新教材-第二章繼電保護(hù)的硬件構(gòu)成

1、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理主講教師：劉青電自教研室2. 繼電保護(hù)的硬件構(gòu)成 2.1 2.1 繼電器繼電器1 1、繼電器的分類、繼電器的分類按照動(dòng)作原理分為：按照動(dòng)作原理分為： 電磁型、感應(yīng)型、整流型、電子型和數(shù)字型等；電磁型、感應(yīng)型、整流型、電子型和數(shù)字型等；按照反應(yīng)的物理量可分為：按照反應(yīng)的物理量可分為： 電流繼電器、電壓繼電器、功率方向繼電器、阻電流繼電器、電壓繼電器、功率方向繼電器、阻抗繼電器和氣體（瓦斯）繼電器等；抗繼電器和氣體（瓦斯）繼電器等；按照繼電器在保護(hù)回路中所起的作用分為：按照繼電器在保護(hù)回路中所起的作用分為： 啟動(dòng)繼電器、量度繼電器、時(shí)間繼電器、中間繼啟動(dòng)繼電器、量度繼電器、時(shí)間

2、繼電器、中間繼電器、信號(hào)繼電器和出口繼電器等；電器、信號(hào)繼電器和出口繼電器等；2 2、對繼電器的基本要求：、對繼電器的基本要求：工作可靠，動(dòng)作過程具有工作可靠，動(dòng)作過程具有“繼電特性繼電特性”。3 3、繼電器的繼電特性：繼電器的繼電特性：I opIreI返回動(dòng)作繼電器的動(dòng)作明確干脆繼電器的動(dòng)作明確干脆不可能停留在某一中間不可能停留在某一中間位置，這種特性稱為位置，這種特性稱為“繼繼電特性電特性”。繼電器的動(dòng)作電流繼電器的動(dòng)作電流：使繼電器動(dòng)作的最使繼電器動(dòng)作的最小小電流；電流；繼電器的返回電流繼電器的返回電流：使繼電器返回的最使繼電器返回的最大大電流；電流；返回系數(shù)返回系數(shù)：1IIKoprer

3、e (0.850.9)電磁型電流繼電器 3個(gè)力矩：個(gè)力矩：電磁力矩電磁力矩Mdc；彈簧力矩彈簧力矩Mth；摩擦力矩摩擦力矩Mm；mthdcMMM 動(dòng)作條件：動(dòng)作條件：mdcthMMM 返回條件：返回條件：rI12345678dcMmMthM 2.2 2.2 微機(jī)繼電保護(hù)簡介微機(jī)繼電保護(hù)簡介計(jì)算機(jī)用于現(xiàn)場工業(yè)控制的例子舉不勝舉計(jì)算機(jī)用于現(xiàn)場工業(yè)控制的例子舉不勝舉250 Kb/s, 16位, 16路高分辨率多功能數(shù)據(jù)采集卡 能夠提供隔離數(shù)字量輸入能夠提供隔離數(shù)字量輸入通道和隔離數(shù)字量輸出通通道和隔離數(shù)字量輸出通道道,隔離保護(hù)電壓可達(dá)到隔離保護(hù)電壓可達(dá)到2500VDC.它們是要求采它們是要求采取高電

4、壓隔離工業(yè)應(yīng)用的取高電壓隔離工業(yè)應(yīng)用的理想選擇理想選擇.此外此外,所有輸出所有輸出通道都提供高電壓保護(hù)通道都提供高電壓保護(hù) 8 通道隔離數(shù)字量輸入和 8 通道繼電器輸出卡 CAN總線總線接口卡接口卡 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(Computer Control System，簡稱CCS)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。 輔助部件：輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)行裝置等。 與被控對象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系：可以是有線方式，如通過電纜的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系；也可以是無線方式，如用紅外線、微波、無線電波、光波等進(jìn)行聯(lián)系。 控制目的：可以是使被控對象的狀態(tài)或

5、運(yùn)動(dòng)過程達(dá)到某種要求，也可以是達(dá)到某種最優(yōu)化目標(biāo)。 對于一個(gè)具體的微機(jī)保護(hù)裝置，通常將硬件電路按功能分別布置在幾個(gè)PCB板上稱為保護(hù)的“插件”，各插件安裝于一個(gè)機(jī)箱中，采用總線把各插件聯(lián)系在一起，構(gòu)成一套完整的保護(hù)裝置。 從結(jié)構(gòu)上看，一個(gè)完整的微機(jī)保護(hù)包含以下幾部分：機(jī)箱、插件、面板、總線 1.1.2 微機(jī)保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)0.1.3微機(jī)保護(hù)裝置構(gòu)成及其特點(diǎn)微機(jī)保護(hù)裝置構(gòu)成及其特點(diǎn) 微機(jī)保護(hù)的構(gòu)成框圖DAS保護(hù)微機(jī)系統(tǒng)（1n個(gè)）開入電源 繼電器開出開入管理微機(jī)系統(tǒng)GPS按鍵 LCD打印機(jī)逆變穩(wěn)壓電源至通信網(wǎng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成把電壓互感器和電流互感器二次的電壓、電流信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，供微機(jī)系統(tǒng)使用

6、。保護(hù)微機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具體的繼電保護(hù)功能，由不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的繼電保護(hù)功能。管理微機(jī)系統(tǒng)主要作為人機(jī)對話的手段。通常為外部繼電器的接點(diǎn)、保護(hù)屏上的投退壓板、操作把手的接點(diǎn)等，一般是經(jīng)光電隔離后輸入微機(jī)系統(tǒng)。保護(hù)系統(tǒng)通過開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路使繼電器動(dòng)作。這些繼電器包括跳閘出口繼電器、信號(hào)繼電器、硬件故障的告警繼電器。 微機(jī)保護(hù)裝置具有一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)共同的特點(diǎn)1）計(jì)算速度足夠快2）計(jì)算精度足夠高3）存儲(chǔ)容量足夠大4）邏輯判斷5）硬件的通用性6）智能化程序化設(shè)計(jì)的結(jié)果7）通訊網(wǎng)絡(luò)接口現(xiàn)場應(yīng)用的微機(jī)保護(hù)發(fā)發(fā)電電廠廠值值班班人人員員監(jiān)監(jiān)視視機(jī)機(jī)組組生生產(chǎn)產(chǎn)2.3 2.3 微機(jī)繼電保護(hù)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成微機(jī)繼電保

7、護(hù)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)微機(jī)主系統(tǒng)串行通信輸入/輸出系統(tǒng)來自電流互感器電壓互感器2.3.1 微機(jī)保護(hù)硬件功能結(jié)構(gòu)劃分將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)換為數(shù)字信號(hào)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以完行分析處理，以完成各種保護(hù)功能成各種保護(hù)功能完成各種保護(hù)的出口完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號(hào)報(bào)警、外跳閘、信號(hào)報(bào)警、外部接部接 點(diǎn)輸入及人機(jī)點(diǎn)輸入及人機(jī)對話等功能；對話等功能；一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電壓形成電壓形成電壓形成電壓形成LFLFS/HS/HMPXA/D. . . . . .變換器電 壓 形 成 回 路低 通 濾 波采 樣 保 持電 壓 形 成 回 路采 樣 保 持低 通 濾 波多

8、路轉(zhuǎn)換開關(guān)存 儲(chǔ) 器總 線1. 電壓形成一、常識(shí)一、常識(shí)1.微機(jī)保護(hù)輸入的電氣量 1）交流電流：來自TA的二次側(cè)，額定電流為5A或1A 2）交流電壓：來自TV的二次側(cè)，額定線電壓為100V 3）直流電壓：發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓400-600V2.電力系統(tǒng)短路故障后電氣量的變化 1）電流升高，最大一次電流倍數(shù)可通過故障計(jì)算得出。 2）相電壓降低，最低可達(dá)到0V 3）零序電壓在發(fā)生不對稱接地短路時(shí)有輸出。3.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理的一般都是電壓信號(hào)，根據(jù)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件不同，其輸入信號(hào)范圍不同，如05V,010V,-2.5V+2.5v,-5V+5V,-10V+10V等。 4. 變換器的作用和分類 1）按變換

9、的信號(hào) 電流變換器；電壓互感器；電流電壓雙用互感器 2）按用途分類 測量用電流、電壓變換器；錄波用電流、電壓變換器；保護(hù)用電流、電壓變換器；作用：電流、電壓變換器除了電量變換作用外，還起隔離作用，作用：電流、電壓變換器除了電量變換作用外，還起隔離作用， 使微機(jī)保護(hù)裝置在電路上與電力系統(tǒng)二次回路隔離。使微機(jī)保護(hù)裝置在電路上與電力系統(tǒng)二次回路隔離。 舉例：保護(hù)用電壓變換器規(guī)格輸入電壓額定值（V）輸出電壓額定值（V）輸入電壓過載倍數(shù)非線性度空載電流（mA）工頻耐壓（V）比差（%）角差（分）57.7V/3.53V57.73.531.20.1100.52500100V/2.88V1002.881.50.

10、1100.52500100V/3.53V1003.531.50.1100.52500電流變換器規(guī)格輸入電流額定值(A)輸出電壓額定值(V)最大過載電流(A)最大過載時(shí)輸出電壓（V）非線性度非線性度功率消耗(VA)工頻耐壓(V)比差(%)角差(分)20A/3.53V10.1765203.530.1100.1250020A/7.07V10.3535207.070.1100.1250050A/4V50.45040.1100.12500100A/3.53V50.17651003.530.1100.125002.采樣保持（S/H）電路及采樣頻率的選擇一、概述一、概述 模擬信號(hào)進(jìn)行模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)

11、，有以下實(shí)事轉(zhuǎn)換時(shí)，有以下實(shí)事 從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間。從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間。 在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號(hào)要保持不變。否則轉(zhuǎn)換精在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號(hào)要保持不變。否則轉(zhuǎn)換精度沒有保證，特別當(dāng)輸入信號(hào)輸入頻率較高時(shí)，會(huì)造成很大度沒有保證，特別當(dāng)輸入信號(hào)輸入頻率較高時(shí)，會(huì)造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。的轉(zhuǎn)換誤差。 要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/DA/D轉(zhuǎn)換開始時(shí)將輸入轉(zhuǎn)換開始時(shí)將輸入信號(hào)的電平保持住，而在信號(hào)的電平保持住，而在A/DA/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化。的變化。 能完成這能

12、完種功能的器件叫采樣保持器。采樣保能完成這能完種功能的器件叫采樣保持器。采樣保持器在保持階段相當(dāng)于一個(gè)持器在保持階段相當(dāng)于一個(gè)“模擬信號(hào)存儲(chǔ)器模擬信號(hào)存儲(chǔ)器”。采樣保持器工作示意采樣保持器工作示意scusru 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采樣保持器主要起以下兩種作用： (1) “穩(wěn)定”快速變化的輸入信號(hào)，以利于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，減小采樣誤差。 (2) 用來儲(chǔ)存多路模擬信號(hào)，這樣可使用多路開關(guān)和一個(gè)AD實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步采集。n 對采樣保持電路的要求對采樣保持電路的要求 a）截獲時(shí)間（）截獲時(shí)間（Tc）盡量短，以便采用很短采樣脈沖。）盡量短，以便采用很短采樣脈沖。 b）保持時(shí)間長，在保

13、持期間輸出電壓變化小。）保持時(shí)間長，在保持期間輸出電壓變化小。 c）模擬開關(guān)的動(dòng)作延時(shí)、閉合電阻和開斷時(shí)的漏電流要小。）模擬開關(guān)的動(dòng)作延時(shí)、閉合電阻和開斷時(shí)的漏電流要小。采樣保持器器件舉例LF398 LF398LF398典型的參數(shù)如下：典型的參數(shù)如下： 運(yùn)算放大器的輸出阻抗不大于運(yùn)算放大器的輸出阻抗不大于6歐姆，歐姆， 輸入阻抗高達(dá)輸入阻抗高達(dá)10000兆歐姆兆歐姆 電壓下降率為電壓下降率為2mV/s 電壓按誤差小于電壓按誤差小于0.1%的精度跟蹤輸入信號(hào)，截獲時(shí)間約為的精度跟蹤輸入信號(hào)，截獲時(shí)間約為20微秒。微秒。 3. 模擬低通濾波器ALF一、常識(shí)1）電力系統(tǒng)故障后的暫態(tài)信號(hào)的頻率成分電力

14、系統(tǒng)故障后的暫態(tài)信號(hào)的頻率成分 目前大多數(shù)保護(hù)原理是基于工頻分量的保護(hù)目前大多數(shù)保護(hù)原理是基于工頻分量的保護(hù)2）采樣頻率采樣頻率3）硬件能力硬件能力 采樣頻率的高低受到采樣頻率的高低受到CPU的速度、被采集的模擬信號(hào)的的速度、被采集的模擬信號(hào)的路數(shù)、路數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳送方式的制約。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳送方式的制約。 要求在一個(gè)采樣間隔內(nèi)完成對所有采樣信號(hào)的處理，否要求在一個(gè)采樣間隔內(nèi)完成對所有采樣信號(hào)的處理，否則會(huì)造成數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。則會(huì)造成數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。 MiiiittAtAeAtf2110)sin()sin()(csff2sfcf采樣頻率采樣頻率所含信號(hào)的最高頻率所

15、含信號(hào)的最高頻率 短路瞬間電流、電壓中含有高頻率信號(hào)，為了防止混短路瞬間電流、電壓中含有高頻率信號(hào)，為了防止混疊誤差，要求采樣頻率很高，勢必增加對硬件的要求。疊誤差，要求采樣頻率很高，勢必增加對硬件的要求。 實(shí)際上目前大多數(shù)微機(jī)保護(hù)原理是反映工頻量的，或?qū)嶋H上目前大多數(shù)微機(jī)保護(hù)原理是反映工頻量的，或反映某些高次諧波，故可以在采樣之前將最高信號(hào)波頻率反映某些高次諧波，故可以在采樣之前將最高信號(hào)波頻率分量限制在一定頻帶內(nèi)。分量限制在一定頻帶內(nèi)。 一般在采樣前用一個(gè)低通濾波器（一般在采樣前用一個(gè)低通濾波器（ALFALF）將高頻分量）將高頻分量濾掉。以降低采樣頻率，從而降低對硬件的要求。濾掉。以降低采

16、樣頻率，從而降低對硬件的要求。RC無源低通濾波器電路二階RC模擬低通濾波器4. 模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)(1).模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分類5.模數(shù)轉(zhuǎn)換器（/D）(2).A/D型模數(shù)轉(zhuǎn)換的一般原理 模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、保持、量化和編碼四個(gè)過程。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以認(rèn)為是一種編碼電路。它可以實(shí)現(xiàn)將模擬的輸入量 相對于參考電壓 經(jīng)過一個(gè)編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D。用二進(jìn)制數(shù)表示為： nnBBBD2.222211IUREFU式中： 為二進(jìn)制數(shù)的0或1。其中D是一個(gè)小于1的數(shù)， 。從而，模擬信號(hào)可表示為： nBB 1REFIUUD REFIDUU 工作原理工作原理 a.a.逐次逼近型電路結(jié)構(gòu)框圖逐次逼近型電路結(jié)構(gòu)框圖 1個(gè)時(shí)鐘周

17、期內(nèi)只能完成1位轉(zhuǎn)換。n位轉(zhuǎn)換需要n個(gè)時(shí)鐘周期，故采樣速率不高,輸入帶寬也較低。 優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，便于實(shí)現(xiàn)，適用于中速率而分辨率要求較高的場合第一次設(shè)定數(shù)碼： 1 0 0 0 URUO URUO URU0 UR 第四次設(shè)定數(shù)碼 1111 1101 1011 1001 0111 0101 0011 0001A/D型模數(shù)轉(zhuǎn)換器舉例型模數(shù)轉(zhuǎn)換器舉例1）AD574Complete 12-Bit A/D Converter with Reference and Clock8- and 16-Bit Microprocessor Bus Interface35 s Maximum Conversion T

18、imeAD7665AD7665與微型機(jī)的接口與微型機(jī)的接口AD7665是一種逐次逼近型的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率是500kSPS（Samples Per Second），即進(jìn)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間為1/500K=2uS。b.VFCb.VFC式式A/DA/D型模數(shù)轉(zhuǎn)換型模數(shù)轉(zhuǎn)換 換一種思路，用待轉(zhuǎn)換的電壓換一種思路，用待轉(zhuǎn)換的電壓V V控制計(jì)數(shù)脈沖控制計(jì)數(shù)脈沖的頻率，使脈沖頻率正比于電壓的頻率，使脈沖頻率正比于電壓V V，而計(jì)數(shù)間隔不，而計(jì)數(shù)間隔不變，則計(jì)數(shù)結(jié)果也代表輸入了電壓的大小。變，則計(jì)數(shù)結(jié)果也代表輸入了電壓的大小。 這種模數(shù)轉(zhuǎn)換稱為電壓這種模數(shù)轉(zhuǎn)換稱為電壓- -頻率型（頻率型（V-FV-

19、F型）模數(shù)型）模數(shù)轉(zhuǎn)換，簡稱轉(zhuǎn)換，簡稱VFCVFC。 電壓頻率轉(zhuǎn)換器電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFCVFC（Voltage Frequency Voltage Frequency ConverterConverter）是另一種實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件，將模）是另一種實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件，將模擬電壓量變換為脈沖信號(hào)，該輸出脈沖信號(hào)的頻率與輸擬電壓量變換為脈沖信號(hào)，該輸出脈沖信號(hào)的頻率與輸入電壓的大小成正比。入電壓的大小成正比。VFC工作原理RVIiS/max0iV輸出波形輸出波形輸入電壓輸入電壓V V為一負(fù)電壓，在其作用下，電容器C充電，當(dāng)積分器積分器的輸出電壓上升至零時(shí)，過零過零比較器比較器發(fā)生跳變。觸發(fā)

20、單穩(wěn)電路單穩(wěn)電路，使之產(chǎn)生一個(gè)寬度為to的脈沖，此脈沖控制開關(guān)S，使其與+Vs電源接通to時(shí)間，C反充電，當(dāng)to結(jié)束時(shí)，S斷開，在負(fù)的輸入電壓作用下，電容器C又充電，如此反復(fù)進(jìn)行下去，振蕩不止。于是可將輸入的模擬電壓變換為一串等幅脈沖輸出。顯然，其它參數(shù)不變時(shí)，當(dāng)輸入電壓越大，積分電容充電越快，從而使輸出脈沖的頻率越高。反之，輸入電壓越小輸出脈沖的頻率越低。單穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈單穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈沖信號(hào)的寬度受沖信號(hào)的寬度受RT和和CT兩兩個(gè)參數(shù)的影響。在個(gè)參數(shù)的影響。在RT固定固定時(shí)，改變用戶接入的時(shí)，改變用戶接入的CT大大小，可改變單穩(wěn)觸發(fā)器輸小，可改變單穩(wěn)觸發(fā)器輸出脈沖信號(hào)的寬度。出脈沖信號(hào)

21、的寬度。微機(jī)保護(hù)中VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成浪涌吸收器：由RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，可吸收高頻干擾信號(hào)。電壓頻率變換器：由VFC芯片實(shí)現(xiàn)電壓到頻率的轉(zhuǎn)換。將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。光電隔離器：由光電隔離芯片實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的隔離，具有抗干擾的作用。計(jì)數(shù)器：由可編程的計(jì)數(shù)器芯片構(gòu)成，通常為16位計(jì)數(shù)器。在單片機(jī)的干預(yù)下，在每次采樣中斷中，讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。 VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如下所示?？梢娕c普通型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如下所示?？梢娕c普通A/D型型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是不一樣的。的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是不一樣的。 VFC VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)：型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)： （1）有低通濾波的作用，可以大大抑

22、制噪聲；）有低通濾波的作用，可以大大抑制噪聲； 普通普通A/D轉(zhuǎn)換器是對模擬量瞬時(shí)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換器是對模擬量瞬時(shí)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而VFC 型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對模擬量的連續(xù)積分，具有低通濾波作用，型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對模擬量的連續(xù)積分，具有低通濾波作用，并可大大抑制噪聲。并可大大抑制噪聲。 （2）抗干擾能力強(qiáng)，在）抗干擾能力強(qiáng)，在VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端和CPU主系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器之間接入光電耦合器；主系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器之間接入光電耦合器； （3）輸出數(shù)字量）輸出數(shù)字量D的位數(shù)可調(diào)；的位數(shù)可調(diào)； （4）與微型機(jī)的接口簡單；）與微型機(jī)的接口簡單； （5）可實(shí)現(xiàn)多微機(jī)共享數(shù)據(jù)采集；）可實(shí)現(xiàn)多微

23、機(jī)共享數(shù)據(jù)采集； （6）易于實(shí)現(xiàn)同步采樣；）易于實(shí)現(xiàn)同步采樣； （7）但不適用于高頻采樣。）但不適用于高頻采樣。器件舉例AD654二、二、 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)字處理系統(tǒng)又稱為微機(jī)保護(hù)的主系統(tǒng)是指除I/O設(shè)備外的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的核心部分。 微機(jī)保護(hù)的主系統(tǒng)的作用是： 進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯處理與I/O控制。并行接口并行接口 處理器處理器EPROM RAM FLASHEEPROM 時(shí)鐘時(shí)鐘 譯碼邏輯譯碼邏輯 定時(shí)器定時(shí)器串行接口串行接口 在微機(jī)保護(hù)的主系統(tǒng)中，可以用在微機(jī)保護(hù)的主系統(tǒng)中，可以用于存放保護(hù)的程序；于存放保護(hù)的程序； 在微機(jī)保護(hù)中，可以作為保護(hù)程在微機(jī)保護(hù)中，可以作為保護(hù)程序、波形或

24、事件記錄的存儲(chǔ)器使用；序、波形或事件記錄的存儲(chǔ)器使用； 在微機(jī)保護(hù)中，在微機(jī)保護(hù)中，可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或運(yùn)可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或運(yùn)行程序；行程序； 在微機(jī)保護(hù)中可以用作保護(hù)的在微機(jī)保護(hù)中可以用作保護(hù)的定值存儲(chǔ)器；定值存儲(chǔ)器； 1.開關(guān)量的輸入回路開關(guān)量即接點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)，接通或斷開（識(shí)別外部條件）。開關(guān)量即接點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)，接通或斷開（識(shí)別外部條件）。 對對微機(jī)保護(hù)裝置的開關(guān)量輸入可以分為微機(jī)保護(hù)裝置的開關(guān)量輸入可以分為2類：類： （1）安裝在裝置面板上的接點(diǎn)信號(hào)輸入；如用于人機(jī)對話的）安裝在裝置面板上的接點(diǎn)信號(hào)輸入；如用于人機(jī)對話的鍵盤上的接點(diǎn)信號(hào)。這類信號(hào)可以直接接至微型機(jī)的并行口。鍵盤上的接點(diǎn)信號(hào)。這類信

25、號(hào)可以直接接至微型機(jī)的并行口。 （2）從裝置外部經(jīng)過端子排引入的接點(diǎn)信號(hào)輸入；如保護(hù)屏）從裝置外部經(jīng)過端子排引入的接點(diǎn)信號(hào)輸入；如保護(hù)屏上的各種硬壓板、轉(zhuǎn)換開關(guān)等。為了抑制干擾，這類接點(diǎn)必須上的各種硬壓板、轉(zhuǎn)換開關(guān)等。為了抑制干擾，這類接點(diǎn)必須要經(jīng)過光電耦合器進(jìn)行電氣隔離，然后接至并行口。要經(jīng)過光電耦合器進(jìn)行電氣隔離，然后接至并行口。三、三、 開關(guān)量輸入開關(guān)量輸入/ /輸出接口輸出接口開關(guān)量輸入電路開關(guān)量輸入電路需要輸出的開關(guān)量（開出量）：保護(hù)的跳閘信號(hào)、通信接口。（一）通信接口（包括打印機(jī)接口） 可用一個(gè)并行口來控制輸出數(shù)字信號(hào)。輸出回路中也加光電耦合器，提高抗干擾能力。 將并行接口的PA口

26、設(shè)置為輸出方式；將PB口設(shè)置為輸入方式。 在開關(guān)量輸出回路中加入光電耦合器，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)電氣回路的電氣隔離，同時(shí)可以進(jìn)行不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換。并行接口側(cè)的電源電壓是5V，而右側(cè)輸入回路中電源電壓可以是24V或其它電壓等級。開關(guān)量輸出電路開關(guān)量輸出電路需要輸出的開關(guān)量（開出量）：保護(hù)的跳閘信號(hào)、通信接口。（一）通信接口（包括打印機(jī)接口） 可用一個(gè)并行口來控制輸出數(shù)字信號(hào)。輸出回路中也加光電耦合器，提高抗干擾能力。 將并行接口的PA口設(shè)置為輸出方式；將PB口設(shè)置為輸入方式。 在開關(guān)量輸出回路中加入光電耦合器，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)電氣回路的電氣隔離，同時(shí)可以進(jìn)行不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換。并行接口側(cè)的電源電壓是5V，而右側(cè)輸

27、入回路中電源電壓可以是24V或其它電壓等級。小結(jié)1、掌握微機(jī)保護(hù)構(gòu)成的三大部分及其作用2、掌握數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成原理3、掌握保護(hù)主系統(tǒng)構(gòu)成所需要的資源4、掌握開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)的工作原理思考與練習(xí)1.1微機(jī)保護(hù)的構(gòu)成包含那幾部分？1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機(jī)主系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)的作用是什么？1.3以三段式電流保護(hù)為例，設(shè)計(jì)一套微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成方案，并給出簡要說明。裝置正面布置圖：液晶顯示器液晶顯示器LCDLCD光光字字燈燈LEDLED確認(rèn)鍵確認(rèn)鍵SETSET退出鍵退出鍵QUITQUIT信號(hào)復(fù)歸鍵信號(hào)復(fù)歸鍵RSTRST上下左右選擇鍵上下左右選擇鍵串行接口串行接口ISOISO插件及其功能： 2.4

28、2.4 微機(jī)保護(hù)軟件算法微機(jī)保護(hù)軟件算法一、微機(jī)保護(hù)軟件結(jié)構(gòu)主程序：主程序：對硬件初始化，自檢(定值自檢、程序自檢、開出檢查、開入量監(jiān)視等)。采樣中斷程序：采樣中斷程序：采樣，起動(dòng)元件判別等。故障處理程序：故障處理程序：實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。 微機(jī)保護(hù)把經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)量化的數(shù)字信號(hào)經(jīng)微機(jī)保護(hù)把經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)量化的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪^適當(dāng)?shù)乃惴ㄋ惴?，?jì)算出交流信號(hào)的有效值、相位以及，計(jì)算出交流信號(hào)的有效值、相位以及多個(gè)信號(hào)的組合量如：阻抗、相位等。多個(gè)信號(hào)的組合量如：阻抗、相位等。 常規(guī)保護(hù)把被測信號(hào)常規(guī)保護(hù)把被測信號(hào)引入保護(hù)繼電器，繼電器引入保護(hù)繼電器，繼電器按照電磁、感應(yīng)、比幅、按照電磁、感應(yīng)、

29、比幅、比相等原理作出動(dòng)作與否比相等原理作出動(dòng)作與否的判斷。的判斷。 算法是研究由若干個(gè)采樣數(shù)據(jù)求取保護(hù)原理所需要的故障特征量的方法。 I 二、微機(jī)保護(hù)的算法1）直接由采樣值經(jīng)過某種運(yùn)算，求出被測信號(hào)）直接由采樣值經(jīng)過某種運(yùn)算，求出被測信號(hào)的實(shí)際值再與定值比較。的實(shí)際值再與定值比較。2）依據(jù)繼電器的動(dòng)作方程，將采樣值或由它們）依據(jù)繼電器的動(dòng)作方程，將采樣值或由它們計(jì)算出的中間變量代入動(dòng)作方程，轉(zhuǎn)換為運(yùn)算計(jì)算出的中間變量代入動(dòng)作方程，轉(zhuǎn)換為運(yùn)算式的判斷。式的判斷。 一是算法的計(jì)算一是算法的計(jì)算精度精度關(guān)系到保護(hù)能否關(guān)系到保護(hù)能否正確做出判斷；正確做出判斷； 二是算法所用的二是算法所用的數(shù)據(jù)窗數(shù)據(jù)窗

30、關(guān)系到保護(hù)動(dòng)關(guān)系到保護(hù)動(dòng)作速度的快慢。作速度的快慢。算法所研究的主要問題算法所研究的主要問題微機(jī)保護(hù)裝置中采用的算法可分為兩類微機(jī)保護(hù)裝置中采用的算法可分為兩類二、微機(jī)保護(hù)的算法1.基于正弦函數(shù)模型的算法基于正弦函數(shù)模型的算法1.1最大絕對值算法最大絕對值算法Umax uSnT2/maxUU 算法算法誤差誤差%100)290sin(1 %1000maxsmTUU數(shù)據(jù)窗數(shù)據(jù)窗平均半個(gè)周波10ms)(tut 算法依據(jù)算法依據(jù)一個(gè)正弦信號(hào)在任意半周內(nèi)，其絕對值積分（求面積）的結(jié)果正比于信號(hào)的有效值。 1.2半周絕對值積分算法半周絕對值積分算法UtUtdtUdtatUSTmTmTm22|cossin|

31、 )sin(|20202022SU 設(shè)積分的結(jié)果為S，則： 從而可求出有效值：算法：算法：uSnT s1 s2 s3 s4 s5 s6u0u1u2u3u4u5u6SNKKTuS)(120例如：N=12STuuuuuuSSSSSSS)2|.2|2|(654321652110|60uu對于正弦信號(hào)STuuuS|)|.|(|51022)(120NKSkTuU數(shù)據(jù)窗半個(gè)周期)cos()sin(cossin11111111tIitIitUutUumtmtmtmt21*)(2121ttuuU21*)(2121ttiiI2 12122 1212ttttiiuuZ1971年,澳大利亞的兩位學(xué)者M(jìn)ann和Mor

32、rison提出了利用正弦函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為余弦函數(shù)的特點(diǎn),可求出交流信號(hào)的有效值的一階導(dǎo)數(shù)算法。設(shè)：1.3一階導(dǎo)數(shù)算法一階導(dǎo)數(shù)算法(Mann_Morrison算法算法)微機(jī)保護(hù)中求導(dǎo)數(shù)的方法微機(jī)保護(hù)中求導(dǎo)數(shù)的方法差分求導(dǎo)數(shù)差分求導(dǎo)數(shù) k1k1ku1ku1kSkkkTuuu211kuSkkkTuuu112 11111sincossintUutUutUumtmtmt)sin()cos()sin(12 11111tIitIitUimtmtmt 1971年，美國西屋公司研究出一套用小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的輸電線路計(jì)算機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，安裝在太平洋煤氣和電氣公司的變電站中試運(yùn)行。在該保護(hù)裝置中采用了二階導(dǎo)數(shù)算法。又稱Pro

33、dar70算法。 設(shè)：1.4二階導(dǎo)數(shù)算法（二階導(dǎo)數(shù)算法（Prodar-70算法）算法）21.)()(22 121ttuuU21.)()(22 121ttiiI2 1 111 11costtttttmmiiiiuiuIUR2 1 1111tttttiiiiuiuSkkkTuuu21121111 2SkkkSSkkSkkkTuuuTTuuTuuu在微機(jī)保護(hù)中計(jì)算一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的方法：sinmmIULX)sin(sin1111tIitUumtmt)(sin)sin()(sinsin122122TtItIiTtUtUummtmmt1）兩采樣值積算法設(shè)：12ttT式中：1.5采樣值乘積算法采樣值乘積

34、算法)22cos(cos2)(sin).(sin.11122TtIUTtTtIUiummmmtt)2cos()cos(2)(sinsin.11121TtTIUTttIUiummmmtt)2cos()cos(2)sin()(sin.11112TtTIUtTtIUiummmmtt)2cos(cos2).(sinsin.11111tIUttIUiummmmtt)2cos(cos2cos22.12211TtTIUiuiummtttt)2cos(2coscos22.11221TtTIUiuiummttttTTiuiuiuiuIUttttttttmm212212211sincos)(cosTiuiuIUt

35、tttmmsinsin1221)sin(sin1111tIitUumtmt)(sin)sin()(sinsin122122TtItIiTtUtUummtmmt)2(sin)sin()2(sinsin133133TtItIiTtUtUummtmmt 利用三個(gè)連續(xù)的等時(shí)間間隔的采樣值中兩兩相乘，通過適當(dāng)組合求出信號(hào)幅值的方法。設(shè)：2 ）三采樣值積算法)42cos(cos2133TtIUiummtt)22cos(2cos2cos2213311TtTIUiuiummttttTTiuiuiuIUttttttmm2223311sin22cos2cosTTuuuUtttm22223212sin22cos2T

36、TiiiItttm22223212sin22cos22. 基于周期函數(shù)模型的算法基于周期函數(shù)模型的算法cossin)(000tnbtnatxnnn220.sin).(2TTndttntxTa220.cos).(2TTndttntxTb)(tx2.1.周期函數(shù)的傅立葉級數(shù)傅立葉級數(shù)及各次諧波的關(guān)系 設(shè)有一個(gè)周期函數(shù) ，其周期為T。且該周期函數(shù)滿足狄里赫利條件，則該函數(shù)可表示為：、0為基波角頻率。n為諧波次數(shù)，1ntbtatx01011cossin)(2201.sin).(2TTdtttxTa2201.cos).(2TTdtttxTbtXtXttXtXtxmm011011101011011cos.

37、sin2sin.cos2)sincoscos.(sin)sin()(對于基波分量，取 式中： 正弦基波信號(hào)表示的另一種形式： 111cos2Xa 111sin2Xb 2221211212121baXXba1111111abtgtgab2.2傅立葉算法在微機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用kNkxNXNkC1012cos)(2kNkxNXNkS1012sin)(2)(kx)(tx 設(shè)是與連續(xù)函數(shù)對應(yīng)的離散序列, 每基波周期采樣的點(diǎn)數(shù)為N,提取基波分量的算法：)sin(2)(tUtusincosjUUUeUjsin2cos)sin(22001UtdttUTUTttC121sinCUU121cosSUU)(2111CS

38、jUUU假設(shè)一個(gè)正弦基波電壓信號(hào)為： 用向量表示為： 所以： cos2sin)sin(22001UtdttUTUTttS結(jié)論：采用傅里葉算法結(jié)論：采用傅里葉算法提取的是一個(gè)向量函數(shù)提取的是一個(gè)向量函數(shù)的實(shí)部和虛部。的實(shí)部和虛部。全周傅氏算法全周傅氏算法1101101)()()()(kcCNksSkhkuUkhkuU實(shí)部實(shí)部虛部虛部CSUjUU21211）全周傅氏算法計(jì)算結(jié)果是一個(gè)向量的實(shí)部和虛部。2）傅氏算法既是一種算法，本身具有很好的濾波作用能夠?yàn)V除直流及各整次諧波分量。3）全周傅氏算法需要一個(gè)周期的數(shù)據(jù)窗，時(shí)間是20毫秒。全周傅氏算法小結(jié)全周傅氏算法小結(jié)4）采用傅氏算法可以提取任何整次諧波

39、分量，一般的計(jì)算方法為：5）傅氏算法受衰減直流分量的影響會(huì)產(chǎn)生計(jì)算誤差，可采取適當(dāng)措施減小其影響。kNnkxNXNknC102cos)(2kNnkxNXNknS102sin)(2半周傅氏算法半周傅氏算法 半周波傅氏算法用半周波的數(shù)據(jù)計(jì)算信號(hào)的幅值和相角。提取n次諧波分量的算法如下：kNnkxNXNknC2/12cos)(4kNnkxNXNknS2/12sin)(4對于基波分量對于基波分量2/12/11)()(2cos)(4NkcNkCkhkxkNkxNX)()(2sin)(42/12/11khkxkNkxNXNksNkS2/.2 . 12cos4)(2sin4)(NkkNNkhkNNkhcs其

40、中：其中：同樣可以分析其幅頻特性同樣可以分析其幅頻特性幅頻特性幅頻特性|H(f)|f/f0 0 1 2 3 4 5 6 半周傅氏算法在故障后10MS即可進(jìn)行計(jì)算，因而使保護(hù)的動(dòng)作速度減少了半個(gè)周期。 半周傅氏算法不能濾除恒定直流分分量和偶次，因此，半周傅氏算法的計(jì)算誤差較大。3微機(jī)線路保護(hù)的基本元件及算法微機(jī)線路保護(hù)的基本元件及算法3. 1概述概述 線路保護(hù)基本上是按電壓等級劃分的，不同電線路保護(hù)基本上是按電壓等級劃分的，不同電壓等級的線路配置的保護(hù)原理不盡相同。壓等級的線路配置的保護(hù)原理不盡相同。35kV及以下等級的輸電線路保護(hù)配置：及以下等級的輸電線路保護(hù)配置： 反應(yīng)相間短路的三段式電流保

41、護(hù)反應(yīng)相間短路的三段式電流保護(hù) 接線的功率方向元件（可選）接線的功率方向元件（可選） 三相重合閘（動(dòng)作次數(shù)可設(shè)定）三相重合閘（動(dòng)作次數(shù)可設(shè)定） 特殊場合可以配置反映相間短路的距離保護(hù)特殊場合可以配置反映相間短路的距離保護(hù) 保護(hù)動(dòng)作跳三相保護(hù)動(dòng)作跳三相090110kV電壓等級的輸電線路的保護(hù)配置：電壓等級的輸電線路的保護(hù)配置： 反應(yīng)相間短路的三段式距離保護(hù)反應(yīng)相間短路的三段式距離保護(hù) 反應(yīng)接地短路的三段式距離保護(hù)反應(yīng)接地短路的三段式距離保護(hù) 反應(yīng)不對稱接地短路的三段或四段式零序電反應(yīng)不對稱接地短路的三段或四段式零序電流保護(hù)（帶或不帶零序功率方向流保護(hù)（帶或不帶零序功率方向可選）可選） 三相一次重合