電力系統(tǒng)繼電保護原理(第四版)

電力系統(tǒng)繼電保護原理（第四版）

第二章繼電保護的硬件構成

第一節(jié)繼電器的類別和發(fā)展歷程

繼電器

能反應一個弱信號（電、磁、聲、光、熱）的變化而突然動作，閉合或斷開其接點以控制一個

較大功率的電路或設備的器件。繼電器的分類按輸入信號性質分：非電量繼電器和電量繼

電器按功能分

量度繼電器在繼電保護和自動裝置中作為主要元件，與輔助元件有或無繼電器配套電流、

電壓、頻率、功率繼電器等有或無繼電器在保護裝置中作為輔助元件中間、時間、信號繼

電器等

電磁式繼電器銜鐵彈簧電腦鐵工作回路電磁繼電器觸點

信號電源

一、電磁型繼電器（Relay）

繼電特性：無論起動和返回，繼電器的動作都是明確干脆的，它不可能停留在某一個中間位

置動作電流：使繼電器動作的最小電流值最小短路電流返回電流：使繼電器返回原位的最大

電流值最大負荷電流返回系數(shù)（恒小于1）IKre=Kre=0.85~0.9IKact觸發(fā)特性曲線返回動作

旋轉銜鐵式電流繼電器結構

6

二、感應型繼電器

用電磁鐵在一鋁制圓盤中或圓筒中感應產生電流，電流產生轉矩使圓盤或圓筒轉動，使接點

閉合的繼電器。四極感應圓筒式感應繼電器工作原理與鼠籠式感應電機相似

相當于兩相式的電動機，垂直方向兩磁極的線圈和水平兩級的繞組磁通在空間上相差900,

如果兩磁通在時間上也相差900則可產生最大的旋轉磁場圓筒上的轉矩：M=K（Pl（D2sin0

動作條件：電流大于定值1轉矩大于彈簧反作用轉矩），且9為正（900時轉矩最大）可反應兩個

電氣量，如電壓、電流，可實現(xiàn)方向繼電器、阻抗繼電器、差動繼電器等

電磁式電流繼電器

側面正面

電磁式中間繼電器

正面

側面

五、微機保護

將反應故障最變化的數(shù)字式元件和保護中需要的邏輯元件、時間元件、執(zhí)行元件等和在一起

用一個微機實現(xiàn)，成為微機保護，是繼電器發(fā)展的最高形式。20世紀70年代初、中期開

始了微機保護研究的熱潮源于計算機技術重大突破：價格大幅度下降、可靠性提高70年代

中后期，國外已有少量樣機試運行。

我國的微機保護發(fā)展始于上世紀70年代后半期1984年華北電力學院研制的第一套微機距

離保護樣機投入試運行目前，在我國不同原理、不同機型的微機線路和主設備保護異彩紛

呈，各具特色，為電力系統(tǒng)提供一批新一代性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護裝置

11

名詞解釋——元件

電網中的元件是指一次設備，如線路、變壓器、發(fā)電機等；在保護裝置

內部有提到元件，指保護裝置的某環(huán)節(jié)，如電壓元件、電流元件、啟動元件、方向元件等；

繼電保護有二大研究方面：線路保護和元件保護，這里的元件指發(fā)電機、變壓器、電容器等

的主設備。

第二節(jié)微處理器簡介

微機保護裝置硬件的核心是微處理器其選擇原則速度、功能、通用性和工作環(huán)境

國內外微機保護裝置所用的微處理器單片機數(shù)字信號處理器(DSP)多核芯片：一個物理IC

芯片上同時集結了多個中央微

控制器和外圍控制器，并實現(xiàn)多個控制器的并行處理

第三節(jié)微機繼電保護硬件系統(tǒng)的構成

微機保護是用微機實現(xiàn)繼電保護功能難點在于電氣量測量和執(zhí)行部分，判據(jù)比較和邏輯

部分是微機的強項電氣量測量的關鍵：模擬信號

轉變

數(shù)字信號離散時間信號的數(shù)字化表示

輸入信號

測量部分整定值

邏輯部分

執(zhí)行部分

輸出信號

16

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1

0

20XX年

4000

6000

8000

*****

120XX年

數(shù)值上的數(shù)字化:每個數(shù)俏必須轉變?yōu)槎M制的微機能夠讀懂的數(shù)字量

時間上的離散化10.80.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

***_********_*****

-0.8

-1

0

5

10

15

20

25

1

微機保護裝置硬件系統(tǒng)構成

按功能可分為五個部分數(shù)據(jù)采集單元：包括電壓形成和模數(shù)轉換等模塊，完成將

模擬輸入量準確地轉換為數(shù)字量的功能。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，對數(shù)

據(jù)采集系統(tǒng)輸入至隨機存儲器中的數(shù)據(jù)進行分析處理，以完成保護功能。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組成，完成保護出口跳閘、信號報警、外

部接地輸入及人機對話等功能。通信接口：包括通信接n電路及接口實現(xiàn)多機通信和聯(lián)網。

電源：供給微處理器、各集成甩路及繼電器等所需甩源。

微機保護裝置硬件系統(tǒng)構或

按功能可分為五個部分數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：將模擬輸入量準確地轉換為數(shù)字量的功能。

數(shù)據(jù)處理單元：執(zhí)行程序存儲器中的保護程序，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)分析處理，以完

成保護功能通信接口：實現(xiàn)多機通信和聯(lián)網

開關量輸入/輸出接口：完成保護出口跳閘、信號報警及人機對話等功能

電源

（一）數(shù)據(jù)采集單元1.電壓變換微機保護要從被保護元件的電流互感

器、電壓互感器等取得電氣量信息.但這些互感器二次側數(shù)值的變化范圍與微機保護裝置硬

件電路對輸入信號的承受水平并不匹配，故需要降低或變換電壓變換器:類似與小電壓互

感器電流變換器：通過電流變換器二次側

電壓變換回路

并聯(lián)電阻的方式取得微機保護裝置硬件芯片所需的電位信號電流、電壓變換回路除了起電

氣量變換作用外，還起隔離作用電流變換回路

2.采樣保持電路及采樣頻率的選擇

采樣保持電路原理模擬信號進行數(shù)字量轉換時，從起動轉換到轉換結束輸出

數(shù)字量，需要一定的時間。為了防止轉換誤差，必須使模擬信號在轉換過程中基本保持不變。

采樣保持器的作用：把隨時間連續(xù)變化的電氣量離散化

在一個極短的時間內測顯模擬輸入最在該時刻的瞬時值并在模數(shù)轉換器進行轉換的期間保

持其輸出不變

z

工作原理：開關S受邏轉輸入端電平控制采樣狀態(tài)：高電平時S閉合，電容迅速充電，使

電容兩端電壓等干采樣時刻的電壓值保持狀態(tài)：S打開,則電容C卜保持住K打開瞬間的

電壓值

輸入信號的采樣保持過程如圖2-9所示TC為采樣脈沖寬度，TS為采樣周期采樣保持電路

輸出的信號已經是離散化為模擬量

采樣周期TS的倒數(shù)稱為采樣頻率fS,其選擇是微機保護硬件設計的一個關鍵問題采樣頻率

應該選多少？采樣頻率越高，精度越高，但

要求微處理器的運算速度越高

微機保護為實時系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集單元以采樣頻率所決定的時間向微處理器輸入數(shù)據(jù)微處理器

必須在一個采樣周期內完成所需的各種運算和操作

采樣頻率過低，將不能真實反

映被采樣信號的變化情況

采樣頻率的選擇

連續(xù)時間信號經采樣離散化成為離散時間信號后是否會丟失一些信息？以下圖為例進行分

析，設信號的頻率為fo每周采樣一個點，即fS=fO:采樣所得到的是一直流量

電即每兩周采樣3個點，采樣得到的是一個頻率低于fO的低頻信號當fS=2fO時，采樣所

得到的波形的頻率為fO

fS=1.5

只有fS2fmax時，采樣后所得到的信號才有可能較為真實地代表輸入信號，否則會出現(xiàn)頻率

混疊現(xiàn)象，造成信號失真一一杳農采樣定理

3.模擬低通濾波器

對于微機保護而言大多數(shù)的保護原理都是基于工頻或低頻電氣量

——所要求的采樣頻率不需要很高但是在系統(tǒng)故障瞬間，電壓、電流信號中都可能含有相

當高的頻率分量

為了滿足采樣定理，防止頻率混置，必須限制輸入信號的最高頻率一一前置低通濾波器的作

用一種使有用頻率信號通過，同時抑制無用頻率信號

的電路

無源濾波器有源濾波器，RC元件與運算放大器構成

無源濾波器RLC元件構成常用的二階無源低通濾波器的電路圖及對應的幅頻特性

二階無源低通濾波

器

其傳遞函數(shù)為

H(s)=

11+3RCS+(RCS)2

(Rl=R2=R)

調整RC數(shù)值可以改變?yōu)V波器的截止頻率，一般取為fs/2接線簡單，但對信號有衰減作用，

且會帶來延時

幅頻特性曲線

有源低通濾波器頻率特性更理想是主要采用的方式

4.模擬量多路轉換開關

繼電保護原理絕大多數(shù)基于多個輸入信號，因此保護裝置必需對多個模擬量同時采樣每?

通道都設置A/D轉換器，同時采樣后同時進行

A/D轉換一一經濟上不劃算全部通道合用一個A/D轉換器，同時采樣，依次A/D轉換一一

需要多路轉換開關通道1通道2采樣保持器1采樣保持器2采樣保持器nA/D轉換器1A/D

轉換器2A/D轉換淵n通道1數(shù)據(jù)總線通道2采樣保持器1采樣保持器2采樣保持器n多路

轉換器A/D轉換器

數(shù)據(jù)總線

通道n

通道n

同時采樣同時A/D轉換

同時采樣依次A/D轉換

多路轉換開關一一實現(xiàn)通道切換，輪流由公用的模數(shù)轉換器將模擬量轉換成數(shù)字量二進制通

道地址，基本原理

由微機控制

把多個模擬量通道按順序賦予不同的二進制地址在微機輸出地址信號后，多路轉換開關通過

譯碼電路選通某一通道(開關接通)多路轉換器A/D轉換器數(shù)據(jù)總線

通道1通道2

采樣保持器1采樣保持器2采樣保持器n

通道n

接A/D芯片接模擬量通道

同時采樣依次A/D轉換

5.模數(shù)轉換器(A/D)

微處理器只能對數(shù)字信號進行分析運算，所以檢測到的隨時間連續(xù)變化的電壓、電流等模擬

量必須轉化成離散的數(shù)字量實現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量的硬件芯片一一模數(shù)轉換器直接型：

輸入的模擬電壓離散值被直接轉換成數(shù)字代碼，不經任何中間變換一一逐次逼近式A/D轉換

器原理間接型：先把輸入的模擬電壓轉換成某種中間變量，然后再把這個中間變量轉換成

數(shù)字代碼輸出一一電壓頻率變換式(VFC)

逐次逼近式A/D轉換器將一待轉換的模擬輸入信號Uin與一個推測信號Ui相比較，根據(jù)推

測信號大于還是小于輸入信號來決定增大還是減小該推測信號，以便向模擬信號逼近推測

信號由D/A轉換器的輸出獲得

推測值的取值方法使二進制計數(shù)器中的每一位從最高位其依次置L尚未置位的較低各位為

0;若模擬輸入信號小于推測信號，則比較器輸出為零，計數(shù)器該位清零若模擬輸入信號大

于推測信號，則比較器輸出為1,計數(shù)器該位保持1不斷比較，直到最末一位數(shù)據(jù)輸出位即

對應模擬輸入信號的數(shù)字量

例子：輸入的模擬量為191

二進制計數(shù)器的最高位D7置1,即"*-*****,對應十進制為128,因此有*****，所以最

高位的1保留下來接著是次高位D6置1,即為***-*****,對應十進制為192,有*****,于是次高

位應該清零然后是比較第三位，將其置1,即為***-*****,對應十進制為160,有*****,于是該

位的1保持下來如此依次比較，最后可得模擬量的數(shù)字轉換結果為***-*****

A/D轉換器的主要技術指標(一)

分辨率：A/D轉換器所能分辨模擬輸入信號的最小變化量。即數(shù)字輸出最低位1所對應的模

擬量大小。設A/D轉換港位數(shù)為n,滿量程電壓為FSR,則定義為

FSR2n舉例：一個滿量程為10V的12位A/D,分辨率為2.44mV;16位A/D則為0.15mVA/D

轉換器的分辨率的高低取決于位數(shù)的多少

分辨率=

量程：A/D轉換器所能轉換模擬信號的電壓范圍。

0V~5V、-5V~5V、-10V~10V等

精度絕對精度：輸出數(shù)色的模擬電壓與實際模擬電壓之差絕對精度xlOO相對精度：絕對精

度與FSR之比的百分數(shù)，F(xiàn)SR精度和分辨率是兩個不同的概念。

A/D轉換器的主要技術指標(二)

轉換時間和轉換速率轉換時間：按照規(guī)定的精度將模擬信號轉換為數(shù)字信號

并輸出所需要的時間，一般用微秒表示。轉換速率：能夠重及進行數(shù)據(jù)轉換的速度，用每

秒轉換的次數(shù)表示。實際應用中，至少要求所有通道輪流轉換所需要的時間總和小于采樣

間隔

（二）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，核心是

微處理器。微處理器執(zhí)行存放在程序存儲器中的保護程序，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至隨機存儲

器中的數(shù)據(jù)進行分析處理，以完成保護功能微處理器內部設置有一定容量的存儲器，但一般

不能滿足實際需求，需要從外部進行擴展，配置外部存儲器程序常駐于只讀存儲器（EPROM）

計算過程和數(shù)據(jù)記錄所需要的臨時存儲由隨機讀寫存儲

器（RAM）實現(xiàn)保護定值等信息則放在電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）微處理器通過

其數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線及譯碼器與存儲器進行數(shù)據(jù)交換

（三）開關量輸入/輸出接口

微機保護所采集的信息通?？煞譃槟M量和開關量，這些量在微機保護中都是以二進制的形

式存在存儲器中斷路器和隔離開關、繼電器的節(jié)點、按鈕和普通

的開關、刀閘等都具有分、合兩種工作狀態(tài)，可以用0、1表示

對它們工作狀態(tài)的輸入和控制命令的輸出都可以表示為數(shù)字量的輸入和輸出開關量輸入回

路開關量輸出回路

1.開關量輸入回路

開關量輸入回路是為了讀入外部接點的狀態(tài)：包括斷路器和隔離開關的輔助接點或跳合閘

位置繼電器

接點、外部裝

置閉鎖接點、瓦斯繼電器接點、壓力繼電器接點等等

開關量輸入電路外部接點K接通時，有電流流過光電耦合器發(fā)光二極管，

使光敏三極管導通，使PAB的電位近似為零外部接點K打開，光敏三極管截止，PAB的電

位為+5VPAB可以是微處理器的I/OI」，或外擴并行口光電耦合器使輸入和輸出在電氣上完

全隔離，使其具有較高的抗干擾能力

2.開關量輸出回路

開關量輸出主要包括保護的跳閘出口信號以及反應保護工作情況的本地和中央信號等一般

都采用并行接口的輸出口去控制有無繼電器，但

為了提高抗干擾能力.一般也經過一級光電隔離工作原理

由軟件指令使并行口PBO輸出“0”,而PB1輸出T,則“與非門”H將輸出低電平，光敏三極管導

通，繼電器K接點合上，信號輸出可靠性更高：信號輸出回路防