微机保护基础知识PPT教案

1、微机保护基础知识微机保护基础知识2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。第1页/共75页3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。第2页/共75页4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。第3页/共75

2、页58.1 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、信号灯等便于综合自动化。开关电源，要强调抗干扰。第4页/共75页6 数据采集系统 开关量系统 人机对话微机保护硬件组成第5页/共75页7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。第6页/共75页88.2 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

3、）及模数转换回路（A/D） 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第7页/共75页9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TVTA二次侧来多路转换开关A/D电压形成ALFS/H电压形成ALFS/H保证数据的同时性 节约A/D转换器逐次逼近原理第8页/共75页10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第9页/共75页11（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

4、和隔离， TA、TV二次侧过电压损坏保护装置。8.2.1基于逐次逼近式A/D转换的模拟量输入系统第10页/共75页12（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，50HZsSfTN=Tf第11页/共75页13（2）采样保持（S/H）电路粉红色为理想值，红色为实际值。第12页/共75页14（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？第13页/共75页15（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

5、确第14页/共75页16（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。第15页/共75页17（8）ALF和采样频率微机保护现状每周期采样N=24点或12点。第16页/共75页18（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

6、，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，在微机保护ALF中很少应用。无源电路特性第17页/共75页19（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+15Vui0ui1ui15uout第18页/共75页20（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数摸转换器第19页/共75页2

7、1ADC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。第20页/共75页22ADC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RRUUQ= 分层电压 N层数2RRUU 量化误差 N层数2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。R1 U 2分辨率 N2第21页/共7

8、5页23DAC数模转换原理R1U2RI R2U4RI R3U8RI R4U16RI RR-1-2-3-41234UUI =(B 2 +B 2 +B 2 +B 2 )RRD可见，输出模拟电压正比于输入的数字量D 。第22页/共75页24模数转换器回路逻辑 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。第23页/共75页25（1）VFC转换器的基本原理8.2.2基于VFC转换的数据采集系统)f (uO0f(b)t(ui0t(a)0(c)nDtVFC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。第24页/共75页26可见，输入模拟电压uin变换

9、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。第25页/共75页27 根据反充电与充电电荷平衡原理：输出频率Rin021UUT =TRRin2OinR01U R1f =KUTU T R(81)(82)可见，输出频率fo反应了输入电压Uin的大小。Uifo0O.maxfin .m a xUin .m a xU2O.maxf2第26页/共75页28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

10、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。第27页/共75页29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。SSSSKTKTKKK-Nfin(K-N)T(K-N)TD =RD -RD=fdt=Ku (t)dt第28页/共75页30令矩形面积=积分面积 可见，DK反应了时刻 的输入电压uin() 。 于是，1）因uin() 在NTs时间段保持不变，故可通 过增加数据窗

11、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。()SSKN TKT第29页/共75页31332 1010001500 10相当于10位A/D转换器的分辨率1021024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，计数值为第30页/共75页3212332108.192500 10sms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转换器的分辨率第31页/共75页33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lDMA第3

12、2页/共75页348.8 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）。第33页/共75页35 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、防止误输出第34页/共75页368.4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第35页/共75页378.4.1离散系统及其分析方法输入输出都是离散时间信号（时间上不连续的一组序列）( ) ( )y nT x n该系统具有线性、时不变、稳定、因果等性质。第36页/共75页38常用离散时间信号=10)n( 1n 0n （

13、1）单位脉冲序列 ，定义为：)n( 12 80-1-21n)n(（8-8）=10()nKnK0n （8-4）12 K0-1-21n()nK第37页/共75页39常用离散时间信号（2）单位阶跃序列U(n) 01n284U(n)56U(n)10(85)=0n0n（8）正弦序列x(n) )nsin()n(x0128456789101112a1a2a8a4a5a6a7a8a9a10a11a12n)nsin( 2N注意第38页/共75页40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) z (xZ)Mn(xZM（1） Z变换(86)式中z为自变量，

14、是一个复变量。nnz )n(x)n(xZ)z(X序列x(n) ，其Z变换定义为：(87)n(xbZ)n(xaZ)n(bx)n(axZ21211）线性性质（2）Z变换的基本性质第39页/共75页41差分数字滤波器的特性（1）差分方程传递函数H(z)01k12k( )+( -1)+( -2)+( -( )(1)( -)=)a x nay nb y nb yx na x ny nknbk两边取Z变换-1-2-k012-1-2-12kkk()(1) ( )( )aa za za zb zb zb zY zX z整理后有01212-1-2-1-21( )( )( )kkkkaa za zLa zbzb

15、zbY ZH zXzZ(89)通过对传递函数的分析，就可以得出差分滤波器的特性。第40页/共75页42（2）差分数字滤波器的频率特性为幅频特性为相频特性。SSSS()()() |()()()j Tj Tj TjBj Tz eY eH ZH eAeX e)()(A STjeZ)e(HSTj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2 mfM为谐波次数，f为基波频率。STNTTS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()(2)0AAmf第41页/共75页43（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

16、滤波效果传递函数 KZ1)z(X)z(Y)z(H)Kn(x)n(x)n(y差分方程为)Z1)(z (x) z (YK进行Z变换STjeZ令 有 ()22( )|2sin(sincos)2sin22221 coss1inSj TSSz eK TjSSSSjSSK TH ZK TK TK TK TjTejTeKK( )2sin()2sin()SKmAKmfTN则 要滤除m次谐波，则令 ( )0A则滤除m次谐波的条件 K mPNP1，2 第42页/共75页44如N=12，K=6或12，差分数字滤波器的幅频特性如下012845678f/f1(m)K=6K=12)e(HSTj（8）差分数字滤波器举例 能

17、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。特点第43页/共75页458.4.2正弦量幅值和相位的基本算法（1）两点乘积算法主要计算U、I的有效值和相角及阻抗Z。0( )2 sin()2 sini nInI0( )2 sin()i tIt11( )2 sini nI211()2 sin()2 cos2i nII如2121,()24Nnnnn则222122( )()Iinin即n2与n1采样相差90度即2212( )()2ininI112( )()i ntgi n第44页/共75页46（1）两点乘积算法电流相量形式21()( )

18、2i nji nI同理，电压21()( )2u nju nU2212( )()2ununU122( )()u ntgu n则阻抗Z2121()( )()( )u nju nUZRjXIi nji n21()UZI1）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：第45页/共75页47（2）导数算法0( )2 sin()i tIt0( )2 sin()i tIt11( )2 sini nI11( )2 cosi nI导数的求取则22211 ( )2( )inIin111S1( )( ( )(1)i ni ni nT111S1( )( ( )(2)2i ni ni nT1

19、111S()(1)(1)(2)1()22i ni ni ni nT1）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：111( )( )i ntgi n导数导数或第46页/共75页48（8）半波绝对值积分算法/2/20|2 sin()2 22 sin|t TTtSdtItdtIIt2 2SI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NN(-1)011222S|()222iiiiiiST第47页/共75页49（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222n

20、nrni2XXXnnrni1()2XXjX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。nrni( )sincosnx tXn tXn tnrnnninn= 2cos= 2sinXXXX其中相位为ninnrtanXX相量形式第48页/共75页50l基波全波富氏算法连续域1r02( )sinTXx ttdtT1i02( )cosTXx ttdtT离散域11r(n-k)022sin()NkXxnkNN11i(n-k)022cos()NkXxnkNN1S(n)S(n-1)S(n-N)S2(sinsin(1)sin()rXT xn TxnTxnNTT矩形

21、法求积分1S(n)S(n-1)S(n-N)S2(coscos(1)cos()iXT xn TxnTxnNTT第49页/共75页51l基波半波富氏算法连续域/21r04( )sinTXx ttdtT/21i04( )cosTXx ttdtT离散域1r(n-k)/2012sin()4kNXxnkNN1i(n-k)/2012cos()4kNXxnkNN1S(n)S(n-1)S(n-N)S4(sinsin(1)sin()2rNXT xn TxnTxnTT矩形法求积分1S(n)S(n-1)S(n-N)S4(coscos(1)cos()2iNXT xn TxnTxnTT第50页/共75页52富氏算法的特点

22、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，计算误差较大第51页/共75页53（5）微分方程算法计算阻抗( )( )diu tRi tLdt111222( )( )( )()()()u nRi nLi nu nRi nLi n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21122112() ( )( ) ()() ( )( ) ()u n i nu n i

23、nRi n i ni n i n解方程组就可以求出R与X12212112( ) ()() ( )() ( )( ) ()u n i nu n i nLi n i ni n i n第52页/共75页541、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。( )2 100sin(100)2 10sin(500)46( )2 10sin(100)20.5sin(500)46u ttti ttt(a)(b)第53页/共75页558.4.8继电器算法（1）移相算法主要包括移相、比相、增量元件、滤序器算法等取用不同时

24、刻的采样值可直接移相，移相的角度为 2KNl直接移相如N12，用u(n-2) 替代u(n)，就相当于将电压移相60。2KN第54页/共75页56l富氏移相11r1i1()(cossin )2jX eXjXj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 。 1r1i1r1i1cossinsincos )2jXXj XXX e（即第55页/共75页57（2）相位比较器比较两个相量相位关系(cossin)GiGGriGGeGjGjG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。(cossin)HiHHriHHeHjHjH继电保护常用的比较方式如下90

25、arg90GH0arg180GHGHcos(-)0即GHGHsin(-)0即GH化简后有rrii0GHGH irri0GHGH 余弦型正弦型第56页/共75页58（8）增量元件算法起动元件、突变量方向与阻抗元件 (n)= (n)- (n-N)iii采样频率固定，即 (n)= (n)- (n-N) (n-N)- (n-2N)iiiii与一周期前数据相减SNTT当系统无故障时，i0；系统有故障时， i0，为故障分量。如系统频率变化，即SNTT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，再相减就消除了第57页/共75页59故障时刻第58页/共75页

26、60（4）序分量滤过器算法正、负、零序分量1a222b0c31311113UUUUUUl基于离散值的滤序器，如每周采样N点120je其中1abc2abc0abc23 ( )( )( -)( -)3323( )( ) ( -)( -)333( )( )( )( )NNu nu nu nu nNNu nu nu nu nu nu nu nu n240120第59页/共75页61（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1arbrcrbiciaibicibrcr2arbrcrbiciaibicibrcr0arbrcraibici1131133()()()()2222221131133

27、()()()()2222223()()UUUUUUj UUUjUUUUUUUUj UUUjUUUUUUj UUUaaraibbrbiccrciUUjUUUjUUUjU利用二点乘积法或富氏算法得到又213221322jj 则第60页/共75页628.5 微机保护的软件构成l中断服务程序内容第61页/共75页638.5.1主程序l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起动判断第62页/共75页648.5.2中断服务程序l正常运行程序 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| 24QFUaUb

28、UcV对称断线|且线路有流或合位|,|,|8QFUaUbUcV不对称断线min|且线路有流或合位第63页/共75页65l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。第64页/共75页668.5.2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 重合闸等第65页/共75页678.6提高微机保护可靠性的措施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)第66页/共75页68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