線路的差動保護和高頻保護

電力系統(tǒng)微機保護ElectricPowerSystemRelayProtection參考書目:《電力系統(tǒng)微機繼電保護》高亮《微型機繼電保護原理》張舉《微型機繼電保護基礎》楊奇遜《RCS900系列超高壓線路成套保護裝置》

緒論

一、微機保護的發(fā)展

微機保護的發(fā)展經(jīng)歷三個階段：硬件設計重點使總線系統(tǒng)更隱蔽，提高抗干擾水平。軟件、算法也取得很多理論成果。第一階段：單CPU結構，幾塊印刷電路板由總線相連組成一個完整的計算機系統(tǒng)，總線暴露在印刷電路板之外。WXB-01第二階段：多CPU結構，每塊印刷電路版以CPU為中心組成一個計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)“總線不出插件”。WXB-11第三階段：一種特殊單片機DSP(數(shù)字信號處理器），將總線系統(tǒng)與CPU一起封裝在一個集成電路塊中，具有極強的抗干擾能力，實現(xiàn)“總線不出芯片”。RCS，LFP，CSL系列。我國微機保護市場我國自主研制較為有實力的四大集團公司為南瑞、許繼、南自、四方，南自在主變保護等保護領域實力較強。許繼在線路保護實力很強，南瑞在主站及自動化監(jiān)控方面實力很強。四方也主要是在保護方面實力較強。國外的企業(yè)如西門子、施耐德、ABB等二、微機保護的構成與特點1.微機保護的構成

微機保護主要由兩部分構成：微機保護硬件系統(tǒng)和微機保護的軟件算法及原理。微機保護硬件系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、開關量輸入輸出、通信及電源等。微機保護的軟件算法及原理主要包括數(shù)字濾波器、算法、保護原理、邏輯判斷等。2.微機保護的特點（１）維護調試方便（2）可靠性高（3）易于獲得附加功能（4）靈活性大（5）保護性能得到很好改善（6）經(jīng)濟性好1.1概述一般微機保護裝置采用插件式結構（分為前插式和后插式），各插件之間通過底板走線實現(xiàn)電氣聯(lián)系。這樣設計即考慮了現(xiàn)場使用的便利性又提高了裝置的可靠性。第一章硬件系統(tǒng)1-1概述一．微機保護裝置硬件系統(tǒng)構成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)字處理系統(tǒng)（CPU主系統(tǒng)）開關量輸入、輸出人機接口通信接口電源國電南自WBZ-500H數(shù)字式變壓器保護裝置南瑞繼保RCS-900系列線路成套快速保護裝置許繼集團WFB-800A系列微機發(fā)-變組保護裝置

微機保護硬件整體結構插件式結構：各插件之間通過底板走線實現(xiàn)電氣聯(lián)系。電源模塊及開入量插件開關量輸入提供+5V和+24V電源CPU插件開關量輸出操作回路插件外部回路交流量輸入與濾波插件電壓電流數(shù)字量電壓電流模擬量顯示板提供人機接口1.1、硬件系統(tǒng)概述1.數(shù)據(jù)采集單元:將模擬量轉換為數(shù)字量。電壓形成模擬濾波采樣保持多路轉換模數(shù)轉換1.1、硬件系統(tǒng)概述2.數(shù)據(jù)處理單元:

微處理器對由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至隨機存取存儲器中的數(shù)據(jù)進行分析處理，以完成各種繼電保護的功能。1.1、硬件系統(tǒng)概述3.開關量輸入輸出接口:并行接口光電隔離器中間繼電器等（起動、閉鎖、跳閘、信號、告警、復位）

完成保護的出口跳閘、警報、外部接點輸入等功能。4.人機接口:包括顯示器、鍵盤、各種面板開關、打印機、實時時鐘等。用于人機對話,如調試、定值調整等。5.通信接口:

包括通信接口電路以實現(xiàn)多機通信或聯(lián)網(wǎng)。包括維護口、監(jiān)控系統(tǒng)接口、錄波系統(tǒng)接口等，滿足各種通信規(guī)約。6.電源:

供給微處理器、數(shù)字電路、A/D轉換芯片及繼電器所需的電源?？梢圆捎瞄_關穩(wěn)壓電源或DC/DC電源模塊，提供+5V，+24V，±15V電源。第二節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模數(shù)轉換的前期準備、轉換模擬量為數(shù)字量。完成輸入信號的預處理。即對取自被保護元件的連續(xù)模擬信號進行必要的處理并將其變成離散信號，最后轉換成數(shù)字信號，輸入給微處理機。作用：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(模擬量輸入系統(tǒng))的兩種方式電壓形成ALFS/H多路轉換開關S/HALF電壓形成A/DCPU總線………來自TVTA二次（a）電壓形成VFC計數(shù)器計數(shù)器VFC電壓形成………來自TVTA二次CPU總線（b）（a）逐次逼近A/D轉換方式（b）VFC原理的A/D轉換方式一、逐次逼近原理的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電壓形成回路低通濾波回路（ALF）采樣保持回路（S/H）多路轉換器（MPX）模數(shù)轉換（A/D）回路1、電壓形成

微機保護要從被保護的電力線路或設備的電流互感器、電壓互感器上取得信息，其額定參數(shù)一般為：交流電壓：相電壓——100/sqrt(3)V;

線路抽取電壓——100V或100/sqrt(3)V;交流電流：5A或1A（電流范圍最大一般可按20In或40In考慮）1、電壓形成

互感器二次數(shù)值的輸入范圍對微機保護硬件電路不適用，故需降低和變換。一般采用中間變換器來實現(xiàn)以上的變換。電壓變換：100V±5V(2.5V、10V)電流變換：20In±5V(2.5V、10V)1、電壓形成回路－隔離變換

(a)電壓變換器；(b)電流變換器(c)電抗變換器··

TV二次回路····

TA二次回路

TA二次回路R1、電壓形成回路－典型接線

2、模擬低通濾波器前置低通濾波器又稱為抗混疊濾波器?？蓪⒃摓V波器的截止頻率設置為1/2fs，這樣在給定采樣頻率下所不能反映的高頻信號分量被濾除。UiC1C2UoR1R2（a）fs（b）f0有源濾波器特點：通帶較平坦，結構簡單，所用元件少，運算放大器頻率特性偏離濾波器頻率特性不易引起振蕩，但元件參數(shù)變化時對濾波器影響較大，適用于Q值要求較低的場合。+-AR1R2C2R3R4=R3(K-1)C1UiUo2、模擬低通濾波器由此，根據(jù)采樣頻率的選擇以及低通濾波器截止頻率的設置，可限制輸入信號的最高頻率，將CPU的采樣頻率降低，即降低了對CPU運算速度的苛刻要求，對整個硬件電路的設計有利。3、采樣保持采樣：將一個連續(xù)的時間信號（正弦波信號）變成離散的時間信號（采樣信號）采樣間隔Ts稱為采樣周期fs=1/Ts為采樣頻率tti(t)i"(t)i(t)ti"(t)采樣過程描述3、采樣保持采樣保持電路（S/H:SamplingandHolding）的作用是在一個極短的時間內測量模擬輸入量在該時刻的瞬時值，并在模擬/數(shù)字轉換器進行轉換期內保持其輸出不變。即把隨時間連續(xù)變化的電氣量離散化。3.采樣保持開關K受邏輯輸入端電平控制。在高電平時K閉合，此時，電路處于采樣狀態(tài)，C迅速充電或放電到電容上電壓等于該采樣時刻的電壓值(Ui)。K的閉合時間應滿足采樣時間。一個電子模擬開關K保持電容器C兩個阻抗變換器阻抗變換器2阻抗變換器1CUiUoK邏輯輸入3.采樣保持Tc為采樣脈沖寬度，Ts為采樣周期（或采樣間隔）。采樣后信號在下次采樣脈沖到來之前保持不變，形成穩(wěn)定的階梯狀采樣保持信號，再經(jīng)A/D轉換后就成為離散化數(shù)字量。3.采樣保持-采樣定理采樣間隔Ts的倒數(shù)稱為采樣頻率fs。采樣頻率的選擇是微機保護硬件設計中的一個關鍵問題。采樣頻率越高，要求微處理器的速度越高。因為微機保護是一個實時系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采樣的頻率不斷地向微處理器輸入數(shù)據(jù)，微處理器必須要來得及在兩個相鄰采樣間隔時間Ts內處理完對每一組采樣值所必須作的各種操作和運算。否則,微處理器將跟不上實時節(jié)拍而無法工作。相反，采樣頻率過低，將不能真實反映被采樣信號的情況。2023/6/19采樣定理采樣定理:一個有限頻帶時間信號f(t),其最高頻率為fmax,若以fs≥2fmax的頻率進行采樣,所得到的采樣信號fs(t)將含有原信號f(t)的全部信息.顯然，采樣頻率越高越好，但在實際應用中，采樣頻率受到計算機速度等的限制，必須在切實可行的范圍內。一般取倍數(shù)往往大于4-5倍，有利于改善測量精度。4、模擬量多路轉換開關（MPX)保護需要多個模擬量輸入數(shù)模轉換器是貴重的元器件電路板設計希望采用盡量少的芯片多路轉換是一個簡單、常采用的芯片MPX是一個開關電路，接入很多的模擬量，僅把其中的一路送給數(shù)模轉換器去轉換。不同的模擬量通過“分時”的方式完成模數(shù)轉換過程。（實際上由于前置的S/H環(huán)節(jié)，各模擬量是同步的）4、模擬量多路轉換開關（MPX)

多路轉換開關的多路開關（1∽n）是電子型的，通道切換受微機控制。它把多個模擬量通道按順序賦與不同的二進制地址．在微機輸出地址信號后，MPX通過譯碼電路選通某一通道時，對應于S/H的這一通道開關也就接通。譯碼/驅動UoUi1Uin輸入1#N#……EnA0A1A2A3輸出Upp（+15V）Uss（-15V）5、A/D（模數(shù)）轉換器采樣后所得的是離散的模擬量，要為計算機采用還需要轉換成數(shù)字量，A/D轉換的過程實際上就是對模擬信號進行量化和編碼的過程。量化：就是把時間上離散而數(shù)值上連續(xù)的模擬信號以一定的準確度轉換為時間上和數(shù)字上都離散化的等效數(shù)值。編碼：把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值用二進制數(shù)、BCD碼或其他碼來表示。

逐次逼近式A/D(比較式）

將一待轉換的模擬輸入量UA相對于參考電壓UR(參考電壓，反映了模擬量的最大輸入值）經(jīng)過一個編碼電路轉換成數(shù)字量D。采用二分法，一直比較到最末位為止。此時，D／A轉換器的數(shù)字輸入即為對應模擬輸入信號的數(shù)字量。

逐次逼近式A/D轉換原理框圖

-+D/A轉換器輸入電壓UA比較器控制器數(shù)碼設定器數(shù)碼輸出Uo2023/6/19例:設輸入的模擬量為0.7148439,采用八位A/D轉換器,逼近轉換過程見下表.次數(shù)設定數(shù)碼推測值UO比較結果寄存值1100000000.5UO<UA第8位保留12110000000.75UO>UA第7位保留03101000000.625UO<UA第6位保6825UO<UA第5位保71875UO>UA第4位保留06101101000.7103125UO<UA第3位保7109375UO<UA第2位保7148437UO<UA第1位保留12023/6/192023/6/19逐次逼近式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電力系統(tǒng)模擬量輸入電壓形成電壓形成

ALF

ALFS/HS/H多路轉換開關（MPX）

A/D2023/6/19作業(yè)：1.1、說明微機保護裝置硬件系統(tǒng)構成及各部分作用。1.2、逐次逼近式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成及各部分作用。1.3、采樣定理及其意義。二、壓—頻變換式（VFC)1、VFC轉換器的基本原理計數(shù)器:輸入脈沖信號的頻率為f，計數(shù)時間間隔，加入計數(shù)器的脈沖數(shù)為N，則N=f×

VFC:用待轉換的電壓U控制計數(shù)脈沖的頻率，使脈沖頻率正比于電壓U，而計數(shù)間隔不變，則計數(shù)結果代表輸入電壓的大小。

VFC原理的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成

電壓形成電壓形成VFCVFC

…光電耦合光電耦合計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)器模塊1模塊N……信息共享TVTA二次測模擬量2、VFC實現(xiàn)AD轉換的原理

加偏置后的輸入波形

輸入為0時，輸出信號頻率為250KHZ等幅等寬脈沖波2、VFC實現(xiàn)AD轉換的原理VFC工作原理和計數(shù)采樣(輸入為交流信號)2023/6/19第四節(jié)

開關量輸入輸出回路一、光電隔離實現(xiàn)兩側電路之間的電氣隔離，解決不同邏輯電平之間的信號傳遞和控制。光電耦合器件內部是由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成的集成功能塊，兩個器件被相互絕緣地分別設置輸入和輸出兩側回路，隔離阻抗不小于光隔2023/6/19第四節(jié)開關量輸入輸出回路二、開關量輸入(DI)回路用于識別運行方式、運行條件等。開關量狀態(tài)正好對應二進制數(shù)字的“1”或“0”,開關量可作為數(shù)字量讀入。DI接口作用是為開關量提供輸入通道,并在數(shù)字保護裝置內外部之間實現(xiàn)電氣隔離.一類是裝在保護裝置面板上的接點;一類是從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點。2023/6/19二、開關量輸入回路（a）裝置內部接點輸入；（b）采用光耦的開關量輸入接口電路PA0并行接口K14.7Ω+5VR1R2R3R4外部空接點接至開入專用電源C光隔電平輸出內部數(shù)字電路工作電源+-（a）（b）2023/6/19三、開關量輸出(DO)回路

主要包括保護的跳閘出口、本地和中央信號以及通信接口裝置內部數(shù)字信號等。對保護的跳閘出口、本地和中央信號,要在數(shù)字式保護裝置內外部之間實現(xiàn)電氣隔離,保證內部弱電電路的安全和減少外部干擾。為防止因保護裝置上電(合上電源)或工作電源不正常通斷在輸出回路出現(xiàn)不確定狀態(tài)時,導致保護裝置發(fā)生誤動。對控制用的光隔回路采用異或邏輯控制。2023/6/19三、開關量輸出(DO)回路（a）數(shù)字信號輸入/出接口；（b）采用光耦的開關量輸出控制電路PA0PB0并行接口輸出數(shù)字信號+5V輸入數(shù)字信號+5V（a）內部數(shù)字電路工作電源內部繼電器操作電源出口繼電器線圈KCO

R1RCV光隔來自CPUR2

出口繼電器空接點輸出（b）2023/6/19二、RCS901硬件原理2.1裝置面板布置圖2023/6/19組成裝置的插件有：電源插件（DC）、交流插件AC）、低通濾波器（LPF），CPU插件（CPU）、通信插件（COM）、24V光耦插件（OPT1）、高壓光耦插件（OPT2）、信號插件（SIG）、跳閘出口插件（OUT1、OUT2）、顯示面板（LCD）。2.1裝置背視圖2023/6/19二、RCS901硬件原理2.1裝置面板布置圖2023/6/192.3電源插件（DC）

保護裝置的電源從101端子（直流電源220V/110V＋端）、102端子（直流電源220V/110V－端）經(jīng)抗干擾盒、背板電源開關至內部DC/DC轉換器，輸出＋5V、±12V、＋24V（繼電器電源）給保護裝置其它插件供電；另外經(jīng)104、105端子輸出一組24V光耦電源，其中104為光耦24V＋，105為光耦24V－。濾波器DC/DC光耦24V至OPT1插件+5V+12V+24V