微机保护构成及数据采集系统

§2.1 微机保护系统构成

²微机保护是以电压、电流的采样值为输入量，以微机为控制器，以电气设备的断路器为被控对象的一个开环离散控制系统。

²微机保护是将被保护设备输入的模拟量经模数转换器后变为数字量，再送入计算机进行分析和处理的保护装置。²微机保护由硬件和软件两部分构成。微机保护整套硬件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统、微型机主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。

²微机保护的软件由初始化模块、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。

²微机保护的硬件系统包括以下五部分：

³1.数据采集系统（或称模拟量输入系统）：包括电压形成、采样保持、多路开关及数模转换。

³2.微型机（或微处理器）主系统：包括微处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器、并串接口等。

³3.开关量输入输出系统：由微型机的并行接口、

光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。完成保护需要的外部触点接入、出口跳闸、人机对话等功能。

³4.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

³5.逆变稳压电源（5V ±15V、±24V）

²微机保护硬件构成框图（书）

2. 微机保护用硬件特点

³集成微处理器（MPU ）、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、定时器、模数转换器(AD)、并行接口(PIO)、闪存单元(FLASH)、数字信号处理器(DSP)、通信接口等多种功能集成在一个芯片内的单片机系统。

³把所有总线连同单片机都集成在一个芯片内的总线不出片技术。

³不区分微机、单片机、微处理器

²微机保护的软件包括

1.数字滤波器，如减法滤波器、加法滤波器

等。像有些不便于采用模拟滤波器的场

合，如傅立叶滤波、小波变换等;

2.微机保护算法，像幅值和相位计算、选相

算法、滤序算法等;

3.保护动作判据，保护基本原理的具体体现;

4.逻辑输出，执行跳闸、告警等数字信号输

出。

°频谱分布宽广：从直流、衰减直流、工频基波分量到各次谐波（最高到数百千赫兹）在内的暂态信号

°动态范围宽广：从正常运行的几十安培到短路状态下的几万安培甚至几十万安培

°微机保护常用的数据采集系统有两种：

°一是采用逐次逼近原理的A/D芯片构成的数据采集系统；

°另一种是采用VFC芯片构成的压频变换式数据采集

系统

²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大都采用VFC 变换方式。

²ADC 方式是将模拟量直接转变为数字量的方法；

²

VFC 方式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。

n

适应继电保护特点要求

°

模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则°典型的高压线路保护需要：三相电流、零序电流；三相电压、线路侧线间电压；

°典型的三绕组变压器差动保护需要：每一绕组侧的三相电流

因此，微机保护是一个多模拟量输入系统

包括电压形成电路、模拟低通滤波器、采样保持、多路开关、A/D 转换等部分

采集量的选择

以高压线路保护和三绕组变压器差动保护为例，由于高压线路保护一般具备全线速动保护（如高频保护或光纤电流纵差保护）、距离保护、零序保护和重合闸功能。所以模拟量一般设置为以下8个量0,,,3,,,,a b c a b c X

I I I I U U U U 前7个量用于构成保护功能，最后的量为断路器的另一侧电压，用于实现重合闸功能；

对于三绕组变压器的的差动保护，至少应该接入三侧的三相电流，共9个模拟量。

³继电保护所使用的电压、电流都是来自于电压互感器（100V、线间电压）和电流互感器（额定电流5安或1A，短路电流100A）

³电流(电压)变换器再将TA(TV)二次侧电流(电压)均变换为适合AD转换需要的±2.5V、±5V电压；

1. 电压形成回路

电流变换器（）和电抗变换器（作用：变换、隔离。在原副边可加一屏蔽层，有利于提高抗共模干扰的能力。

I &TA TV TX

··U

&R

（1）电压变换器（TV）

（2）电抗变换器（TX）

电抗变换器是一种铁心中有气隙的变压器。优点是铁心不易饱和，线性变换范围大。缺点是阻止直流、放大高频分量，使二次侧电压波形发生严重畸变。

（3）电流变换器（TA）

电流变换器是一种铁心闭合无气隙的变压器。优点是当铁心不饱和时，二次电流波形与一次侧相同。缺点是在电流非周期分量作用下容易饱和，线性度差。微机保护中一般采用电流变换器。

是模数转换器的输入阻抗；

电流变换器特点

²优点：只要铁芯不饱和，其二次电流及并联电阻上的二次电压波形基本保持与一次电流波形相同且同相。

²缺点：在非周期分量的作用下容易饱和，线性度较差，动态范围较小。

²

电流变换器二次测的并联电阻数值为几欧

到十几欧姆。

☆滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时拟制无

用频率信号的电路。低通滤波器是只让低于截至频率通过的滤波器。

☆前置低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于

采样电路前，滤除高于采样频率一半的信号，因此截至频率被设置为1/2fs 。

☆低通滤波器可以采用有源的、也可以采用无源的。☆无源滤波器由RLC 元件构成；有源的由运放和RC 元件构成；

²

ALF(Analog Low-pass Filter)

²无源特点：无源滤波器构成简单，频率特性单调衰减的，不能做到通带平坦和过渡带陡峭，可用于反映基波分量的保护；且电阻和电容回路对信号有衰减作用，并会带来时间延迟，仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护。

²有源特点：滤波性能好且阶数越高，它的频率响应越具有十分平坦的通带和陡峭的

过渡带，但会增加装置的复杂性和时延，故阶数不宜过高。但抗冲击干扰能力差。