微機(jī)保護(hù)基礎(chǔ)

1、課題一微機(jī)保護(hù)基礎(chǔ)微機(jī)保護(hù)基礎(chǔ)v定義v基本原理v微機(jī)保護(hù)的發(fā)展概括v微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)v微機(jī)保護(hù)工作流程v微機(jī)保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)不正常工作狀態(tài)、故障、事故v不正常工作狀態(tài) 指由于各種原因使電氣設(shè)備或系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)偏離了規(guī)定允許值的情況，又稱為異常狀態(tài)。如變壓器的過負(fù)荷等。v故障 指系統(tǒng)內(nèi)各種短路、斷線、短路加斷線等。最嚴(yán)重最危險(xiǎn)且最常見的故障是各種短路，如相間短路（三相和兩相）、接地短路（單相和兩相）、匝間短路等。v事故 指系統(tǒng)的正常工作遭到破壞，以致造成對(duì)用戶的體停電或少送電、電能質(zhì)量下降到不允許程度，甚至造成人身傷亡及電氣設(shè)備的損壞。（前者稱為停電事故，后者稱為人身和設(shè)備事故）。繼電保護(hù)裝置及

2、繼電保護(hù)v繼電保護(hù)裝置： 能夠反應(yīng)被保護(hù)設(shè)備（元件）所發(fā)生的故障或出現(xiàn)的不正常工作狀態(tài)，并作用于斷路器跳閘或發(fā)出信號(hào)的自動(dòng)裝置。（又稱為反事故裝置）v繼電保護(hù)： 對(duì)保護(hù)裝置構(gòu)成原理的研究、動(dòng)作行為的分析以及整定計(jì)算等內(nèi)容，統(tǒng)稱為繼電保護(hù)。 基本原理v 利用被保護(hù)設(shè)備（元件）在正常運(yùn)行與發(fā)生故障或出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)時(shí)參數(shù)變化的特點(diǎn)構(gòu)成；將設(shè)備(元件)的參數(shù)與整定值進(jìn)行比較，當(dāng)滿足條件時(shí)保護(hù)啟動(dòng)，瞬時(shí)或延時(shí)動(dòng)作，跳閘或發(fā)信號(hào)。v例如：L1：線路正常運(yùn)行時(shí)； 負(fù)荷電流 值小 線路相間短路時(shí)： 短路電流 值大 利用線路故障時(shí)電流增大的特點(diǎn)可以構(gòu)成電流保護(hù)。電流保護(hù)的整定值即動(dòng)作電流用Idz表示電流保護(hù)

3、： 瞬時(shí)電流速斷保護(hù) 當(dāng)IdIdz時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)，瞬時(shí)動(dòng)作跳QF1 定時(shí)限過電流保護(hù) 當(dāng)IdIdz時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)，延時(shí)動(dòng)作跳QF1微機(jī)保護(hù)的發(fā)展概括v1984年由華北電力學(xué)院研制的微機(jī)距離保護(hù)MDP1型經(jīng)試運(yùn)行后通過科研鑒定并于1987年投入批量生產(chǎn)。其特點(diǎn)是采用單CPU結(jié)構(gòu)及多路轉(zhuǎn)換的ADC模數(shù)變換模式。v1990年由華北電力學(xué)院北京研究生部首先研制的11型微機(jī)保護(hù)投入試運(yùn)行，其代表產(chǎn)品WXH11、WXB11等。其特點(diǎn)是采用多單片機(jī)并行工作，總線不引出插件，采用VFC模式變換方式。v第三代產(chǎn)品由北京四方公司與華北電力大學(xué)聯(lián)合研制生產(chǎn)的CS系列產(chǎn)品，如線路保護(hù)CSL101系列、變壓器保護(hù)CST20

4、0系列。其特點(diǎn)是采用不擴(kuò)展的單片機(jī)，總線不引出芯片及較先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)技術(shù)。v國家電力公司電力自動(dòng)化研究院研制的LEP900系列保護(hù)裝置。（反映故障分量的高速繼電保護(hù)軟件原理）v在綜自站，微機(jī)保護(hù)裝置與監(jiān)控系統(tǒng)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。保護(hù)裝置通過微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，將保護(hù)的狀態(tài)、動(dòng)作、信號(hào)等傳送給集控站或調(diào)度所，值班員可以在遠(yuǎn)方投切保護(hù)裝置、查看保護(hù)狀態(tài)，修改保護(hù)定值等。微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)微機(jī)保護(hù)裝置 硬件：重要元件為單片機(jī)或數(shù)字處理器 軟件（程序）：實(shí)現(xiàn)保護(hù)各種功能1.維護(hù)和調(diào)試方便 給電源自診無報(bào)警，說明裝置是完好的。因此對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置而言，除了輸入和修改定值及檢查外部接線外幾乎不用調(diào)試，從而

5、大大減輕了運(yùn)行維護(hù)的工作量。2.可靠性高 具有在線自檢功能，可以檢查出硬件的異常，從而可避免由于硬件異常引起的保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)；軟件在編程上可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和排除干擾信號(hào)，防止保護(hù)誤動(dòng)作。3.易于獲得附加功能 裝置通常配有通信接口，可連接打印機(jī)或其它顯示設(shè)備，在系統(tǒng)發(fā)生故障后可提供多種信息，有助于事故后的分析及判定保護(hù)的動(dòng)作情況。4.靈活性大 當(dāng)硬件設(shè)計(jì)盡量相同時(shí)，只要改變軟件就可以改變保護(hù)的特性和功能，從而可靈活地適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展對(duì)保護(hù)要求的變化。5.保護(hù)性能得到很好改善 微處理器的使用，使得在保護(hù)中可以引入人工智能技術(shù)或復(fù)雜的算法，從而解決了常規(guī)保護(hù)中所存在的很多技術(shù)問題。6.具有遠(yuǎn)方監(jiān)控特

6、性 微機(jī)保護(hù)裝置都具有串行通信功能，與變電所微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)使微機(jī)保護(hù)具有遠(yuǎn)方監(jiān)控的特點(diǎn)并將微機(jī)保護(hù)納入變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。微機(jī)保護(hù)工作流程微機(jī)保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)v典型結(jié)構(gòu)1.信號(hào)輸入部分： 妥善處理模擬量信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)，完成單片微機(jī)系統(tǒng)輸入信號(hào)接口功能。 模擬量信號(hào)數(shù)字量信號(hào)（模擬量輸入系 統(tǒng)） 開關(guān)量信號(hào) 電平轉(zhuǎn)換 整形、延時(shí)、光電隔離2.單片微機(jī)系統(tǒng)部分： 硬件單片微機(jī)和擴(kuò)展芯片 軟件系統(tǒng) 完成數(shù)值測量、計(jì)算、邏輯運(yùn)算及控制和記錄等智能任務(wù)，并具有遠(yuǎn)方功能。 EPROM:紫外線可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 用存放保護(hù)程序。 EEPROM：電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 用來存放保護(hù)定值。RAM

7、：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 用來存放A/D轉(zhuǎn)換來的 數(shù)據(jù)及保護(hù)動(dòng)作的故障報(bào)告等。MPU：微處理器(習(xí)慣稱CPU芯片，中央處理器） 執(zhí)行存放在EPROM中的程序，對(duì)由A/DRAM的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以完成各種保護(hù)功能。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器： 計(jì)時(shí)、觸發(fā)采用脈沖信號(hào)、計(jì)數(shù)。3.人機(jī)接口部分： 在CPU控制下，完成操作人員對(duì)CPU系統(tǒng)的 干預(yù)，如整定值的輸入、工作方式的變更、對(duì) CPU系統(tǒng)的檢查等。通常通過鍵盤、漢化液晶顯 示、打印及信號(hào)燈、音響或語音告警等實(shí)現(xiàn)。4.輸出通道部分： 對(duì)控制對(duì)象（例如斷路器）實(shí)現(xiàn)控制操作 的出口電路。 小信號(hào)大功率 防干擾光電隔離5.電源部分 ： 逆變電源 直流交流直流5V供各保

8、護(hù)CPU等芯片電源 ±15V供運(yùn)算放大器及VFC模數(shù)變換芯片電源 24V啟動(dòng)、跳閘及信號(hào)、告警繼電器電源 各電源均有發(fā)光二極管作正常運(yùn)行指示信號(hào) 面板上設(shè)有各路電源測試的轉(zhuǎn)接插孔及電源控 制開關(guān)v成套的微機(jī)保護(hù)、各種線路和元件的保護(hù)v軟件系統(tǒng)及硬件模塊化的組合與數(shù)量不同v不同的使用場合按不同的模塊化組合方式構(gòu)成v不同的保護(hù)用不同的軟件來實(shí)現(xiàn)模擬量輸入系統(tǒng)將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這一過程又稱為輸入信號(hào)的預(yù)處理。v電壓形成回路 v低通濾波器ALFv采樣及采樣保持v多路轉(zhuǎn)換開關(guān) MPXv模數(shù)變換v電壓形成回路 將輸入的電流、電壓線性的轉(zhuǎn)換成電壓并變小即實(shí)現(xiàn)輸入模擬信號(hào)的電平變換。變

9、換器：變換、隔離、屏蔽電壓變換器電流變換器v低通濾波器：濾除頻率ffs/2的高次諧波1.在微機(jī)保護(hù)中有兩種濾波方式： 模擬濾波ALF（兩級(jí)RC濾波電路）ffs/2 數(shù)字濾波程序或算法非周期分量及ffs/22.采樣頻率fs fsNf f工頻50Hz N工頻一周采樣點(diǎn)數(shù) 如WXH-11A型線路微機(jī)保護(hù) N12 則fs 12×50=600（Hz）目前微機(jī)保護(hù)的采樣頻率約在2402000Hz之間3.fs的選取應(yīng)滿足采樣定理及變換的原理算法的要求，還要考慮硬件的速度問題4.采樣定理： 為了能根據(jù)采樣信號(hào)完全重現(xiàn)原來的信號(hào)（采樣前的信號(hào)），fs必須大于輸入連續(xù)信號(hào)最高頻率的2倍 即 fs2fma

10、xvv采樣及采樣保持采樣在極短的時(shí)間內(nèi)測量模擬輸入量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值。v多路轉(zhuǎn)換開關(guān)MPX1.多路模擬通道共用一個(gè)A/D，經(jīng)MPX切換，實(shí)現(xiàn)多路同時(shí)采樣，順序轉(zhuǎn)換即時(shí)分復(fù)用，以節(jié)省A/D2.多路轉(zhuǎn)換開關(guān)包括選擇接通路數(shù)的二進(jìn)制譯碼電路和由它控制的各路電子開關(guān)，集成在一個(gè)集成電路芯片中。以16路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片AD7506為例，其內(nèi)部電路組成框圖如下： EN為芯片選擇線，EN為高電平時(shí)芯片開始工作 A0A3四個(gè)路數(shù)選擇線，用二進(jìn)制表示00001111（015） AS1AS16 16路電子開關(guān) A0A3賦以不同的二進(jìn)制碼即選通一路電子開關(guān)，將被選中的一路模擬通道接至公共的輸出端，共給A/D轉(zhuǎn)換器。

11、如：A0A1A2A3賦以0000則選中AS1v模數(shù)轉(zhuǎn)換： 將離散的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 目前微機(jī)保護(hù)常用壓頻式ADC（簡稱VFC）1.VFC原理：將電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的脈沖頻 率數(shù)字脈沖式的頻率），計(jì)數(shù)器對(duì) 數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)，CPU每隔一個(gè)采樣 間隔時(shí)間Ts讀取計(jì)數(shù)器的脈沖計(jì)數(shù) 值并根據(jù)比例關(guān)系算出輸入電壓的 數(shù)字量完成模數(shù)變換。 2.VFC變換關(guān)系： 3.量化：將離散的采樣信號(hào)瞬時(shí)值與A/D轉(zhuǎn)換器 中的基準(zhǔn)電壓的分層進(jìn)行比較，并按 舍五入的原則用幅度不連續(xù)的電平表示 輸入信號(hào)的相對(duì)幅值。4.編碼：用二進(jìn)制碼表示。碼位數(shù)愈高，基準(zhǔn)分 層愈多，量化誤差愈小，分辨率愈高。 微機(jī)保護(hù)通常取12位的

12、A/D轉(zhuǎn)換器，也有采用16位的A/D轉(zhuǎn)換器，采用二進(jìn)制補(bǔ)碼形式。以12位為例： D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0 分辨率為4.88mv 符號(hào)位 “0”表示正“1”表示負(fù)按一般輸入信號(hào)電平幅值最大值為±10v為例，采用12位編碼與A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的對(duì)應(yīng)數(shù)值如下表：在實(shí)際應(yīng)用中，微機(jī)保護(hù)裝置分為單CPU和多CPU的結(jié)構(gòu)方式。單CPU結(jié)構(gòu)： 單CPU的微機(jī)保護(hù)裝置是指整套微機(jī)保護(hù)裝置共用一個(gè)單片微機(jī)，數(shù)據(jù)采集、開關(guān)量采集、人機(jī)接口及出口信號(hào)等均由一個(gè)單片微機(jī)控制。CPU通過AB地址總線選通各功能芯片，通過CB控制總線控制各功能芯片的工作方式，由DB數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)和信息

13、。容錯(cuò)能力不高 中、低壓保護(hù)裝置 可靠性低多CPU結(jié)構(gòu)： 指在一套微機(jī)保護(hù)裝置中，按功能配置有多個(gè)CPU模塊，分別完成本體原理的主保護(hù)和后備保護(hù)及人機(jī)接口等功能。 容錯(cuò)水平高。 抗干擾能力強(qiáng)。 每一個(gè)CPU插件只分擔(dān)一種保護(hù)功能， 提高了保護(hù)的速動(dòng)性和動(dòng)作的準(zhǔn)確性。 實(shí)現(xiàn)自檢定位。 硬件相同，縮短了硬件故障處理時(shí)間。 提供了采用三取二起動(dòng)方式，提高了保 護(hù)裝置起動(dòng)的可靠性。 高壓及超高壓微機(jī)保護(hù)裝置多CPU系統(tǒng)v巡檢及巡檢中斷告警v出口閉鎖v巡檢及巡檢中斷告警巡檢：正常運(yùn)行狀態(tài)，接口插件不斷地通過串行口向各保護(hù)CPU插件發(fā)出巡檢命令，當(dāng)各保護(hù)CPU均正常時(shí)，分別作出回答；若某一保護(hù)CPU插件自檢出硬件故障 a 驅(qū)動(dòng)本CPU告警繼電器切斷跳閘出口電源 b 收到巡檢令后向接口插件傳送故障信息及 出錯(cuò)碼，接口插件收到出錯(cuò)碼后，驅(qū)動(dòng)總 告警繼電器，并顯示或打印故障信息。若巡檢令發(fā)出后，某一保護(hù)CPU未作出回答 a接口插件通過外部復(fù)位開出，強(qiáng)制該CPU 復(fù)位，然后再發(fā)巡檢令 b仍未作答，驅(qū)動(dòng)總告警繼電器開出，并顯 示或打印出該CPU出錯(cuò)信息巡檢中斷告警： 人機(jī)接口插