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1、第 8 章 微机保护基础知识10/26/20221l硬件组成 l数据采集系统 原理l基本算法 l软件结构 l抗干扰的措施 内容与要求硬件组成需要了解，最终的目标是要掌握微机保护的接线。基本算法与软件组成是重点内容，是实现继电保护原理的方法。抗干扰措施是微机测控系统的通用方法，具有普遍意义，需要了解。10/26/20222l掌握基本原理l用计算机方法实现电流保护，在实践中提高对微机保护的认识l要将保护的基本算法与具体继电保护原理结合学习方法要分清楚哪些是基本原理。要利用微机来实现基本算法。理论联系实践，要既动脑也动手。10/26/20223l可靠性高；l灵活性强；l性能改善，功能易于扩充；l维护
2、调试方便；l有利于实现变电站综合自动化。微机保护优点 元件少，接线简单，软件一致。投退功能灵活，硬件通用。可以实现复杂继电保护原理，如任意形状阻抗继电器，功能扩充时可以不需要更改硬件。微机保护测试仪的应用，缩短了调试时间。通信与网络功能的加强，可以实现遥控、遥信、遥测、遥调的“四遥”功能。10/26/20224l模拟量输入系统（或称数据采集系统）lCPU主系统l开关量输入/输出回路l人机接口回路l通讯回路l电源回路8.1 微机保护硬件将交流模拟量转为CPU能够处理的数字量，并要达到隔离与精度要求。基本通用的微机主系统。接点状态或高低电平的处理。便于操作，如键盘、液晶显示、打印机、信号灯等便于综
3、合自动化。开关电源，要强调抗干扰。10/26/20225 数据采集系统 开关量系统 人机对话微机保护硬件组成10/26/20226l微处理器CPUl存储器l并行口l串行口l定时/计数器等微机主系统需要强调的是，存储器包括EPROM用于存放保护程序，即软件RAM用于存放运算的中间结果。EEPROM用于存放保护定值，也可采用FLASH来存放。10/26/20227l基于逐次逼近型A/D转换的采集系统l基于电压/频率变换（VFC）原理进行A/D变换的采集系统8.2 数据采集系统前者包括：电压形成回路、模拟低通滤波器（ALF）、采样保持回路（S/H）、多路转换开关电路（MPX）及模数转换回路（A/D）
4、后者包括：电压形成、VFC回路、计数器两者各有优点，前者便于满足精度，后者不需要滤波与采样保持电路10/26/20228电压变换、屏蔽和隔离 滤除高频，降低采样频率逐次逼近A/D转换方式保证数据的同时性 节约A/D转换器逐次逼近原理10/26/20229电压变换、屏蔽和隔离基于压频变换（VFC）方式电压转化为频率 对脉冲计数，从而完成对电压的测量10/26/202210类型l电流变换器（UA）l电压变换器（UV）l电抗变换器（UR）（1）电压形成回路作用TA、TV二次侧电流电压较大，变化范围也较大，为适应模数转换器的转换要求将交流模拟量适当值，以满足精度要求。屏蔽和隔离，TA、TV二次侧过电压
5、损坏保护装置。基于逐次逼近式A/D转换的模拟量输入系统10/26/202211采样：将一个连续时间信号x(t)变成离散时间信号x*(t)。（2）采样保持（S/H）电路TS采样周期 fS=1/TS采样频率工频每周期采样点数N为：T工频周期，20ms f=1/T工频频率，50HZ10/26/202212保持：为保证各通道采样的同时性，在等待模数转换的过程中，必须保持采样值不变。（2）采样保持（S/H）电路粉红色为理想值，红色为实际值。10/26/202213要求：1、截获时间尽量短，特别是对快速变化的输入信号采样更应保证这一点；2、保持时间要长；8、模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的泄露电流要
6、小。（2）采样保持（S/H）电路采样电子开关要求1：CH越小越好要求2：CH越大越好CH的大小应当如何确定呢？10/26/202214离散信号怎样才能真实反映被采样的连续信号，若要求不丢失信息，应满足什么条件？（8）ALF和采样频率问题被采样信号x(t)的频率为f0，TS为采样周期，fS为采样频率混叠混叠正确10/26/202215若要不丢掉信息地对输入信号进行采样，就必须满足fs2f0。（8）ALF和采样频率结论采样定理若输入信号x(t)含有各种频率成份，其最高频率为fmax，若要对其不失真地采样，或者采样后不产生频率混叠现象，采样频率必须不小于2fmax，即fs2fmax。采样定理对模拟信
7、号要求（采用模拟低通ALF的原因）限于CPU运算速度，要限制输入信号的最高频率，只需在采样前用一个模拟低通滤波器（ALF），滤出fs2以上的频率分量。10/26/202216目前绝大多数微机保护的采样周期TS为 5/6ms或 5/8ms，即采样频率为1200HZ或600HZ。（8）ALF和采样频率微机保护现状每周期采样N=24点或12点。10/26/202217（8）ALF分类与电路有源ALF无源ALF由RC网络加上运算放大器构成，其特性较稳定，不受时间、温度变化的影响，可以避免采用大电容，有好的特性及快的速度。无源滤波器通常是由RLC等元件组成，滤波特性受温度变化发生漂移，而且保护带来延时，
8、在微机保护ALF中很少应用。无源电路特性10/26/202218（4）模拟多路转换开关（MPX）模拟量输入通道公用一个A/D芯片多路转换开关是电子型的，通道切换受微机控制。译码/驱动器ENA1A2A8A0AS1AS15AS015V+15Vui0ui1ui15uout10/26/202219lADC的基本原理（5）模数转换器（ADC回路）将输入的离散模拟量u*(t)与基准电压UR进行比较，按照四舍五入的原则，编成二进制代码的数字信号。将数字量D转换成模拟量。l数摸转换器10/26/202220l二分法举例ADC的基本原理已知某物品价格在0-64元间（81元），猜一猜该物品价格（精确到1元）。第1
9、次第2次第8次第4次第6次第5次821624288180高低低低结束低64是基准值；最多6次，2664；精度64/26 1元。10/26/202221l逐次逼近ADC原理ADC的基本原理参考电压UR，ADC位数N位，输入电压Ui，则最多需要比较N次，精度为UR/2N。第1次第2次第N次100000100001101高，1改0低，1保持结束第8次01100低模数转换器的位数越多即N值越大，则模数转换器分辨率与转换的精度越高。10/26/202222用于将上述ADC过程中数字量转化为模拟量与输入电压进行比较。DAC数模转换原理可见，输出模拟电压正比于输入的数字量D。10/26/202223模数转换
10、器回路逻辑较快的二分逼近方法，N位转换器只要比较N次，比较的次数与输入模拟量的值无关。10/26/202224（1）VFC转换器的基本原理C转换的数据采集系统0f(b)0t(a)0(c)tVFC的脉冲输出频率正比于输入电压幅值，对脉冲的计数就完成了对电压幅值的测量。10/26/202225可见，输入模拟电压uin变换成一串等幅脉冲，而等幅脉冲Uo(f)的频率与输入电压成正比。10/26/202226 根据反充电与充电电荷平衡原理：输出频率(81)(82)可见，输出频率fo反应了输入电压Uin的大小。Uifo010/26/202227须注意这里读数与输入电压没有对应关系，不能用于数值计算。VFC
11、数据采集系统的工作分析VFC输出至计数器，CPU每隔KTs读数为RD1、RD2 RDk。每隔每隔KTKTs s对输出脉冲的计数，实质上是在此期间内对对输出脉冲的计数，实质上是在此期间内对f f的积分。在某段时间内的计数值就是这段时间对频率的积分。在某段时间内的计数值就是这段时间对频率的积分值。的积分值。10/26/202228假设RDk、RDK-N分别为tK和tK-N时刻的读数，则这段时间内的计数值DK为：可见，两次读数之差即为采样值，可用于计算。采样值DK反应了uin(t)在 KTS（K-N）TS 的积分面积。10/26/202229令矩形面积=积分面积 可见，DK反应了时刻 的输入电压ui
12、n()。于是，1）因uin()在NTs时间段保持不变，故可通 过增加数据窗长度NTs，来提高分辨率；2）DK反应了某段时间的积分值，所以具有 滤除高频分量的作用。10/26/202230分辨率举例相当于10位A/D转换器的分辨率计数脉冲最高频率为500kHZ，计数时间为2ms则，当输入电压为最大值时，计数值为10/26/202231分辨率举例这样就造成比较大的误差计数脉冲最高频率为500kHZ，要达到12位A/D转换器的分辨率10/26/202232l查询方式数据采集系统与微机接口靠CPU查询AD转换是否结束AD转换结束向CPU发出中断请求AD转换结果直接存入内存l中断方式lDMA10/26/
13、202233l开关量输入回路8.8 开关量输入输出回路原理电平接点直接接入并行口外部接点要采取抗干扰措施，如光耦的隔离不带电位的接点（QF位置、跳闸等）、逻辑电平（键盘、信号）。10/26/202234l开关量输出回路电平接点并行口直接输出外部接点要采取抗干扰措施，如光耦隔离、防止误输出10/26/202235l数字滤波器微机保护算法计算精度响应时间运算量l继电器算法内容评价指标10/26/202236输入输出都是离散时间信号（时间上不连续的一组序列）该系统具有线性、时不变、稳定、因果等性质。10/26/202237常用离散时间信号=10（1）单位脉冲序列 ，定义为：12 80-1-21n（8
14、-8）=10（8-4）12 K0-1-21n10/26/202238常用离散时间信号（2）单位阶跃序列U(n)01n284U(n)56U(n)10(85)=（8）正弦序列x(n)01284567891011 12a1a2a8a4a5a6a7a8a9a10a11a12n注意10/26/202239离散系统分析方法分析线性离散系统常常用Z变换，它可以使差分方程变为简单的代数方程。2）位移性质(88)（1）Z变换(86)式中z为自变量，是一个复变量。序列x(n)，其Z变换定义为：(87)1）线性性质（2）Z变换的基本性质10/26/202240差分数字滤波器的特性（1）差分方程传递函数H(z)两边取
15、Z变换整理后有(89)通过对传递函数的分析，就可以得出差分滤波器的特性。10/26/202241（2）差分数字滤波器的频率特性为幅频特性为相频特性。就得到数字滤波器的频率特性为获取有关频率响应的信息，令其中M为谐波次数，f为基波频率。TS为采样周期，N为基波每周期T采样点数。（810）欲滤除欲滤除m m次谐波，只需要令次谐波，只需要令10/26/202242（8）差分数字滤波器分析方法Z变换求传递函数H（Z）求幅频特性分析滤波效果传递函数 差分方程为进行Z变换令 有 则 要滤除m次谐波，则令 则滤除m次谐波的条件 P1，2 10/26/202243如N=12，K=6或12，差分数字滤波器的幅频
16、特性如下012845678f/f1(m)K=6K=12（8）差分数字滤波器举例能滤除直流分量；当K=6时，能滤除偶数次谐波；当K=12时，能滤除各次谐波，包括基波；滤波器的延时为KTS。特点10/26/202244（1）两点乘积算法主要计算U、I的有效值和相角及阻抗Z。如则即n2与n1采样相差90度即10/26/202245（1）两点乘积算法电流相量形式同理，电压则阻抗Z1）算法本身无误差，且与采样频率无关；2）有延时；8）运算工作量较大。特点：10/26/202246（2）导数算法导数的求取则1）算法本身有误差，且与采样频率有关；2）延时2TS或8TS；8）运算工作量较大。特点：导数导数或1
17、0/26/202247（8）半波绝对值积分算法梯形法求取积分S则1）算法本身有误差，且与采样频率有关；2）延时10ms；8）运算量小；4）只能求有效值特点：积分10/26/202248（4）富氏算法周期信号为x(t)，其中的n次谐波用富氏级数表示为：则有效值计算Xnr与Xni的方法可以采用全波或半波富氏算法，可以计算任意次谐波，算法本身具有滤波作用。其中相位为相量形式10/26/202249l基波全波富氏算法连续域离散域矩形法求积分10/26/202250l基波半波富氏算法连续域离散域矩形法求积分10/26/202251富氏算法的特点l从滤波效果来看，全波富立叶算法能完全滤除各次谐波分量和稳定
18、的直流分量；l半波富立叶算法不能滤去直流分量和偶次谐波。l全波富氏算法延时20ms；l半波富氏算法延时10ms；l在衰减的非周期分量的影响下，计算误差较大10/26/202252（5）微分方程算法计算阻抗求取微分的方法与导数法相同则1）算法本身有误差，且与采样频率有关；2）延时小；8）运算量较大；4）只能求阻抗特点：图中，电压为解方程组就可以求出R与X10/26/202253思考题1、用各种算法计算式（a）电压基波有效值并分析误差。2、用各种算法计算式（b）电流基波有效值并分析误差。8、用各种算法计算基波阻抗并分析误差。(a)(b)已知：N1210/26/202254（1）移相算法主要包括移相
19、、比相、增量元件、滤序器算法等取用不同时刻的采样值可直接移相，移相的角度为 l直接移相如N12，用u(n-2)替代u(n)，就相当于将电压移相60。10/26/202255l富氏移相富氏算法可以写成相量形式，X要移相，只需在该相量乘以ej。10/26/202256（2）相位比较器比较两个相量相位关系剩下的问题就是只需要知道G与H的实部与虚部，可以采用前述二点乘积法或富氏算法求取。继电保护常用的比较方式如下化简后有余弦型正弦型10/26/202257（8）增量元件算法起动元件、突变量方向与阻抗元件采样频率固定，即与一周期前数据相减当系统无故障时，i0；系统有故障时，i0，为故障分量。如系统频率变
20、化，即当系统无故障时，i0，引起误差为防止系统频率变化的影响，算法改为两次差值受系统频率影响相同，再相减就消除了10/26/202258故障时刻10/26/202259（4）序分量滤过器算法正、负、零序分量l基于离散值的滤序器，如每周采样N点24012010/26/202260（4）序分量滤过器算法正、负、零序分量l基于相量值的滤序器利用二点乘积法或富氏算法得到又则10/26/202261l主程序8.5 微机保护的软件构成l中断服务程序内容10/26/202262l模拟量采集与滤波l开关量的采集l装置硬件自检lTA、TV断线检验l起动判断10/26/2022638.5.2中断服务程序l正常运行
21、程序检查开关位置状态异常时发信号三相无流跳闸位置QF未投运有电流跳闸位置QF异常交流电压断线延时报警并闭锁相应会误动保护10/26/202264l正常运行程序交流电流断线延时10S报警并闭锁相应会误动保护无流合闸位置TA异常电压、电流回路零点漂移自动调整装置将自动跟踪零点随温度及环境的漂移，并自动调整采样值。10/26/2022658.5.2中断服务程序l故障处理程序（各种保护的故障处理程序有所不同）纵联保护距离保护零序保护电压电流保护重合闸等10/26/202266l硬件抗干扰l软件抗干扰抗干扰措施l硬件与软件的自恢复微机保护的工作环境具有高电压、大电流等强电装置。电磁辐射、雷电冲击、高频噪
22、声和谐波等电磁干扰将使保护的工作可靠性降低，出现误判、误动等故障状况，甚至致使系统“死机”电磁兼容(Electromagnetic CompatibilityEMC)10/26/202267l硬件抗干扰措施模拟量部分的输入通过变换器隔离。开关量的输入输出通过光电耦合器进行隔离（2）电源的抗干扰（1）隔离和屏蔽 微机保护整机故障有1/81/2来自于电源 宽工作电压范围（AC85265V）且有隔离作用的开关电源，提高系统抗电网电压波动能力。电源输入隔离变压器初级和次级间加入接地的金属屏蔽层，减小因雷击和瞬时过电压引起的地电位升高给微机系统造成的电源干扰的可能。瞬变电压抑制器（TPV）、电源滤波器或
23、串接铁氧体磁环高频干扰信号(增加高频阻抗或吸收)10/26/202268屏蔽电缆，减小外屏蔽直流电阻和增大屏蔽的电感抗电磁耦合屏蔽电缆外屏蔽一端或两端接地抗静电干扰（4）印制电路板的抗干扰（8）信号传输线的抗干扰合理的电路板布线技术（环绕布线、线径选择、分层处理）；电源线、地线的布线尽量加粗和缩短减小阻抗。低频电路部分的接地采用单点并联接地；高频电路采用多点就近接地；在高频元件电路周围，尽量用敷铜栅格形式地箔包围；信号线尽可能远离电源线。电磁耦合交变电流及高压导体的电晕、放电静电耦合分布电容耦合造成10/26/202269（5）实行联网通过联网，微机保护装置的运行状态实行在线监控，提高了微机保
24、护运行的可靠性。10/26/202270l软件抗干扰措施硬件抗干扰措施的延续利用冗余的数据来验证数据的正确性。如（2）运算结果的核对（1）输入数据的纠错多个CPU的计算结果进行比较，一致正常，反之有误。则正确，反之数据出错并报警（8）出口的闭锁不允许一条指令就出口跳闸条件的两个指令中间插入一段校对程序（4）自动检测硬件自检软件自检10/26/202271l硬件与软件的自恢复防止死机硬件看门狗电路死机后自起动（RESET）（1）硬件的自恢复程序定时在此清零10/26/202272l硬件与软件的自恢复防止死机（2）软件的自恢复CPU正常执行程序期间，定时给“看门狗”电路发送触发脉冲使其清除；一旦因
25、干扰使CPU程序“跑飞”，“看门狗”电路不应再收到定时触发脉冲；“看门狗”电路在发生溢出或翻转时，需输出一个宽度足以引起重新复位或产生不可屏蔽中断的脉冲信号。软件看门狗充分发挥硬件“看门狗”电路作用10/26/202273小结l首先形成微机保护的总体结构硬件与保护算法两个方面l两种不同的数据采集系统原理的理解模拟量转化为数字量l继电保护算法包括电气量计算及继电器算法l抗干扰主要是防止电磁干扰硬件软件两方面今后的学习中应注意学习了保护原理后要思考用微机保护算法应当如何实现，并不断加深对微机保护算法的理解与掌握，作到新旧结合，相得益彰。10/26/202274方法今后的学习中应注意学习了保护原理后要思考用微机保护算法应当如何实现，并不断加深对微机保护算法的理解与掌握。10/26/202275