國網(wǎng)考試學(xué)長全繼電保護

電力系統(tǒng)繼電保護原理主講教師：劉青電自教研室繼電保護的硬件構(gòu)成2.1繼電器1、繼電器的分類☆按照動作原理分為：電磁型、感應(yīng)型、整流型、電子型和數(shù)字型等；☆按照反應(yīng)的物理量可分為：電流繼電器、電壓繼電器、功率方向繼電器、阻抗繼電器和氣體（瓦斯）繼電器等；☆按照繼電器在保護回路中所起的作用分為：啟動繼電器、量度繼電器、時間繼電器、中間繼電器、信號繼電器和出口繼電器等；2、對繼電器的基本要求：工作可靠，動作過程具有“繼電特性”。3、繼電器的繼電特性：I返回動作繼電器的動作明確干脆不可能停留在某一中間位置，這種特性稱為“繼電特性”。＊繼電器的動作電流：使繼電器動作的最小電流；＊繼電器的返回電流：使繼電器返回的最大電流；返回系數(shù)：(0.85~0.9)＊電磁型電流繼電器3個力矩：電磁力矩Mdc；彈簧力矩Mth；摩擦力矩Mm；動作條件：返回條件：2.2微機繼電保護簡介計算機用于現(xiàn)場工業(yè)控制的例子舉不勝舉250Kb/s,16位,16路高分辨率多功能數(shù)據(jù)采集卡

能夠提供隔離數(shù)字量輸入通道和隔離數(shù)字量輸出通道,隔離保護電壓可達到2500VDC.它們是要求采取高電壓隔離工業(yè)應(yīng)用的理想選擇.此外,所有輸出通道都提供高電壓保護

8通道隔離數(shù)字量輸入和8通道繼電器輸出卡

CAN總線接口卡

計算機控制系統(tǒng)(ComputerControlSystem，簡稱CCS)是應(yīng)用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。輔助部件：輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)行裝置等。與被控對象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系：可以是有線方式，如通過電纜的模擬信號或數(shù)字信號進行聯(lián)系；也可以是無線方式，如用紅外線、微波、無線電波、光波等進行聯(lián)系?？刂颇康模嚎梢允鞘贡豢貙ο蟮臓顟B(tài)或運動過程達到某種要求，也可以是達到某種最優(yōu)化目標(biāo)。

對于一個具體的微機保護裝置，通常將硬件電路按功能分別布置在幾個PCB板上——稱為保護的“插件”，各插件安裝于一個機箱中，采用總線把各插件聯(lián)系在一起，構(gòu)成一套完整的保護裝置。從結(jié)構(gòu)上看，一個完整的微機保護包含以下幾部分：機箱、插件、面板、總線1.1.2微機保護裝置的結(jié)構(gòu)0.1.3微機保護裝置構(gòu)成及其特點微機保護的構(gòu)成框圖DAS保護微機系統(tǒng)（1~n個）開入電源

繼電器開出開入管理微機系統(tǒng)GPS按鍵

LCD打印機逆變穩(wěn)壓電源至通信網(wǎng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成把電壓互感器和電流互感器二次的電壓、電流信號變換為數(shù)字信號，供微機系統(tǒng)使用。保護微機系統(tǒng)實現(xiàn)具體的繼電保護功能，由不同的軟件實現(xiàn)不同的繼電保護功能。管理微機系統(tǒng)主要作為人機對話的手段。通常為外部繼電器的接點、保護屏上的投退壓板、操作把手的接點等，一般是經(jīng)光電隔離后輸入微機系統(tǒng)。保護系統(tǒng)通過開關(guān)量輸出驅(qū)動電路使繼電器動作。這些繼電器包括跳閘出口繼電器、信號繼電器、硬件故障的告警繼電器。微機保護裝置具有一般計算機系統(tǒng)共同的特點1）計算——速度足夠快2）計算——精度足夠高3）存儲——容量足夠大4）邏輯判斷5）硬件的通用性6）智能化——程序化設(shè)計的結(jié)果7）通訊——網(wǎng)絡(luò)接口現(xiàn)場應(yīng)用的微機保護發(fā)電廠值班人員監(jiān)視機組生產(chǎn)2.3微機繼電保護硬件系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)微機主系統(tǒng)串行通信輸入/輸出系統(tǒng)來自電流互感器電壓互感器2.3.1微機保護硬件功能結(jié)構(gòu)劃分將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，以完成各種保護功能完成各種保護的出口跳閘、信號報警、外部接點輸入及人機對話等功能；一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電壓形成電壓形成LFLFS/HS/HMPXA/D......1.電壓形成一、常識1.微機保護輸入的電氣量

1）交流電流：來自TA的二次側(cè)，額定電流為5A或1A2）交流電壓：來自TV的二次側(cè)，額定線電壓為100V3）直流電壓：發(fā)電機的勵磁電壓400-600V2.電力系統(tǒng)短路故障后電氣量的變化

1）電流升高，最大一次電流倍數(shù)可通過故障計算得出。

2）相電壓降低，最低可達到0V3）零序電壓在發(fā)生不對稱接地短路時有輸出。3.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理的一般都是電壓信號，根據(jù)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件不同，其輸入信號范圍不同，如0~5V,0~10V,-2.5V~+2.5v,-5V~+5V,-10V~+10V等。

4.變換器的作用和分類

1）按變換的信號電流變換器；電壓互感器；電流電壓雙用互感器

2）按用途分類測量用電流、電壓變換器；錄波用電流、電壓變換器；保護用電流、電壓變換器；作用：電流、電壓變換器除了電量變換作用外，還起隔離作用，使微機保護裝置在電路上與電力系統(tǒng)二次回路隔離。

舉例：保護用電壓變換器規(guī)格輸入電壓

額定值（V）輸出電壓

額定值（V）輸入電壓

過載倍數(shù)非線性度空載電流（mA）工頻耐壓（V）比差

（±%）角差

（±分）57.7V/3.53V57.73.531.2＜0.1≤10＜0.5＞2500100V/2.88V1002.881.5＜0.1≤10＜0.5＞2500100V/3.53V1003.531.5＜0.1≤10＜0.5＞2500電流變換器規(guī)格輸入電流額定值(A)輸出電壓額定值(V)最大過載電流(A)最大過載時輸出電壓（V）非線性度功率消耗(VA)工頻耐壓(V)比差(±%)角差(±分)20A/3.53V10.1765203.53＜0.1≤10＜0.1＞250020A/7.07V10.3535207.07＜0.1≤10＜0.1＞250050A/4V50.4504＜0.1≤10＜0.1＞2500100A/3.53V50.17651003.53＜0.1≤10＜0.1＞25002.采樣保持（S/H）電路及采樣頻率的選擇一、概述

模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換時，有以下實事

從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間。

在這個轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，模擬信號要保持不變。否則轉(zhuǎn)換精度沒有保證，特別當(dāng)輸入信號輸入頻率較高時，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。

要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時將輸入信號的電平保持住，而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化。

能完成這能完種功能的器件叫采樣／保持器。采樣／保持器在保持階段相當(dāng)于一個“模擬信號存儲器”。采樣保持器工作示意在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采樣／保持器主要起以下兩種作用：

(1)“穩(wěn)定”快速變化的輸入信號，以利于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，減小采樣誤差。

(2)用來儲存多路模擬信號，這樣可使用多路開關(guān)和一個AD實現(xiàn)多路信號的同步采集。

對采樣保持電路的要求

a）截獲時間（Tc）盡量短，以便采用很短采樣脈沖。

b）保持時間長，在保持期間輸出電壓變化小。

c）模擬開關(guān)的動作延時、閉合電阻和開斷時的漏電流要小。采樣保持器器件舉例——LF398LF398典型的參數(shù)如下：

運算放大器的輸出阻抗不大于6歐姆，輸入阻抗高達10000兆歐姆電壓下降率為2mV/s

電壓按誤差小于0.1%的精度跟蹤輸入信號，截獲時間約為20微秒。

3.模擬低通濾波器ALF一、常識1）電力系統(tǒng)故障后的暫態(tài)信號的頻率成分

目前大多數(shù)保護原理是基于工頻分量的保護2）采樣頻率3）硬件能力采樣頻率的高低受到CPU的速度、被采集的模擬信號的路數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與存儲器的數(shù)據(jù)傳送方式的制約。要求在一個采樣間隔內(nèi)完成對所有采樣信號的處理，否則會造成數(shù)據(jù)的錯誤。

——采樣頻率——所含信號的最高頻率

短路瞬間電流、電壓中含有高頻率信號，為了防止混疊誤差，要求采樣頻率很高，勢必增加對硬件的要求。實際上目前大多數(shù)微機保護原理是反映工頻量的，或反映某些高次諧波，故可以在采樣之前將最高信號波頻率分量限制在一定頻帶內(nèi)。

一般在采樣前用一個低通濾波器（ALF）將高頻分量濾掉。以降低采樣頻率，從而降低對硬件的要求。RC無源低通濾波器電路二階RC模擬低通濾波器4.模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)(1).模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分類5.模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Ａ/D）(2).A/D型模數(shù)轉(zhuǎn)換的一般原理

模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、保持、量化和編碼四個過程。模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以認(rèn)為是一種編碼電路。它可以實現(xiàn)將模擬的輸入量相對于參考電壓經(jīng)過一個編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D。用二進制數(shù)表示為：

式中：為二進制數(shù)的0或1。其中D是一個小于1的數(shù)，。從而，模擬信號可表示為：

工作原理a.逐次逼近型電路結(jié)構(gòu)框圖

1個時鐘周期內(nèi)只能完成1位轉(zhuǎn)換。n位轉(zhuǎn)換需要n個時鐘周期，故采樣速率不高,輸入帶寬也較低。優(yōu)點是原理簡單，便于實現(xiàn)，適用于中速率而分辨率要求較高的場合第一次設(shè)定數(shù)碼：1000UR>UOUR<UO第二次設(shè)定數(shù)碼：11000100

第三次設(shè)定數(shù)碼：UR>UOUR<UOUR>U0UR<UO1110101001100010

><><><><第四次設(shè)定數(shù)碼11111101101110010111010100110001A/D型模數(shù)轉(zhuǎn)換器舉例1）AD574Complete12-BitA/DConverterwithReferenceandClock8-and16-BitMicroprocessorBusInterface35μsMaximumConversionTimeAD7665與微型機的接口AD7665是一種逐次逼近型的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率是500kSPS（SamplesPerSecond），即進行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換的時間為1/500K=2uS。b.VFC式A/D型模數(shù)轉(zhuǎn)換

換一種思路，用待轉(zhuǎn)換的電壓V控制計數(shù)脈沖的頻率，使脈沖頻率正比于電壓V，而計數(shù)間隔不變，則計數(shù)結(jié)果也代表輸入了電壓的大小。

這種模數(shù)轉(zhuǎn)換稱為電壓-頻率型（V-F型）模數(shù)轉(zhuǎn)換，簡稱VFC。

電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC（VoltageFrequencyConverter）是另一種實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件，將模擬電壓量變換為脈沖信號，該輸出脈沖信號的頻率與輸入電壓的大小成正比。VFC工作原理輸出波形輸入電壓V為一負(fù)電壓，在其作用下，電容器C充電，當(dāng)積分器的輸出電壓上升至零時，過零比較器發(fā)生跳變。觸發(fā)單穩(wěn)電路，使之產(chǎn)生一個寬度為to的脈沖，此脈沖控制開關(guān)S，使其與+Vs電源接通to時間，C反充電，當(dāng)to結(jié)束時，S斷開，在負(fù)的輸入電壓作用下，電容器C又充電，如此反復(fù)進行下去，振蕩不止。于是可將輸入的模擬電壓變換為一串等幅脈沖輸出。顯然，其它參數(shù)不變時，當(dāng)輸入電壓越大，積分電容充電越快，從而使輸出脈沖的頻率越高。反之，輸入電壓越小輸出脈沖的頻率越低。

單穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈沖信號的寬度受RT和CT兩個參數(shù)的影響。在RT固定時，改變用戶接入的CT大小，可改變單穩(wěn)觸發(fā)器輸出脈沖信號的寬度。微機保護中VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成浪涌吸收器：由RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，可吸收高頻干擾信號。電壓頻率變換器：由VFC芯片實現(xiàn)電壓到頻率的轉(zhuǎn)換。將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。光電隔離器：由光電隔離芯片實現(xiàn)模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的隔離，具有抗干擾的作用。計數(shù)器：由可編程的計數(shù)器芯片構(gòu)成，通常為16位計數(shù)器。在單片機的干預(yù)下，在每次采樣中斷中，讀取計數(shù)器的計數(shù)值。VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如下所示?？梢娕c普通A/D型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是不一樣的。VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點：

（1）有低通濾波的作用，可以大大抑制噪聲；普通A/D轉(zhuǎn)換器是對模擬量瞬時值進行轉(zhuǎn)換，而VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對模擬量的連續(xù)積分，具有低通濾波作用，并可大大抑制噪聲。（2）抗干擾能力強，在VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端和CPU主系統(tǒng)的計數(shù)器之間接入光電耦合器；（3）輸出數(shù)字量D的位數(shù)可調(diào)；（4）與微型機的接口簡單；（5）可實現(xiàn)多微機共享數(shù)據(jù)采集；（6）易于實現(xiàn)同步采樣；（7）但不適用于高頻采樣。器件舉例——AD654二、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)字處理系統(tǒng)又稱為微機保護的主系統(tǒng)——是指除I/O設(shè)備外的微機保護系統(tǒng)的核心部分。微機保護的主系統(tǒng)的作用是：進行數(shù)字運算、邏輯處理與I/O控制。并行接口

處理器EPROMRAMFLASHEEPROM

時鐘

譯碼邏輯

定時器串行接口

在微機保護的主系統(tǒng)中，ＥＰＲＯＭ可以用于存放保護的程序；

在微機保護中，ＦＬＡＳＨ可以作為保護程序、波形或事件記錄的存儲器使用；

在微機保護中，ＲＡＭ可用于存儲數(shù)據(jù)或運行程序；

在微機保護中ＥＥＰＲＯＭ可以用作保護的定值存儲器；1.開關(guān)量的輸入回路開關(guān)量即接點狀態(tài)信號，接通或斷開（識別外部條件）。對微機保護裝置的開關(guān)量輸入可以分為2類：

（1）安裝在裝置面板上的接點信號輸入；如用于人機對話的鍵盤上的接點信號。這類信號可以直接接至微型機的并行口。（2）從裝置外部經(jīng)過端子排引入的接點信號輸入；如保護屏上的各種硬壓板、轉(zhuǎn)換開關(guān)等。為了抑制干擾，這類接點必須要經(jīng)過光電耦合器進行電氣隔離，然后接至并行口。

三、開關(guān)量輸入/輸出接口開關(guān)量輸入電路需要輸出的開關(guān)量（開出量）：保護的跳閘信號、通信接口。（一）通信接口（包括打印機接口）可用一個并行口來控制輸出數(shù)字信號。輸出回路中也加光電耦合器，提高抗干擾能力。

將并行接口的PA口設(shè)置為輸出方式；將PB口設(shè)置為輸入方式。在開關(guān)量輸出回路中加入光電耦合器，實現(xiàn)兩側(cè)電氣回路的電氣隔離，同時可以進行不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換。并行接口側(cè)的電源電壓是＋5V，而右側(cè)輸入回路中電源電壓可以是＋24V或其它電壓等級。開關(guān)量輸出電路需要輸出的開關(guān)量（開出量）：保護的跳閘信號、通信接口。（一）通信接口（包括打印機接口）可用一個并行口來控制輸出數(shù)字信號。輸出回路中也加光電耦合器，提高抗干擾能力。

將并行接口的PA口設(shè)置為輸出方式；將PB口設(shè)置為輸入方式。在開關(guān)量輸出回路中加入光電耦合器，實現(xiàn)兩側(cè)電氣回路的電氣隔離，同時可以進行不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換。并行接口側(cè)的電源電壓是＋5V，而右側(cè)輸入回路中電源電壓可以是＋24V或其它電壓等級。小結(jié)1、掌握微機保護構(gòu)成的三大部分及其作用2、掌握數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成原理3、掌握保護主系統(tǒng)構(gòu)成所需要的資源4、掌握開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)的工作原理思考與練習(xí)1.1微機保護的構(gòu)成包含那幾部分？1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機主系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)的作用是什么？1.3以三段式電流保護為例，設(shè)計一套微機保護的硬件構(gòu)成方案，并給出簡要說明。裝置正面布置圖：液晶顯示器LCD光字燈LED確認(rèn)鍵SET退出鍵QUIT信號復(fù)歸鍵RST上下左右選擇鍵串行接口ISO插件及其功能：2.4微機保護軟件算法一、微機保護軟件結(jié)構(gòu)主程序：對硬件初始化，自檢(定值自檢、程序自檢、開出檢查、開入量監(jiān)視等)。采樣中斷程序：采樣，起動元件判別等。故障處理程序：實現(xiàn)保護功能。

微機保護把經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)量化的數(shù)字信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)乃惴?，計算出交流信號的有效值、相位以及多個信號的組合量如：阻抗、相位等。

常規(guī)保護把被測信號引入保護繼電器，繼電器按照電磁、感應(yīng)、比幅、比相等原理作出動作與否的判斷。

算法——是研究由若干個采樣數(shù)據(jù)求取保護原理所需要的故障特征量的方法。IΦ二、微機保護的算法1）直接由采樣值經(jīng)過某種運算，求出被測信號的實際值再與定值比較。2）依據(jù)繼電器的動作方程，將采樣值或由它們計算出的中間變量代入動作方程，轉(zhuǎn)換為運算式的判斷。

一是算法的計算精度——關(guān)系到保護能否正確做出判斷；二是算法所用的數(shù)據(jù)窗——關(guān)系到保護動作速度的快慢。算法所研究的主要問題微機保護裝置中采用的算法可分為兩類二、微機保護的算法1.基于正弦函數(shù)模型的算法1.1最大絕對值算法ΔUmaxu算法誤差數(shù)據(jù)窗平均半個周波10ms

算法依據(jù)——一個正弦信號在任意半周內(nèi)，其絕對值積分（求面積）的結(jié)果正比于信號的有效值。1.2半周絕對值積分算法設(shè)積分的結(jié)果為S，則：

從而可求出有效值：算法：us1s2s3s4s5s6u0u1u2u3u4u5u6例如：N=12對于正弦信號數(shù)據(jù)窗半個周期1971年,澳大利亞的兩位學(xué)者Mann和Morrison提出了利用正弦函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為余弦函數(shù)的特點,可求出交流信號的有效值的一階導(dǎo)數(shù)算法。設(shè)：1.3一階導(dǎo)數(shù)算法(Mann_Morrison算法)微機保護中求導(dǎo)數(shù)的方法——差分求導(dǎo)數(shù)

1971年，美國西屋公司研究出一套用小型計算機實現(xiàn)的輸電線路計算機保護系統(tǒng)，安裝在太平洋煤氣和電氣公司的變電站中試運行。在該保護裝置中采用了二階導(dǎo)數(shù)算法。又稱Prodar—70算法。設(shè)：1.4二階導(dǎo)數(shù)算法（Prodar-70算法）在微機保護中計算一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的方法：1）兩采樣值積算法設(shè)：式中：1.5采樣值乘積算法

利用三個連續(xù)的等時間間隔的采樣值中兩兩相乘，通過適當(dāng)組合求出信號幅值的方法。設(shè)：2）三采樣值積算法2.基于周期函數(shù)模型的算法2.1.周期函數(shù)的傅立葉級數(shù)及各次諧波的關(guān)系設(shè)有一個周期函數(shù)，其周期為T。且該周期函數(shù)滿足狄里赫利條件，則該函數(shù)可表示為：、為基波角頻率。為諧波次數(shù)，對于基波分量，取

式中：

正弦基波信號表示的另一種形式：

2.2傅立葉算法在微機保護中的應(yīng)用

設(shè)是與連續(xù)函數(shù)對應(yīng)的離散序列,

每基波周期采樣的點數(shù)為N,提取基波分量的算法：假設(shè)一個正弦基波電壓信號為：

用向量表示為：

所以：

結(jié)論：采用傅里葉算法提取的是一個向量函數(shù)的實部和虛部。全周傅氏算法——實部——虛部1）全周傅氏算法計算結(jié)果是一個向量的實部和虛部。2）傅氏算法既是一種算法，本身具有很好的濾波作用——能夠濾除直流及各整次諧波分量。3）全周傅氏算法需要一個周期的數(shù)據(jù)窗，時間是20毫秒。全周傅氏算法小結(jié)4）采用傅氏算法可以提取任何整次諧波分量，一般的計算方法為：5）傅氏算法受衰減直流分量的影響會產(chǎn)生計算誤差，可采取適當(dāng)措施減小其影響。半周傅氏算法

半周波傅氏算法用半周波的數(shù)據(jù)計算信號的幅值和相角。提取n次諧波分量的算法如下：對于基波分量其中：同樣可以分析其幅頻特性幅頻特性|H(f)|f/f00123456

半周傅氏算法在故障后10MS即可進行計算，因而使保護的動作速度減少了半個周期。半周傅氏算法不能濾除恒定直流分分量和偶次，因此，半周傅氏算法的計算誤差較大。3微機線路保護的基本元件及算法3.1概述

線路保護基本上是按電壓等級劃分的，不同電壓等級的線路配置的保護原理不盡相同。35kV及以下等級的輸電線路保護配置：反應(yīng)相間短路的三段式電流保護接線的功率方向元件（可選）三相重合閘（動作次數(shù)可設(shè)定）特殊場合可以配置反映相間短路的距離保護保護動作跳三相110kV電壓等級的輸電線路的保護配置：反應(yīng)相間短路的三段式距離保護反應(yīng)接地短路的三段式距離保護反應(yīng)不對稱接地短路的三段或四段式零序電流保護（帶或不帶零序功率方向——可選）三相一次重合閘保護動作跳閘跳三相220kV及以上電壓等級的線路保護配置：電流差動保護方向縱聯(lián)保護距離縱聯(lián)保護