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1、微机型继电保护基础 第三章 微机继电保护硬件系统的构成与原理,天津大学,3.1 传统保护装置硬件系统构成,电力系统发生故障时，电流增大、电压降低、电流与电压之间的相位角发生变化等。利用故障与正常运行时的差别，就可构成不同原理的继电保护装置，如： 1）反应电流变化的有过电流保护等。 2）反应电压变化的有低电压、或过电压保护等。,3）反应输送功率方向的有功率方向保护。 4）反应输入电流与输出电流之差值变化的有差动保护。 5）反应电压与电流比值变化的有距离保护。,不同原理的继电保护装置一般都由三个基本部分组成，如图所示：,测量部分：测量被保护设备工作状态（正常状态、故障状态或不正常工作状态）的有关的
2、电气量，判断是否发生故障。,逻辑部分：根据各测量元件输出量的大小、性质、组合方式、出现的顺序，来判断被保护设备的工作状态，以决定保护是否应该动作。 执行部分：根据逻辑部分所作出的决定，执行保护装置所承担的任务，即发出信号、跳闸或不动作。,方向过电流保护装置示意图,故障时短路电流产生的电磁力吸动衔铁，使继电器触点闭合，若功率方向元件判定故障为正方向，接通断路器的跳闸回路，断路器在跳闸弹簧的作用下，断开将故障切除。,正常运行时的负荷电流二次侧值产生的电磁力不足以吸动衔铁，继电器不动作。,电流互感器LH 和电压互感器YH 功率方向继电器线圈 电流继电器的线圈,监视着被保护设备的工作状态,保护装置的测
3、量部分,只有在发生故障时，短路功率方向为正方向并且电流增大到大于预定整定值时才动作。,继电器触点回路 延时元件,如导通则向执行部分送出执行信号,保护装置的逻辑部分,中间 继电器等,接到逻辑部分送来的信号后，发出使断路器跳闸的脉冲，以完成保护装置的动作,保护装置的执行部分,3.2 微机保护装置硬件系统构成,一般保护装置采用插件式结构（分为前插式和后插式），各插件之间通过底板走线实现电气联系。这样设计即考虑了现场使用的便利性又提高了装置的可靠性。一般插件类型可分为：交流量输入及滤波插件、电源模块及开入量插件、操作回路插件以及CPU插件，它们之间的相互关系如图所示。,微机保护装置硬件系统原理上和常规
4、保护一样，但是功能更多。,一般插件类型可分为：,交流量输入及滤波插件 电源模块及开入量插件 操作回路插件 CPU插件,它们之间的相互关系如图所示。,微机保护硬件整体结构,插件式结构：各插件之间通过底板走线实现 电气联系。,微机保护装置硬件系统构成详述,（1）数据采集单元:将模拟量转换为数字量。,电压形成 模拟滤波 采样保持 多路转换 模数转换,（2）数据处理单元即微机主系统:微处理器对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。,微处理器 只读存储器 随机存取存储器 定时器等,（3）数字量输入/输出接口。由若干并行接口、光电隔离器及中间继电器等组成，以完成
5、保护的出口跳闸、警报、外部接点输入及人机对话等功能。,（4）通信接口。包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网。 （5）电源。供给微处理器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的电源。,微机保护硬件示意框图,一 数据采集单元,（l）电压变换 微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器上取得信息，但这些互感器的二次数值的输入范围对微机保护装置硬件电路不适用，故需降低和变换。一般采用中间变换器来实现以上的变换。,微机保护通常要求输入信号为5V或10V的电压信号。电压变换：电压变换器，图(a)。电流变换:电流变换器，图(b)。,（a） (b),电流变换也可采用电抗变换器（电流电压）
6、。 优点：铁芯带气隙不易饱和，线性范围大，具有移相作用（对于微机保护意义不大）。 缺点：抑制直流分量，放大高频分量。当一次流过非正弦电流时，其二次电压波形将畸变。,电抗变换器,电流变换器优点：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，即它的传变可使电流变换不失真。 这点对微机保护是重要的，因为只有在这种条件下作精确的定量分析有意义。需要提取或抑制某些分量，可以容易地通过软件实现。,电流变换器,电流变换器的缺点是，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。,电流变换器,采用电流变换器时，如图(b)所示：
7、其中Z为模拟低通滤波器和A/D等回路构成的负载阻抗，在工频条件下，该负载阻抗可达80k以上；RLH为电流变换器二次侧的并联电阻，数值为几欧姆到几十欧姆，远远小于Z。,因为RLH与Z的数值差别很大，由图可得：,(3-1),(3-2),为并联电阻； 为电流变换器的变比； 为电流变换器一次电流的最大瞬时值(峰值)； 为最大允许电压（取决于AD）。,在中间变换器一次和二次之间，应绕一个与地网连接的屏蔽层，以减小通过一、二次绕组间分布电容串入的共模干扰。,屏蔽层作用的示意图 （a）共模干扰及屏蔽层示意 (b)屏蔽层作用的等效电路,C1、C2为变换器两侧与屏蔽层之间的等效电容,ZL为交流输入传输导线等效阻
8、抗,Zf为设备对地的等效阻抗,由于Zg很小，所以有了屏蔽绕组共模干扰信号对变换器二次侧的影响得到极大的抑制。 这些中间变换器还起到屏蔽和隔离共模干扰、提高交流回路可靠性的作用。,电流电压变换回路除了起电量变换作用外，还起到隔离作用(接地的屏蔽绕组)。它使得微机保护装置在电路上与电力系统二次回路隔离。,为克服电磁式互感器剩磁、饱和等缺点，国内、外很早就研究和应用光电流互感器。,光电互感器与传统的电磁型互感器相比有以下主要的优越性：,1）优良的绝缘性能，造价低、体积小、质量轻。,电磁式互感器的一次绕组与二次绕组间通过铁心耦合，它们间绝缘结构复杂，造价随电压等级升高呈指数关系上升；,光电流互感器（O
9、CT）和光电压传感器（OPT）绝缘结构简单，信号传输不受电磁干扰影响，其造价一般随电压等级升高而呈现线性增加。因此，预计OCT和OPT应用于电压等级越高的变电站，其性能价格比越优越;,2）不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。电磁型互感器在电力系统故障时易饱和，因而可能导致保护的错误动作。而光电互感器可彻底解决此问题;,3）动态范围大，测量精度高。其额定电流可达几十安至几千安，过电流范围可至几十万安；一个OCT可同时满足测量和继电保护需要，避免了CT的重复投资，又减少了体积;,4）频率范围宽。可测量高压线路的高频谐波电流；还可进行电流暂态、高频大电流与直流电流的测量。为新原理继电保护装置的开
10、发创造了有利条件。,5) 抗干扰能力强。 由于光电互感器有很多优越性，因此，近年来国内外学者对光学互感技术在电力系统中的应用进行了较多的研究。到80年代，形成研究高潮并取得较好的进展。当然，光电互感器要代替电磁式的互感器，目前国内已有OCT和用OCT的差动保护在试运行。,（2）模拟低通滤波器（ALF）,滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的电路。 对微机保护系统来说，故障初瞬间电压、电流信号中可能含有相当高的频率分量，为防止频率混叠，fs不得不用得很高，对硬件速度提出过高的要求。实际上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模拟低通滤波器将高频分
11、量滤掉，这样就可以降低fs，从而降低对硬件提出的要求。,由于数字滤波器的作用，通常并不要求低通滤波器滤掉所有的高额分量而仅用它滤掉fs/2以上的分量，以消除频率混叠，防止高频分量混到工频附近来。,模拟低通滤波器分无源和有源两种。常用的无源低通滤波器由两级RC滤波电路构成。只要调整RC数值就可改变低通滤波器的截止频率。此时截止频率可设计为fs2，以限制输入信号的最高频率。,这种滤波器接线简单，但电阻与电容回路对信号有衰减作用，并会带来延迟，对快速保护不利，仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护。对于要求高性能又快速的保护，必须采用有源的低通滤波器。有源低通滤波器通常由上述无源滤波器加上运算放大器
12、构成，此时电容可取较小的数值，从而加快了保护动作速度。,1.用作电压放大器：被放大交流电压Us 经R1加在“”端，“”端经R2接地，Rf为反馈电阻。因运放输入阻抗趋于，因而从“”输入的电流为0，“”和“”的电位相等，都等于地电位0，故：,运算放大器简介,放大倍数,一般RfR1,故可得到一放大倍数很大的反相放大器。,2. 积分器：用运算放大器可以构成积分器。,即运放的输出电压正比于输入电压的积分。,图所示是一种常用的二阶有源低通滤波电路，称为单端正反馈低通滤波器。它的主要优点为：仅用一个运算放大器，结构简单，RC元件少。缺点是元件参数的变化对滤波器滤波效果影响较大。通过参数的合理选择，该有源滤波
13、器可以得到理想的频率特性。,（3）采样保持（SH）电路及采样频率的选择,采样保持电路的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，并在模拟/数字转换器进行转换期内保持其输出不变。即把随时间连续变化的电气量离散化。,采样保持电路原理,它由一个电子模拟开关K，电容C以及两个阻抗变换器组成。开关K受逻辑输入端电平控制。在高电平时K闭合，此时，电路处于采样状态，C迅速充电或放电到电容上电压等于该采样时刻的电压值(Ui)。K的闭合时间应满足采样时间。,为了缩短采样时间，这里采用阻抗变换器l，它在输入端呈现高阻抗，输出端呈现低阻抗，使C上电压能迅速跟踪等于Ui值。K打开时，电容C上保持住K打开
14、瞬间的电压，电路处于保持状态。同样为了提高保持能力，电路中亦采用了另一个阻抗变换器2，它对C呈现高阻抗。,采样保持过程示意图,Tc为采样脉冲宽度，Ts为采样周期（或采样间隔）。可见，采样保持输出信号已经是离散化的模拟量，再经A/D转换后就成为离散化数字量。,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。,采样频率越高，要求微处理器的速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样的频率不断地向微处理器输入数据，微处理器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作的各种操作和运算。 否则,微处理器将跟不上实时节拍而无法工作。
15、相反，采样频率过低，将不能真实反映被采样信号的情况。,微机保护所反应的电力系统参数是经过采样离散化之后的数字量。那么，连续时间信号经采样离散化成为离散时间信号后是否会丢失一些信息，也就是说这离散信号能否真实地反映被采样的连续信号呢？,（a）被采样信号； （b）采样频率fs= fo； （c）采样频率fs= 1.5fo； （d）采样频率fs= 2fo,被采样信号X（t）的频率为fo，对其进行采样。若每周采一点，即fs= fo ，由图b可见，采样所得到的为一个直流量。 若每周采15点，即fs= 1.5fo时，采样得到的是一个频率比fo低的低频信号, 如图c所示。,当fs= 2fo时，采样所得波形的频
16、率为fo，虽然这时波形已接近原信号波形但仍然有失真现象。 显然，只有fs2fo，则采样后所得到的信号才有可能较为真实地代表输入信号X（t）。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个低频信号。只有在fs2fo后，才不会出现这种失真现象。,乃奎斯特采样定理：fs2fo。fs愈高，能反应的高频成分愈多亦即失真愈小。总之，为了使信号采样后能够不失真地还原，采样频率必须大于信号最高频率两倍以上，这就是乃奎斯特采样定理。,（4）模拟量多路转换开关（MPX）,保护装置通常需对多个模拟量同时采样，以准确获得各个量之间的相位关系并使相位关系经过采样后保持不变，这就要对每个模拟输入量设置一套电压形成、模拟低通滤波和采样保持电路。所有采样保持器的逻辑输入端并联后由定时器同时供给采样脉冲。,由于模数变换器复杂及价格昂贵，通常不宜对各路电压、电流模拟量采用同时A/D转换，而是采用多路S/H共用一个A/D变换器，中间经多路转换开关切换，轮流由公用的A/D变换器将模拟量转换成数字量。由于保护装置所需同时采样的电流和电压模拟量不会很多，只要A/D变换器的转换速度足够高，上述同时采样的要求是能够满足的。,
