核電廠電氣原理與設(shè)備單元20課時3940微機型繼電保護裝置

第20

單元

微機型繼電保護裝置授課人：日期：中電投高級培訓(xùn)中心本單元主要內(nèi)容一、微機保護硬件組成各部分及作用二、開關(guān)量輸入、輸出電路的特點三、提高可靠性的措施四、微機保護的特點20.1微機保護硬件組成各部分及作用微機保護的原理微機保護的原理隨保護的對象不同而不同，也隨應(yīng)用場合變化而變化（主要是電壓等級、設(shè)備類型等）。不同的保護原理需要采集的模擬量、開入量和開出量也各不相同。雖然一套微機保護裝置集成了許多保護原理，但各種保護原理仍然是相對獨立的。微機繼電保護裝置的軟件配置一般為一個主程序和兩個中斷服務(wù)程序。主程序包括初始化和自檢循環(huán)模塊、保護邏輯判斷模塊和跳閘（及后加速）處理模塊。微機保護的原理不同保護原理的第一、三個模塊是基本相同的，但保護邏輯判斷模塊隨不同的保護原理而相差甚遠。而零序電流保護則沒有振蕩閉鎖部分。中斷服務(wù)程序包括定時采用中斷服務(wù)程序和串行口通信中斷服務(wù)程序。微機保護硬件組成（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（2）計算機系統(tǒng)（3）開關(guān)量輸入輸出單元（4）通訊單元（5）電源微機保護裝置硬件原理框圖微機保護裝置的硬件結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)采集單系統(tǒng)，即模擬量輸入部分；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，即計算機系統(tǒng)；開關(guān)量輸入/輸出通道；外部通信接口和電源構(gòu)成。（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。模擬量輸入通道為電流、電壓信號，由于電流、電壓為隨時間變化的連續(xù)信號，而計算機只接收數(shù)字信號，因此，需要將這種類型的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。包括電流、電壓形成和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，完成模擬輸入量準確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的功能；（2）計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)包括微處理器、存儲器、隨機存儲器、定時器及并行口等。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功能；（3）開關(guān)量輸入輸出通道。微機繼電保護裝置通過數(shù)字量輸出實現(xiàn)對斷路器等控制。由若干并行接口、光電耦合器件及中間繼電器等組成，完成各種保護出口跳閘、信號報警、外部觸點輸入及人機對話等功能；（4）通信接口。包括通信接口電路和接口，以實現(xiàn)多機通信或聯(lián)網(wǎng)；（5）電源。電源的作用是將220V或110V直流電源變換成供給微處理器、數(shù)字電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及繼電器所需要的弱電電壓，有±12V、±24V、±5V等。一、光電耦合器1.概念2.分類光隔離器光傳感器光敏元件集成的功能塊3.光電耦合器在微機保護中的應(yīng)用特性工作方式二、開關(guān)量輸入回路安裝在裝置面板上的人機對話的鍵盤部分切換裝置工作方式用的轉(zhuǎn)換開關(guān)從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點壓板、轉(zhuǎn)換開關(guān)其他保護裝置和操作繼電器的接點三、開關(guān)量輸出回路（一）保護的跳閘出口、本地和中央信號三、開關(guān)量輸出回路（一）保護的跳閘出口、本地和中央信號裝置正常、系統(tǒng)無短路設(shè)備異常系統(tǒng)發(fā)生短路出口回路自檢三、開關(guān)量輸出回路（二）通信接口、打印機接口WXH820系列微機保護開關(guān)量輸出電路板20.3提高可靠性的措施

微機保護裝置在工作中往往受到一些因素干擾而使其可靠性降低。影響微機可靠性有兩個因素，一個是元器件損壞，另一個是干擾引起的功能障礙。由于微機系統(tǒng)元件數(shù)量很少，且使用大規(guī)模集成電路，不易損壞，因此微機保護的可靠性主要是抗干擾的問題。

提高微機保護裝置可靠性有三種方法：（1）避免故障與錯誤。選用高質(zhì)量元件，裝配工藝優(yōu)良完善，采用屏蔽隔離等以防干擾。（2）故障自動檢測以防患于未然。發(fā)現(xiàn)故障時及時報警或自動閉鎖，不影響保護對象正常工作。（3）采用容錯技術(shù)。利用冗余技術(shù)，使局部故障時不降低整套裝置的性能，不中斷保護裝置的正常運行。一、干擾的形成

干擾是除有用信號以外的所有可能對裝置的正常工作造成不利影響的裝置內(nèi)部或外部的電磁信號，干擾將造成微機裝置的計算錯誤或邏輯錯誤和程序運行出軌等。干擾產(chǎn)生來自外部干擾源和內(nèi)部干擾源。干擾的三個因素，包括干擾源、耦合途徑和接收電路。提高微機保護的可靠性就是要明確干擾源，切斷耦合途徑和提高保護裝置本身的抗干擾能力。二、電力系統(tǒng)中常見的干擾源現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)本身就是一個多種電磁干擾并存的復(fù)雜電磁環(huán)境，微機保護在這種環(huán)境中所面臨的電磁兼容性問題自然也十分嚴重。電力系統(tǒng)中常見產(chǎn)生脈沖干擾、瞬變干擾的原因主要由以下幾種。1．隔離開關(guān)及斷路器操作隔離開關(guān)及斷路器的開合操作，必然伴隨觸頭間一系列電弧的熄燃過程，并在母線上引起各種高額的電流和電壓脈沖．此時，母線上的干擾信號在通過電流互感器、電壓互感器等設(shè)備直接耦合到二次設(shè)備的同時還向空間輻射電磁波，以電磁耦合的方式干擾處于該暫態(tài)電磁場中的二次二、電力系統(tǒng)中常見的干擾源2．雷電電力系統(tǒng)遭受到雷擊通常有兩種情況：一種是變電站的防雷系統(tǒng)受到雷擊。另一種是雷電直落到或感應(yīng)到輸電線路上。對于前一種情況，雷電從避雷針等防雷系統(tǒng)進入變電站接地網(wǎng)并流入大地，一方面將在接地網(wǎng)中產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致接地網(wǎng)電位瞬時升高。另一方面將在周圍空間中產(chǎn)生強大的暫態(tài)電磁場，從而在二次設(shè)備中產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，影響二次設(shè)備正常運行，甚至導(dǎo)致二次設(shè)備損壞。對于后一種情況，雷電波通過輸電線路傳到變電站內(nèi)，在經(jīng)過一次設(shè)備、變電站接地網(wǎng)以及電流互感器、電壓互感器等耦合到控制室中的二次設(shè)備中，對二次設(shè)備造成影響。二、電力系統(tǒng)中常見的干擾源3．運行中的供電設(shè)備和用電設(shè)備

運行中的電力設(shè)備周圍存在著干擾微機系統(tǒng)運行的工頻電磁場，特別是在系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障電流產(chǎn)生的工頻干擾更為強烈。另外，輸電線上的電暈放電、臟污外絕緣表面的局部放電、電力負荷的變比引起電壓波動，補償電容器投切引起的瞬變干擾等等都是電力系統(tǒng)中常見的干擾源。二、電力系統(tǒng)中常見的干擾源4．無線電波

隨著現(xiàn)代無線通信產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，在空間電磁場中充斥著各種電磁輻射干擾。尤其是大量用于電力部門的檢修現(xiàn)場和其他場所的對講機，由于其發(fā)射功率較大(1～10W)、發(fā)射頻串較高(100～500MHz)，使與之相距較近的弱電設(shè)備的電路中產(chǎn)生高頻感應(yīng)電壓，這種感應(yīng)電壓可能干擾設(shè)備的正常運行甚至導(dǎo)致保護裝置誤動作。

二、電力系統(tǒng)中常見的干擾源5．靜電

靜電的起因是由于兩種不同物質(zhì)的物體相互摩擦?xí)r，正負極性的電荷分別積蓄在兩種物體上形成高壓。靜電放電屬于脈沖式干擾，干擾程度取決于脈沖能量和脈沖寬度。雖然靜電放電的能量較小，但由于作用時間極短，其瞬時能量密度可能大到干擾裝置運行甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞的程度。另外，保護裝置所使用的直流電源的噪聲、繼電器開斷時的瞬變電壓、設(shè)計不完善的印制線路板所發(fā)出的輻射噪聲等等，也是保護裝置設(shè)計和運行所不能忽視的干擾源。三、電磁干擾的傳播途徑和耦合方式1．電磁干擾傳播途徑有路傳播和場傳播兩種（1）路傳播。通過金屬導(dǎo)體以及電感、電容、變壓器或電抗器等傳播，其特點是這些載體在傳導(dǎo)電磁干擾信號同時也消耗了干擾源的能量；（2）場傳播。通過以電磁波形式在空間中的輻射干擾，其特點是干擾源對外輻射能量，具有一定的方向性，并且輻射的能量隨距離增加而逐漸減弱。上述兩種傳播方式可以互相轉(zhuǎn)換。2.干擾耦合方式（1）公共阻抗性耦合在兩個設(shè)備之間存在諸如電源線、數(shù)字量I/O以及公共地線等連線情況下，它們各自的電流均流經(jīng)一個公共阻抗，并在此公共阻抗上分別產(chǎn)生電壓降，從而相互引起電壓波動，干擾各自的工作。（2）互感耦合兩電路之間存在互感，任一電路中電流變化通過空間交變電磁場影響到另一電路。這種互感耦合產(chǎn)生的干擾隨干擾源頻率增加而增加。2.干擾耦合方式（3）電容性耦合兩根導(dǎo)線之間電位差使其中一根導(dǎo)線電荷通過它們之間耦合電容耦合到另一根導(dǎo)線上，形成靜電耦合產(chǎn)生干擾電壓，這種干擾隨對地電阻R和干擾源的頻率增加而增加。（4）電磁耦合除無線電通訊電磁波外，高頻電流和電暈放電等均會向空間輻射電磁波，空間電磁波作用于其它導(dǎo)體，感應(yīng)出電動勢形成電磁波耦合干擾，而裝置的輸入信號線、外部電源線、裝置的機殼等都相當于接收電磁波的天線。微機保護裝置本身就是一個接收電路。圖為電磁干擾的耦合方式(a)共阻抗性耦合(b)電感性耦合(c)電容性耦合四、干擾形式

干擾形式有橫模干擾和共模干擾（1）橫模干擾橫模干擾是串聯(lián)于信號源之中的干擾，即串聯(lián)干擾，其產(chǎn)生的原因可歸結(jié)為長線傳輸?shù)幕ジ小⒎植茧娙莸南嗷ジ蓴_及工頻干擾等。橫模干擾對微機保護的威脅一般不大，因為微機保護各模擬量輸入回路都首先要經(jīng)過一個防止頻率混疊的模擬低通濾波器，它能很好地吸收橫模浪涌。四、干擾形式

干擾形式有橫模干擾和共模干擾（2）共模干擾共模干擾就是引起回路對地電位發(fā)生變化的干擾，即對地干擾。共模干擾可以是直流，也可以是交流，它是造成微機保護裝置故障的重要因素。消除共模干擾的方法主要有：1浮空隔離技術(shù)；2三線采樣，即雙層屏蔽技術(shù)；3系統(tǒng)一點接地；4低阻抗匹配傳輸（以電流傳輸代替電壓傳輸）；5采用光電耦合器件。圖為產(chǎn)生橫模干擾示意圖圖為產(chǎn)生共模干擾示意圖

圖為干擾對有效信號的影響示意圖(a)橫模干擾疊加在直流信號上的波形(b)共模干擾改變地電位后的波形(c)橫模干擾和共模干擾的疊加波形五、干擾對微機保護裝置的影響

微機保護裝置由核心部分的數(shù)字部件和外圍部分的模擬部件（如出口繼電器、驅(qū)動電路等）組成。模擬電路在干擾作用下往往使開關(guān)電路誤翻轉(zhuǎn)，在沒有完善閉鎖措施時將會導(dǎo)致誤操作，數(shù)字電路在干擾作用下往往造成數(shù)據(jù)或地址傳遞錯誤，導(dǎo)致微機運行故障或功能故障。干擾對微機保護裝置的影響主要是：1、計算或邏輯錯誤；2、程序運行出軌；3、元件損壞。六、微機保護裝置抑制干擾的基本措施

通常抑制電磁干擾的措施包括三方面內(nèi)容：一方面是積極防電磁干擾的措施，即抑制干擾源；另一方面是消極防電磁干擾措施，即阻斷干擾通道；再一方面是預(yù)防性抑制電磁干擾的措施，即降低受干擾保護裝置的噪聲敏感度。常見應(yīng)用于微機保護裝置中的抗干擾措施，從硬件措施和軟件措施兩個角度分別加以論述：1．硬件措施

在設(shè)計繼電保護裝置的過程中，若在硬件上采用一些抗干擾措施，可以有效地抑制干擾信號的侵入，提高裝置的抗干擾能力?；痉乐闺姶鸥蓴_的硬件措施主要包括以下幾方面：（1）隔離。隔離是一種切斷電磁干擾傳播途徑的抗干擾措施。為了有效抑制共模干擾，通常將保護裝置中與外界相連的信號線、電源線等經(jīng)過隔離后再連入裝置內(nèi)部。常見的隔離措施包括光電隔離和隔離變壓器隔離。其中光電隔離主要通過光電耦合器將外部開關(guān)量信號和內(nèi)部電氣回路進行電氣隔離。而隔離變壓器隔離則主要通過專用變壓器將一、二次側(cè)的交流回路隔離，以抑制共模電壓的干擾。（2）屏蔽。屏蔽主要是用來阻隔來自空間電磁場的輻射干擾。屏蔽措施的實質(zhì)是通過由具有良好導(dǎo)電性的金屬材料所構(gòu)成的全封閉的殼體來隔離和衰減電磁干擾。常見的屏蔽方式有抑制寄生電容的耦合干擾的電場屏蔽(包括電壓變換器、電流變換器的一、二次側(cè)繞組之間的隔離)、防止輻射電磁場產(chǎn)生電磁耦合的電磁屏蔽以及限制低頻磁場產(chǎn)生感性耦合的磁場屏蔽等等。（3）接地。良好的接地系統(tǒng)是微機系統(tǒng)可靠工作的基礎(chǔ)和保證。常見有以下幾種情況：1.一種稱為信號接地。通過把裝置中的兩點或多點接地點用低阻抗的導(dǎo)體連在一起，為內(nèi)部微機電路提供一個電位基準。為了盡量減少共模干擾，同一電路中的地電位應(yīng)盡量保待一致。同時，避免不必要的地線環(huán)路，也可以減少外磁場的空間干擾的耦合。2.另一種稱為功率接地。為了將沿微機保護電源回路串入的以及從低通模擬濾波回路耦合進的各種干擾信號濾除，往往要加裝濾波器。通常將濾波器接地，以使干擾信號有泄放的回路。3.還有一種接地方式稱為屏蔽接地，即將保護裝置外殼以及電流、電壓變換器的屏蔽層接地，以防止外部電磁場干擾以及從輸入回路竄入的干擾。另外，為保證人身安全和靜電放電，通常將微機保護的外殼接地，稱為安全接地。2．軟、硬件結(jié)合抗干擾措施采用硬件抗干擾措施可以大大提高微機保護裝置的可靠性。但采用硬件抗干擾措施一方面增加了整個裝置的復(fù)雜程度，也增加了成本。另外，不是所有干擾都可通過硬件措施完全解決。實際上，采用一些軟硬件結(jié)合的措施不但可以彌補硬件抗干擾措施的不足，而且可使裝置結(jié)構(gòu)簡化，降低成本。常用的軟硬件結(jié)合的抗干擾措施有：（1）軟、硬件結(jié)合的程序異常復(fù)位措施。也就是通常所說的“Watchdog(看門狗)”技術(shù)。使用獨立于CPU的定時中斷來監(jiān)視程序的運行情況，具體方法是設(shè)置定時器的定時時間略大于保護程序周期運行時間，并在保護程序周期性執(zhí)行中對定時器時間進行刷新操作。保護程序正常運行時，以基本恒定的時間刷新定時器，故定時器不會出現(xiàn)中斷。而保護程序因干擾失控時，由于不能按時刷新定時器時間導(dǎo)致定時器產(chǎn)生定時中斷，在定時中斷服務(wù)程序中對失控的程序做出處理，如保存現(xiàn)場或復(fù)位CPU等等。2．軟、硬件結(jié)合抗干擾措施

（2）關(guān)鍵輸出口編碼校核。為防止失控程序?qū)χ匾妮敵隹谶M行非正常操作，導(dǎo)致如保護跳閘等誤動作，必須對輸出口的操作進行校核。解決的辦法是使用軟件編碼后，經(jīng)硬件解碼才能啟動出口驅(qū)動電路。（3）軟、硬件冗余技術(shù)。由于微機保護是極其重要的安全設(shè)備，所以其可靠性要求很高。為保證在可靠性要求較高時保護的動作正確性不受外部干擾及其他因素的影響，需要采用軟、硬件上的冗余措施。在硬件上可以采用如靜態(tài)冗余法、動態(tài)冗余法以及混合冗余法等方法構(gòu)成多機的冗余系統(tǒng)。而在冗余的保護之間又可采用不同保護算法構(gòu)成原理上的冗余。七、抗干擾措施具體實施方法1．抗干擾的硬件措施（1）采用不擴展的單片機，總線不出芯片，實現(xiàn)電路簡化，大大消除了橫模干擾；（2）工藝上采用多層印制電路板和表面安裝技術(shù)；（3）交流輸入組件上電流變換器、電壓變換器選用“R”型鐵心，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度、線性范圍、功耗等指標顯著改善。（4）采用帶雙重屏幕的變換器，要正確地接地和接零；七、抗干擾措施具體實施方法1．抗干擾的硬件措施（5）在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用前置模擬低通濾波器來抑制橫模干擾和其他干擾，同時，應(yīng)考慮數(shù)字電路以外的外圍電路，諸如采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、出口驅(qū)動電路、逆變電源等元件的可靠性。（6）裝置的零電位線與大地（機殼）嚴格隔離，并加以良好的屏蔽，應(yīng)考慮數(shù)字電路電源的紋波接地地線浮動及分布退耦器。（7）在輸入和輸出端接入對地電容，以減低現(xiàn)場高頻干擾及“浪涌”。同時應(yīng)消除因密集裝置造成的雜散耦合，特別是消除工頻串擾。（8）采用逆變后的開關(guān)電源供電，由蓄電池電壓110V或220V逆變成高頻（20kHz）電壓后經(jīng)高頻變壓器隔離。（9）利用光電耦合隔離技術(shù)，隔離疊加在CPU系統(tǒng)輸入、輸出信號上的各種干擾，在輸入和輸出通道上采用光電耦合隔離。在硬件設(shè)計中，模擬量輸入、開關(guān)量輸入/輸出，例如裝置與前置機的通信接口，出口繼電器與鎖存器的連接，以及出口繼電器的狀態(tài)均應(yīng)采用光電耦合隔離。使微機工作在浮地狀態(tài)。（10）采用CPU控制出口冗余設(shè)計；采用系統(tǒng)硬件故障自診斷；控制出口插件的設(shè)計采用互補性原理；繼電器狀態(tài)采用信號返回和“WATCH-DOG”技術(shù)。2．防止系統(tǒng)“死機”的軟件設(shè)計（1）watchingdog的正確使用。（2）軟件的容錯設(shè)計。加入軟件陷阱的方法；設(shè)立標志判斷；增加數(shù)據(jù)安全備份；軟件復(fù)位。（3）采樣數(shù)據(jù)的干擾對策。利用模擬輸入量間的規(guī)律去除虛假點；數(shù)值平滑濾波法。20.4微機保護的特點（l）維護調(diào)試方便

目前國內(nèi)仍在使用的整流型或集成電路型繼電保護裝置的調(diào)試工作量很大，尤其是一些復(fù)雜的保護，例如超高壓線路的保護設(shè)備，調(diào)試時間常常需要一周甚至更長。微機保護則不同，它的硬件是由單片機（單片微型計算機簡稱單片機。它是把組成微型計算機的各功能部件：中央處理器CPU，隨機存取存儲器RAM，只讀存儲器ROM，I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個完整的微型計算機）和相關(guān)的外圍設(shè)備構(gòu)成，各種復(fù)雜的保護功能是由相應(yīng)的軟件來實現(xiàn)的。保護裝置對硬件和軟件都具有自診斷功能，一旦發(fā)現(xiàn)異常會發(fā)出警告。通常只要給上電源后沒有警報，就可確認裝置是完好的。所以對微機保護裝置而言除了輸入和修改定值外幾乎不用調(diào)試，從而大大減輕了運行維護的工作量。（2）可靠性高

計算機在程序引導(dǎo)下，有極強的綜合分析和判斷能力，因而它可以實現(xiàn)常規(guī)保護很難辦到的自動糾錯，即自動識別和排除干擾，防止由于干擾而造成誤動作。另外它有自診斷能力，能夠自動檢測出本身硬件的異常部分，因此可靠性很高。（3）易于獲得附加功能

應(yīng)用微型計算機后，如果配置一臺打印