辨率越高，转换出的数字量舍入误差越小，A／D转换的精 度就越高。
b 转换速度
它与A／D转换分辨率是有关的，通常分辨率越高，其转 换速度就相对降低。
（1）电流变换器(TA) （2）电压变换器(TV) （3）电抗变压器(TL) （4）光电互感器(OCT、OVT)
电流变换器(TA)
交流电流的变换一般采用电流变换器，并在其
二次侧并联电阻以取得所需电压(改变电阻值就可以改
变输出范围的大小)。 优点： 只要铁芯不饱和，其二次电流及并联电阻上电压 的波形就可基本保持与一次电流波形相同且同相，即 可以做到不失真变换。 缺点： 电流变换器在非周期分量的作用下容易饱和，线性 度差，动态范围也小。


自适应控制技术在继电保护中的应用 人工神经网络在继电保护中的应用 变电所综合自动化技术 数字信号处理器DSP 的应用 高速数据采集系统(DAS) 应适应人工智能技术、小波分 析理论 综合利用模糊理论及人工神经网络各自的特点形成的模 糊神经网络已成为研究提高电力系统继电保护可靠性、 快速性、灵敏性及选择性的一个重要发展方向
(三)人机接口部分
在许多情况下，单片微机系统必须接受操作人
员的干预，例如整定值的输入，工作方式的变更， 对单片微机系统状态的检查等都需要人机对话。这
部分工作在CPU控制之下完成，通常可以通过键
盘、汉化液晶显示、打印及信号灯、音响或语言告 警等来实现人机对话。
(四) 输出通道部分
输出通道部分是对控制对象(例如断路器)实现控
(二)单片微机系统
微机保护装置的核心是单片微机系统，它是由单片微机和
扩展芯片构成的一台小型工业控制微机系统，除了这些硬件之 外，还有存储在存储器里的软件系统。这些硬件和软件构成的 整个单片微机系统主要任务是完成数值测量、计算、逻辑运算 及控制和记录等智能化任务。除此之外，现代的微机保护应具 有各种远方功能，它包括发送保护信息并上传给变电所微机监 控系统，接收集控站、调度所的控制和管理信息。
图2.2 典型的保护装置的硬件结构示意图
模拟量输 入 开关量输入
继电器逻辑回路
模拟量输 入变换
前置低通 滤波器
光 电 隔 离
多路转 换开关
A/D
微处理器 E2PROM RAM
开关量输 入处理
人机交互接口
看门狗
实时时钟 保护用通 信接口 电源
打印机接口
高频通道接口 微波通道接口 光纤通道接口 通用数字 通信接口
微机的弱电系统电源完全隔离开。通过逆变后的直流电
源具有极强的抗干扰水平，对来自变电所中因断路器跳 合闸等原因产生的强于扰可以完全消除掉。
其他电路
其他电路包括复位电路、工作方式开关及信号 灯，这些元件均装于面板上，开入、开出端口引自 CPU芯片， 当工作方式开关拨至上方，开关接通， 即工作方式为投入运行；拨至下方，即投入调试。
光电互感器
为克服电磁式互感器的缺点，国内外正在研究和推 应用光电互感器。光电互感器与传统的电磁式互感相 比有以下主要的优越性： (1)优良的绝缘性能，造价低、体积小、质量轻。 (2)不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。 (3)动态范围大，测量精度高。 (4)频率范围宽。 (5)抗干扰能力强。
(二)采样保持电路(S／H)和模拟低通滤波(ALF)
图1-1
ห้องสมุดไป่ตู้
典型的微机保护系统框图
＋５V U=
逆变电源
CRT 键盘
打印
±15V U、 I 模 拟 量 输 入 开关量输 入
人机接口
单片微 机系统
输出通道
输出通道
跳闸 信号
1.5 微机继电保护装置的特点及其优点
特点: 优点: 维护调试方便
保护功能软件实现
采用数字信号处理技术 可靠性高 动作正确率高 数字存储技术
测量部分
输入故障参数 整定值
逻辑部分
执行部分
跳闸或 信号脉冲输出
图2.1：传统继电保护装置的原理结构图
图2.1：传统继电保护装置的原理结构图
测量部分 输入故障参数 整定值 逻辑部分 执行部分 跳闸或 信号脉冲输出
各基本部分的作用是： (1)测量部分是测量与被保护设备工作状态(正常状态、故 障状态或不正常工作状态)相关的电气量，并与给定的 整定值比较，从而判断保护是否应该起动。 (2)逻辑部分是根据各测量元件输出量的大小、性质、组 合方式、出现顺序，来判断被保护设备的工作状态，以 决定保护是否应该动作。 (3)执行部分是根据逻辑部分传送的信号，执行保护装置 所承担的任务。如内部故障时动作于跳闸；不正常运行 时发出报警信号；正常运行时不动作等。
2．微机继电保护装置的硬件系统
2.1 传统保护装置硬件系统构成
2.2 微机保护装置的硬件结构 2.3 微机保护的数据采集系统
2.1 传统保护装置硬件系统构成
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，其原理框图如图2.1所示。
网络通信结构技术，使得我国保护装置的硬件结构提
高到国际先进水平。
4、第四代微机保护装置
以32位单片机以及数字信号处理器DSP构成的硬件结 构为主，其处理数据能力强、有效提高保护性能、硬件 资源丰富、总线接口灵活、开发手段先进、精度高、性
能稳定等优势在微机保护装置中显示了巨大的生命力。
以及微机保护向标准化、网络化、智能化等方向发展。
定。其型号即通常所说的“01”型，于
1987年投入批量生产。 特点： 采用单CPU结构及多路转换的ADC模数变换 模式。
２、第二代微机保护装置
华北电力学院北京研究生部首先研制的。第一
套“11”型微机保护装置于1990年5月投入了试运 行。其代表产品WXH—11和WXB—11 。 特点： 结构与第一代“01”型完全不同，采用多单片机
2、模拟低通滤波器的种类
（1）无源模拟低通滤波器: 接线简单，但电阻与电容回路对信号有衰减作用，并会带 来延迟，对快速保护不利，仅适用于要求不高的微机保护。
IN R 230K OUT C 0 .0 1 u F
无源低通滤波
3．低通滤波器(ALF)
（2）有源模拟低通滤波器:
有源低通滤过器通常由上述无源滤过器加上运算放大器构成， 此时电容可取较小的数值，从而加快了保护动作速度（T在 0．8～1．8ms之间 ）
容易实现远方通信
自检 硬件标准化
易于获得各种附加功能
保护性能容易得到改善 使用灵活、方便
数据共享
具有远方监控特性
1.6微机保护新技术及其发展趋势
继电保护技术发展趋势向计算机化, 网络化, 智能化, 保护、控制、测量和数据通信一体化发 展 。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电 力系统继电保护领域中的普遍应用, 新的控制原 理和方法被不断应用于计算机继电保护中, 以期 取得更好的效果, 从而使微机继电保护的研究向 更高的层次发展, 出现了一些引人注目的新技术 和趋势。
微机继电保护
培训讲义
1．概述
1.1 微机保护的发展
1.2 我国微机保护的发展概况 1.3 我国微机继电保护存在的问题 1.4 微机继电保护的基本构成 1.5 微机继电保护装置的特点及其优点
1.6 微机保护新技术及其发展趋势
1.1微机保护的发展
1、 60年代至70年代初期 理论探索，样机试验 中小型计算机，单机集中保护方案 一机多用，速度限制，可靠性问题 2、 70年代中期至80年代中期 微处理器和微型计算机进入实用阶段 单处理器/单片机保护方案
1.3 我国微机继电保护存在的问题
微机保护在电力系统中的地位问题 微机保护装置的标准化和质量监督
微机保护装置的硬件、软件和规范化问题
产品的先进性和实用性、经济性问题
1.4 微机继电保护的基本构成
计算机式继电保护是由“硬件”和“软件” 两部分组成的，硬件是实现继电保护功能的基础。 而继电保护原理是直接由软件，即由计算程序来 实现的，程序的不同可以实现不同的原理。程序 的好坏、正确与错误都直接影响着保护性能的优 劣、正确或错误。
3、80年代后期至90年代 多CPU结构保护方案 可靠性高，动作速度快，广泛应用
4、90年代中期以来 高性能单片机应用，专用DSP 网络通讯技术应用 新的保护原理研究
1.2 我国微机保护的发展概况
１、第一代微机保护产品
1984年华北电力学院研制的一套微机距
离保护MDP—1型经试运行后通过了科研鉴
R1
C1
R2 C2
5 7 6 L1B
Vi
VO
有源低通滤波
(三)模拟量多路转换开关(MPX)
由于数模变换器接口复杂及价格昂贵，通常不宜
对各路电压、电流模拟量同时采用模数转换，而是采 用多路S／H共用一个模数变换器，中间经多路转换开 关切换，按顺序由公用的模数变换器转换成数字量， 实现同时采样、依次模数变换的要求。
并行工作，总线不引出插件，数模变换采用VFC方
式，保护精度与速度及可靠性有了大幅度提高。
３、第三代微机保护装置
北京哈德威四方保护与控制设备公司和华北电力大 学联合研制生产的CS系列产品，如线路保护CSL—101
系列、变压器保护CST—200系列。
特点： 采用不扩展的单片机，总线不引出芯片及较先进的
制操作的出口通道。通常这种通道主要任务是将小 信号转换为大功率输出，满足驱动输出的功率要求。
在出口通道里还要防止控制对象对微机系统的反馈
干扰，因此出口通道也需要光隔离。总的说来输出 通道仍然是一种被控对象与微机系统之间的接口电
路。
(五)
电源部分
微机保护系统对电源要求较高，通常这种电源是逆
变电源，即将直流逆变为交流，再把交流整流为微机系 统所需的直流电压。它把变电所强电系统的直流电源与