电气系统继电保护第10章微机保护基础

V01
R
Ri Ri
VR
1 2
(10.3)
R
Ri
Ri
当网络的电源电压珠取某一个定值，且Ri也取定值时，
VR
为一常数。暂令
R
Ri Ri
VR
K
，式
（10.3）可以表示成：
V01 K 21
(10.4)
令Z2=“1”，其余的Zi=“0”。R—2R网络可按图10.9
进行等值变化，这时网络的输出电压是：
V02
（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。
10.2 微机继电保护硬件系统的构成原理
10.2.1 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：
(l）反应电流数值变化的电流速断保护、定时限过电流保 护、反时限过电流保护；
(2）反应电压数值变化的低电压或过电压保护； (3）既反应电流数值变化义反应短路功率方向的方向过电 流保护；
制数，可以将VA与上述标准电压相比较，也就是用标准电压来
称量VA的大小。在比较时，首先用最大的一个标准电压与VA比较，
若
VA K，2则1 记下a1=0，反之a1=l；第二次用
K a1 21 K 22 与VA比较，若 VA K a1 21 K 22 ，记下 a2=0，
反之，a2=1；第三次用 K a1 21 K a2 22 K 23 与VA，比较 … …
10.3.1 ADC式数据采集系统
ADC式数据采集系统如图10.3所示。
图10.3 ADC数据采集系统框图
10.3.2 电压形成电路
交流电流的变换一般采用电流变换器，并在其二次侧并联 电阻以取得所需的电压，其优点是：只要铁心不饱和，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，可以做到不失真变换，但是，电流互感器在非周期 分量的作用下容易饱和。
图10.1 传统继电保护装置的原理结构图
各基本部分的作用是： (l）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、出现的顺序，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。
Ri R Ri
VR
1 22
K
22
(10.5)
图10.8 K1=1时，网络等值电路
可以证明，当任意一个寄存器Zi=“1”，其余的寄存器 为“0”时，网络输出电压是：
R—2R网V络01是线R性R电i Ri阻网VR络，21i当Z1K～2Z1i1取任意状(1态0.6时) ，可
以应用叠加原理计算网络的输出电压V0，其值为：
表10.1 逐位比较模一数转换过程表
10.3.5 VFC 数模变换器
VFC 数模变换器的作用也是完成对交流输入变换器输出的 模拟童进行数字量的转化。为方便多CPU的数据共享，免去多 CPU共享必须采用的十分复杂的接口电路，可以选用VFC型模数 变换器，各路采样转换并行工作，不再需要采样保持器。VFC的 输出电压的频率与输入电压呈线性关系，经计数器计数之后， 送总线供CPU使用。各路计数器均安排在各CPU模件上，各CPU使 用的计数器也仍是并行工作的。这样处理的结果，提高了数字 测量的精度和分辨率。它们的工作方式如图10.11和图10.12所 示。
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 (l）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； (2）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； (3）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）通信接口。包括通信接口电路及接口以实现多机通信 或联网； (5）电源。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 10.2所示。
直到n次比较结束，可以在允许的误差范围内得到如下的等式：
VA K a1 21 K a2 22 K an 2n
K (a1 21 a2 22 an 2n )
(10.1)
式中，括号内的a1(i=1,2，……，n）只能取0或1，所以，括 号内是一组二进制数。
n
如果记为 D ai 2i ，式（10.1）可以写成：
(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。
(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。
电抗变换器优点是：线性范围较大，铁心不易饱和。有移 相作用，它能够抑制低频分觉，放大高频分量，因此，二次侧 电压波形在系统暂态时会发生畸变。
电流形成回路除了起电量变换作用外，还起到隔离作用， 它使计算机与强电系统隔离，从而在较大强度上减弱了来自高 压系统的电磁干扰。
图10.4 交流变换器 (a）电流变换器； (b）电压变换器； (c）电抗变换器
第二步由控制电路置Z2=“l”，这时，R—2R网络的输 出V0=V01+V02（这是对应Z1=“l”的情况。如果Z1=“O”，则 V0=V02）。比较器第二次比较V0与VA的大小，并同第一次一样， 根据比较结果，决定Z2保留“1”还是清“0”。如此进行十 一次比较后，可在一定误差范围内达到VA=V0，这时，寄存在 Z1～Z11中的11位二进制数与VA成比例，它就是A/D转换后得 到的数字量。
第10章 微机保护基础
第一节 绪论 微机保护的发展概况 微机保护的特点
第二节 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 微机保护装置硬件系统构成
第三节 模拟量输入部分 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
70年代中期，随着大规模集成电路技术的发展，微型计 算机进人实用阶段，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。
10.1.2 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。
第四节 开关量输入回路 第五节 开关量输出回路
10.1 绪论
10.1.1 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。
如图10.10所示。图中的比较器用来比较D/A转换网络的输出电
压V0与待转换的直流模拟电压VA的大小；控制电路对数码寄存 器的状态进行置“1”和清“0”。
图10.10 逐位比较原理框图
电路工作过程如下：
首先，数码寄存器全部清零。控制电路第一步置数码寄 存器的第一位Z1=“1”，这时，R—2R网络的输出V0=V01。比 较器比较V0与VA的大小，如果VA＞V0, Z1=“1”的状态保留； 如果VA＜V0，由控制电路将Z1清“0”。
i 1
VA k D
(10.2)
式中，与VA成比例的二进制数D，就是直流模拟电压VA的A/D 转 换结果。完成A/D转换所需要的一组标准电压，由D/A转换网络
产生。常用的D/A ຫໍສະໝຸດ 换网络有T塑网络和权电阻网络，图10.7是
T型网络（又称R—2R网络）的原理图。
图中K1～K11受寄存器Z1～Z11状态控制的电子开关当Zi=“1” 时，K接电源+VR；当Z=“0”时，Ki接地。
R—2R网络的一个特点是：如果K1～K11全部接地，从任意一 个节点Pi（i=1,2，……，11）向右看（不包括节点下面的2R电 阻），右边电路的等效电阻总是等于2R。为此，可以找出网络
的输出电压V0，与Z1～Z11所代表的数字量之间的关系。
图10.7 R—2R 数——模转换网络
令Z1=“1”，其余寄存器的Zi=“0”。这时，K1接+VR，其 余Ki都接地。R～2R网络的简化等值电路如图10.8所示。可以 计算出网络的输出电压是：
（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。