第九章 微机保护概述

第三阶段 以多个16位单片机组成的多微机系统。 其主要特点为：
1硬件是以16位单片机构成的多微机系统。（80C196KB、M77）。 2以日本三菱公司的M77芯片构成的微机系统，可以做到总线不引 出芯片。 3 保护装置的硬件设计除了有硬件时钟外，装置还具备接受 GPS全球定位系统的秒脉冲的接口。 4 数据采集系统为VFC方式，最高转换频率为4MHZ。（VFC110） 5 时钟芯片和EEPROM芯片均为串行方式。

VFC工作原理: 典型的电荷平衡式V/F转换器的电路结构如图9-8所示。
C
Ua
_ A2 +
U in R1 R2
_ A1 +
t
S
脉冲发生器
U0
t
定时器
UR
U0 ( f )
计数器 数据输出 图 9-8 VFC原 理 图 图 9-9 VFC波 形 图
T0

VFC型数据采集系统优点：


普通A/D转换器是对瞬时值进行转换，而VFC型 数据采集系统是对输入信号的连续积分，具有低 通滤波的效果，降低噪声。 VFC型数据采集系统的工作根本不需要微型机控 制，微型机只要定时去读取计数器的计数值即可， 因此与微型机的接口简单。 VFC型数据采集系统目前广泛应用于微机保护装 置。
二、计算机主系统 微机保护的计算机主系统有中央处理器（CPU）、 只读存储器EPROM电擦除可编程只读存储器 EEPROM、随机存取存储器RAM、定时器等。 CPU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。 EEPROM可存放保护定值，可通过面板上的小键 盘设定或修改保护定值。 RAM作为采样数据及运算过程中数据的暂存器。 定时器用以记数、产生采样脉冲和实时钟等。 CPU主系统的常见外设，如小键盘、液晶显示器 和打印机等用于实现人机对话。


R
R
R
C
C
RL
C
RL
| H( f ) |
f / f0
为了降低采样频率，满足采样定理，在采样之前先用一个模拟低 通滤波器将频率高于采样频率一半的信号滤掉。

4.模拟多路转换开关(MUX)
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。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， 但微机所得到的仍可认为是同一时刻的信息（忽 略保持期间的极小衰减），这样按保护算法由微 机计算得出正确结果。



二、微机保护的基本构成 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。 微机保护由硬件和软件两部分构成。其整套硬件 通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系 统、CPU主系统、开关量输出、输入系统及外围 设备等。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。


CPU EPROM (FLASH) 来 自 TA TV 的 电 流 和 电 压 电 压 形 成 低 通 滤 波 采 样 保 持 EEPROM 多 路 转 换 开 关 A/D 转 换 开关量输出 (跳闸、信号) 开关量输入 （断路器、 隔离开关 状态） 键盘 显示器 打印机 通讯 人 机 对 话 接 口 部 件
图9-3 采样保持过成在单一芯片中，但芯片内不 设保持电容，需用户外设，常选0.01µF左右。常用的采样 保持芯片有LF198、LF298、LF398等。
ui
阻 抗 变 换 器 1
S Ch
阻 抗 变 换 器 2
uo
s(t )


3.模拟低通滤波器（ALF）
滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率 信号的电路。对微机保护系统来说，在故障初瞬间，电压、 电流中可能含有相当高的频率分量（例如2kHz以上）， 为防止频率混叠，采样频率不得不取值很高，从而对硬件 速度提出过高的要求。但实际上，在这种情况下可以在采 样前用一个低通模拟滤波器(ALF)将高频分量滤掉，这样 就可以降低采样频率，降低对硬件速度的要求。 模拟低通滤波器通常分为两大类。一类是无源滤波器，由 RLC元件构成；另一类是有源滤波器，主要有RC元件与 运算放大器构成。 目前，微机保护中，采样频率常采用600Hz（即每工频周 波采样12个点）、800Hz等。



5.模数转换器(A/D)
模数转换器A/D是数据采集系统的核心，它的任 务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以 便计算机进行处理、存储、控制和显示。A/D转 换器主要有以下各种类型。逐位比较（逐位逼近） 型、积分型以及计数型、并行比较型、电压频率 （即V/F）型等。


第二个阶段： 以多个8位单片机组成的多微机系统。 其主要特点为：
1 硬件为五个8位单片机组成的多微机系统。 2 数据、地址、控制总线不引出插件。 3 数据采集系统为VFC系统。 4 保护装置的定值存在EEPROM中，定值修改十分方便。 5 设有硬件时钟电路，装置直流电源消失后，依靠备用电池 可使时钟 继续运行。 6 设计了与上位机通信的串行接口电路。 7 具有液晶显示电路。调试方便。 8 保护功能分散在各CPU中，可靠性高。 9 代表产品为WXB—11微机保护装置。
6具备较完善的通信网络，可应用于变电站综合自动化系统中。
7 具有友好的人机接口界面。 8 采用多层印刷电路板和表贴技术，增强了抗干扰能力。 9 保护装置具备录波功能。
其代表产品为CSL系列微机保护装置和LFP-900系列微机保护装置。 二 微机保护的现状 硬件方面： 1采用32位DSP数字信号处理器或嵌入式系统构成的多微机系统。
1979年：
国际电子电气工程师学会教育委员会组织了一次世界性的计算 机继电保护研究班，对70年代以来的计算机保护的研究成果进行 了总结和交流。到80年代中期计算机保护在电力系统中获得广泛 应用。 1984年4月，华北电力大学研究的以MC6809CPU构成的MDP—1型微 机线路保护装置。并在河北某电厂投入试运行。 这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置。


内部数字 电路工作 电源
R1
+
R3
并 行 接 口
R
并 行 接 口
a
S
接入 开关 专用 电源
C
-
外部 接点
R2
R4
（ a）
（ b）
图9-5 开关量输入回路接线图

开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和 中央信号输出等。
+5V
+E
并 P1 行 接 口 P2

V1

K -E
图9-6 开关量输出回路接线图
第九章 微机保护概述
第一节 微机保护系统简介
一、微机保护的应用和发展概况 1965年：
英国剑桥大学的P.G.Mclaran及其同事就提出用计算机构成电 力系统继电保护的设想，并发表了《Sampling Techniques applied to derivation Letter 》的文章。
1967年：


三、开关量输入、输出系统
微机保护所采集的信息通常可分为模拟量和开关量。无论 何种类型的信息，在微机系统内部都是以二进制的形式存 放在存储器中。断路器和隔离开关、继电器的接点、按钮 和普通的开关、刀闸等都具有分、合两种工作状态，可以 用0、1表示，因此，对它们的工作状态的输入和控制命令 的输出都可以表示为数字量的输入和输出。 开关量输入有两类： 1.可以与CPU主系统使用共同电源，无需电气隔离的开关 量输入。 2.与CPU主系统使用不同电源，需要电气隔离的开关量输 入。如断路器、隔离开关的辅助触点，继电器触点等。

三、微机保护的特点
1. 易于获得附加功能 2. 微机保护具有灵活性 3. 微机保护具有高可靠性 4. 维护调试方便 5. 保护性能得到很好改善 6. 良好的经济性

第二节 微机保护的硬件框图简介

微机保护装置硬件系统按功能可分为：
1) 数据采集单元。 2) 数据处理单元。 3) 开关量输入/输出接口。 4) 通信接口。 5) 电源。
澳大利亚新南威尔士大学的I.F.Morrison预测了输电线路计算机控制 的前景。
1969年：
美国西屋公司的G.D.Rockefeller发表年了《利用数字计算机实现的 故障保护》的文章。
1972年：
美国西屋公司与GE公司合作研制成功一套输电线路的计算机保 护装置。
1977年：
日本投入了一套以微处理机为硬件的控制与继电保护装置，全部代 替了原有保护，大大减少了控制室的占地面积，并于1980年发表 了试运行的结果。


四、VFC型数据采集系统 VFC---Voltage Frequency Converter.
电压、电流信号经电压形成回路后，均变换成与 输入信号成比例的电压量，经过VFC，将模拟电 压量变换为脉冲信号，该脉冲信号的频率与输入 电压成正比，经快速光电耦合器隔离后，由计数 器对脉冲进行计数，随后，微型机在采样间隔Ts 内读取的计数值就与输入模拟量在Ts内的积分成 正比，达到了将模拟量转换为数字量的目的，实 现了数据采集系统的功能。
第三节 微机保护的算法

一、数字滤波 数字滤波器由软件编程去实现，改变算法或某些 系数即可改变滤波性能，即滤波器的幅频特性和 相频特性。 基本形式有差分滤波(减法滤波)、加 法滤波、积分滤波等。
二、正弦函数模型算法 下面几种算法都是假定被采样的电压、 电流信号都是纯正弦函数，既不含非周期 分量，又不含谐波分量。因而，可利用正 弦函数的种种特性，从若干个离散化采样 值中计算出电流、电压的幅值、相位角和 测量阻抗等量值。 1．半周积分算法 半周积分算法的依据是 即正弦函数半周积分与其幅值成正比。
模 拟 量 输 入
RAM 定时器 并行接口 串行接口 定时器 计算机主系统
电 压 形 成
低 通 滤 波
采 样 保 持
数据采集系统
输入/输出系统
图9-1 微机保护硬件系统框图


一、数据采集系统 1.电压形成回路 在微机保护中通常要求输入信号为±5V或±10V 的电压信号，取决于所用的模数转换器的型号。 电压变换常采用小型中间变换器来实现。电流变 换器、电压变换器和电抗变换器的原理图分别如 图9-2（a）、9-2（b）和9-2（a）所示，9-2（d） 是电抗变换器的原理结构图。
2 大屏幕液晶彩色显示，可显示汉字和图形。 3 多层印刷电路板，表贴技术、后插拔方式。
软件方面： 1 支持高级语言编程。人机界面采用WINGDONS系统
2 自适应保护，智能体应用于保护中。
3 人工神经网络在保护中的应用研究。 4 模糊识别在继电保护中的应用研究。 5 小波分析方法在继电保护中的应用研究。

2．导数算法 导数算法是利用正弦函数的导数为余 弦函数这一特点求出采样值的幅值和相位 的一种算法。 导数算法最大的优点是它的“数据窗”即 算法所需要的相邻采样数据是三个，即计 算速度快。导数算法的缺点是当采样频率 较低时，计算误差较大。
我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为三个阶段 第一阶段：
以单CPU的8位微处理器构成的微机保护装置
其主要特点为： 1 采用8位微处理器MC6909CPU构成硬件系统。
2 数据、地址、控制总线须引出插件外部。 3 数据采集系统采用逐次逼近式A/D芯片构成。 4 存储器的容量较小。 5 保护的程序和定值都存在EPROM中，定值的修改十分不便。 6 仅有软件时钟，当直流电源消失后，时钟停止运行，直流电源 恢复后须重新校时。无接受GPS的接口。 7 不具备数据远传功能。 8 所有保护功能均由一个CPU处理，可靠性低。 9 代表产品为WXB—01型微机保护装置。
TA TV TX
I

R
U

U 1

U 2
I


U
I
R
U
（a）
（b） 图9-2 变换器原理图
（c）
（d）



2.采样保持电路 采样就是将连续变化的模拟量通过采样器加以离 散化。其过程如图9-3(a)(b)(c)所示。模拟量连续 加于采样器的输入端，由采样控制脉冲控制采样 器，使之周期性的短时开放输出离散脉冲。采样 脉冲宽度为TC，采样脉冲周期为TS。采样器的输 出是离散化了的模拟量。 继电保护算法是多输入而且要求同时采样，再依 次顺序送到公用的A/D转换器中去的，微机保护 中通常需要采样保持电路。