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1、电力系统继电保护原理,主讲教师：刘青 电自教研室,继电保护的硬件构成,2.1 继电器,1、继电器的分类 按照动作原理分为： 电磁型、感应型、整流型、电子型和数字型等； 按照反应的物理量可分为： 电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器和气体（瓦斯）继电器等； 按照继电器在保护回路中所起的作用分为： 启动继电器、量度继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器和出口继电器等；,2、对继电器的基本要求： 工作可靠，动作过程具有“继电特性”。 3、继电器的继电特性：,继电器的动作明确干脆 不可能停留在某一中间 位置，这种特性称为“继 电特性”。,继电器的动作电流：使继电器动作的最小电流； 继
2、电器的返回电流：使继电器返回的最大电流；,电磁型电流继电器,3个力矩： 电磁力矩Mdc； 弹簧力矩Mth； 摩擦力矩Mm；,动作条件：,返回条件：,2.2 微机继电保护简介,计算机用于现场工业控制的例子举不胜举,250 Kb/s, 16位, 16路高分辨率多功能数据采集卡,能够提供隔离数字量输入通道和隔离数字量输出通道,隔离保护电压可达到2500VDC.它们是要求采取高电压隔离工业应用的理想选择.此外,所有输出通道都提供高电压保护,8 通道隔离数字量输入和 8 通道继电器输出卡,CAN总线接口卡,计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并
3、借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。 辅助部件：输入输出接口、检测装置和执行装置等。 与被控对象的联系和部件间的联系：可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。 控制目的：可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。,对于一个具体的微机保护装置，通常将硬件电路按功能分别布置在几个PCB板上称为保护的“插件”，各插件安装于一个机箱中，采用总线把各插件联系在一起，构成一套完整的保护装置。 从结构上看，一个完整的微机保护包含以下几部分：机箱、插件、面板、总线,微机保
4、护装置的结构,装置正面布置图：,液晶显示器LCD,光 字 灯 LED,确认键SET,退出键QUIT,信号复归键RST,上下左右选择键,串行接口ISO,插件及其功能：,0.1.3微机保护装置构成及其特点,微机保护的构成框图,至通信网,数据采集系统完成把电压互感器和电流互感器二次的电压、电流信号变换为数字信号，供微机系统使用。,保护微机系统实现具体的继电保护功能，由不同的软件实现不同的继电保护功能。,管理微机系统主要作为人机对话的手段。,通常为外部继电器的接点、保护屏上的投退压板、操作把手的接点等，一般是经光电隔离后输入微机系统。,保护系统通过开关量输出驱动电路使继电器动作。这些继电器包括跳闸出口
5、继电器、信号继电器、硬件故障的告警继电器。,微机保护装置具有一般计算机系统共同的特点 1）计算速度足够快 2）计算精度足够高 3）存储容量足够大 4）逻辑判断 5）硬件的通用性 6）智能化程序化设计的结果 7）通讯网络接口,现场应用的微机保护,发电厂值班人员监视机组生产,2.3 微机继电保护硬件系统的构成,数据采集单元 数据处理单元 开关量输入/输出接口 通信接口 电源,2.3.1 微机保护硬件功能结构划分,微机保护硬件按功能可分为：,2.3.1 微机保护硬件功能结构划分,将模拟信号转换为数字信号,对采集到的数据进行分析处理，以完成各种保护功能,完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接 点输入
6、及人机对话等功能；,一、数据采集系统,1. 电压形成,一、常识 1.微机保护输入的电气量 1）交流电流：来自TA的二次侧，额定电流为5A或1A 2）交流电压：来自TV的二次侧，额定线电压为100V 3）直流电压：发电机的励磁电压400-600V 2.电力系统短路故障后电气量的变化 1）电流升高，最大一次电流倍数可通过故障计算得出。 2）相电压降低，最低可达到0V； 3）零序电压在发生不对称接地短路时有输出。 3.数据采集系统处理的一般都是电压信号，根据采用的模数转换器件不同，其输入信号范围不同，如05V,010V,-2.5V+2.5v,-5V+5V,-10V+10V等。,4. 变换器的作用和分
7、类 1）按变换的信号 电流变换器；电压互感器；电流电压双用互感器 2）按用途分类 测量用电流、电压变换器；录波用电流、电压变换器；保护用电流、电压变换器；,4. 变换器的作用和分类 作用： 电流、电压变换器除了电量变换作用外，还起隔离作用， 使微机保护装置在电路上与电力系统二次回路隔离。,举例：保护用电压变换器,电流变换器,2.采样保持（S/H）电路及采样频率的选择,一、概述 模拟信号进行A/D转换时，有以下事实：,从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。,在这个转换时间内，模拟信号要保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号输入频率较高时，会造成很大的转换误差。,要防止这种误
8、差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。,能完成这能完种功能的器件叫采样保持器。采样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。,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，并在模数转换器进行转换期间内保持其输出不变，即把随时间连续变化的电气量离散化。,高电平时s闭合，电路处于采样状态，电容迅速充电或放电，使其两端电压等于该采样时刻的电压值。 S打开时，电容C上保持住S打开瞬间的电压值，电路处于保持状态；,采样脉冲宽度,采样周期,采样保持器工作示意,采样频率：,通常采样频率为：,采样频率反应了采样速度。在电
9、力系统的实际应用中，用采样频率相对于基波频率的倍数N来表示采样速率，称为每基频周期采样点数，简称为N点采样；,采样定理：,若输入信号的频率较高而采样频率很低。采样数据便无法正确地描述原始波形，即合适的采样频率与输入信号的频率有关；,即采样频率应大于输入信号的最高频率fmax的2倍；,采样频率太低，会误认为输入信号为虚线所示的低频信号；,一周波两个采样值时，还可以得到另一个同频率但不同幅值和相位的信号，即由采样值无法唯一确定输入信号；,采样保持器器件举例LF398,LF398典型的参数如下： 运算放大器的输出阻抗不大于6欧姆， 输入阻抗高达10000兆欧姆 电压下降率为2mV/s 电压按误差小于
10、0.1%的精度跟踪输入信号，截获时间约为20微秒。,实际应用中，确定采样率还需要考虑以问题： (1) 电力系统的故障信号中可能包含很高的频率成分，但多数保护原理只需使用基波和较低次的高次谐波成分，可以对输入信号先进行模拟低通滤波器（ALF），降低其最高频率，从而降低采样频率,降低对硬件的要求。 (2) 实用采样频率通常按保护原理所用信号频率的410倍。,3. 模拟低通滤波器ALF,1）电力系统故障后的暂态信号的频率成分 目前大多数保护原理是基于工频分量的保护 2）硬件能力 采样频率的高低受到CPU的速度、被采集的模拟信号的路数、A/D转换后的数据与存储器的数据传送方式的制约。 要求在一个采样间
11、隔内完成对所有采样信号的处理，否则会造成数据的错误。,短路瞬间电流、电压中含有高频率信号，为了防止混叠误差，要求采样频率很高，势必增加对硬件的要求。 实际上目前大多数微机保护原理是反映工频量的，或反映某些高次谐波，故可以在采样之前将最高信号波频率分量限制在一定频带内。 一般在采样前用一个低通滤波器（ALF）将高频分量滤掉。以降低采样频率，从而降低对硬件的要求。,RC无源低通滤波器电路,二阶RC模拟低通滤波器,调整RC元件参数可以改变低通滤波器的截止频率； 根据采样定理，截止频率可设计为fs/2；,RC无源低通滤波器电路,二阶RC模拟低通滤波器,这种滤波器接线简单，但电容与电阻回路对信号有衰减作
12、用，会产生时间延迟，对快速保护有不利影响，仅适用于对速度和性能要求不高的保护；,二阶有源低通滤波器电路,模拟式有源滤波器,主要优点为结构简单，但元件参数的变化对滤波器滤波效果影响较大；,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；,4. 模拟量多路转换开关MPX,数字保护装置中要求数据采集系统同时完成多路模拟输入信号的数据采集，并保证这多路数字采样序列在每一时刻采样值的同时性；,4. 模拟量多路转换开关MPX,(1).模数转换器的分类,5.模数转换器（/D）,(2).A/D型模数转换的一般原理 模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。 模数转换器可以认为是一种编码电路。它可以实现
13、将模拟的输入量 相对于参考电压 经过一个编码电路转换成数字量D。用二进制数表示为：,式中： 为二进制数的0或1。 其中D是一个小于1的数， 。从而，模拟信号可表示为：,工作原理,a.逐次逼近型电路结构框图,1个时钟周期内只能完成1位转换。n位转换需要n个时钟周期，故采样速率不高,输入带宽也较低。 优点是原理简单，便于实现，适用于中速率而分辨率要求较高的场合,第一次设定数码： 1 0 0 0 URUO URUO URU0 UR 第四次设定数码 1111 1101 1011 1001 0111 0101 0011 0001,A/D型模数转换器举例,1）AD574 Complete 12-Bit A
14、/D Converter with Reference and Clock 8- and 16-Bit Microprocessor Bus Interface 35 s Maximum Conversion Time,AD7665与微型机的接口,AD7665是一种逐次逼近型的16位数模转换器，转换速率是500kSPS（Samples Per Second），即进行一次模数转换的时间为1/500K=2uS。,b.VFC式A/D型模数转换,换一种思路，用待转换的电压V控制计数脉冲的频率，使脉冲频率正比于电压V，而计数间隔不变，则计数结果也代表输入了电压的大小。,这种模数转换称为电压-频率型（V-
15、F型）模数转换，简称VFC。,电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）是另一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。,VFC工作原理,输出波形,输入电压V为一负电压，在其作用下，电容器C充电，当积分器的输出电压上升至零时，过零比较器发生跳变。触发单稳电路，使之产生一个宽度为to的脉冲，此脉冲控制开关S，使其与+Vs电源接通to时间，C反充电，当to结束时，S断开，在负的输入电压作用下，电容器C又充电，如此反复进行下去，振荡不止。于是可将输入的模拟电压变换为一串等幅脉冲输出。 显然，其它参数不变时，当
16、输入电压越大，积分电容充电越快，从而使输出脉冲的频率越高。反之，输入电压越小输出脉冲的频率越低。,单稳触发器的输出脉冲信号的宽度受RT和CT两个参数的影响。在RT固定时，改变用户接入的CT大小，可改变单稳触发器输出脉冲信号的宽度。,微机保护中VFC型数据采集系统的构成,浪涌吸收器：由RC网络构成，可吸收高频干扰信号。 电压频率变换器：由VFC芯片实现电压到频率的转换。将模拟信号变为数字信号。 光电隔离器：由光电隔离芯片实现模拟系统与数字系统的隔离，具有抗干扰的作用。 计数器：由可编程的计数器芯片构成，通常为16位计数器。在单片机的干预下，在每次采样中断中，读取计数器的计数值。,VFC型数据采集系统结构简图如下所示。可见与普通A/D型的数据采集系统是不一样的。,VFC型数据采集系统的特点：,（1）有低通滤波的作用，可以大大抑制噪声； 普通A/D转换器是对模拟量瞬时值进行转换，
