第10章 微機保護基礎(chǔ)

1、第第1010章章 微機保護基礎(chǔ)微機保護基礎(chǔ)o第一節(jié) 緒論n微機保護的發(fā)展概況n微機保護的特點o第二節(jié) 微機繼電保護硬件系統(tǒng)的構(gòu)成原理n傳統(tǒng)保護裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成n微機保護裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成o第三節(jié) 模擬量輸入部分nADC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) n電壓形成電路n采樣保持（S/H）電路和模擬低通濾波器（ALF)n逐位比較式A/D轉(zhuǎn)換nVFC 數(shù)模變換器o第四節(jié) 開關(guān)量輸入回路o第五節(jié) 開關(guān)量輸出回路10.1 10.1 緒論緒論 10.1.1 10.1.1 微機保護的發(fā)展概況微機保護的發(fā)展概況 20世紀60年代末期，國外提出用計算機構(gòu)成繼電保護的倡議。當時還不具備商業(yè)性生產(chǎn)這類保護裝置的條件，早期的研究工作是以

2、小型機為基礎(chǔ)的,要采用一臺小型計算機來實現(xiàn)多個電氣設(shè)備或整個變電站的保護功能。 70年代中期，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，微型計算機進入了實用階段，性價比和可靠性大為提高，為微機保護的實用化打下了硬件基礎(chǔ)。 經(jīng)過30多年的發(fā)展和變化，目前微機保護已經(jīng)在各個電力系統(tǒng)的變電站、發(fā)電廠和線路上大量使用。 (l (l）維修調(diào)試方便）維修調(diào)試方便 相比較于過去大量使用的整流型繼電保護裝置，微機保護裝置幾乎可以不用調(diào)試，微機保護對硬件和軟件都有自檢功能，裝置上電時，有故障就會立即報警，可以大大地減輕運行維護的工作量。 (2(2）可靠性高）可靠性高 在各種保護方法中，考慮到了電力系統(tǒng)中的各種情況，具有很強

3、的綜合分析和判斷能力。微機系統(tǒng)運行時，可以不斷進行自檢，因此，可以立即檢查出微機保護內(nèi)部的大多數(shù)隨機故障，而采取適當?shù)募m正措施。 (3(3）易于獲得各種附加功能）易于獲得各種附加功能 由于計算機的通用性，因而在繼電保護硬件的基礎(chǔ)上，可以很方便地通過增加軟件的方法獲得保護之外的功能。例如，保護的動作順序記錄，故障諧波分析，故障測距，低頻減載等。10.1.2 10.1.2 微機保護的特點微機保護的特點 (4(4）保護性能易于改善）保護性能易于改善 對于相同的硬件，可以通過算法的不同，實現(xiàn)不同的保護。這樣，也就可以通過改善算法來不斷完善保護性能，而不需要改動硬件。通過軟件算法的改善，可以較好地解決原

4、有模擬繼電保護裝置無法解決的一些問題。 (5(5）便于遠方監(jiān)控）便于遠方監(jiān)控 目前的微機保護裝置均設(shè)有通信接口，這樣可以方便地將各地保護裝置納入變電站綜合自動化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)遠方修改定值與投切保護裝置。 （6 6）靈活性大）靈活性大 目前，國內(nèi)中低壓變電站內(nèi)不同一次設(shè)備的保護裝置在硬件設(shè)計時，盡可能采用同樣的設(shè)計方案。而超高壓電力系統(tǒng)保護裝置若采用多CPU實現(xiàn)多種保護功能時，每塊CPU模塊的硬件設(shè)計也傾向于盡量相同。由于保護的原理主要由軟件決定，因此，只要改變軟件就可以改變保護的特性和功能，從而可靈活地適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展對保護要求的變化，也減少了現(xiàn)場的維護工作量。 （7 7）經(jīng)濟性好）經(jīng)濟性好

5、微處理器和集成電路芯片的性能不斷提高而價格一直在下降，而電磁型繼電器的價格在同一時期內(nèi)卻不斷上升。而且，微機保護裝置是一個可編程序的裝置，它可基于通用硬件實現(xiàn)多種保護功能，使硬件種類大大減少。這樣，在經(jīng)濟性方面也優(yōu)于傳統(tǒng)保護。9.29.2 微機繼電保護硬件系統(tǒng)的構(gòu)成原理微機繼電保護硬件系統(tǒng)的構(gòu)成原理 10.2.1 10.2.1 傳統(tǒng)保護裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成傳統(tǒng)保護裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成 電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，相關(guān)電氣參數(shù)將發(fā)生變化。例如，電流增大、電壓降低以及電流與電壓之間的相位角變化等。利用故障前后這些基本電氣參數(shù)的差別，就可構(gòu)成不同原理的繼電保護裝置，如： (l）反應(yīng)電流數(shù)值變化的電流速斷保護、定時限

6、過電流保護、反時限過電流保護； (2）反應(yīng)電壓數(shù)值變化的低電壓或過電壓保護； (3）既反應(yīng)電流數(shù)值變化又反應(yīng)短路功率方向的方向過電流保護； (4）反應(yīng)被保護設(shè)備兩端輸入電流與輸出電流矢量變化的電流差動保護； (5）反應(yīng)電壓與電流矢量比值變化的距離保護； (6）反應(yīng)電壓或電流序分量特征的序分量保護； (7）反應(yīng)電壓或電流某次諧波分量特征的保護如二次諧波制動原理的變壓器差動保護等。 根據(jù)不同原理構(gòu)成的繼電保護裝置種類雖然很多，但一般情況下，它們都是由三個基本部分組成，即測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分，其原理框圖如下所示。圖10.1 傳統(tǒng)繼電保護裝置的原理結(jié)構(gòu)圖 各基本部分的作用是： (l）測量部分是

7、測量與被保護設(shè)備工作狀態(tài)（正常狀態(tài)、故障狀態(tài)或不正常工作狀態(tài)）相關(guān)的電氣量，并與給定的整定值比較，從而判斷保護是否應(yīng)該起動。 (2）邏輯部分是根據(jù)各測量元件輸出量的大小、性質(zhì)、組合方式、出現(xiàn)的順序，來判斷被保護設(shè)備的工作狀態(tài)，以決定保護是否應(yīng)該動作。 (3）執(zhí)行部分是根據(jù)邏輯部分傳送的信號，執(zhí)行保護裝置所承擔(dān)的任務(wù)。如內(nèi)部故障時動作于跳閘；不正常運行時發(fā)出報警信號；正常運行時不動作等。 10.2.2 10.2.2 微機保護裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成微機保護裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成 微機保護裝置硬件系統(tǒng)按功能可分為如下五個部分 (l(l）數(shù)據(jù)采集單元。）數(shù)據(jù)采集單元。包括電壓形成和模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊，完成將模擬輸入量

8、準確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的功能； (2(2）數(shù)據(jù)處理單元。）數(shù)據(jù)處理單元。包括微處理器、只讀存儲器、隨機存取存儲器、定時器以及并行口等。微處理器執(zhí)行存放在程序存儲器中的保護程序，對由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至隨機存取存儲器中的數(shù)據(jù)進行分析處理，以完成各種繼電保護的功能； (3(3）開關(guān)量輸入輸出接口。）開關(guān)量輸入輸出接口。由若干并行接口、光電隔離器及中間繼電器等組成，以完成各種保護的出口跳閘、信號警報、外部接點輸入及人機對話等功能； (4(4）通信接口。）通信接口。包括通信接口電路及接口以實現(xiàn)多機通信或聯(lián)網(wǎng)； (5(5）電源。）電源。供給微處理器、數(shù)字電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及繼電器所需的電源。一種典型的保護裝置

9、的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖10.2所示。圖10.2 微機保護硬件示意框圖10.3 10.3 模擬量輸入部分模擬量輸入部分 微機保護的模數(shù)變換方式主要有兩種： 一種是ADC方式，另一種是VFC方式。 對于中低壓電力系統(tǒng)這兩種方式都在使用，而高壓或超高壓的保護裝置，我國目前大都采用VFC變換方式。ADC方式是將模擬量直接轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量的方法，而VFC是將模擬量先轉(zhuǎn)變?yōu)轭l變脈沖量，再通過脈沖計數(shù)變換為數(shù)字量的一種變換方法。 10.3.1 ADC 10.3.1 ADC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ADC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖10.3所示。圖10.3 ADC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 10.3.2 10.3.2 電壓形成電路

10、電壓形成電路 交流電流的變換一般采用電流變換器，并在其二次側(cè)并聯(lián)電阻以取得所需的電壓，其優(yōu)點是：只要鐵心不飽和，其二次電流及并聯(lián)電阻上電壓的波形就可基本保持與一次電流波形相同且同相，可以做到不失真變換，但是，電流互感器在非周期分量的作用下容易飽和。 電抗變換器優(yōu)點是：電抗變換器優(yōu)點是：線性范圍較大，鐵心不易飽和。有移相作用，它能夠抑制低頻分量，放大高頻分量，因此，二次側(cè)電壓波形在系統(tǒng)暫態(tài)時會發(fā)生畸變。 電流形成回路除了起電量變換作用外，還起到隔離作用，它使計算機與強電系統(tǒng)隔離，從而在較大強度上減弱了來自高壓系統(tǒng)的電磁干擾。圖10.4 交流變換器(a）電流變換器； (b）電壓變換器； (c）電抗

11、變換器 10.3.3 10.3.3 采樣保持（采樣保持（S/HS/H）電路和模擬低通濾波）電路和模擬低通濾波器（器（ALF)ALF) (l(l）采樣保持電路（）采樣保持電路（S/H)S/H) 采樣保持電路的作用是在一個極短的時間內(nèi)測量模擬輸入量在該時刻的瞬時值，并在A/D進行轉(zhuǎn)換期間保持其輸出不變。采樣保持電路如圖10.5所示。圖10.5 采樣保持電路 (2(2）模擬低通濾波器（）模擬低通濾波器（ALF)ALF) 電力系統(tǒng)在發(fā)生故障時，其電流、電壓中一般均含有較高的頻率成分。而目前微機保護原理大都是反映工頻分量的，同時，任何實際的A/D 變換器所能達到的最高采樣頻率總是有限的。因此，需要在采樣

12、之前將信號頻率限制在一定頻率之下。即限制輸入信號的最高頻率。 要限制輸入信號的最高頻率，只需要在采樣前用一個模擬低通濾波器，將1/2采樣頻率以上的信號頻率分量濾掉。模擬低通濾波器可以采用無源或有源的。圖10.6為模擬低通濾波器。圖10.6 模擬低通濾波器 10.3.4 10.3.4 逐位比較式逐位比較式A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 逐位比較A/D轉(zhuǎn)換就是把待轉(zhuǎn)換的模擬電壓與一組呈二進制關(guān)系的標準電壓一位一位地進行比較，達到將模擬電壓變成二進制數(shù)的目的。 設(shè)n個呈二進制關(guān)系的標準電壓是： 。其中，k為常數(shù)，量綱為伏。如欲將直流模擬電壓VA轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)，可以將VA與上述標準電壓相比較，也就是用標準電壓來

13、稱量VA的大小。在比較時，首先用最大的一個標準電壓與VA比較，若 ，則記下a1=0，反之a(chǎn)1=l；第二次用 與VA比較，若 ，記下 a2=0，反之，a2=1；第三次用 與VA，比較 直到n次比較結(jié)束，可以在允許的誤差范圍內(nèi)得到如下的等式：式中，括號內(nèi)的a1(i=1,2，n）只能取0或1，所以，括號內(nèi)是一組二進制數(shù)。122 ,2 ,2nKKK12AVK12122K aK12122AVK aK12312222K aK aK12121212222(222)(10.1)nAnnnVK aK aK aK aaa如果記為 ，式（10.1）可以寫成：式中，與VA成比例的二進制數(shù)D，就是直流模擬電壓VA的A/

14、D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。完成A/D轉(zhuǎn)換所需要的一組標準電壓，由D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。常用的D/A 轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)有T形網(wǎng)絡(luò)和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，圖10.7是T型網(wǎng)絡(luò)（又稱R2R網(wǎng)絡(luò)）的原理圖。 圖中K1K11受寄存器Z1Z11狀態(tài)控制的電子開關(guān)，當Zi=“1”時，K接電源+VR；當Z=“0”時，Ki接地。 R-2R網(wǎng)絡(luò)的一個特點是：如果K1K11全部接地，從任意一個節(jié)點Pi（i=1,2，11）向右看（不包括節(jié)點下面的2R電阻），右邊電路的等效電阻總是等于2R。為此，可以找出網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓V0，與Z1Z11所代表的數(shù)字量之間的關(guān)系。12niiiDa(10.2)AVk D圖10.7 R-2R 數(shù)-模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò) 令Z1=“1”

15、，其余寄存器的Zi=“0”。這時，K1接+VR，其余Ki都接地。R2R網(wǎng)絡(luò)的簡化等值電路如圖10.8所示?？梢杂嬎愠鼍W(wǎng)絡(luò)的輸出電壓是： 當網(wǎng)絡(luò)的電源電壓取某一個定值，且Ri也取定值時， 為一常數(shù)。暫令 ，式（10.3）可以表示成： 令Z2=“1”，其余的Zi=“0”。R2R網(wǎng)絡(luò)可按圖10.9進行等值變化，這時網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓是： 011(10.3)2iRiRVVRRiRiRVRRiRiRVKRR1012(10.4)VK202212(10.5)2iRiRVVKRR圖10.8 K1=1時，網(wǎng)絡(luò)等值電路 可以證明，當任意一個寄存器Zi=“1”，其余的寄存器為“0”時，網(wǎng)絡(luò)輸出電壓是： R2R網(wǎng)絡(luò)是線性

16、電阻網(wǎng)絡(luò)，當Z1Z11取任意狀態(tài)時，可以應(yīng)用疊加原理計算網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓V0，其值為： 式中，a1a11取0或1。當Zi=“l(fā)”時，ai取1；當Zi=“0”時，ai取0?？梢?，R2R網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓與一組二進制數(shù)成比例。借助R2R D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，完成逐位比較A/D轉(zhuǎn)換的原理圖如圖10.10所示。圖中的比較器用來比較D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓V0與待轉(zhuǎn)換的直流模擬電壓VA的大??；控制電路對數(shù)碼寄存器的狀態(tài)進行置“1”和清“0”。0112(10.6)2iiRiiRVVKRR12110121112111211(222 )(222 )(10.7)iRiRVV aaaR RK aaa圖10.10 逐位比較原

17、理框圖 電路工作過程如下：電路工作過程如下： 首先，數(shù)碼寄存器全部清零?？刂齐娐返谝徊街脭?shù)碼寄存器的第一位Z1=“1”，這時，R2R網(wǎng)絡(luò)的輸出V0=V01。比較器比較V0與VA的大小，如果VAV0, Z1=“1”的狀態(tài)保留；如果VAV0，由控制電路將Z1清“0”。 第二步由控制電路置Z2=“l(fā)”，這時，R2R網(wǎng)絡(luò)的輸出V0=V01+V02（這是對應(yīng)Z1=“l(fā)”的情況。如果Z1=“O”，則V0=V02）。比較器第二次比較V0與VA的大小，并同第一次一樣，根據(jù)比較結(jié)果，決定Z2保留“1”還是清“0”。如此進行十一次比較后，可在一定誤差范圍內(nèi)達到VA=V0，這時，寄存在Z1Z11中的11位二進制數(shù)與

18、VA成比例，它就是A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量。表10.1 逐位比較模一數(shù)轉(zhuǎn)換過程表 10.3.5 VFC 10.3.5 VFC 數(shù)模變換器數(shù)模變換器 VFC 數(shù)模變換器的作用也是完成對交流輸入變換器輸出的模擬童進行數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。為方便多CPU的數(shù)據(jù)共享，免去多 CPU共享必須采用的十分復(fù)雜的接口電路，可以選用VFC型模數(shù)變換器，各路采樣轉(zhuǎn)換并行工作，不再需要采樣保持器。VFC的輸出電壓的頻率與輸入電壓呈線性關(guān)系，經(jīng)計數(shù)器計數(shù)之后，送總線供CPU使用。各路計數(shù)器均安排在各CPU模件上，各CPU使用的計數(shù)器也仍是并行工作的。這樣處理的結(jié)果，提高了數(shù)字測量的精度和分辨率。它們的工作方式如圖10.11和

19、圖10.12所示。 圖10.11 為每個輸入量設(shè)置VFC及計數(shù)器圖10.12 多CPU共用VFC型A/D的接線圖 典型的電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)（不含計數(shù)器和定時器）如圖圖10.1310.13所示。這種方法的原理是產(chǎn)生頻率正比于輸入電壓的脈沖序列，然后在固定時間內(nèi)對脈沖序列計數(shù)。除計數(shù)器和定時器外，該電路實際上可視為一個振蕩頻率受輸入電壓Vin控制的多諧振蕩器。A1和R1C組成一積分器，A2為零電壓比較器。當積分器的輸出電壓Va降到OV時，零電壓比較器發(fā)生跳變，觸發(fā)脈沖發(fā)生器，使其產(chǎn)生一個定寬度T0的脈沖。在T0期間，模擬開關(guān)S接向負參考電壓-Vr由于電路設(shè)計成Vr/R2Vin/R1，

20、因此，在T0期間積分器一定以反充電為主，使從上升到某一電壓，T0結(jié)束后，由于只有正的輸入電壓Vin作用，使積分器充電，輸出電壓Va沿負斜線下降。當Va下降到OV時，比較器翻轉(zhuǎn)，再次觸發(fā)脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生一個T0脈沖，再次反充電，如此反復(fù)振蕩不止，其波形如圖圖10.1410.14所示。 經(jīng)數(shù)學(xué)分析，可得到輸出電壓的振蕩頻率與輸人電壓的關(guān)系，且可用下式表示：21 01inrRfVTRTV圖10.13 V/F 轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)圖圖10.14 波形圖10.4 10.4 開關(guān)量輸入回路開關(guān)量輸入回路 對微機保護裝置的開關(guān)量輸入，即接點狀態(tài)（接通或斷開）的輸入可以分成以下兩大類： (l(l）安裝在裝置面板上的

21、接點）安裝在裝置面板上的接點 這類接點包括在裝置調(diào)試時用的或運行中定期檢查裝置用的鍵盤接點，以及切換裝置工作方式用的轉(zhuǎn)換開關(guān)等。 (2(2）從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點）從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點 需要由運行人員不打開裝置外蓋而在運行中切換的各種壓板、轉(zhuǎn)換開關(guān)以及其他保護裝置和操作繼電器的接點等。 對于裝在裝置面板上的接點，可直接接至微機的并行接口，如圖10.15所示。只要在初始化時規(guī)定圖中可編程的并行口的PAO為輸入口，則 CPU就可以通過軟件查詢，隨時知道圖10.15中外部接點K1的狀態(tài)。圖10.15 裝置面板上的接點與微機接口連接圖 對于從裝置外部引入的接點，如果也按圖10.15接線，將給微機引入干擾，故應(yīng)經(jīng)光電隔離，如圖10.16所示。圖中虛線框內(nèi)是一個光電藕合器件，集成在一個芯片內(nèi)。當外部接點 Kl接通時，有電流通過光電器件的發(fā)光二極管回路，使光敏三極管導(dǎo)通。K1打開時，則光敏二極管截止。因此，三極管的導(dǎo)通和截止完全反映了外部接點的狀態(tài)，如同將K1接到三極管的位置一樣。不同點是圖10.16中可能帶有電磁干擾的外部接線回路和微機的電