第10章 微机保护基础

第10章微机保护基础第一节绪论微机保护的发展概况微机保护的特点第二节微机继电保护硬件系统的构成原理传统保护装置硬件系统构成微机保护装置硬件系统构成第三节模拟量输入部分ADC式数据采集系统电压形成电路采样保持（S/H）电路和模拟低通滤波器（ALF)逐位比较式A/D转换VFC数模变换器第四节开关量输入回路第五节开关量输出回路10.1绪论10.1.1微机保护的发展概况20世纪60年代末期，国外提出用计算机构成继电保护的倡议。当时还不具备商业性生产这类保护装置的条件，早期的研究工作是以小型机为基础的,要采用一台小型计算机来实现多个电气设备或整个变电站的保护功能。70年代中期，随着大规模集成电路技术的发展，微型计算机进入了实用阶段，性价比和可靠性大为提高，为微机保护的实用化打下了硬件基础。经过30多年的发展和变化，目前微机保护已经在各个电力系统的变电站、发电厂和线路上大量使用。(l）维修调试方便相比较于过去大量使用的整流型继电保护装置，微机保护装置几乎可以不用调试，微机保护对硬件和软件都有自检功能，装置上电时，有故障就会立即报警，可以大大地减轻运行维护的工作量。(2）可靠性高在各种保护方法中，考虑到了电力系统中的各种情况，具有很强的综合分析和判断能力。微机系统运行时，可以不断进行自检，因此，可以立即检查出微机保护内部的大多数随机故障，而采取适当的纠正措施。(3）易于获得各种附加功能由于计算机的通用性，因而在继电保护硬件的基础上，可以很方便地通过增加软件的方法获得保护之外的功能。例如，保护的动作顺序记录，故障谐波分析，故障测距，低频减载等。10.1.2微机保护的特点(4）保护性能易于改善对于相同的硬件，可以通过算法的不同，实现不同的保护。这样，也就可以通过改善算法来不断完善保护性能，而不需要改动硬件。通过软件算法的改善，可以较好地解决原有模拟继电保护装置无法解决的一些问题。(5）便于远方监控目前的微机保护装置均设有通信接口，这样可以方便地将各地保护装置纳入变电站综合自动化系统，可以实现远方修改定值与投切保护装置。（6）灵活性大目前，国内中低压变电站内不同一次设备的保护装置在硬件设计时，尽可能采用同样的设计方案。而超高压电力系统保护装置若采用多CPU实现多种保护功能时，每块CPU模块的硬件设计也倾向于尽量相同。由于保护的原理主要由软件决定，因此，只要改变软件就可以改变保护的特性和功能，从而可灵活地适应电力系统发展对保护要求的变化，也减少了现场的维护工作量。（7）经济性好微处理器和集成电路芯片的性能不断提高而价格一直在下降，而电磁型继电器的价格在同一时期内却不断上升。而且，微机保护装置是一个可编程序的装置，它可基于通用硬件实现多种保护功能，使硬件种类大大减少。这样，在经济性方面也优于传统保护。9.2微机继电保护硬件系统的构成原理10.2.1传统保护装置硬件系统构成电力系统发生故障时，相关电气参数将发生变化。例如，电流增大、电压降低以及电流与电压之间的相位角变化等。利用故障前后这些基本电气参数的差别，就可构成不同原理的继电保护装置，如：(l）反应电流数值变化的电流速断保护、定时限过电流保护、反时限过电流保护；(2）反应电压数值变化的低电压或过电压保护；(3）既反应电流数值变化又反应短路功率方向的方向过电流保护；(4）反应被保护设备两端输入电流与输出电流矢量变化的电流差动保护；(5）反应电压与电流矢量比值变化的距离保护；(6）反应电压或电流序分量特征的序分量保护；(7）反应电压或电流某次谐波分量特征的保护如二次谐波制动原理的变压器差动保护等。根据不同原理构成的继电保护装置种类虽然很多，但一般情况下，它们都是由三个基本部分组成，即测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理框图如下所示。图10.1传统继电保护装置的原理结构图各基本部分的作用是：(l）测量部分是测量与被保护设备工作状态（正常状态、故障状态或不正常工作状态）相关的电气量，并与给定的整定值比较，从而判断保护是否应该起动。(2）逻辑部分是根据各测量元件输出量的大小、性质、组合方式、出现的顺序，来判断被保护设备的工作状态，以决定保护是否应该动作。(3）执行部分是根据逻辑部分传送的信号，执行保护装置所承担的任务。如内部故障时动作于跳闸；不正常运行时发出报警信号；正常运行时不动作等。10.2.2微机保护装置硬件系统构成微机保护装置硬件系统按功能可分为如下五个部分(l）数据采集单元。包括电压形成和模数转换等模块，完成将模拟输入量准确地转换为数字量的功能；(2）数据处理单元。包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器、定时器以及并行口等。微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能；(3）开关量输入／输出接口。由若干并行接口、光电隔离器及中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入及人机对话等功能；(4）通信接口。包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网；(5）电源。供给微处理器、数字电路、模数转换芯片及继电器所需的电源。一种典型的保护装置的硬件结构示意图如图10.2所示。图10.2微机保护硬件示意框图10.3模拟量输入部分微机保护的模数变换方式主要有两种：一种是ADC方式，另一种是VFC方式。对于中低压电力系统这两种方式都在使用，而高压或超高压的保护装置，我国目前大都采用VFC变换方式。ADC方式是将模拟量直接转变为数字量的方法，而VFC是将模拟量先转变为频变脉冲量，再通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方法。10.3.1ADC式数据采集系统ADC式数据采集系统如图10.3所示。图10.3ADC数据采集系统框图10.3.2电压形成电路交流电流的变换一般采用电流变换器，并在其二次侧并联电阻以取得所需的电压，其优点是：只要铁心不饱和，其二次电流及并联电阻上电压的波形就可基本保持与一次电流波形相同且同相，可以做到不失真变换，但是，电流互感器在非周期分量的作用下容易饱和。电抗变换器优点是：线性范围较大，铁心不易饱和。有移相作用，它能够抑制低频分量，放大高频分量，因此，二次侧电压波形在系统暂态时会发生畸变。电流形成回路除了起电量变换作用外，还起到隔离作用，它使计算机与强电系统隔离，从而在较大强度上减弱了来自高压系统的电磁干扰。图10.4交流变换器(a）电流变换器；(b）电压变换器；(c）电抗变换器10.3.3采样保持（S/H）电路和模拟低通滤波器（ALF)(l）采样保持电路（S/H)采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在A/D进行转换期间保持其输出不变。采样保持电路如图10.5所示。图10.5采样保持电路(2）模拟低通滤波器（ALF)电力系统在发生故障时，其电流、电压中一般均含有较高的频率成分。而目前微机保护原理大都是反映工频分量的，同时，任何实际的A/D变换器所能达到的最高采样频率总是有限的。因此，需要在采样之前将信号频率限制在一定频率之下。即限制输入信号的最高频率。要限制输入信号的最高频率，只需要在采样前用一个模拟低通滤波器，将1/2采样频率以上的信号频率分量滤掉。模拟低通滤波器可以采用无源或有源的。图10.6为模拟低通滤波器。图10.6模拟低通滤波器10.3.4逐位比较式A/D转换逐位比较A/D转换就是把待转换的模拟电压与一组呈二进制关系的标准电压一位一位地进行比较，达到将模拟电压变成二进制数的目的。设n个呈二进制关系的标准电压是：。其中，k为常数，量纲为伏。如欲将直流模拟电压VA转换成二进制数，可以将VA与上述标准电压相比较，也就是用标准电压来称量VA的大小。在比较时，首先用最大的一个标准电压与VA比较，若，则记下a1=0，反之a1=l；第二次用与VA比较，若，记下a2=0，反之，a2=1；第三次用与VA，比较……直到n次比较结束，可以在允许的误差范围内得到如下的等式：式中，括号内的a1(i=1,2，……，n）只能取0或1，所以，括号内是一组二进制数。122,2,2nKKK12AVK12122KaK12122AVKaK12312222KaKaK12121212222(222)(10.1)nAnnnVKaKaKaKaaa如果记为，式（10.1）可以写成：式中，与VA成比例的二进制数D，就是直流模拟电压VA的A/D转换结果。完成A/D转换所需要的一组标准电压，由D/A转换网络产生。常用的D/A转换网络有T形网络和权电阻网络，图10.7是T型网络（又称R—2R网络）的原理图。图中K1～K11受寄存器Z1～Z11状态控制的电子开关，当Zi=“1”时，K接电源+VR；当Z=“0”时，Ki接地。R-2R网络的一个特点是：如果K1～K11全部接地，从任意一个节点Pi（i=1,2，……，11）向右看（不包括节点下面的2R电阻），右边电路的等效电阻总是等于2R。为此，可以找出网络的输出电压V0，与Z1～Z11所代表的数字量之间的关系。12niiiDa(10.2)AVkD图10.7R-2R数-模转换网络令Z1=“1”，其余寄存器的Zi=“0”。这时，K1接+VR，其余Ki都接地。R～2R网络的简化等值电路如图10.8所示。可以计算出网络的输出电压是：当网络的电源电压取某一个定值，且Ri也取定值时，为一常数。暂令，式（10.3）可以表示成：令Z2=“1”，其余的Zi=“0”。R—2R网络可按图10.9进行等值变化，这时网络的输出电压是：011(10.3)2iRiRVVRRiRiRVRRiRiRVKRR1012(10.4)VK202212(10.5)2iRiRVVKRR图10.8K1=1时，网络等值电路可以证明，当任意一个寄存器Zi=“1”，其余的寄存器为“0”时，网络输出电压是：R—2R网络是线性电阻网络，当Z1～Z11取任意状态时，可以应用叠加原理计算网络的输出电压V0，其值为：式中，a1～a11取0或1。当Zi=“l”时，ai取1；当Zi=“0”时，ai取0。可见，R—2R网络的输出电压与一组二进制数成比例。借助R—2RD/A转换网络，完成逐位比较A/D转换的原理图如图10.10所示。图中的比较器用来比较D/A转换网络的输出电压V0与待转换的直流模拟电压VA的大小；控制电路对数码寄存器的状态进行置“1”和清“0”。0112(10.6)2iiRiiRVVKRR12110121112111211(222)(222)(10.7)iRiRVVaaaRRKaaa图10.10逐位比较原理框图电路工作过程如下：首先，数码寄存器全部清零。控制电路第一步置数码寄存器的第一位Z1=“1”，这时，R—2R网络的输出V0=V01。比较器比较V0与VA的大小，如果VA＞V0,Z1=“1”的状态保留；如果VA＜V0，由控制电路将Z1清“0”。第二步由控制电路置Z2=“l”，这时，R—2R网络的输出V0=V01+V02（这是对应Z1=“l”的情况。如果Z1=“O”，则V0=V02）。比较器第二次比较V0与VA的大小，并同第一次一样，根据比较结果，决定Z2保留“1”还是清“0”。如此进行十一次比较后，可在一定误差范围内达到VA=V0，这时，寄存在Z1～Z11中的11位二进制数与VA成比例，它就是A/D转换后得到的数字量。表10.1逐位比较模一数转换过程表10.3.5VFC数模变换器VFC数模变换器的作用也是完成对交流输入变换器输出的模拟童进行数字量的转化。为方便多CPU的数据共享，免去多CPU共享必须采用的十分复杂的接口电路，可以选用VFC型模数变换器，各路采样转换并行工作，不再需要采样保持器。VFC的输出电压的频率与输入电压呈线性关系，经计数器计数之后，送总线供CPU使用。各路计数器均安排在各CPU模件上，各CPU使用的计数器也仍是并行工作的。这样处理的结果，提高了数字测量的精度和分辨率。它们的工作方式如图10.11和图10.12