微機保護基礎義

微機保護基礎義10.1緒論

10.1.1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成繼電保護的倡議。當時還不具備商業(yè)性生產這類保護裝置的條件，早期的研究工作是以小型機為基礎的,要采用一臺小型計算機來實現多個電氣設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。30多年的發(fā)展和變化，目前微機保護已經在各個電力系統的變電站、發(fā)電廠和線路上大量使用。(l）維修調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）可靠性高在各種保護方法中，考慮到了電力系統中的各種情況，具有很強的綜合分析和判斷能力。微機系統運行時，可以不斷進行自檢，因此，可以立即檢查出微機保護內部的大多數隨機故障，而采取適當的糾正措施。

(3）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微機保護的特點

(4）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，可以較好地解決原有模擬繼電保護裝置無法解決的一些問題。

(5）便于遠方監(jiān)控目前的微機保護裝置均設有通信接口，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，可以實現遠方修改定值與投切保護裝置。

（6）靈活性大目前，國內中低壓變電站內不同一次設備的保護裝置在硬件設計時，盡可能采用同樣的設計方案。而超高壓電力系統保護裝置若采用多CPU實現多種保護功能時，每塊CPU模塊的硬件設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，從而可靈活地適應電力系統發(fā)展對保護要求的變化，也減少了現場的維護工作量。

（7）經濟性好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多種保護功能，使硬件種類大大減少。這樣，在經濟性方面也優(yōu)于傳統保護。9.2

微機繼電保護硬件系統的構成原理

10.2.1傳統保護裝置硬件系統構成電力系統發(fā)生故障時，相關電氣參數將發(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的差別，就可構成不同原理的繼電保護裝置，如：

(l）反應電流數值變化的電流速斷保護、定時限過電流保護、反時限過電流保護；

(2）反應電壓數值變化的低電壓或過電壓保護；

(3）既反應電流數值變化又反應短路功率方向的方向過電流保護；(4）反應被保護設備兩端輸入電流與輸出電流矢量變化的電流差動保護；

(5）反應電壓與電流矢量比值變化的距離保護；

(6）反應電壓或電流序分量特征的序分量保護；

(7）反應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。根據不同原理構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傳統繼電保護裝置的原理結構圖

各基本部分的作用是：

(l）測量部分是測量與被保護設備工作狀態(tài)（正常狀態(tài)、故障狀態(tài)或不正常工作狀態(tài)）相關的電氣量，并與給定的整定值比較，從而判斷保護是否應該起動。

(2）邏輯部分是根據各測量元件輸出量的大小、性質、組合方式、出現的順序，來判斷被保護設備的工作狀態(tài)，以決定保護是否應該動作。

(3）執(zhí)行部分是根據邏輯部分傳送的信號，執(zhí)行保護裝置所承擔的任務。如內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微機保護裝置硬件系統構成

微機保護裝置硬件系統按功能可分為如下五個部分

(l）數據采集單元。包括電壓形成和模數轉換等模塊，完成將模擬輸入量準確地轉換為數字量的功能；

(2）數據處理單元。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，對由數據采集系統輸入至隨機存取存儲器中的數據進行分析處理，以完成各種繼電保護的功能；

(3）開關量輸入／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）通信接口。包括通信接口電路及接口以實現多機通信或聯網；

(5）電源。供給微處理器、數字電路、模數轉換芯片及繼電器所需的電源。一種典型的保護裝置的硬件結構示意圖如圖10.2所示。圖10.2微機保護硬件示意框圖10.3模擬量輸入部分

微機保護的模數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變?yōu)閿底至康姆椒?，而VFC是將模擬量先轉變?yōu)轭l變脈沖量，再通過脈沖計數變換為數字量的一種變換方法。10.3.1ADC式數據采集系統

ADC式數據采集系統如圖10.3所示。圖10.3ADC數據采集系統框圖

10.3.2電壓形成電路交流電流的變換一般采用電流變換器，并在其二次側并聯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：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，二次側電壓波形在系統暫態(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隔離，從而在較大強度上減弱了來自高壓系統的電磁干擾。圖10.4交流變換器(a）電流變換器；(b）電壓變換器；(c）電抗變換器10.3.3采樣保持（S/H）電路和模擬低通濾波器（ALF)

(l）采樣保持電路（S/H)

采樣保持電路的作用是在一個極短的時間內測量模擬輸入量在該時刻的瞬時值，并在A/D進行轉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）模擬低通濾波器（ALF)

電力系統在發(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逐位比較式A/D轉換逐位比較A/D轉換就是把待轉換的模擬電壓與一組呈二進制關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的目的。設n個呈二進制關系的標準電壓是：。其中，k為常數，量綱為伏。如欲將直流模擬電壓VA轉換成二進制數，可以將VA與上述標準電壓相比較，也就是用標準電壓來稱量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a1=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次比較結束，可以在允許的誤差范圍內得到如下的等式：式中，括號內的a1(i=1,2，……，n）只能取0或1，所以，括號內是一組二進制數。如果記為，式（10.1）可以寫成：式中，與VA成比例的二進制數D，就是直流模擬電壓VA的A/D轉換結果。完成A/D轉換所需要的一組標準電壓，由D/A轉換網絡產生。常用的D/A轉換網絡有T形網絡和權電阻網絡，圖10.7是T型網絡（又稱R—2R網絡）的原理圖。圖中K1～K11受寄存器Z1～Z11狀態(tài)控制的電子開關，當Zi=“1”時，K接電源+VR；當Z=“0”時，Ki接地。R-2R網絡的一個特點是：如果K1～K11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，可以找出網絡的輸出電壓V0，與Z1～Z11所代表的數字量之間的關系。圖10.7R-2R數-模轉換網絡

令Z1=“1”，其余寄存器的Zi=“0”。這時，K1接+VR，其余Ki都接地。R～2R網絡的簡化等值電路如圖10.8所示?？梢杂嬎愠鼍W絡的輸出電壓是：

當網絡的電源電壓取某一個定值，且Ri也取定值時，為一常數。暫令，式（10.3）可以表示成：

令Z2=“1”，其余的Zi=“0”。R—2R網絡可按圖10.9進行等值變化，這時網絡的輸出電壓是：圖10.8K1=1時，網絡等值電路

可以證明，當任意一個寄存器Zi=“1”，其余的寄存器為“0”時，網絡輸出電壓是：R—2R網絡是線性電阻網絡，當Z1～Z11取任意狀態(tài)時，可以應用疊加原理計算網絡的輸出電壓V0，其值為：

式中，a1～a11取0或1。當Zi=“l(fā)”時，ai取1；當Zi=“0”時，ai取0?？梢?，R—2R網絡的輸出電壓與一組二進制數成比例。借助R—2RD/A轉換網絡，完成逐位比較A/D轉換的原理圖如圖10.10所示。圖中的比較器用來比較D/A轉換網絡的輸出電壓V0與待轉換的直流模擬電壓VA的大??；控制電路對數碼寄存器的狀態(tài)進行置“1”和清“0”。圖10.10逐位比較原理框圖

電路工作過程如下：首先，數碼寄存器全部清零?？刂齐娐返谝徊街脭荡a寄存器的第一位Z1=“1”，這時，R—2R網絡的輸出V0=V01。比較器比較V0與VA的大小，如果VA＞V0,Z1=“1”的狀態(tài)保留；如果VA＜V0，由控制電路將Z1清“0”。第二步由控制電路置Z2=“l(fā)”，這時，R—2R網絡的輸出V0=V01+V02（這是對應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，根據比較結果，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達到VA=V0，這時，寄存在Z1～Z11中的11位二進制數與VA成比例，它就是A/D轉換后得到的數字量。表10.1逐位比較模一數轉換過程表

10.3.5VFC數模變換器

VFC數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字量的轉化。為方便多CPU的數據共享，免去多CPU共享必須采用的十分復雜的接口電路，可以選用VFC型模數變換器，各路采樣轉換并行工作，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系，經計數器計數之后，送總線供CPU使用。各路計數器均安排在各CPU模件上，各CPU使用的計數器也仍是并行工作的。這樣處理的結果，提高了數字測量的精度和分辨率。它們的工作方式如圖10.11和圖10.12所示。圖10.11為每個輸入量設置VFC及計數器圖10.12多CPU共用VFC型A/D的接線圖

典型的電荷平衡式V/F轉換器的電路結構（不含計數器和定時器）如圖10.13所示。這種方法的原理是產生頻率正比于輸入電壓的脈沖序列，然后在固定時間內對脈沖序列計數。除計數器和定時器外，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，使其產生一個定寬度T0的脈沖。在T0期間，模擬開關S接向負參考電壓-Vr由于電路設計成Vr/R2＞Vin/R1，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，再次觸發(fā)脈沖發(fā)生器，產生一個T0脈沖，再次反充電，如此反復振蕩不止，其波形如圖10.14所示。

經數學分析，可得到輸出電壓的振蕩頻率與輸人電壓的關系，且可用下式表示：圖10.13V/F轉換器電路結構圖圖10.14波形圖10.4開關量輸入回路

對微機保護裝置的開關量輸入，即接點狀態(tài)（接通或斷開）的輸入可以分成以下兩大類：