電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)第10章微機(jī)保護(hù)基礎(chǔ)

第10章微機(jī)維護(hù)根底第一節(jié)緒論微機(jī)維護(hù)的開展概略微機(jī)維護(hù)的特點(diǎn)第二節(jié)微機(jī)繼電維護(hù)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成原理傳統(tǒng)維護(hù)安裝硬件系統(tǒng)構(gòu)成微機(jī)維護(hù)安裝硬件系統(tǒng)構(gòu)成第三節(jié)模擬量輸入部分ADC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電壓構(gòu)成電路采樣堅持〔S/H〕電路和模擬低通濾波器〔ALF)逐位比較式A/D轉(zhuǎn)換VFC數(shù)模變換器第四節(jié)開關(guān)量輸入回路第五節(jié)開關(guān)量輸出回路10.1緒論10.1.1微機(jī)維護(hù)的開展概略20世紀(jì)60年代末期，國外提出用計算機(jī)構(gòu)成繼電維護(hù)的倡議。當(dāng)時還不具備商業(yè)性消費(fèi)這類維護(hù)安裝的條件，早期的研討任務(wù)是以小型機(jī)為根底的,要采用一臺小型計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)多個電氣設(shè)備或整個變電站的維護(hù)功能。70年代中期，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的開展，微型計算機(jī)進(jìn)人適用階段，性價比和可靠性大為提高，為微機(jī)維護(hù)的適用化打下了硬件根底。經(jīng)過30多年的開展和變化，目前微機(jī)維護(hù)曾經(jīng)在各個電力系統(tǒng)的變電站、發(fā)電廠和線路上大量運(yùn)用。(l〕維修調(diào)試方便相比較于過去大量運(yùn)用的整流型繼電維護(hù)安裝，微機(jī)維護(hù)安裝幾乎可以不用調(diào)試，微機(jī)維護(hù)對硬件和軟件都有自檢功能，安裝上電時，有缺點(diǎn)就會立刻報警，可以大大地減輕運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)的任務(wù)量。(2〕可靠性高在各種維護(hù)方法中，思索到了電力系統(tǒng)中的各種情況，具有很強(qiáng)的綜合分析和判別才干。微機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時，可以不斷進(jìn)展自檢，因此，可以立刻檢查出微機(jī)維護(hù)內(nèi)部的大多數(shù)隨機(jī)缺點(diǎn)，而采取適當(dāng)?shù)募m正措施。(3〕易于獲得各種附加功能由于計算機(jī)的通用性，因此在繼電維護(hù)硬件的根底上，可以很方便地經(jīng)過添加軟件的方法獲得維護(hù)之外的功能。例如，維護(hù)的動作順序記錄，缺點(diǎn)諧波分析，缺點(diǎn)測距，低頻減載等。10.1.2微機(jī)維護(hù)的特點(diǎn)(4〕維護(hù)性能易于改善對于一樣的硬件，可以經(jīng)過算法的不同，實(shí)現(xiàn)不同的維護(hù)。這樣，也就可以經(jīng)過改善算法來不斷完善維護(hù)性能，而不需求改動硬件。經(jīng)過軟件算法的改善，可以較好地處理原有模擬繼電維護(hù)安裝無法處理的一些問題。(5〕便于遠(yuǎn)方監(jiān)控目前的微機(jī)維護(hù)安裝均設(shè)有通訊接口，這樣可以方便地將各地維護(hù)安裝納入變電站綜合自動化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方修正定值與投切維護(hù)安裝。〔6〕靈敏性大目前，國內(nèi)中低壓變電站內(nèi)不同一次設(shè)備的維護(hù)安裝在硬件設(shè)計時，盡能夠采用同樣的設(shè)計方案。而超高壓電力系統(tǒng)維護(hù)安裝假設(shè)采用多CPU實(shí)現(xiàn)多種維護(hù)功能時，每塊CPU模塊的硬件設(shè)計也傾向于盡量一樣。由于維護(hù)的原理主要由軟件決議，因此，只需改動軟件就可以改動維護(hù)的特性和功能，從而可靈敏地順應(yīng)電力系統(tǒng)開展對維護(hù)要求的變化，也減少了現(xiàn)場的維護(hù)任務(wù)量。

〔7〕經(jīng)濟(jì)性好微處置器和集成電路芯片的性能不斷提高而價錢不斷在下降，而電磁型繼電器的價錢在同一時期內(nèi)卻不斷上升。而且，微機(jī)維護(hù)安裝是一個可編程序的安裝，它可基于通用硬件實(shí)現(xiàn)多種維護(hù)功能，使硬件種類大大減少。這樣，在經(jīng)濟(jì)性方面也優(yōu)于傳統(tǒng)維護(hù)。10.2微機(jī)繼電維護(hù)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成原理10.2.1傳統(tǒng)維護(hù)安裝硬件系統(tǒng)構(gòu)成電力系統(tǒng)發(fā)生缺點(diǎn)時，相關(guān)電氣參數(shù)將發(fā)生變化。例如，電流增大、電壓降低以及電流與電壓之間的相位角變化等。利用缺點(diǎn)前后這些根本電氣參數(shù)的差別，就可構(gòu)成不同原理的繼電維護(hù)安裝，如：(l〕反響電流數(shù)值變化的電流速斷維護(hù)、定時限過電流維護(hù)、反時限過電流維護(hù)；(2〕反響電壓數(shù)值變化的低電壓或過電壓維護(hù)；(3〕既反響電流數(shù)值變化義反響短路功率方向的方向過電流維護(hù)；(4〕反響被維護(hù)設(shè)備兩端輸入電流與輸出電流矢量變化的電流差動維護(hù)；(5〕反響電壓與電流矢量比值變化的間隔維護(hù)；(6〕反響電壓或電流序分量特征的序分量維護(hù)；(7〕反響電壓或電流某次諧波分量特征的維護(hù)如二次諧波制動原理的變壓器差動維護(hù)等。根據(jù)不同原理構(gòu)成的繼電維護(hù)安裝種類雖然很多，但普通情況下，它們都是由二個根本部分組成，即丈量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分，其原理框圖如下所示。圖10.1傳統(tǒng)繼電維護(hù)安裝的原理構(gòu)造圖各根本部分的作用是：(l〕丈量部分是丈量與被維護(hù)設(shè)備任務(wù)形狀〔正常形狀、缺點(diǎn)形狀或不正常任務(wù)形狀〕相關(guān)的電氣量，并與給定的整定值比較，從而判別維護(hù)能否應(yīng)該起動。(2〕邏輯部分是根據(jù)各丈量元件輸出量的大小、性質(zhì)、組合方式、出現(xiàn)的順序，來判別被維護(hù)設(shè)備的任務(wù)形狀，以決議維護(hù)能否應(yīng)該動作。(3〕執(zhí)行部分是根據(jù)邏輯部分傳送的信號，執(zhí)行維護(hù)安裝所承當(dāng)?shù)牧x務(wù)。如內(nèi)部缺點(diǎn)時動作于跳閘；不正常運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)出報警信號；正常運(yùn)轉(zhuǎn)時不動作等。10.2.2微機(jī)維護(hù)安裝硬件系統(tǒng)構(gòu)成微機(jī)維護(hù)安裝硬件系統(tǒng)按功能可分為如下五個部分(l〕數(shù)據(jù)采集單元。包括電壓構(gòu)成和模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊，完成將模擬輸入量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的功能；(2〕數(shù)據(jù)處置單元。包括微處置器、只讀存儲器、隨機(jī)存取存儲器、定時器以及并行口等。微處置器執(zhí)行存放在程序存儲器中的維護(hù)程序，對由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至隨機(jī)存取存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)展分析處置，以完成各種繼電維護(hù)的功能；(3〕開關(guān)量輸入／輸出接口。由假設(shè)干并行接口、光電隔離器及中間繼電器等組成，以完成各種維護(hù)的出口跳閘、信號警報、外部接點(diǎn)輸入及人機(jī)對話等功能；(4〕通訊接口。包括通訊接口電路及接口以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊或聯(lián)網(wǎng)；(5〕電源。供應(yīng)微處置器、數(shù)字電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及繼電器所需的電源。一種典型的維護(hù)安裝的硬件構(gòu)造表示圖如圖10.2所示。圖10.2微機(jī)維護(hù)硬件表示框圖10.3模擬量輸入部分微機(jī)維護(hù)的模數(shù)變換方式主要有兩種：一種是ADC方式，另一種是VFC方式。對于中低壓電力系統(tǒng)這兩種方式都在運(yùn)用，而高壓或超高壓的維護(hù)安裝，我國目前大都采用VFC變換方式。ADC方式是將模擬量直接轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量的方法，而VFC是將模擬量先轉(zhuǎn)變?yōu)轭l變脈沖量，再經(jīng)過脈沖計數(shù)變換為數(shù)字量的一種變換方法。10.3.1ADC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖10.3所示。圖10.3ADC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖10.3.2電壓構(gòu)成電路交流電流的變換普通采用電流變換器，并在其二次側(cè)并聯(lián)電阻以獲得所需的電壓，其優(yōu)點(diǎn)是：只需鐵心不飽和，其二次電流及并聯(lián)電阻上電壓的波形就可根本堅持與一次電流波形一樣且同相，可以做到不失真變換，但是，電流互感器在非周期分量的作用下容易飽和。電抗變換器優(yōu)點(diǎn)是：線性范圍較大，鐵心不易飽和。有移相作用，它可以抑制低頻分覺，放大高頻分量，因此，二次側(cè)電壓波形在系統(tǒng)暫態(tài)時會發(fā)生畸變。電流構(gòu)成回路除了起電量變換作用外，還起到隔離作用，它使計算機(jī)與強(qiáng)電系統(tǒng)隔離，從而在較大強(qiáng)度上減弱了來自高壓系統(tǒng)的電磁干擾。圖10.4交流變換器(a〕電流變換器；(b〕電壓變換器；(c〕電抗變換器10.3.3采樣堅持〔S/H〕電路和模擬低通濾波器〔ALF)(l〕采樣堅持電路〔S/H)采樣堅持電路的作用是在一個極短的時間內(nèi)丈量模擬輸入量在該時辰的瞬時值，并在A/D進(jìn)展轉(zhuǎn)換期間堅持其輸出不變。采樣堅持電路如圖10.5所示。圖10.5采樣堅持電路(2〕模擬低通濾波器〔ALF)電力系統(tǒng)在發(fā)生缺點(diǎn)時，其電流、電壓中普通均含有較高的頻率成分。而口前微機(jī)維護(hù)原理大都是反映工頻分量的，同時，任何實(shí)踐的A/D變換器所能到達(dá)的最高采樣頻率總是有限的。因此，需求在采樣之前將信號頻率限制在一定頻率之下。即限制輸入信號的最高頻率。要限制輸入信號的最高頻率，只需求在采樣前用一個模擬低通濾波器，將1/2采樣頻率以上的信號頻率分址濾掉。模擬低通濾波器可以采用無源或有源的。圖10.6為模擬低通虛波器。圖10.6模擬低通濾波器10.3.4逐位比較式A/D轉(zhuǎn)換逐位比較A/D轉(zhuǎn)換就是把待轉(zhuǎn)換的模擬電壓與一組呈二進(jìn)制關(guān)系的規(guī)范電壓一位一位地進(jìn)展比較，到達(dá)將模擬電壓變成二進(jìn)制數(shù)的目的。設(shè)n個呈二進(jìn)制關(guān)系的規(guī)范電壓是：。其中，k為常數(shù)，量綱為伏。如欲將直流模擬電壓VA轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，可以將VA與上述規(guī)范電壓相比較，也就是用規(guī)范電壓來稱量VA的大小。在比較時，首先用最大的一個規(guī)范電壓與VA比較，假設(shè)，那么記下a1=0，反之a(chǎn)1=l；第二次用與VA比較，假設(shè)，記下a2=0，反之，a2=1；第三次用與VA，比較……直到n次比較終了，可以在允許的誤差范圍內(nèi)得到如下的等式：式中，括號內(nèi)的a1(i=1,2，……，n〕只能取0或1，所以，括號內(nèi)是一組二進(jìn)制數(shù)。假設(shè)記為，式〔10.1〕可以寫成：式中，與VA成比例的二進(jìn)制數(shù)D，就是直流模擬電壓VA的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。完成A/D轉(zhuǎn)換所需求的一組規(guī)范電壓，由D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。常用的D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)有T塑網(wǎng)絡(luò)和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，圖10.7是T型網(wǎng)絡(luò)〔又稱R—2R網(wǎng)絡(luò)〕的原理圖。圖中K1～K11受存放器Z1～Z11形狀控制的電子開關(guān)當(dāng)Zi=“1〞時，K接電源+VR；當(dāng)Z=“0〞時，Ki接地。R—2R網(wǎng)絡(luò)的一個特點(diǎn)是：假設(shè)K1～K11全部接地，從恣意一個節(jié)點(diǎn)Pi〔i=1,2，……，11〕向右看〔不包括節(jié)點(diǎn)下面的2R電阻〕，右邊電路的等效電阻總是等于2R。為此，可以找出網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓V0，與Z1～Z11所代表的數(shù)字量之間的關(guān)系。圖10.7R—2R數(shù)——模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)令Z1=“1〞，其他存放器的Zi=“0〞。這時，K1接+VR，其他Ki都接地。R～2R網(wǎng)絡(luò)的簡化等值電路如圖10.8所示?？梢杂嬎愠鼍W(wǎng)絡(luò)的輸出電壓是：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的電源電壓珠取某一個定值，且Ri也取定值時，為一常數(shù)。暫令，式〔10.3〕可以表示成：令Z2=“1〞，其他的Zi=“0〞。R—2R網(wǎng)絡(luò)可按圖10.9進(jìn)展等值變化，這時網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓是：圖10.8K1=1時，網(wǎng)絡(luò)等值電路可以證明，當(dāng)恣意一個存放器Zi=“1〞，其他的存放器為“0〞時，網(wǎng)絡(luò)輸出電壓是：R—2R網(wǎng)絡(luò)是線性電阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)Z1～Z11取恣意形狀時，可以運(yùn)用疊加原理計算網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓V0，其值為：式中，a1～a11取0或1。當(dāng)Zi=“l(fā)〞時，ai取1；當(dāng)Zi=“0〞時，ai取0。可見，R—2R網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓與一組二進(jìn)制數(shù)成比例。借助R—2RD/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，完成逐位比較A/D轉(zhuǎn)換的原理圖如圖10.10所示。圖中的比較器用來比較D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓V0與待轉(zhuǎn)換的直流模擬電壓VA的大??；控制電路對數(shù)碼存放器的形狀進(jìn)展置“1〞和清“0〞。圖10.10逐位比較原理框圖電路任務(wù)過程如下：首先，數(shù)碼存放器全部清零?？刂齐娐返谝徊街脭?shù)碼存放器的第一位Z1=“1〞，這時，R—2R網(wǎng)絡(luò)的輸出V0=V01。比較器比較V0與VA的大小，假設(shè)VA＞V0,Z1=“1〞的形狀保管；假設(shè)VA＜V0，由控制電路將Z1清“0〞。第二步由控制電路置Z2=“l(fā)〞，這時，R—2R網(wǎng)絡(luò)的輸出V0=V01+V02〔這是對應(yīng)Z1=“l(fā)〞的情況。假設(shè)Z1=“O〞，那么V0=V02〕。比較器第二次比較V0與VA的大小，并同第一次一樣，根據(jù)比較結(jié)果，決議Z2保管“1〞還是清“0〞。如此進(jìn)展十一次比較后，可在一定誤差范圍內(nèi)到達(dá)VA=V0，這時，存放在Z1～Z11中的11位二進(jìn)制數(shù)與VA成比例，它就是A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量。表10.1逐位比較模一數(shù)轉(zhuǎn)換過程表10.3.5VFC數(shù)模變換器VFC數(shù)模變換器的作用也是完成對交流輸入變換器輸出的模擬童進(jìn)展數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。為方便多CPU的數(shù)據(jù)共享，免去多CPU共享必需采用的非常復(fù)雜的接口電路，可以選用VFC型模數(shù)變換器，各路采樣轉(zhuǎn)換并行任務(wù)，不再需求采樣堅持器。VFC的輸出電壓的頻率與輸入電壓呈線性關(guān)系，經(jīng)計數(shù)器計數(shù)之后，送總線供CPU運(yùn)用。各路計數(shù)器均安排在各CPU模件上，各CPU運(yùn)用的計數(shù)器也仍是并行任務(wù)的。這樣處置的結(jié)果，提高了數(shù)字丈量的精度和分辨率。它們的任務(wù)方式如圖10.11和圖10.12所示。圖10.11為每個輸入量設(shè)置VFC及計數(shù)器圖10.12多CPU共用VFC型A/D的接線圖典型的電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換器的電路構(gòu)造〔不含計數(shù)器和定時器〕如圖10.13所示。這種方法的原理是產(chǎn)生頻率正比于輸入電壓的脈沖序列，然后在固定時間內(nèi)對脈沖序列計數(shù)。除計數(shù)器和定時器外，該電路實(shí)踐上可視為一個振蕩頻率受輸入電壓Vin控制的多諧振蕩器。A1和R1C組成一積分器，A2為零電壓比較器。當(dāng)積分器的輸出電壓Va降到OV時，零電壓比較器發(fā)生跳變，觸發(fā)脈沖發(fā)生器，使其產(chǎn)生一個定寬度T0的脈沖。在T0期間，模擬開關(guān)S接向負(fù)參考電壓-Vr由于電路設(shè)計成Vr/R2＞Vin/R1，因此，在T0期間積分器一定以反充電為主，使從上升到某一電壓，T0終了后，由于只需正的輸入電壓Vin作用，使積分器充電，輸出電壓Va沿負(fù)斜線下降。當(dāng)Va下降到OV時，比較器翻轉(zhuǎn)，再次觸發(fā)脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生一個T0脈沖，再次反充電，如此反復(fù)振蕩不止，其波形如圖10.14所示。經(jīng)數(shù)學(xué)分析，可得到輸出電壓的振蕩頻率與輸人電壓的關(guān)系，且可用下式表示：圖10.13V/F轉(zhuǎn)換器電路構(gòu)造圖圖10.14波形圖10.4開關(guān)量輸入回路對微機(jī)維護(hù)安裝的開關(guān)量輸入，即接點(diǎn)形狀〔接通或斷開〕的輸入可以分成以下兩大類：(l〕安裝在安裝面板上的接點(diǎn)這類接點(diǎn)包括在安裝調(diào)試時用的或運(yùn)轉(zhuǎn)中定期檢查安裝用的鍵盤接點(diǎn)，以及切換安裝任務(wù)方式用的轉(zhuǎn)換開關(guān)等。(2〕從安裝外部經(jīng)過端子排引入安裝的接點(diǎn)需求由運(yùn)轉(zhuǎn)人員不翻開安裝外蓋而在運(yùn)轉(zhuǎn)中切換的各種壓板、轉(zhuǎn)換開關(guān)以及其他維護(hù)安裝和操作繼電器的接點(diǎn)等。對于裝在安裝面板上的接點(diǎn)，可直接接至微機(jī)的并行接口，如圖10.15所示。只需在初始化時規(guī)定圖中可編程的并行口的PAO為輸入口，那么CPU就可以經(jīng)過軟件查詢，隨時知道圖10.15中外部接點(diǎn)K1的形狀。圖10.15安裝面板上的接點(diǎn)與微機(jī)接口銜接圖對于從安裝外部引入的接點(diǎn)，假設(shè)也按圖10.15接線，將給微機(jī)引入干擾，故應(yīng)經(jīng)光電隔離，如圖10.16所示。圖中虛線框內(nèi)是一個光電藕合器件，集成在一個芯片內(nèi)。當(dāng)外部接點(diǎn)Kl接通時，有電流經(jīng)過光電器件的發(fā)光二極管回路，使光敏三極管導(dǎo)通。K1翻開時，那么光敏二極管截止。因此，三極管的導(dǎo)通和截止完全反映了外部接點(diǎn)的形狀，好像將K1接到三極管的位置一樣。不同點(diǎn)是圖10.16中能夠帶有電磁干擾的外部接線回路和微機(jī)的電路部分之間無電的聯(lián)絡(luò)，而光電藕合芯片的兩個相互隔離部分間的分布電容僅僅是幾皮法，因此可大大