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1、第9章 微机继电保护,返回总目录,本章讲述微机保护原理方面的基础知识，主要包括硬件原理、数据采集、数字滤波、特征量和保护动作判据的算法、软件流程、抗干扰措施及今后的发展趋势等方面的内容。,本章内容, 9.1 概 述 9.2 微机保护的硬件构成原理 9.3 微机保护的特征量算法 9.4 微机保护装置的软件构成 9.5 提高微机保护可靠性的措施 9.6 微机保护技术发展趋势 思考题与习题,9.1 概 述,9.1.1 计算机在继电保护领域中的应用和发展概况 近几十年来电子计算机技术发展很快，其应用已广泛而深入地影响着科学技术、生产和生活等各个领域，使各行业的面貌发生了巨大的变化，继电保护技术也不例外
2、。在继电保护技术领域，除了用作故障分析和保护动作性能分析外，20世纪60年代末期已提出用计算机构成保护装置的倡议。到了20世纪70年代末期，出现了一批功能足够强的微型计算机，价格也大幅度降低，因而无论在技术上还是经济上，已具备用一台微型计算机来完成一个电气设备保护功能的条件，从此掀起了新一代的继电保护微机保护的研究热潮。 微机保护是指将微型机、微控制器等器件作为核心部件构成的继电保护。国内在微机保护方面的研究工作起步较晚，但进展却很快。1984年上半年，华北电力学院研制的第一套以6809(CPU)为基础的距离保护样机投入试运行。1984年底在华中工学院召开了我国第一次计算机继电保护学术会议，这
3、标志着我国计算机保护的开发开始进入了重要的发展阶段。经过10多年的研究、应用、推广与实践，现在新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。,9.1.2 微机继电保护装置特点 1. 调试维护方便 在微机保护应用之前，整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，原因是这类保护装置都是布线逻辑的，保护的功能完全依赖硬件来实现。微机保护则不同，除了硬件外，各种复杂的功能均由相应的软件(程序)来实现。 2. 高可靠性 微机保护可对其硬件和软件连续自检，有极强的综合分析和判断能力。它能够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动；同时，软件也具有自检功能，对输入的数据进行校错
4、和纠错，即自动地识别和排除干扰，因此可靠性很高。目前，国内设计与制造的微机保护均按照国际标准的电磁兼容试验(EMC，Electromagnetic Compatibility)来考核，进一步保证了装置的可靠性。 3. 易于获得附加功能 常规保护装置的功能单一，仅限于保护功能，而微机保护装置除了提供常规保护功能外，还可以提供一些附加功能。例如，保护动作时间和各部分的动作顺序记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等。对于线路保护，还可以提供故障点的位置(测距)，这将有助于运行部门对事故的分析和处理。电压互感器的二次是否发生断线等信息。,9.1 概 述,4. 灵活性 由于微机保护的特性主
5、要由软件决定，因此替换改变软件就可以改变保护的特性和功能，且软件可实现自适应性，依靠运行状态自动改变整定值和特性，从而可灵活地适应电力系统运行方式的变化。 5. 改善保护性能 由于微型机的应用，可以采用一些新原理，解决一些常规保护难以解决的问题。例如，利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障，对接地距离保护的允许过渡电阻的能力，大型变压器差动保护如何识别励磁涌流和内部故障，采用自适应原理改善保护的性能等。 6. 简便化、网络化 微机保护装置本身消耗功率低，降低了对电流、电压互感器的要求，而正在研究的数字式电流、电压互感器更易于实现与微机保护的接口。同时，微机保护具有完善的网络通信能力，可适应无
6、人或少人值守的自动化变电站。,9.1 概 述,9.2 微机保护的硬件构成原理,9.2.1 微机保护的硬件组成 1. 数据采集系统DAS(或模拟量输入系统) 数据采集系统包括电压形成、模拟滤波(ALF)、采样保持(S/H)、多路转换(MPX)以及模拟转换(A/D)等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为微型机所需的数字量。 2. 微型机主系统(CPU) 微型机主系统包括微处理器(MPU)、只读存储器(ROM)或闪存内存单元(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、定时器、并行接口以及串行接口等。微型机执行存放在只读存储器中的程序，将数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理，完成各种继电保护
7、的功能。 3. 开关量(或数字量)输入/输出系统 开关量输入/输出系统由微型机若干个并行接口适配器、光电隔离器件及有接点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接点输入及人机对话、通信等功能。 图9.1为一种典型的微机保护硬件结构示意框图。,图9.1 微机保护硬件结构示意框图,9.2 微机保护的硬件构成原理,9.2.2 数据采集系统 1. 电压形成回路 微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其他变压器上取得信息，但这些互感器的二次数值、输入范围对典型的微机保护电路却不适用，需要降低和变换。在微机保护中，通常根据模数转换器输入范围的要求，将输入信号变换为
8、5V或10V范围内的电压信号。因此，一般采用中间变换器来实现以上的变换。交流电压信号可以采用小型中间变压器；而将交流电流信号变换为成比例的电压信号，可以采用电抗变换器或电流变换器。电抗变换器具有阻止直流、放大高频分量的作用，当一次存在非正弦电流时，其二次电压波形将发生严重的畸变，这是不希望的。其优点是线性范围较大，铁芯不易饱和，有移相作用；另外，其抑制非周期分量的作用在某些应用中也可能成为优点。电流变换器的优点是，只要铁芯不饱和，则其二次电流及并联电阻上的二次电压的波形可基本保持与一次电流波形相同且同相，即它的传变信号可使原信息不失真。传变信号不失真这点对微机保护是很重要的，因为只有在这种条件
9、下作精确的运算或定量的分析才是有意义的。至于移相、提取某一分量等，在微机保护中，根据实际需要可以容易地通过软件来实现。但电流中间变换器在非周期分量的作用下容易饱和，线性度较差，动态范围也较小，这在设计和使用中应予以注意。,9.2 微机保护的硬件构成原理,2. 采样保持电路和模拟低通滤波器 1) 采样基本原理 采样保持(Sample/Hold)电路，其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模/数转换器进行转换的期间内保持其输出不变。S/H电路的工作原理可用图9.2(a)来说明，它由一个电子模拟开关AS、保持电容器Ch以及两个阻抗变换器组成。模拟开关AS受逻辑输入端的电平控制
10、，该逻辑输入就是采样脉冲信号。,9.2 微机保护的硬件构成原理,(a) 采样保持电路工作原理图 (b) 采样保持过程示意图 图9.2 采样保持电路工作原理图及其采样保持过程示意图,9.2 微机保护的硬件构成原理,在输入为高电平时AS闭合，此时电路处于采样状态。电容Ch迅速充电或放电到usr在采样时刻的电压值。电子模拟开关AS 每隔TS(s)闭合一次，将输入信号接通，实现一次采样。如果开关每次闭合的时间为TC(s)，则输出将是一串重复周期为TS 宽度为TC 的脉冲，而脉冲的幅度则重复着TC时间内的信号幅度。AS闭合时间应满足使Ch有足够的充电或放电时间即采样时间，显然希望采样时间越短越好。而应用
11、阻抗变换器I的目的是它在输入端呈现高阻抗，对输入回路的影响很小；而输出阻抗很低，使充放电回路的时间常数很小，保证Ch上的电压能迅速跟踪到在采样时刻的瞬时值usr。 电子模拟开关AS打开时，电容器Ch上保持住AS打开瞬间的电压，电路处于保持状态。为了提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器，它在Ch侧呈现高阻抗，使Ch对应的充放电回路的时间常数很大，而输出阻抗(usc侧)很低，以增强带负载能力。阻抗变换器I和可由运算放大器构成。 采样保持的过程如图9.2(b)所示。图9.2(b)中，TC称为采样脉冲宽度，TS称为采样间隔(或称采样周期)。等间隔的采样脉冲由微型机控制内部的定时器产生，如图9.2
12、(b)中的“采样脉冲”，用于对“信号”进行定时采样，从而得到反映输入信号在采样时刻的信息，即图9.2(b)中的“采样信号”；随后，在一定时间内保持采样信号处于不变的状态，如图9.2(b)中的“采样和保持信号”；因此，在保持阶段，在任何时刻进行模数转换，其转换的结果都反映了采样时刻的信息。,9.2 微机保护的硬件构成原理,2) 对采样保持电路的要求 高质量的采样保持电路应满足以下几点： (1) 电容Ch上的电压按一定的精度跟踪上usr所需的最小采样宽度TC(或称为截获时间)，对快速变化的信号采样时，要求TC尽量短，以便可用很窄的采样脉冲，这样才能更准确地反映某一时刻的usr值。 (2) 保持时间
13、更长。通常用下降率 来表示保持能力。 (3) 模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。 3) 采样频率的选择 采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs。采样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关键问题，为此要综合考虑很多因素，并要从中作出权衡。采样频率越高，要求CPU的运行速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样频率不断地向微型机输入数据，微型机必须要来得及在两个相邻采样间隔时间Ts内处理完对每一组采样值所必须做的各种操作和运算，否则CPU跟不上实时节拍而无法工作。相反，采样频率过低，将不能真实地反映采样信号的情况。由采样(香农)定理可以证明，如果被采样信号中所含最高频率成
14、分的频率为fmax，则采样频率fs必须大于fmax的2倍(即fs2fmax)，否则将造成频率混叠。,9.2 微机保护的硬件构成原理,下面仅从概念上说明采样频率过低造成频率混叠的原因。设被采样信号x(t)中含有的最高频率为fmax，现将x(t)中这一成分x fmax(t)单独画在图9.3(a)中。从图9.3(b)可以看出，当fS=fmax时，采样所看到的为一直流成分；而从9-3(c)看出，当fS略小于fmax时，采样所得到的是一个差拍低频信号。也就是说，一个高于fS/2的频率成分在采样后将被错误地认为是一低频信号，或称高频信号“混叠”到了低频段。显然，在满足香农定理fS2fmax后，将不会出现这
15、种混叠现象。 4) 模拟低通滤波器的应用 对微机保护来说，在故障初瞬，电压、电流中含有相当高的频率分量(如2kHz以上)，为防止混叠，fs将不得不用得很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上，目前大多数的微机保护原理都是反映工频量的，在这种情况下，可以在采样前用一个低通模拟滤波器(LPF)将高频分量滤掉，这样就可以降低fs，从而降低对硬件提出的要求。由于数字滤波器有许多优点，因而通常并不要求图9.1中的模拟低通滤波器滤掉所有的高频分量，而仅用它滤掉fs/2以上的分量，以消除频率混叠，防止高频分量混叠到工频附近来。低于fs/2的其他暂态频率分量，可以通过数字滤波器来滤除。实际上，电流互感器、
16、电压互感器对高频分量,9.2 微机保护的硬件构成原理,已有相当大的抑制作用，因而不必对抗混叠的模拟低通滤波器的频率特性提出很严格的要求，例如不一定要求很陡的过渡带，也不一定要求阻带有理想的衰耗特性，否则高阶的模拟滤波器将带来较长的过渡过程，影响保护的快速动作。最简单的模拟低通滤波器如图9.4所示。,(a) x fmax (t)波形,(b) fS=fmax采样波形,fSfmax,9.2 微机保护的硬件构成原理,fSfmax,(c) fSfmax采样波形 图9.3 频率混叠示意图,图9.4 RC低通滤波器,9.2 微机保护的硬件构成原理,采用低通滤波器消除频率混叠问题后，采样频率的选择在很大程度上取决于保护的原理和算法的要求，同时还要考虑硬件的速度问题。 3. 多路转换开关 多路转换开关又称多路转换器，它是将多个采样保持后的信号逐一与A/D芯片接通的控制电路。它一般有多个输入端，一个输出端和几个控制信号端。在实际的数据采集系统中，被模数转换的模
