電力系統(tǒng)繼電保護第-3章-微機保護基知識

第3章微機保護基礎(chǔ)知識11/19/20241微機保護基礎(chǔ)知識硬件組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理基本算法軟件結(jié)構(gòu)抗干擾的措施內(nèi)容與要求硬件組成需要了解，最終的目標是要掌握微機保護的接線?；舅惴ㄅc軟件組成是重點內(nèi)容，是實現(xiàn)繼電保護原理的方法?？垢蓴_措施是微機測控系統(tǒng)的通用方法，具有普遍意義，需要了解。11/19/20242微機保護基礎(chǔ)知識掌握基本原理用計算機方法實現(xiàn)電流保護，在實踐中提高對微機保護的認識要將保護的基本算法與具體繼電保護原理結(jié)合學(xué)習(xí)方法要分清楚哪些是基本原理。要利用微機來實現(xiàn)基本算法。理論聯(lián)系實踐，要既動腦也動手。11/19/20243微機保護基礎(chǔ)知識可靠性高；靈活性強；性能改善，功能易于擴充；維護調(diào)試方便；有利于實現(xiàn)變電站綜合自動化。微機保護優(yōu)點元件少，接線簡單，軟件一致。投退功能靈活，硬件通用?？梢詫崿F(xiàn)復(fù)雜繼電保護原理，如任意形狀阻抗繼電器，功能擴充時可以不需要更改硬件。微機保護測試儀的應(yīng)用，縮短了調(diào)試時間。通信與網(wǎng)絡(luò)功能的加強，可以實現(xiàn)遙控、遙信、遙測、遙調(diào)的“四遙”功能。11/19/20244微機保護基礎(chǔ)知識模擬量輸入系統(tǒng)（或稱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）CPU主系統(tǒng)開關(guān)量輸入/輸出回路人機接口回路通訊回路電源回路3.1微機保護硬件將交流模擬量轉(zhuǎn)為CPU能夠處理的數(shù)字量，并要達到隔離與精度要求。基本通用的微機主系統(tǒng)。接點狀態(tài)或高低電平的處理。便于操作，如鍵盤、液晶顯示、打印機、信號燈等便于綜合自動化。開關(guān)電源，要強調(diào)抗干擾。11/19/20245微機保護基礎(chǔ)知識

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

開關(guān)量系統(tǒng)

人機對話微機保護硬件組成11/19/20246微機保護基礎(chǔ)知識微處理器CPU存儲器并行口串行口定時/計數(shù)器等微機主系統(tǒng)需要強調(diào)的是，存儲器包括EPROM－用于存放保護程序，即軟件RAM－用于存放運算的中間結(jié)果。EEPROM－用于存放保護定值，也可采用FLASH來存放。11/19/20247微機保護基礎(chǔ)知識基于逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換的采集系統(tǒng)基于電壓/頻率變換（VFC）原理進行A/D變換的采集系統(tǒng)3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前者包括：電壓形成回路、模擬低通濾波器（ALF）、采樣保持回路（S/H）、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路（MPX）及模數(shù)轉(zhuǎn)換回路（A/D）后者包括：電壓形成、VFC回路、計數(shù)器兩者各有優(yōu)點，前者便于滿足精度，后者不需要濾波與采樣保持電路11/19/20248微機保護基礎(chǔ)知識電壓變換、屏蔽和隔離

濾除高頻，降低采樣頻率逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換方式保證數(shù)據(jù)的同時性節(jié)約A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近原理11/19/20249微機保護基礎(chǔ)知識電壓變換、屏蔽和隔離基于壓頻變換（VFC）方式電壓轉(zhuǎn)化為頻率對脈沖計數(shù)，從而完成對電壓的測量11/19/202410微機保護基礎(chǔ)知識類型電流變換器（UA）電壓變換器（UV）電抗變換器（UR）（1）電壓形成回路作用TA、TV二次側(cè)電流電壓較大，變化范圍也較大，為適應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換要求將交流模擬量適當值，以滿足精度要求。屏蔽和隔離，TA、TV二次側(cè)過電壓損壞保護裝置。3.2.1基于逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入系統(tǒng)11/19/202411微機保護基礎(chǔ)知識采樣：將一個連續(xù)時間信號x(t)變成離散時間信號x*(t)。（2）采樣保持（S/H）電路TS－采樣周期fS=1/TS－采樣頻率工頻每周期采樣點數(shù)N為：T－工頻周期，20msf=1/T－工頻頻率，50HZ11/19/202412微機保護基礎(chǔ)知識保持：為保證各通道采樣的同時性，在等待模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程中，必須保持采樣值不變。（2）采樣保持（S/H）電路粉紅色為理想值，紅色為實際值。11/19/202413微機保護基礎(chǔ)知識要求：1、截獲時間盡量短，特別是對快速變化的輸入信號采樣更應(yīng)保證這一點；2、保持時間要長；3、模擬開關(guān)的動作延時、閉合電阻和開斷時的泄露電流要小。（2）采樣保持（S/H）電路采樣電子開關(guān)要求1：CH越小越好要求2：CH越大越好CH的大小應(yīng)當如何確定呢？11/19/202414微機保護基礎(chǔ)知識離散信號怎樣才能真實反映被采樣的連續(xù)信號，若要求不丟失信息，應(yīng)滿足什么條件？（3）ALF和采樣頻率問題被采樣信號x(t)的頻率為f0，TS為采樣周期，fS為采樣頻率混疊混疊正確11/19/202415微機保護基礎(chǔ)知識若要不丟掉信息地對輸入信號進行采樣，就必須滿足fs≥2f0。（3）ALF和采樣頻率結(jié)論采樣定理若輸入信號x(t)含有各種頻率成份，其最高頻率為fmax，若要對其不失真地采樣，或者采樣后不產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象，采樣頻率必須不小于2fmax，即fs≥2fmax。采樣定理對模擬信號要求（采用模擬低通ALF的原因）限于CPU運算速度，要限制輸入信號的最高頻率，只需在采樣前用一個模擬低通濾波器（ALF），濾出fs／2以上的頻率分量。11/19/202416微機保護基礎(chǔ)知識目前絕大多數(shù)微機保護的采樣周期TS為5/6ms或5/3ms，即采樣頻率為1200HZ或600HZ。（3）ALF和采樣頻率微機保護現(xiàn)狀每周期采樣N=24點或12點。11/19/202417微機保護基礎(chǔ)知識（3）ALF分類與電路有源ALF無源ALF由RC網(wǎng)絡(luò)加上運算放大器構(gòu)成，其特性較穩(wěn)定，不受時間、溫度變化的影響，可以避免采用大電容，有好的特性及快的速度。無源濾波器通常是由RLC等元件組成，濾波特性受溫度變化發(fā)生漂移，而且保護帶來延時，在微機保護ALF中很少應(yīng)用。無源電路特性11/19/202418微機保護基礎(chǔ)知識（4）模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MPX）模擬量輸入通道公用一個A/D芯片多路轉(zhuǎn)換開關(guān)是電子型的，通道切換受微機控制。譯碼/驅(qū)動器ENA1A2A3A0AS1AS15AS015V+15V–ui0ui1ui15uout11/19/202419微機保護基礎(chǔ)知識ADC的基本原理（5）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC回路）將輸入的離散模擬量u*(t)與基準電壓UR進行比較，按照四舍五入的原則，編成二進制代碼的數(shù)字信號。將數(shù)字量D轉(zhuǎn)換成模擬量。數(shù)摸轉(zhuǎn)換器11/19/202420微機保護基礎(chǔ)知識二分法舉例ADC的基本原理已知某物品價格在0-64元間（31元），猜一猜該物品價格（精確到1元）。第1次第2次第3次第4次第6次第5次321624283130高低低低結(jié)束低64是基準值；最多6次，26＝64；精度64/26＝1元。11/19/202421微機保護基礎(chǔ)知識逐次逼近ADC原理ADC的基本原理參考電壓UR，ADC位數(shù)N位，輸入電壓Ui，則最多需要比較N次，精度為UR/2N。第1次第2次…第N次100…00010…00…011…01高，1改0低，1保持…結(jié)束第3次011…00低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多即N值越大，則模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率與轉(zhuǎn)換的精度越高。11/19/202422微機保護基礎(chǔ)知識用于將上述ADC過程中數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量與輸入電壓進行比較。DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換原理可見，輸出模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量D。11/19/202423微機保護基礎(chǔ)知識模數(shù)轉(zhuǎn)換器回路邏輯較快的二分逼近方法，N位轉(zhuǎn)換器只要比較N次，比較的次數(shù)與輸入模擬量的值無關(guān)。11/19/202424微機保護基礎(chǔ)知識（1）VFC轉(zhuǎn)換器的基本原理3.2.2基于VFC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)0f(b)0t(a)0(c)tVFC的脈沖輸出頻率正比于輸入電壓幅值，對脈沖的計數(shù)就完成了對電壓幅值的測量。11/19/202425微機保護基礎(chǔ)知識可見，輸入模擬電壓uin變換成一串等幅脈沖，而等幅脈沖Uo(f)的頻率與輸入電壓成正比。11/19/202426微機保護基礎(chǔ)知識根據(jù)反充電與充電電荷平衡原理：輸出頻率(3—1)(3—2)可見，輸出頻率fo反應(yīng)了輸入電壓Uin的大小。Uifo011/19/202427微機保護基礎(chǔ)知識須注意這里讀數(shù)與輸入電壓沒有對應(yīng)關(guān)系，不能用于數(shù)值計算。VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作分析VFC輸出至計數(shù)器，CPU每隔KTs讀數(shù)為RD1、RD2……RDk。每隔KTs對輸出脈沖的計數(shù)，實質(zhì)上是在此期間內(nèi)對f的積分。在某段時間內(nèi)的計數(shù)值就是這段時間對頻率的積分值。11/19/202428微機保護基礎(chǔ)知識假設(shè)RDk、RDK-N分別為tK和tK-N時刻的讀數(shù)，則這段時間內(nèi)的計數(shù)值DK為：可見，兩次讀數(shù)之差即為采樣值，可用于計算。采樣值DK反應(yīng)了uin(t)在KTS~（K-N）TS的積分面積。11/19/202429微機保護基礎(chǔ)知識令矩形面積=積分面積可見，DK反應(yīng)了τ時刻的輸入電壓uin(τ)。于是，1）因uin(τ)在NTs時間段保持不變，故可通過增加數(shù)據(jù)窗長度NTs，來提高分辨率；2）DK反應(yīng)了某段時間的積分值，所以具有濾除高頻分量的作用。11/19/202430微機保護基礎(chǔ)知識分辨率舉例相當于10位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率計數(shù)脈沖最高頻率為500kHZ，計數(shù)時間為2ms則，當輸入電壓為最大值時，計數(shù)值為11/19/202431微機保護基礎(chǔ)知識分辨率舉例這樣就造成比較大的誤差計數(shù)脈沖最高頻率為500kHZ，要達到12位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率11/19/202432微機保護基礎(chǔ)知識查詢方式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與微機接口靠CPU查詢AD轉(zhuǎn)換是否結(jié)束AD轉(zhuǎn)換結(jié)束向CPU發(fā)出中斷請求AD轉(zhuǎn)換結(jié)果直接存入內(nèi)存中斷方式DMA11/19/202433微機保護基礎(chǔ)知識開關(guān)量輸入回路3.3開關(guān)量輸入輸出回路原理電平接點直接接入并行口外部接點要采取抗干擾措施，如光耦的隔離不帶電位的接點（QF位置、跳閘等）、邏輯電平（鍵盤、信號）。11/19/202434微機保護基礎(chǔ)知識開關(guān)量輸出回路電平接點并行口直接輸出外部接點要采取抗干擾措施，如光耦隔離、防止誤輸出11/19/202435微機保護基礎(chǔ)知識數(shù)字濾波器3.4微機保護算法計算精度響應(yīng)時間運算量繼電器算法內(nèi)容評價指標11/19/202436微機保護基礎(chǔ)知識3.4.1離散系統(tǒng)及其分析方法輸入輸出都是離散時間信號（時間上不連續(xù)的一組序列）該系統(tǒng)具有線性、時不變、穩(wěn)定、因果等性質(zhì)。11/19/202437微機保護基礎(chǔ)知識常用離散時間信號=10（1）單位脈沖序列，定義為：1230-1-21n（3-3）=10（3-4）12K0-1-21n11/19/202438微機保護基礎(chǔ)知識常用離散時間信號（2）單位階躍序列U(n)01n234U(n)56U(n)10(3—5)=（3）正弦序列x(n)0123456789101112a1a2a3a4a5a6a7a8a9a10a11a12n注意11/19/202439微機保護基礎(chǔ)知識離散系統(tǒng)分析方法分析線性離散系統(tǒng)常常用Z變換，它可以使差分方程變?yōu)楹唵蔚拇鷶?shù)方程。2）位移性質(zhì)(3—8)（1）Z變換(3—6)式中z為自變量，是一個復(fù)變量。序列x(n)，其Z變換定義為：(3—7)1）線性性質(zhì)（2）Z變換的基本性質(zhì)11/19/202440微機保護基礎(chǔ)知識差分數(shù)字濾波器的特性（1）差分方程傳遞函數(shù)H(z)兩邊取Z變換整理后有(3—9)通過對傳遞函數(shù)的分析，就可以得出差分濾波器的特性。11/19/202441微機保護基礎(chǔ)知識（2）差分數(shù)字濾波器的頻率特性為幅頻特性為相頻特性。就得到數(shù)字濾波器的頻率特性為獲取有關(guān)頻率響應(yīng)的信息，令其中M為諧波次數(shù)，f為基波頻率。TS為采樣周期，N為基波每周期T采樣點數(shù)。（3—10）欲濾除m次諧波，只需要令11/19/202442微機保護基礎(chǔ)知識（3）差分數(shù)字濾波器分析方法Z變換求傳遞函數(shù)H（Z）求幅頻特性分析濾波效果傳遞函數(shù)差分方程為進行Z變換令有則要濾除m次諧波，則令則濾除m次諧波的條件P＝1，2……11/19/202443微機保護基礎(chǔ)知識如N=12，K=6或12，差分數(shù)字濾波器的幅頻特性如下012345678f/f1(m)K=6K=12（3）差分數(shù)字濾波器舉例能濾除直流分量；當K=6時，能濾除偶數(shù)次諧波；當K=12時，能濾除各次諧波，包括基波；濾波器的延時為KTS。特點11/19/202444微機保護基礎(chǔ)知識3.4.2正弦量幅值和相位的基本算法（1）兩點乘積算法主要計算U、I的有效值和相角及阻抗Z。如則即n2與n1采樣相差90度即11/19/202445微機保護基礎(chǔ)知識（1）兩點乘積算法電流相量形式同理，電壓則阻抗Z1）算法本身無誤差，且與采樣頻率無關(guān)；2）有延時；3）運算工作量較大。特點：11/19/202446微機保護基礎(chǔ)知識（2）導(dǎo)數(shù)算法導(dǎo)數(shù)的求取則1）算法本身有誤差，且與采樣頻率有關(guān)；2）延時2TS或3TS；3）運算工作量較大。特點：導(dǎo)數(shù)導(dǎo)數(shù)或11/19/202447微機保護基礎(chǔ)知識（3）半波絕對值積分算法梯形法求取積分S則1）算法本身有誤差，且與采樣頻率有關(guān)；2）延時10ms；3）運算量??；4）只能求有效值特點：積分11/19/202448微機保護基礎(chǔ)知識（4）富氏算法周期信號為x(t)，其中的n次諧波用富氏級數(shù)表示為：則有效值計算Xnr與Xni的方法可以采用全波或半波富氏算法，可以計算任意次諧波，算法本身具有濾波作用。其中相位為相量形式11/19/202449微機保護基礎(chǔ)知識基波全波富氏算法連續(xù)域離散域矩形法求積分11/19/202450微機保護基礎(chǔ)知識基波半波富氏算法連續(xù)域離散域矩形法求積分11/19/202451微機保護基礎(chǔ)知識富氏算法的特點從濾波效果來看，全波富立葉算法能完全濾除各次諧波分量和穩(wěn)定的直流分量；半波富立葉算法不能濾去直流分量和偶次諧波。全波富氏算法延時20ms；半波富氏算法延時10ms；在衰減的非周期分量的影響下，計算誤差較大11/19/202452微機保護基礎(chǔ)知識（5）微分方程算法－計算阻抗求取微分的方法與導(dǎo)數(shù)法相同則1）算法本身有誤差，且與采樣頻率有關(guān)；2）延時?。?）運算量較大；4）只能求阻抗特點：圖中，電壓為解方程組就可以求出R與X11/19/202453微機保護基礎(chǔ)知識思考題1、用各種算法計算式（a）電壓基波有效值并分析誤差。2、用各種算法計算式（b）電流基波有效值并分析誤差。3、用各種算法計算基波阻抗并分析誤差。(a)(b)已知：N＝1211/19/202454微機保護基礎(chǔ)知識3.4.3繼電器算法（1）移相算法主要包括移相、比相、增量元件、濾序器算法等取用不同時刻的采樣值可直接移相，移相的角度為直接移相如N＝12，用u(n-2)替代u(n)，就相當于將電壓移相60°。11/19/202455微機保護基礎(chǔ)知識富氏移相富氏算法可以寫成相量形式，X要移相

，只需在該相量乘以ej

。

11/19/202456微機保護基礎(chǔ)知識（2）相位比較器－比較兩個相量相位關(guān)系剩下的問題就是只需要知道G與H的實部與虛部，可以采用前述二點乘積法或富氏算法求取。繼電保護常用的比較方式如下化簡后有余弦型正弦型11/19/202457微機保護基礎(chǔ)知識（3）增量元件算法－起動元件、突變量方向與阻抗元件采樣頻率固定，即與一周期前數(shù)據(jù)相減當系統(tǒng)無故障時，△i＝0；系統(tǒng)有故障時，△i≠0，為故障分量。如系統(tǒng)頻率變化，即當系統(tǒng)無故障時，△i≠0，引起誤差為防止系統(tǒng)頻率變化的影響，算法改為兩次差值受系統(tǒng)頻率影響相同，再相減就消除了11/19/202458微機保護基礎(chǔ)知識故障時刻11/19/202459微機保護基礎(chǔ)知識（4）序分量濾過器算法－正、負、零序分量基于離散值的濾序器，如每周采樣N點240°120°11/19/202460微機保護基礎(chǔ)知識（4）序分量濾過器算法－正、負、零序分量基于相量值的濾序器利用二點乘積法或富氏算法得到又則11/19/202461微機保護基礎(chǔ)知識主程序3.5微機保護的軟件構(gòu)成中斷服務(wù)程序內(nèi)容11/19/202462微機保護基礎(chǔ)知識3.5.1主程序模擬量采集與濾波開關(guān)量的采集裝置硬件自檢TA、TV斷線檢驗起動判斷11/19/202463微機保護基礎(chǔ)知識3.5.2中斷服務(wù)程序正常運行程序檢查開關(guān)位置狀態(tài)－異常時發(fā)信號三相無流跳閘位置QF未投運有電流跳閘位置QF異常交流電壓斷線－延時報警并閉鎖相應(yīng)會誤動保護11/19/202464微機保護基礎(chǔ)知識正常運行程序交流電流斷線－延時10S報警并閉鎖相應(yīng)會誤動保護無流合閘位置TA異常電壓、電流回路零點漂移自動調(diào)整－裝置將自動跟蹤零點隨溫度及環(huán)境的漂移，并自動調(diào)整采樣值。11/19/202465微機保護基礎(chǔ)知識3.5.2中斷服務(wù)程序故障處理程序（各種保護的故障處理程序有所不同）縱聯(lián)保護距離保護零序保護電壓電流保護重合閘等11/19/202466微機保護基礎(chǔ)知識硬件抗干擾3.6提高微機保護可靠性的措施軟件抗干擾－抗干擾措施硬件與軟件的自恢復(fù)微機保護的工作環(huán)境具有高電壓、大電流等強電裝置。電磁輻射、雷電沖擊、高頻噪聲和諧波等電磁干擾將使保護的工作可靠性降低，出現(xiàn)誤判、誤動等故障狀況，甚至致使系統(tǒng)“死機”電磁兼容(ElectromagneticCompatibility——EMC)11/19/202467微機保護基礎(chǔ)知識硬件抗干擾措施模擬量部分的輸入通過變換器隔離。開關(guān)量的輸入輸出通過光電耦合器進行隔離（2）電源的抗干擾（1）隔離和屏蔽微機保護整機故障有1/3～1/2來自于電源寬工作電壓范圍（AC85～265V）且有隔離作用的開關(guān)電源，提高系統(tǒng)抗電網(wǎng)電壓波動能力。電源輸入隔離變壓器初級和次級間加入接地的金屬屏蔽層，減小因雷擊和瞬時過電壓引起的地電位升高給微機系統(tǒng)造成的電源干擾的可能。瞬變電壓抑制器（TPV）、電源濾波器或串接鐵氧體磁環(huán)－高頻干擾信號(增加高頻阻抗或吸收)11/19/202468微機保護基礎(chǔ)知識屏蔽電纜，減小外屏蔽直流電阻和增大屏蔽的電感－抗電磁耦合屏蔽電纜外屏蔽一端或兩端接地－抗靜電干擾（4）印制電路板的抗干擾（3）信號傳輸線的抗干擾合理的電路板布線技術(shù)（環(huán)繞布線、線徑選擇、分層處