继电保护基础知识和微机保护原理

1、继电保护基础知识和微机保护主要内容主要内容l继电保护基础l继电保护的基本原理、构成和分类l微机保护基础l微机保护装置的硬件原理l微机保护装置的软件结构l惠炼继电保护系统Power system继电保护基础继电保护基础发电变电输电用电一次设备：生产、输送、分配、消耗电能的设备。包括发电机、变压器、断路器、母线、输电线路、电动机等。 二次设备：对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制和保护的设备。 根据电力系统在不同运行条件下的系统与设备的工作状况，电力系统的运行状态分为正常工作状态、不正常工作状态和故障状态。1. 1. 正常工作状态正常工作状态l电力系统正常运行的约束条件电力系统正常运行的约束条

2、件l等式约束条件：等式约束条件：0SLjGiPPP0SLjGiQQQ1. 1. 正常工作状态正常工作状态l电力系统正常运行的约束条件电力系统正常运行的约束条件l等式约束条件等式约束条件：0SLjGiPPP0SLjGiQQQ1. 1. 正常工作状态正常工作状态l电力系统正常运行的约束条件电力系统正常运行的约束条件l等式约束条件等式约束条件：0SLjGiPPP0SLjGiQQQ1. 1. 正常工作状态正常工作状态l电力系统正常运行的约束条件电力系统正常运行的约束条件l不等式约束条件不等式约束条件：max.kkSSmax.min.iiiUUUmaxminfffmax.ijijII2 2 不正常工作状

3、态及其危害不正常工作状态及其危害常见的不正常状态及其危害：常见的不正常状态及其危害：过负荷：因负荷超过电气设备的额定值造成过负荷：因负荷超过电气设备的额定值造成 的电流增大；的电流增大；危害危害：造成载流导体的熔断或加速绝缘材料的老化和损坏从而导致故障；造成载流导体的熔断或加速绝缘材料的老化和损坏从而导致故障；频率降低：系统中出现有功功率缺额而引起；频率降低：系统中出现有功功率缺额而引起；危害：危害：1）影响产品质量；）影响产品质量； 2）降到）降到4748HZ以下会引起频率崩溃；以下会引起频率崩溃； 3）使电压下降可能引发电压崩溃。）使电压下降可能引发电压崩溃。 所有的等式约束条件均满足，部

4、分的不等式约所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约束条件不满足但又不是故障的工作状态称为束条件不满足但又不是故障的工作状态称为不正常不正常运行状态。运行状态。2 2 不正常工作状态及其危害不正常工作状态及其危害常见的不正常状态及其危害：常见的不正常状态及其危害：过电压：发电机突然甩负荷而产生；过电压：发电机突然甩负荷而产生；危害：危害：造成绝缘击穿导致短路。造成绝缘击穿导致短路。系统振荡：因系统受到扰动而失去功率平衡。系统振荡：因系统受到扰动而失去功率平衡。危害：危害：系统振荡时，电流和电压周期性摆动，严重影响系统的正常运行；系统振荡时，电流和电压周期性摆动，严重影响系统的正常运行； 所有的

5、等式约束条件均满足，部分的不等式约所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约束条件不满足但又不是故障的工作状态称为束条件不满足但又不是故障的工作状态称为不正常不正常运行状态。运行状态。 3. 3.故障状态和故障类型故障状态和故障类型常见的十种短路类型常见的十种短路类型纵向不对称故障（断线）纵向不对称故障（断线）最常见且最危险的故障是各种类型的短路最常见且最危险的故障是各种类型的短路 复杂故障：复杂故障：在电力系在电力系统的不同地点（两处统的不同地点（两处或两处以上）同时发或两处以上）同时发生不对称故障的情况生不对称故障的情况 短路的后果短路的后果l数值很大的短路电流通过短路点将燃起电弧，使故数值

6、很大的短路电流通过短路点将燃起电弧，使故障设备损坏；障设备损坏；l短路电流通过故障设备和非故障设备时，产生热和短路电流通过故障设备和非故障设备时，产生热和电动力的作用，致使其绝缘遭到损坏或使设备缩短电动力的作用，致使其绝缘遭到损坏或使设备缩短使用寿命；使用寿命；l电力系统中大部分地区的电压下降，使大量电能用电力系统中大部分地区的电压下降，使大量电能用户的正常工作遭到破坏或产生废品；户的正常工作遭到破坏或产生废品；l破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至造成整个电力系统瓦解。甚至造成整个电力系统瓦解。 继电保护的概念及作用继电保护的概念及作用

7、l继电保护技术继电保护技术包括电力系统故障分析、继电保护原理及设计、配置整定、运行维护及调试等技术。l继电保护装置继电保护装置 能反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。继电保护的概念及作用继电保护的概念及作用二、继电保护的作用l自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证无中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证无故障部分迅速恢复正常运行。故障部分迅速恢复正常运行。l反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动

8、作于发出信号或跳闸。护条件，而动作于发出信号或跳闸。基本原则：基本原则：找出正常运行与故障时系统中电气量找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征或非电气量的变化特征1 1 继电保护的基本原理继电保护的基本原理1 1 继电保护的基本原理继电保护的基本原理 20argIU正常运行时：正常运行时： 线路正方向线路正方向三相短路：三相短路：8560argIUIUZ 1 1 继电保护的基本原理继电保护的基本原理正常运行时：负荷阻抗正常运行时：负荷阻抗 短路时：短路阻抗短路时：短路阻抗测量阻抗变小I = 01 1 继电保护的基本原理继电保护的基本原理正常运行时：流入电流流出电流正常运行时：流入

9、电流流出电流 内部故障时：流入电流内部故障时：流入电流流出电流流出电流I = Id1 1 继电保护的基本原理继电保护的基本原理正常运行时：只有正序分量正常运行时：只有正序分量 发生不对称故障时：有负序、零序分发生不对称故障时：有负序、零序分量出现量出现两相短路时有两相短路时有负序负序分量出现分量出现 接地短路时有接地短路时有零序零序分量出现分量出现 2 2 继电保护的分类继电保护的分类l按被保护的对象分类按被保护的对象分类 输电线路保护、输电线路保护、 发电机保护、发电机保护、 变压器保护、变压器保护、 母线保护、母线保护、 电动机保护等。电动机保护等。 l按保护原理分类：按保护原理分类： 电

10、流保护、电流保护、 电压保护、电压保护、 距离保护、距离保护、 差动保护、差动保护、 方向保护、方向保护、 零序保护等。零序保护等。 2 2 继电保护的分类继电保护的分类l按保护所反应故障类型分类按保护所反应故障类型分类 相间短路保护、相间短路保护、 接地短路保护、接地短路保护、 匝间短路保护、匝间短路保护、 断线保护、断线保护、 失步保护、失步保护、 失磁保护及过励磁保护等失磁保护及过励磁保护等l继电保护测量值与整定继电保护测量值与整定值的关系分类值的关系分类： 过量保护：过量保护：（测量值整定值）（测量值整定值） 欠量保护：欠量保护：（测量值整定值）（测量值整定值）主保护主保护反映被保护元

11、件本身的故障，并以尽反映被保护元件本身的故障，并以尽可能短的时限切除故障的保护；可能短的时限切除故障的保护；2 2 继电保护的分类继电保护的分类l按保护所起的作用分类：按保护所起的作用分类： 主保护、后备保护、辅助保护等。主保护、后备保护、辅助保护等。后备保护后备保护主保护或断路器拒动时用来切除故主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为障的保护。又分为近后备保护近后备保护和和远远后备保护。后备保护。 2 2 继电保护的分类继电保护的分类l按保护所起的作用分类：按保护所起的作用分类： 主保护、后备保护、辅助保护等。主保护、后备保护、辅助保护等。近近后备保护后备保护在本元件处装设两套保护，当

12、主保护拒在本元件处装设两套保护，当主保护拒动时，由本元件的另一套保护动作；动时，由本元件的另一套保护动作；2 2 继电保护的分类继电保护的分类l按保护所起的作用分类：按保护所起的作用分类： 主保护、后备保护、辅助保护等。主保护、后备保护、辅助保护等。远远后备保护后备保护当主保护或断路器拒动时，由上一级相邻电当主保护或断路器拒动时，由上一级相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。力设备或线路的保护来实现的后备保护。辅助保护：辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能或当主保护为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。和后备保护退出运行而增设的简单保护。2 2 继电保

13、护的分类继电保护的分类l按保护所起的作用分类：按保护所起的作用分类： 主保护、后备保护、辅助保护等。主保护、后备保护、辅助保护等。l 电力系统继电保护的工作配合低压母线保护区变压器保护区高压母线I保护区线路保护区发电机保护区高压母线II保护区高压母线保护区选择性、速动性、灵敏性、可靠性选择性、速动性、灵敏性、可靠性选择性选择性 选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。 例例： 当当k1点短路时，保护点短路时，保护1、2动动跳跳1QF、2QF 有选择性有选择性 选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍

14、能正常运行，以尽量缩小停电范围。 例例： 当当k2点短路时，保护点短路时，保护5、6动动跳跳5QF、6QF 有选择性有选择性选择性选择性 选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。 例例： 当当k3点短路时，保护点短路时，保护7、8动动跳跳7QF、8QF 有选择性有选择性选择性选择性 选择性是指电力系统发生故障时，保护装置选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。运行，以尽量缩小停电范围。 例例： 当当k3点短路时，若保护点短路时，

15、若保护7拒动或拒动或7QF拒动，拒动，保护保护5动（远后备）动（远后备）跳跳5QF 有选择性有选择性 选择性选择性 选择性是指电力系统发生故障时，保护装置选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。运行，以尽量缩小停电范围。 例例： 当当k3点短路时，若保护点短路时，若保护7正确动作和正确动作和7DL跳跳闸，保护闸，保护5动动跳跳5DL，则越级跳闸，则越级跳闸（非选择性非选择性） 停电停电选择性选择性 小结：小结：选择性就是故障点在区内就动作，选择性就是故障点在区内就动作，区外就不动作。当主保护

16、未动作时，由区外就不动作。当主保护未动作时，由近后备或远后备切除故障，使停电面积近后备或远后备切除故障，使停电面积最小。最小。选择性选择性 速动性是指速动性是指尽可能快地切除故障。尽可能快地切除故障。其主要原因如下：其主要原因如下： 提高系统暂态稳定性；提高系统暂态稳定性； 减少用户在低电压下运行的时间；减少用户在低电压下运行的时间； 降低设备的损坏程度；降低设备的损坏程度； 避免故障进一步扩大。避免故障进一步扩大。 速动性速动性 QFPRttt故障切除时间故障切除时间：一般为一般为0.060.060.12s0.12s，最快，最快0.010.010.04s0.04s。一般为一般为0.060.0

17、60.15s0.15s，最快，最快0.020.020.06s0.06s。PRt保护动作时间；断路器动作时间；QFt速动性速动性 灵敏性是指在规定的保护范围内，灵敏性是指在规定的保护范围内，对故障情况的反应能力。对故障情况的反应能力。满足灵敏性要满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障时，不论短求的保护装置应在区内故障时，不论短路点的位置与短路的类型如何，都能灵路点的位置与短路的类型如何，都能灵敏地正确地反应出来。敏地正确地反应出来。 灵敏性灵敏性 灵敏性用灵敏性用灵敏系数灵敏系数来衡量，并表示为来衡量，并表示为K Ksensen。 对反应于数值上升而动作的过量保护（如对反应于数值上升而动作的过量保

18、护（如过电流保护）过电流保护） setksenIIKmin.保护的动作参数故障参数的最小计算值保护区内金属性短路时灵敏性灵敏性 灵敏性用灵敏性用灵敏系数灵敏系数来衡量，并表示为来衡量，并表示为K Ksensen。 对反应于数值下降而动作的欠量保护（如对反应于数值下降而动作的欠量保护（如低电压保护）低电压保护） max. ksetsenUUK故障参数的最大计算值保护区内金属性短路时保护的动作参数灵敏性灵敏性 可靠性是对继电保护性能的最根本可靠性是对继电保护性能的最根本要求。包括要求。包括安全性安全性和和信赖性。信赖性。安全性：安全性：在不该动作时，可靠不动作，在不该动作时，可靠不动作，即不发生误

19、动作。即不发生误动作。 信赖性：信赖性：当发生了属于它该动作的故障当发生了属于它该动作的故障时，可靠动作，即不发生拒动；时，可靠动作，即不发生拒动；可靠性可靠性 上述四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础。在它们之间既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。例如强调快速性时，有时会影响可靠性、选择性和灵敏性，强调选择性时又会影响快速性和灵敏性。继电保护的科学研究、设计、制造和运行的绝大部分工作是围绕着如何处理好这四个基本要求之间的辨证统一关系而进行的。 19011901年年 19081908年年 19101910年年 19201920年年 19271927年年 过电流保护过电流保护差动保护

20、差动保护 方向电流保护方向电流保护 距离保护距离保护 高频保护高频保护 微波保护微波保护 行波保护行波保护 继电保护的发展继电保护的发展微机化微机化网络化网络化智能化智能化保护、控制、保护、控制、测量、通信一测量、通信一体化体化微机型微机型 机电型机电型( (电磁型、感应型）电磁型、感应型）整流型整流型 6060年代年代晶体管型晶体管型 5050年代年代7070年代年代8080年代年代集成电路型集成电路型 9090年代年代装置发展装置发展5050年代年代 7070年代年代 微机保护基础微机保护基础我们熟悉的计算机系统我们熟悉的计算机系统世界公认的第一台通用电子数字计算机：1946年由美国宾夕法

21、尼亚大学莫尔学院的莫奇利和埃克特领导的科研小组建造的。计算机的发展经历了四代。 第一代电子计算机（19461958年）主要特征：采用电子管作为基本逻辑元件。存储器早期采用水银延迟线，后期采用磁鼓或磁芯。 第二代电子计算机（19581964年）主要特征：是采用晶体管作为逻辑元件。内存主要采用磁芯存储器，外存开始使用磁盘。 第三代电子计算机（19641974年） 主要特征：采用半导体中小规模集成电路作为逻辑元件，半导体存储器取代了沿用多年的磁芯存储器。 第四代电子计算机（1974年以后） 主要特征：采用大规模集成电路作为逻辑元件。计算机模型冯诺依曼型计算机 用来存放计算程序及用来存放计算程序及参与

22、运算的各种数据参与运算的各种数据。可以分为内存储器。可以分为内存储器和外存储器。和外存储器。 用来实现算术、用来实现算术、逻辑等各种运算逻辑等各种运算 实现计算程序实现计算程序和原始数据的和原始数据的输入输入 实现对整个运实现对整个运算过程的有规算过程的有规律的控制律的控制 实现计算结实现计算结果的输出果的输出 计算机用于现场工业控制的例子举不胜举计算机用于现场工业控制的例子举不胜举250 Kb/s, 16位, 16路高分辨率多功能数据采集卡 能够提供隔离数字量输入能够提供隔离数字量输入通道和隔离数字量输出通通道和隔离数字量输出通道道,隔离保护电压可达到隔离保护电压可达到2500VDC.它们是

23、要求采它们是要求采取高电压隔离工业应用的取高电压隔离工业应用的理想选择理想选择.此外此外,所有输出所有输出通道都提供高电压保护通道都提供高电压保护 8 通道隔离数字量输入和 8 通道继电器输出卡 CAN总线总线接口卡接口卡 微机保护的构成微机保护的构成 测量部分测量部分逻辑部分逻辑部分执行部分执行部分定值定值测量部分是将保护对象的测量部分是将保护对象的有关电气量经互感器变换有关电气量经互感器变换输送到继电保护装置，进输送到继电保护装置，进行测量或计算，并与给定行测量或计算，并与给定的定值进行比较，得到用的定值进行比较，得到用于判断保护是否该动作的于判断保护是否该动作的一个结果，作为逻辑部分一个

24、结果，作为逻辑部分的一个输入条件。的一个输入条件。逻辑部分是将若逻辑部分是将若干个测量部分的干个测量部分的结果、出现的时结果、出现的时间顺序并考虑其间顺序并考虑其它一些特定的状它一些特定的状态按照一定的逻态按照一定的逻辑关系构成保护辑关系构成保护是否动作于跳闸是否动作于跳闸或发信号。或发信号。 执行部分是保执行部分是保护动作跳闸或护动作跳闸或发信号的执行发信号的执行机构，一般是机构，一般是继电器的空接继电器的空接点输出，接于点输出，接于变电站的直流变电站的直流操作回路，实操作回路，实现对断路器的现对断路器的控制。控制。 定值是根据电力系统的定值是根据电力系统的结构、参数及运行条件结构、参数及运

25、行条件、整定计算的原则计算、整定计算的原则计算或根据运行经验给出。或根据运行经验给出。 对于一个具体的微机保护装置，通常将对于一个具体的微机保护装置，通常将硬件电路按功能分别布置在几个硬件电路按功能分别布置在几个PCBPCB板上板上称为保护的称为保护的“插件插件”，各插件安装于一个，各插件安装于一个机箱中，采用总线把各插件联系在一起，构机箱中，采用总线把各插件联系在一起，构成一套完整的保护装置。成一套完整的保护装置。 从结构上看，一个完整的微机保护包含从结构上看，一个完整的微机保护包含以下几部分：机箱、插件、面板、总线；以下几部分：机箱、插件、面板、总线； 1. 微机保护装置的结构微机保护装置

26、的结构微机保护装置构成及其特点微机保护装置构成及其特点l微机保护的构成框图DAS保护微机系统（1n个）开入电源 继电器开出开入管理微机系统GPS按键 LCD打印机逆变稳压电源至通信网 数据采集系统完成把电压互感器和电流互感器二次的电压、电流信号变换为数字信号，供微机系统使用。保护微机系统实现具体的继电保护功能，由不同的软件实现不同的继电保护功能。管理微机系统主要作为人机对话的手段。通常为外部继电器的接点、保护屏上的投退压板、操作把手的接点等，一般是经光电隔离后输入微机系统。保护系统通过开关量输出驱动电路使继电器动作。这些继电器包括跳闸出口继电器、信号继电器、硬件故障的告警继电器。l微机保护装置

27、具有一般计算机系统共同的特点微机保护装置具有一般计算机系统共同的特点1 1）计算）计算速度足够快速度足够快2 2）计算）计算精度足够高精度足够高3 3）存储）存储容量足够大容量足够大4 4）逻辑判断）逻辑判断5 5）硬件的通用性）硬件的通用性6 6）智能化）智能化程序化设计的结果程序化设计的结果7 7）通讯）通讯网络接口网络接口微机保护与常规保护的比较微机保护与常规保护的比较1 开发与研制方面的不同开发与研制方面的不同 1）常规保护是布线逻辑的，保护的功能完全依赖于硬件，而微机保护装置则除硬件外，还必须具备相应的软件，因此微机保护可以实现智能化。 2）利用微机的智能特点，可以采用一些新原理，解

28、决一些常规保护难以解决的问题。例如，采用模糊识别原理判断振荡过程中的故障，利用波形对称原理识别励磁涌流，采用自适应原理改善保护的性能等。 3）对于同一类型的保护对象，微机保护装置可采用相同的硬件结构，不同的保护功能体现在软件上，便于生产和开发新产品。 4）常规保护的开发周期 一般比较长，而微机保护时间短。 5）在实验方法上，微机保护较常规保护相比更具有可观察性。2.运行与维护方面的不同运行与维护方面的不同 1）常规保护的完好性是依赖于定期检验时发现的，在正常运行时保护装置的隐患不能及时发现，一旦系统发生故障，将产生严重的后果，而微机保护装置可利用程序对其硬件进行在线自检，一旦发现问题，可立即报

29、警。对于软件的异常及干扰的影响，可自动识别并排除。因而，微机保护装置的可靠性大大提高了。 2）与常规保护相比，微机保护具有调试维护方便的特点。例如，晶体管型集成电路型距离保护、高频保护由于其复杂，调试工作量很大，而微机型保护装置由于具备友好的人机界面，依靠软件可在较短的时间内完成调试工作，特别是某些保护具有专用的调试仪器，除交流变换器部分，可自动对保护的功能进行快速检查。 3.功能方面的不同功能方面的不同 1）常规保护装置的功能单一，仅仅是保护功能，而微机保护装置除了能够作到与常规保护完全相同的功能外，还可以提供一些附加功能，例如距离保护的故障类型判别，故障测距，故障录波，事件记录，零序电流方

30、向保护的开口三角电压的极性判断。电压互感器的二次是否发生断线等信息。 2）用一套微机保护装置所实现的保护功能远比一台常规保护实现的保护功能多。 3）微机保护具有完善的网络通信功能，可适应无人值守或少人值守的自动化变电站。 继电保护发展的历史继电保护发展的历史l电力系统继电保护所研究内容包括两个方面： 一是指实现继电保护的各种原理；其二是指组成继电保护的各种装置。l继电保护原理的发展是随着电力系统的发展而不断发展的。由于电力系统规模的扩大及电压等级的提高，为了保证电力系统安全可靠的运行，必须有动作快速，灵敏度高，选择性好的继电保护装置。因而继电保护原理从简单的电流保护逐步发展到复杂的距离保护和高

31、频保护。l继电保护装置的发展则依赖于构成保护装置的元器件技术的发展。继电保护装置发展的初期，主要是由电磁型、感应型继电器构成的继电保护装置，60年代由于半导体二极管的出现，出现了整流型继电保护装置，由于半导体技术的进一步发展，70年代出现了晶体管继电保护装置，由于大规模集成电路的出现，80年代又出现了集成电路型保护装置。由于计算机技术和微型计算机的快速发展，到了80年代中期，出现了微机型继电保护装置。 l1946年诞生了世界上第一台计算机l1965年，英国剑桥大学的P.G.Mclaran及其同事就提出用计算机构成电力系统继电保护的设想，并发表了Sampling Techniques appli

32、ed to derivation Letter 的文章。l1967年澳大利亚新南威尔士大学的I.F.Morrison预测了输电线路计算机控制的前景。l1969年美国西屋公司的G.D.Rockefeller发表了利用数字计算机实现的故障保护的文章。l1972年美国西屋公司与GE公司合作研制成功一套输电线路的计算机保护装置。这是世界上第一套比较完整的用于现场的计算机保护装置，它具备了计算机保护的基本组成部分。该保护装置是用小型计算机实现的。 自70年代初期出现大规模集成电路后，微处理器迅速发展，从简单的4位微处理器发展为8位微处理器，例如英特尔公司的8080芯片，摩托罗拉公司的6800芯片等； 7

33、0年代中期出现了单片微型计算机，微处理器和单片机的出现使计算机应用于电力系统继电保护更加现实。1977年日本投入了一套以微处理机为硬件的控制与继电保护装置，全部代替了原有保护，大大减少了控制室的占地面积，并于1980年发表了试运行的结果。 1979年，国际电子电气工程师学会教育委员会组织了一次世界性的计算机继电保护研究班，对70年代以来的计算机保护的研究成果进行了总结和交流。到80年代中期计算机保护在电力系统中获得了初步应用。国内微机保护的发展历史国内微机保护的发展历史l国内自国内自1979年开始微机保护的研究工作，首先在年开始微机保护的研究工作，首先在各高等院校和一些科研单位开展了微机保护的

34、研各高等院校和一些科研单位开展了微机保护的研究工作。究工作。l1984年年4月，华北电力大学研究的以月，华北电力大学研究的以MC6809CPU构成的构成的MDP1型微机线路保护装置在河北某电厂型微机线路保护装置在河北某电厂投入运行，这是我国研究成功的第一套微机线路投入运行，这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置。保护装置。 我国微机保护的发展从硬件上可分为三个阶段 ： 第一阶段第一阶段是以单CPU的8位微处理器构成的微机保护装置。其主要特点为： 保护采用8位微处理器MC6809构成微机系统，由于MC6908仅仅是一个CPU，因此需要在外部扩展许多硬件电路，所以总线必须引出插件，保护的存储器容

35、量较小，程序和保护的定值均存放在EPROM中，定值的改写十分不方便，保护装置中仅有软件时钟，当直流电源消失后时钟便停止运行，硬件不具备数据远传功能，由于仅有一个CPU，所有的保护功能只能集中由这个CPU处理，可靠性较低。其代表产品为WXB01微机高压线路保护装置。 第二个阶段第二个阶段是以多个8位单片机组成的多微机系统。其主要特点为：具有多个8位单片机，由于采用了单片机，需要外部扩展的硬件电路较少，因此可以作到总线不引出插件，保护装置的定值存放在EEPROM中，定值的修改十分方便。设有硬件时钟芯片，依靠备用电源的支持，装置直流电源消失后，硬件时钟可继续运行，硬件上设计了数据远传的串行接口，由于

36、硬件由多个单片机系统，因此一条输电线路的多种保护的功能可分散于不同的单片机系统，增加了保护装置的可靠性。其代表产品为WXB-11系列微机保护装置。 第三个阶段第三个阶段是以16位单片机构成的多微机系统。例如以英特尔公司的80C196KB构成的微机系统。有些单片机内部资源丰富，具有较大容量的RAM和EPROM，因而可做到不需在芯片外部扩展存储器，可以做到总线不引出芯片。例如 以日本三菱公司的M77芯片构成的微机系统。单片机内部有24K的RAM容量，32120K的EPROM或闪烁存储器和8个定时器，两个串行口，因此不需要用总线扩展外部存储器。保护装置的硬件设计除了有硬件时钟外，装置还具备接受GPS

37、全球定位系统的秒脉冲的接口，具备较完善的通信网络，可应用于变电站综合自动化系统中，其代表产品为CSL系列微机保护装置和LFP-900系列微机保护装置。 微机保护装置硬件原理微机保护装置硬件原理 微机保护的硬件原理微机保护的硬件原理1.微机保护硬件功能结构划分 一、微机保护按功能可划分为三大部分： 1.数据采集系统 2.微机主系统 3.输入/输出系统一般智能控制系统构一般智能控制系统构成均包含这几部分成均包含这几部分数据采集系统微机主系统串行通信输入/输出系统来自电流互感器电压互感器 微机保护硬件功能结构划分将模拟信号转将模拟信号转换为数字信号换为数字信号对采集到的数据进对采集到的数据进行分析处

38、理，以完行分析处理，以完成各种保护功能成各种保护功能完成各种保护的出口完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外跳闸、信号报警、外部接部接 点输入及人机点输入及人机对话等功能；对话等功能；二、按照所采用的二、按照所采用的CPUCPU的多少来划分：的多少来划分：1.1.单单CPUCPU微机保护微机保护2.2.多多CPCPU U微微机机保保护护R-MR-M结构：一个结构：一个CPUCPU完成所有保护功能、单独设置一管完成所有保护功能、单独设置一管理理CPUCPU完成人机交互及通讯等功能。完成人机交互及通讯等功能。nRnR-M-M结构：将一套完整的保护功能分担给多个结构：将一套完整的保护功能分担给多个CP

39、UCPU分分别完成、设置一管理别完成、设置一管理CPUCPURR-MRR-M结构：由一个结构：由一个CPUCPU完成所有保护功能，设置同样完成所有保护功能，设置同样的的CPUCPU构成保护的双重化、设置一管理构成保护的双重化、设置一管理CPUCPURnRn-M-M结构：由多个结构：由多个CPUCPU协同工作共同完成保护的功能协同工作共同完成保护的功能，设置一管理，设置一管理CPUCPU单单CPU微机保护构成示意图微机保护构成示意图数据采集系统数据采集系统微机主系统微机主系统串行通信串行通信I/OI/O系统系统来来自自电电流流互互感感器器电电压压互互感感器器R-MR-M结构结构R-MR-M结构：

40、一个结构：一个CPUCPU完成所有保护功能、单独完成所有保护功能、单独设置一管理设置一管理CPUCPU完成人机交互及通讯等功能。完成人机交互及通讯等功能。nRnR-M-M结构结构nRnR-M-M结构：将一套完整的保护功能分担结构：将一套完整的保护功能分担给多个给多个CPUCPU分别完成、设置一管理分别完成、设置一管理CPUCPURR-MRR-M结构结构RR-MRR-M结构：由一个结构：由一个CPUCPU完成所有保护功完成所有保护功能，设置同样的能，设置同样的CPUCPU构成保护的双重化构成保护的双重化、设置一管理、设置一管理CPUCPURnRn-M-M结构结构RnRn-M-M结构：由多个结构：

41、由多个CPUCPU协同工作共同完协同工作共同完成保护的功能，设置一管理成保护的功能，设置一管理CPUCPU一、数据采集系统一、数据采集系统电压形成电压形成电压形成电压形成LFLFS/HS/HMPXA/D. . . . . .变换器电 压 形 成 回 路低 通 滤 波采 样 保 持电 压 形 成 回 路采 样 保 持低 通 滤 波多路转换开关存 储 器总 线 数据采集系统的作用与构成数据采集系统的作用与构成1 1、作用、作用 将电流、电压的模拟信号转换为数字信号，将电流、电压的模拟信号转换为数字信号，以便保护分析计算，进而确定保护的动作行为。以便保护分析计算，进而确定保护的动作行为。2 2、数据

42、采集系统构成的两种方式、数据采集系统构成的两种方式 1 1）采用逐次逼近原理的）采用逐次逼近原理的A/DA/D芯片构成的数据芯片构成的数据采集系统；采集系统； 2 2）采用）采用VFCVFC芯片构成的积分式数据采集系统芯片构成的积分式数据采集系统。电压形成电压形成电压形成电压形成LFLFS/HS/HMPXA/D. . . . . .一、数据采集系统一、数据采集系统二、二、电压变换器电压变换器 作用： 1）将电压互感器二次的电压变换为适合A/D芯片量程的信号 。 2）电磁隔离。 原理：和变压器的工作原理相同 三、三、电流变换器电流变换器 作用： 1）将电流互感器二次的电流变换为适合A/D芯片量程

43、的信号 。 2）电磁隔离。 原理：类似电流互感器的工作原理 采样保持器及其工作原理采样保持器及其工作原理一、概述一、概述 模拟信号进行模拟信号进行A/DA/D转换时，有以下实事转换时，有以下实事 从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。 在这个转换时间内，模拟信号要保持不变。否则转换精在这个转换时间内，模拟信号要保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号输入频率较高时，会造成很大度没有保证，特别当输入信号输入频率较高时，会造成很大的转换误差。的转换误差。 要防止这种误差的产生，必须在要防止这种误差的产生，必须在A/DA/D转换

44、开始时将输入转换开始时将输入信号的电平保持住，而在信号的电平保持住，而在A AD D转换结束后又能跟踪输转换结束后又能跟踪输 入信号的变化。入信号的变化。 能完成这能完种功能的器件叫采样保持器。采样能完成这能完种功能的器件叫采样保持器。采样保持器在保持阶段相当于一个保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器模拟信号存储器”。采样保持器工作示意scusru采样保持器器件举例采样保持器器件举例LF398LF398lLF398LF398典型的参数如下：典型的参数如下： 运算放大器的输出阻抗不大于运算放大器的输出阻抗不大于6欧姆，欧姆， 输入阻抗高达输入阻抗高达10000兆欧姆兆欧姆 电压下降率为电压

45、下降率为2mV/s 电压按误差小于电压按误差小于0.1%的精度跟踪输入信号，截获时间约为的精度跟踪输入信号，截获时间约为20微秒。微秒。 多路转换开关多路转换开关模数转换器的分类模数转换器的分类 A/DA/D转换器的性能指标转换器的性能指标（1 1）分辨率）分辨率（2 2）转换速率与转换时间）转换速率与转换时间（3 3）量化误差）量化误差（4 4）线性度）线性度（5 5）量程）量程（6 6）其他指标）其他指标 1、逐次逼近型模数转换器、逐次逼近型模数转换器2、A/D型模数转换器举例型模数转换器举例数据采集系统构成的方式数据采集系统构成的方式常识常识 在电力系统中，绝大多数的继电保护装置是反应多

46、个在电力系统中，绝大多数的继电保护装置是反应多个模拟信号的。例如：模拟信号的。例如： 输电线路保护通常需引入模拟量：输电线路保护通常需引入模拟量： 在有多个模拟量的系统中，每个采样间隔中对所有信在有多个模拟量的系统中，每个采样间隔中对所有信号的采样时间如何安排，可有多种方式。号的采样时间如何安排，可有多种方式。3 03 0abcabciiiiuuuu、 、 、 ； 、 、 、 ；二、二、VFC工作原理及其在微机保护中的应用工作原理及其在微机保护中的应用 基本原理：基本原理：用待转换的电压用待转换的电压V V控制计数控制计数脉冲的频率，使脉冲频率正比于电压脉冲的频率，使脉冲频率正比于电压V V，

47、而计数间，而计数间隔不变，则计数结果也代表输入了电压的大小。隔不变，则计数结果也代表输入了电压的大小。 这种模数转换称为电压这种模数转换称为电压- -频率型（频率型（V-FV-F型）型）模数转换，简称模数转换，简称VFCVFC。 VFC型数据采集系统结构简图如下所示。可见与普通型数据采集系统结构简图如下所示。可见与普通A/D型型的数据采集系统是不一样的。的数据采集系统是不一样的。 VFCVFC（电压（电压- -频率频率ADAD转换）型数据采集系统转换）型数据采集系统 VFCVFC型数据采集系统的特点：型数据采集系统的特点： （1）有低通滤波的作用，可以大大抑制噪声；）有低通滤波的作用，可以大大

48、抑制噪声； 普通普通A/D转换器是对模拟量瞬时值进行转换，而转换器是对模拟量瞬时值进行转换，而VFC 型数据采集系统是对模拟量的连续积分，具有低通滤波作用，型数据采集系统是对模拟量的连续积分，具有低通滤波作用，并可大大抑制噪声。并可大大抑制噪声。 （2）抗干扰能力强，在）抗干扰能力强，在VFC数据采集系统的输出端和数据采集系统的输出端和CPU主系统的计数器之间接入光电耦合器；主系统的计数器之间接入光电耦合器； （3）输出数字量）输出数字量D的位数可调；的位数可调； （4）与微型机的接口简单；）与微型机的接口简单； （5）可实现多微机共享数据采集；）可实现多微机共享数据采集； （6）易于实现同步

49、采样；）易于实现同步采样； （7）但不适用于高频采样。）但不适用于高频采样。器件举例器件举例AD654AD654微机保护的开关量输入、输出回路微机保护的开关量输入、输出回路1 光电耦合器件的作用及应用一、光电耦合器件及其作用 光电耦合器也称为光电隔离器或光耦合器，有时简称光耦。 这是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输人与输出间电隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。二、光耦器件的特点二、光耦器件的特点l隔离性能好，输入端与输出端完全实现了电隔离，其绝缘电阻高，绝缘耐压一般能超过lkV，有的可达10kV以上。l光信号单向传输，输出信号对输入端无

50、反馈，可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断他们之间的信号传递。l光信号不受电磁干扰，工作稳定可靠。 l抗共模干扰能力强，能很好地抑制干扰并消除噪音。l光发射和光敏器件的光谱匹配十分理想，响应速度快，传输效率高。l易与逻辑电路连接。l无触点、寿命大、体积小、耐冲击。l工作温度范围宽，符合工业和军用温度标准。 三、光耦器件在微机保护中的应用三、光耦器件在微机保护中的应用 在微机保护中，光耦器件一般均作为具有开关特性的接口器件使用，包括： （1）开关量输入电路 （2）开关量输出电路 （3）打印机接口电路 （4）脉冲接口电路 （5）通信接口电路开关量输入电路开关量输入电路开关量输出电路开关量输

51、出电路4 45 56 69 91 11 18 81 12 24 43 32424V VVCVCC CP0P0P1P1继电器输出电路继电器输出电路数据处理系统数字处理系统又称为微机保数字处理系统又称为微机保护的主系统护的主系统是指除是指除I/O设备设备外的微机保护系统的核心部分外的微机保护系统的核心部分。 微机保护的主系统的作用微机保护的主系统的作用是：是： 进行数字运算、逻辑处理与进行数字运算、逻辑处理与I/O控制。控制。并行接口并行接口 处理器处理器EPROM RAM FLASHEEPROM 时钟时钟 译码逻辑译码逻辑 定时器定时器串行接口串行接口 在微机保护的主系统中，可以用在微机保护的主

52、系统中，可以用于存放保护的程序；于存放保护的程序； 在微机保护中，可以作为保护程在微机保护中，可以作为保护程序、波形或事件记录的存储器使用；序、波形或事件记录的存储器使用； 在微机保护中，在微机保护中，可用于存储数据或运可用于存储数据或运行程序；行程序； 在微机保护中可以用作保护的在微机保护中可以用作保护的定值存储器；定值存储器； 1.开关量的输入回路开关量即接点状态信号，接通或断开。开关量即接点状态信号，接通或断开。 对微机保护装置的开对微机保护装置的开关量输入可以分为关量输入可以分为2类：类： （1）安装在装置面板上的接点信号输入；如用于人机对话的）安装在装置面板上的接点信号输入；如用于人

53、机对话的键盘上的接点信号。这类信号可以直接接至微型机的并行口。键盘上的接点信号。这类信号可以直接接至微型机的并行口。 （2）从装置外部经过端子排引入的接点信号输入；如保护屏）从装置外部经过端子排引入的接点信号输入；如保护屏上的各种硬压板、转换开关等。为了抑制干扰，这类接点必须上的各种硬压板、转换开关等。为了抑制干扰，这类接点必须要经过光电耦合器进行电气隔离，然后接至并行口。要经过光电耦合器进行电气隔离，然后接至并行口。三、 开关量输入/输出接口 2.开关量的输出回路需要输出的开关量（开出量）：保护的跳闸信号、通信接口。 可用一个并行口来控制输出数字信号。输出回路中也加光电耦合器，提高抗干扰能力

54、。 将并行接口的PA口设置为输出方式；将PB口设置为输入方式。 在开关量输出回路中加入光电耦合器，实现两侧电气回路的电气隔离，同时可以进行不同逻辑电平的转换。并行接口侧的电源电压是5V，而右侧输入回路中电源电压可以是24V或其它电压等级。三、 开关量输入/输出接口微机保护的串行通信微机保护的串行通信1.1串行通信的基本概念一、串行通信与并行通信的对比 二、串行通信的传输制式二、串行通信的传输制式 数据流 数据流 半双工 数据流 全双工 A 发送器 B 接收器 A 发送器 接收器 B 发送器 接收器 A 发送器 接收器 B 发送器 接收器 （1）单工传输方式）单工传输方式（2）半双工传输方式）半

55、双工传输方式（3）全双工传输方式）全双工传输方式三、串行通信接口三、串行通信接口常见串行总线常见串行总线 串行通信的格式及约定（如：同步方式、通讯速串行通信的格式及约定（如：同步方式、通讯速率、数据块格式、信号电平率、数据块格式、信号电平等）不同，形成了多等）不同，形成了多种串行通信的协议与接口标准。种串行通信的协议与接口标准。 常见的有：常见的有： 通用异步收发器通用异步收发器(UART) 通用串行总线（通用串行总线（USB） I2C总线总线 CAN总线总线 SPI总线总线 RS-485，RS-232C，RS422A标准标准等等等等示例：利用示例：利用UART实现微机保护内部多实现微机保护内

56、部多CPU的通信的通信WXB11WXB11型微机保护装置的内部通信电路型微机保护装置的内部通信电路示例：利用示例：利用UART实现微机保护内部多实现微机保护内部多CPU的通信的通信LFP-900LFP-900系列微机保护装置中采用的内部通信电路系列微机保护装置中采用的内部通信电路 微机保护的人机接口电路微机保护的人机接口电路一、概述 微机保护的人机接口电路包括以下几部分： 1）液晶显示接口电路 2）键盘接口电路 3）打印接口电路 4）当地信号指示电路 5）通信接口电路 人机接口电路的作用包括：完成微机保护的参数设置、状态检测、查询、调试等功能二、液晶显示电路二、液晶显示电路 液晶显示器具有体液

57、晶显示器具有体积小、重量轻、功耗低、内藏控制积小、重量轻、功耗低、内藏控制器以及可直接与用户器以及可直接与用户CPUCPU通讯等优点通讯等优点，获得广泛应用。，获得广泛应用。 图文式点阵液晶显示器可以显示图形和文字规格图文式点阵液晶显示器可以显示图形和文字规格有有1281286464、160X128160X128等多种。等多种。 段式液晶显示器功能简单，可以直观地显示数字等段式液晶显示器功能简单，可以直观地显示数字等。主要用于仪表制造行业。主要用于仪表制造行业。 字符式点阵液晶显示器主要用于既要求显示字符和字符式点阵液晶显示器主要用于既要求显示字符和数字。字符式点阵液晶显示器编程简单，易于实现

58、人机对话数字。字符式点阵液晶显示器编程简单，易于实现人机对话。规格有。规格有6 6、2020、2424、4040位和一、二、四行。位和一、二、四行。 液晶显示器可以分为三类：图文式点阵、字符式点液晶显示器可以分为三类：图文式点阵、字符式点阵和段式液晶显示器。阵和段式液晶显示器。三、键盘接口电路三、键盘接口电路 键盘与液晶屏幕配键盘与液晶屏幕配合可完成人机交互的功能。合可完成人机交互的功能。早期的微机保护的键盘数量早期的微机保护的键盘数量为为2525个，现在多数已简化为个，现在多数已简化为4 4至至9 9个键。个键。 早期键盘的接口电路早期键盘的接口电路并并 行行口口或或专专用用芯芯片片0120

59、12VCC现在微机保护键盘现在微机保护键盘数量少，一般直接数量少，一般直接与并行口直接相连与并行口直接相连并并行行口口VCVCC C键盘接口电路为不经光电隔离的开关量输入电路键盘接口电路为不经光电隔离的开关量输入电路早期键盘由于数量比较多，一般采用矩阵形式。早期键盘由于数量比较多，一般采用矩阵形式。四、打印机及其接口电路四、打印机及其接口电路早期的微机保护是没有液晶显示器的。早期的微机保护是没有液晶显示器的。打印机承担着人机交互和打印动作报告的功能。打印机承担着人机交互和打印动作报告的功能。 针式打印机是一种典型的击打式打印机，按其打针式打印机是一种典型的击打式打印机，按其打印精度（即针数多少

60、）可分为印精度（即针数多少）可分为9 9针打印机和针打印机和2424针打印机、按针打印机、按其输出幅宽可分为宽行打印机和窄行打印机。如其输出幅宽可分为宽行打印机和窄行打印机。如LQ9LQ9为窄为窄行打印机，行打印机，LQ1600KLQ1600K为宽行打印机。为宽行打印机。五、信号指示五、信号指示 信号是保护动作或有异常情况时，通知运行信号是保护动作或有异常情况时，通知运行人员的一种方式。人员的一种方式。 所以可以归为人机交互功能。所以可以归为人机交互功能。微机保护提供的信微机保护提供的信号分类号分类当地信号、中央信号当地信号、中央信号远动信号、录波信号远动信号、录波信号一般指示：一般指示：运行