繼電保護1微機保護基本硬件構(gòu)成

繼電保護1微機保護基本硬件構(gòu)成第一頁，共54頁。參考書目:《微型機繼電保護基礎(chǔ)》楊奇遜黃少峰《電力系統(tǒng)微機繼電保護》高亮《微型機繼電保護原理》張舉《微機繼電保護原理》陳德樹《RCS900系列超高壓線路成套保護裝置》第二頁，共54頁。

概述一、微機保護的發(fā)展微機保護的發(fā)展經(jīng)歷三個階段：硬件設(shè)計重點使總線系統(tǒng)更隱蔽，提高抗干擾水平。軟件、算法也取得很多理論成果。第一階段：單CPU結(jié)構(gòu)，幾塊印刷電路板由總線相連組成一個完整的計算機系統(tǒng)，總線暴露在印刷電路板之外。WXB-01第三頁，共54頁。一、微機保護的發(fā)展第二階段：多CPU結(jié)構(gòu)，每塊印刷電路版以CPU為中心組成一個計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)“總線不出插件”。WXB-11第三階段：一種特殊單片機DSP(數(shù)字信號處理器），將總線系統(tǒng)與CPU一起封裝在一個集成電路塊中，具有極強的抗干擾能力，實現(xiàn)“總線不出芯片”。RCS，LFP，CSL系列。第四頁，共54頁。我國微機保護市場我國自主研制較為有實力的四大集團公司為南瑞、許繼、南自、四方，南自在主變保護等保護領(lǐng)域?qū)嵙^強。許繼在線路保護實力很強，南瑞在主站及自動化監(jiān)控方面實力很強。四方也主要是在保護方面實力較強。國外的企業(yè)如西門子、施耐德、ABB等第五頁，共54頁。二、微機保護的構(gòu)成與特點1.微機保護的構(gòu)成

微機保護主要由兩部分構(gòu)成：

硬件系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、開關(guān)量輸入輸出、人機接口、通信及電源等軟件算法及原理：數(shù)字濾波器、算法、保護原理、邏輯判斷等。第六頁，共54頁。二、微機保護的構(gòu)成與特點2.微機保護的特點（1）維護調(diào)試方便（2）可靠性高（3）易于獲得附加功能（4）靈活性大（5）保護性能得到很好改善（6）經(jīng)濟性好第七頁，共54頁。2.微機保護的特點（１）維護調(diào)試方便整流型或集成電路型繼電保護裝置的調(diào)試工作量很大，尤其是一些復雜的保護，調(diào)試時間常常需要一周甚至更長。微機保護硬件是由單片機和相關(guān)外設(shè)構(gòu)成，復雜的保護功能是由相應的軟件來實現(xiàn)的。保護裝置對硬件和軟件都具有自診斷功能。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。第八頁，共54頁。（2）可靠性高計算機在程序引導下，有極強的綜合分析和判斷能力，它可實現(xiàn)自動識別和排除干擾，能夠自動檢測出本身硬件的異常部分，因此可靠性很高。第九頁，共54頁。（3）易于獲得附加功能 給微機保護配置一臺打印機等其它顯示設(shè)備或提供通信接口，可以在系統(tǒng)發(fā)生故障后提供多種信息：保護各部分的動作順序、動作時間、故障類型、相別及故障前后電壓和電流的波形記錄等。第十頁，共54頁。（4）靈活性大 微機保護的功能由軟件決定（不同原理的保護可以采用通用的硬件），因此，只要改變軟件就可以改變保護的特性和功能，從而靈活地適應電力系統(tǒng)運行方式的變化。第十一頁，共54頁。（5）保護性能得到很好改善 微機的應用使傳統(tǒng)的繼電保護中存在的很多技術(shù)問題得到新的解決方法。如接地距離保護承受過渡電阻能力的改善，距離保護如何區(qū)分振蕩和短路，變壓器差動保護如何識別勵磁涌流等。

第十二頁，共54頁。（6）經(jīng)濟性好計算機硬件的性能不斷提高而價格一直在下降。而且，微機保護是一個可編程序的裝置，它能實現(xiàn)多種功能，使硬件種類大大減少。這樣，在經(jīng)濟性方面顯然優(yōu)于傳統(tǒng)保護。第十三頁，共54頁。1.1概述一般微機保護裝置采用插件式結(jié)構(gòu)（分為前插式和后插式），各插件之間通過底板走線實現(xiàn)電氣聯(lián)系。這樣設(shè)計即考慮了現(xiàn)場使用的便利性又提高了裝置的可靠性。第一章硬件系統(tǒng)第十四頁，共54頁。第十五頁，共54頁。南瑞繼保RCS-900系列線路成套快速保護裝置第十六頁，共54頁。國電南自WBZ-500H數(shù)字式變壓器保護裝置第十七頁，共54頁。1-1概述一．微機保護裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(信息預處理)數(shù)字處理系統(tǒng)（CPU主系統(tǒng)）開關(guān)量輸入、輸出人機接口通信接口電源將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量

由微處理器執(zhí)行存放在EPROM中的程序，對由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至RAM區(qū)的原始數(shù)據(jù)進行分析處理，以完成各種繼電保護的功能。

完成各種保護的出口跳閘、信號警報、外部開關(guān)量的輸入有人機對話等功能。包括顯示器、鍵盤、各種面板開關(guān)、實時時針等。用于人機對話,如調(diào)試、定值調(diào)整等。包括維護口、監(jiān)控系統(tǒng)接口、錄波系統(tǒng)接口等，滿足各種通信規(guī)約?？梢圆捎瞄_關(guān)穩(wěn)壓電源或DC/DC電源模塊，提供+5V，+24V，±15V電源。第十八頁，共54頁。微機保護硬件整體結(jié)構(gòu)插件式結(jié)構(gòu)：各插件之間通過底板走線實現(xiàn)電氣聯(lián)系。電源模塊及開入量插件開關(guān)量輸入提供+5V和+24V電源CPU插件開關(guān)量輸出操作回路插件外部回路交流量輸入與濾波插件電壓電流數(shù)字量電壓電流模擬量顯示板提供人機接口第十九頁，共54頁。1.1、硬件系統(tǒng)概述1.數(shù)據(jù)采集單元:將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。電壓形成模擬濾波采樣保持多路轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換第二十頁，共54頁。1.1、硬件系統(tǒng)概述2.數(shù)據(jù)處理單元:

微處理器對由數(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。第二十一頁，共54頁。1.1、硬件系統(tǒng)概述2.數(shù)據(jù)處理單元:微處理器（CPU）數(shù)字信號處理器（DSP）只讀存儲器（ROM）隨機存取存儲器（RAM）閃存單元（FLASH）定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）并行接口（PIO）通信接口等多種功能。第二十二頁，共54頁。1.1、硬件系統(tǒng)概述3.數(shù)字量輸入輸出接口:并行接口光電隔離器中間繼電器等

完成保護的出口跳閘、警報、外部接點輸入及人機對話等功能。第二十三頁，共54頁。4、人機接口：5.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)。6.電源:

供給微處理器、數(shù)字電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片及繼電器所需的電源。包括維護口、監(jiān)控系統(tǒng)接口、錄波系統(tǒng)接口等，滿足各種通信規(guī)約。第二十四頁，共54頁。第二節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換的前期準備、轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量。完成輸入信號的預處理。即對取自被保護元件的連續(xù)模擬信號進行必要的處理并將其變成離散信號，最后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入給微處理機。作用：第二十五頁，共54頁。第二節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適應繼電保護原理要求模擬量設(shè)置應滿足保護功能要求。典型的高壓線路保護需要：三相電壓、電流；零序電壓、電流；線路側(cè)電壓。典型的差動保護需要：每一側(cè)的三相電流。要求：微機保護是一個多模擬量輸入系統(tǒng)。第二十六頁，共54頁。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(模擬量輸入系統(tǒng))的兩種方式電壓形成ALFS/H多路轉(zhuǎn)換開關(guān)S/HALF電壓形成A/DCPU總線………來自TVTA二次（a）電壓形成VFC計數(shù)器計數(shù)器VFC電壓形成………來自TVTA二次CPU總線（b）（a）逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換方式（b）VFC原理的A/D轉(zhuǎn)換方式第二十七頁，共54頁。一、逐次逼近原理的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電壓形成回路低通濾波回路（ALF）采樣保持回路（S/H）多路轉(zhuǎn)換器（MPX）模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）回路第二十八頁，共54頁。1、電壓形成

微機保護要從被保護的電力線路或設(shè)備的電流互感器、電壓互感器上取得信息，其額定參數(shù)一般為：交流電壓：相電壓——100/sqrt(3)V;

線路抽取電壓——100V或100/sqrt(3)V;交流電流：5A或1A（電流范圍最大一般可按20In或40In考慮）第二十九頁，共54頁。1、電壓形成

互感器二次數(shù)值的輸入范圍對微機保護硬件電路不適用，故需降低和變換。一般采用中間變換器來實現(xiàn)以上的變換。電壓變換：100V±5V(2.5V、10V)電流變換：20In±5V(2.5V、10V)第三十頁，共54頁。1、電壓形成回路－隔離變換

(a)電壓變換器；(b)電流變換器(c)電抗變換器··

TV二次回路····

TA二次回路

TA二次回路R第三十一頁，共54頁。1、電壓形成回路－典型接線

第三十二頁，共54頁。2、模擬低通濾波器前置低通濾波器又稱為抗混疊濾波器?？蓪⒃摓V波器的截止頻率設(shè)置為1/2fs，這樣在給定采樣頻率下所不能反映的高頻信號分量被濾除。UiC1C2UoR1R2（a）fs（b）f0第三十三頁，共54頁。有源濾波器特點：通帶較平坦，結(jié)構(gòu)簡單，所用元件少，運算放大器頻率特性偏離濾波器頻率特性不易引起振蕩，但元件參數(shù)變化時對濾波器影響較大，適用于Q值要求較低的場合。+-AR1R2C2R3R4=R3(K-1)C1UiUo第三十四頁，共54頁。2、模擬低通濾波器由此，根據(jù)采樣頻率的選擇以及低通濾波器截止頻率的設(shè)置，可限制輸入信號的最高頻率，將CPU的采樣頻率降低，即降低了對CPU運算速度的苛刻要求，對整個硬件電路的設(shè)計有利。第三十五頁，共54頁。3、采樣保持采樣：將一個連續(xù)的時間信號（正弦波信號）變成離散的時間信號（采樣信號）采樣間隔Ts稱為采樣周期fs=1/Ts為采樣頻率第三十六頁，共54頁。tti(t)i"(t)i(t)ti"(t)采樣過程描述第三十七頁，共54頁。3、采樣保持采樣保持電路（S/H:SamplingandHolding）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，并在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換期內(nèi)保持其輸出不變。即把隨時間連續(xù)變化的電氣量離散化。第三十八頁，共54頁。3.采樣保持開關(guān)K受邏輯輸入端電平控制。在高電平時K閉合，此時，電路處于采樣狀態(tài)，C迅速充電或放電到電容上電壓等于該采樣時刻的電壓值(Ui)。K的閉合時間應滿足采樣時間。一個電子模擬開關(guān)K保持電容器C兩個阻抗變換器阻抗變換器2阻抗變換器1CUiUoK邏輯輸入第三十九頁，共54頁。3.采樣保持阻抗變換器I：輸入端呈現(xiàn)高阻抗（使得輸入電壓全部降落在電容C上），輸出端呈現(xiàn)低阻抗（電容C上能迅速完成充電）；阻抗變換器II：輸入端呈現(xiàn)高阻抗（使電容C上電壓具有保持能力），輸出端呈現(xiàn)低阻抗（提高帶負載能力）。阻抗變換器2阻抗變換器1CUoK邏輯輸入Ui第四十頁，共54頁。3.采樣保持Tc為采樣脈沖寬度，Ts為采樣周期（或采樣間隔）。采樣后信號在下次采樣脈沖到來之前保持不變，形成穩(wěn)定的階梯狀采樣保持信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后就成為離散化數(shù)字量。第四十一頁，共54頁。4、模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)(MPX)

由于模數(shù)變換器復雜及價格昂貴，通常不宜對各路電壓、電流模擬量采用同時A/D轉(zhuǎn)換，而是采用多路S/H共用一個A/D變換器，中間經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切換，輪流由公用的A/D變換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。第四十二頁，共54頁。4、模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MPX)保護需要多個模擬量輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換器是貴重的元器件電路板設(shè)計希望采用盡量少的芯片多路轉(zhuǎn)換是一個簡單、常采用的芯片MPX是一個開關(guān)電路，接入很多的模擬量，僅把其中的一路送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器去轉(zhuǎn)換。不同的模擬量通過“分時”的方式完成模數(shù)轉(zhuǎn)換過程。（實際上由于前置的S/H環(huán)節(jié)，各模擬量是同步的）第四十三頁，共54頁。4模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MPX)A0~A3是路數(shù)選擇線接CPU，控制哪一路選通；1?！玁＃是電子開關(guān)；u1~ui16是模擬量輸入；En是始能端。譯碼/驅(qū)動UoUi1Uin輸入1#N#……EnA0A1A2A3輸出Upp（+15V）Uss（-15V）第四十四頁，共54頁。5、A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換器采樣后所得的是離散的模擬量，要為計算機采用還需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換的過程實際上就是對模擬信號進行量化和編碼的過程。量化：就是把時間上離散而數(shù)值上連續(xù)的模擬信號以一定的準確度轉(zhuǎn)換為時間上和數(shù)字上都離散化的等效數(shù)值。編碼：把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值用二進制數(shù)、BCD碼或其他碼來表示。第四十五頁，共54頁。

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理框圖

-+D/A轉(zhuǎn)換器輸入電壓UR比較器控制器數(shù)碼設(shè)定器數(shù)碼輸出Uo第四十六頁，共54頁。

逐次逼近式A/D(比較式）

將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入量UR相對于參考電壓UO經(jīng)過一個編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D。參考電壓由D／A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得。其參考電壓值的取值采用二分法，一直比較到最末位為止。此時，D／A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入即為對應模擬輸入信號的數(shù)字量。第四十七頁，共54頁。4位A/D轉(zhuǎn)換的逼近過程示意圖

1000UR>UOUR<UO第一次設(shè)定數(shù)碼：11000100第二次設(shè)定數(shù)碼：UR>UOUR<UOUR<UOUR>UO1110101001100010第三次設(shè)定數(shù)碼：11111101101110010111010100110001第四次設(shè)定數(shù)碼：>>>><<