微机继电保护学习课件

1、微机(wi j)继电保护 培训(pixn)讲义共六十四页1概述(i sh)1.1 微机保护的发展1.2 我国微机保护的发展概况(gikung)1.3 我国微机继电保护存在的问题1.4 微机继电保护的基本构成1.5 微机继电保护装置的特点及其优点1.6 微机保护新技术及其发展趋势 共六十四页1、 60年代至70年代初期 理论探索，样机试验 中小型计算机，单机集中保护方案 一机多用，速度限制，可靠性问题(wnt)2、 70年代中期至80年代中期 微处理器和微型计算机进入实用阶段 单处理器/单片机保护方案 1.1微机(wi j)保护的发展共六十四页3、80年代后期至90年代多CPU结构保护方案可靠性

2、高，动作速度快，广泛应用4、90年代中期以来高性能单片机应用，专用DSP网络通讯技术(jsh)应用新的保护原理研究共六十四页1.2 我国微机保护的发展(fzhn)概况 、第一代微机保护产品 1984年华北电力学院研制的一套微机距离保护MDP1型经试运行后通过了科研鉴定。其型号即通常所说的“01”型，于1987年投入批量生产。特点(tdin)：采用单CPU结构及多路转换的ADC模数变换模式。 共六十四页、第二代微机(wi j)保护装置 华北电力学院北京研究生部首先研制的。第一套“11”型微机保护装置于1990年5月投入了试运行。其代表产品WXH11和WXB11 。特点(tdin)： 结构与第一代

3、“01”型完全不同，采用多单片机并行工作，总线不引出插件，数模变换采用VFC方式，保护精度与速度及可靠性有了大幅度提高。共六十四页、第三代微机(wi j)保护装置 北京哈德威四方保护与控制设备公司和华北电力大学联合研制生产的CS系列产品，如线路保护CSL101系列、变压器保护CST200系列。 特点： 采用不扩展(kuzhn)的单片机，总线不引出芯片及较先进的网络通信结构技术，使得我国保护装置的硬件结构提高到国际先进水平。共六十四页4、第四代微机(wi j)保护装置 以32位单片机以及数字信号处理器DSP构成的硬件结构为主，其处理数据能力强、有效提高保护性能、硬件资源丰富、总线接口灵活、开发手

4、段先进、精度高、性能稳定(wndng)等优势在微机保护装置中显示了巨大的生命力。以及微机保护向标准化、网络化、智能化等方向发展。 共六十四页1.3 我国微机(wi j)继电保护存在的问题 微机保护(boh)在电力系统中的地位问题微机保护装置的标准化和质量监督微机保护装置的硬件、软件和规范化问题产品的先进性和实用性、经济性问题共六十四页1.4 微机(wi j)继电保护的基本构成 计算机式继电保护是由“硬件”和“软件”两部分组成(z chn)的，硬件是实现继电保护功能的基础。而继电保护原理是直接由软件，即由计算程序来实现的，程序的不同可以实现不同的原理。程序的好坏、正确与错误都直接影响着保护性能的

5、优劣、正确或错误。共六十四页逆变电源打印CRT键盘模拟量输入单片微机系统输出通道输出通道开关量输入人机接口跳闸信号 U= U、 I V15V 图1-1 典型(dinxng)的微机保护系统框图 共六十四页1.5 微机继电保护(j din bo h)装置的特点及其优点 特点:保护(boh)功能软件实现采用数字信号处理技术数字存储技术容易实现远方通信自检硬件标准化数据共享 优点:维护调试方便 可靠性高 动作正确率高易于获得各种附加功能 保护性能容易得到改善使用灵活、方便具有远方监控特性共六十四页1.6微机(wi j)保护新技术及其发展趋势 继电保护技术发展趋势向计算机化, 网络化,智能化, 保护、控

6、制、测量和数据通信一体化发展 。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用, 新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中, 以期取得更好的效果, 从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展, 出现了一些引人注目(yn rn zh m)的新技术和趋势。 共六十四页自适应控制技术在继电保护中的应用人工神经网络在继电保护中的应用变电所综合自动化技术数字信号处理器DSP 的应用高速数据采集系统(DAS) 应适应人工智能技术、小波分析理论 综合利用模糊理论及人工神经网络各自的特点形成的模糊神经网络已成为研究提高(t go)电力系统继电保护可靠性、快速性、灵敏性及选择性的一个重要

7、发展方向 共六十四页2.1 传统保护装置硬件系统构成(guchng)2.2 微机保护装置的硬件结构2.3 微机保护的数据采集系统 2微机继电保护装置(zhungzh)的硬件系统 共六十四页 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(zhxng)部分，其原理框图如图2.1所示。2.1 传统保护装置硬件系统(xtng)构成测量部分逻辑部分执行部分输入故障参数跳闸或信号脉冲输出整定值图2.1：传统继电保护装置的原理结构图共六十四页图2.1：传统继电保护(j din bo h)装置的原理结构图 各基本部分的作用是：(1)测量部分是

8、测量与被保护(boh)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(boh)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。测量部分逻辑部分执行部分输入故障参数跳闸或信号脉冲输出整定值共六十四页微机保护装置的典型结构(jigu)、信号输入电路、单片微机系统、人机接口部分、输出通道回路、电源部分 2.2 微机(wi j)保

9、护装置的硬件结构共六十四页(一)信号输入(shr)电路 微机保护装置输入信号主要有两类，即开关量和模拟量信号。信号输入电路部分就是妥善处理这二类信号，完成单片微机系统输入信号接口功能。 通常输入的开关量信号不能满足单片微机的输入电平要求，因此需要信号电平转换。为了提高保护装置的抗干扰性能，通常还需要经整形、延时、光电隔离等处理。 输入的电压和电流信号，是模拟量信号。由于计算机是一种数字电路设备，只能接受(jishu)数字脉冲信号，所以就需要将这一类模拟信号转换为计算机能接受(jishu)的数字脉冲信号。完成模拟量至数字脉冲的变换称为模数变换，输入模拟量信号的模数变换电路也称作输入信号调理电路。

10、共六十四页(二)单片微机系统 微机保护装置的核心是单片微机系统，它是由单片微机和扩展芯片构成的一台小型工业控制微机系统，除了这些硬件之外，还有存储在存储器里的软件系统。这些硬件和软件构成的整个单片微机系统主要任务是完成数值测量、计算、逻辑运算及控制和记录等智能化任务。除此之外，现代的微机保护应具有各种( zhn)远方功能，它包括发送保护信息并上传给变电所微机监控系统，接收集控站、调度所的控制和管理信息。 共六十四页(三)人机接口部分(b fen) 在许多情况下，单片微机系统必须接受操作人员的干预(gny)，例如整定值的输入，工作方式的变更，对单片微机系统状态的检查等都需要人机对话。这部分工作在

11、CPU控制之下完成，通常可以通过键盘、汉化液晶显示、打印及信号灯、音响或语言告警等来实现人机对话。 共六十四页(四) 输出(shch)通道部分 输出通道部分是对控制对象(例如断路器)实现控制操作的出口通道。通常这种通道主要任务是将小信号转换为大功率输出，满足驱动输出的功率要求。在出口通道里还要防止(fngzh)控制对象对微机系统的反馈干扰，因此出口通道也需要光隔离。总的说来输出通道仍然是一种被控对象与微机系统之间的接口电路。 共六十四页(五) 电源(dinyun)部分 微机保护系统对电源要求较高，通常这种电源是逆变电源，即将直流逆变为交流，再把交流整流为微机系统所需的直流电压。它把变电所强电系

12、统的直流电源与微机的弱电系统电源完全(wnqun)隔离开。通过逆变后的直流电源具有极强的抗干扰水平，对来自变电所中因断路器跳合闸等原因产生的强于扰可以完全(wnqun)消除掉。共六十四页其他(qt)电路 其他电路包括(boku)复位电路、工作方式开关及信号灯，这些元件均装于面板上，开入、开出端口引自CPU芯片， 当工作方式开关拨至上方，开关接通，即工作方式为投入运行；拨至下方，即投入调试。 共六十四页图2.2 典型的保护装置的硬件(yn jin)结构示意图 模拟量输入模拟量输入变换前置低通滤波器多路转换开关A/D开关量输入开关量输入处理光电隔离继电器逻辑回路人机交互接口打印机接口高频通道接口微

13、波通道接口光纤通道接口通用数字通信接口保护用通信接口微处理器E2PROMRAM看门狗实时时钟电源共六十四页2.3 微机保护(boh)的数据采集系统2.3.1模拟量输入电路概述2.3.2ADC变换模式的构成部分2.3.3开关(kigun)量输入输出回路原理共六十四页1、模拟量输入电路的主要作用 隔离、规范输入电压及完成模数变换，以便与CPU接口，完成数据采集任务。因此这部分电路又称数据采集电路。 2、微机保护(boh)的模数变换方式主要有:（1）ADC变换方式：直接将模拟量转变为数字量的变换方式 （2）VFC变换方式：VFC是将模拟量电压先转变为频率脉冲量， 通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方

14、式 2.3.1模拟量输入电路(dinl)概述共六十四页2.3.2 ADC变换模式(msh)的构成部分（1）电压(diny)形成回路（2）采样保持电路(SH)模拟低通滤波器(ALF)（3）模拟量多路转换开关(MPX)（4）模数变换器共六十四页(一)电压(diny)形成回路1、作用（1）变换作用：将交流强电系统转变(zhunbin)为弱电系统（2）隔离作用：将交流强电系统与弱电系统相隔离2、变换器的种类（1）电流变换器(TA)（2）电压变换器(TV)（3）电抗变压器(TL) （4）光电互感器(OCT、OVT)共六十四页电流(dinli)变换器(TA) 交流电流的变换一般采用电流变换器，并在其二次侧

15、并联电阻以取得所需电压(改变电阻值就可以改变输出范围的大小)。优点： 只要铁芯不饱和，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(xin tn)且同相，即可以做到不失真变换。缺点： 电流变换器在非周期分量的作用下容易饱和，线性度差，动态范围也小。共六十四页光电互感器 为克服电磁式互感器的缺点，国内外正在研究和推应用光电互感器。光电互感器与传统(chuntng)的电磁式互感相比有以下主要的优越性：(1)优良的绝缘性能，造价低、体积小、质量轻。(2)不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。(3)动态范围大，测量精度高。(4)频率范围宽。(5)抗干扰能力强。 共六十四页 (二)采

16、样(ci yn)保持电路(SH)和模拟低通滤波(ALF) 1采样(ci yn)保持电路(SH) 采样保持原理 : 在高电平时AS闭合，此时电路处于采样状态。Ch迅速充电到在采样时刻的电压值Ui。在低电平时，AS打开，电容Ch上保持住AS打开瞬间的电压，电路处于保持状态。AS的闭合时间应满足Ch有足够的充电时间，即采样时间。 uiu0ASCh变换器1变换器2共六十四页 2、采样(ci yn)频率与采样(ci yn)定理 设被采样信号x(t)的频率为f0 ，采样间隔Ts的倒数(do sh)称为采样频率fs，若fs2f0，则采样后所得到的信号才有可能较为真实地代表输入信号x(t) .共六十四页3低通

17、滤波器(ALF) 1、作用 （1）将fs2以上的频率分量滤去，保证对所需最高频率信号的 采样不发生失真。 （2）降低了对硬件的速度要求 2、模拟低通滤波器的种类 （1）无源模拟低通滤波器: 接线简单，但电阻与电容回路对信号有衰减作用，并会带来延迟(ynch)，对快速保护不利，仅适用于要求不高的微机保护。 无源(w yun)低通滤波 共六十四页3低通滤波器(ALF) （2）有源模拟低通滤波器: 有源低通滤过器通常由上述无源滤过器加上运算放大器构成，此时电容可取较小的数值，从而(cng r)加快了保护动作速度（T在0818ms之间 ）有源低通滤波共六十四页 (三)模拟量多路转换开关(MPX) 由于

18、数模变换器接口(ji ku)复杂及价格昂贵，通常不宜对各路电压、电流模拟量同时采用模数转换，而是采用多路SH共用一个模数变换器，中间经多路转换开关切换，按顺序由公用的模数变换器转换成数字量，实现同时采样、依次模数变换的要求。 共六十四页 (四)模数变换(binhun)(AD) 1模数变换器(ADC)原理（）逐次逼近法的原理 （）重要(zhngyo)指标 a 转换精度 即AD转换分辨率，它主要取决于设定数码的最小量化单位，AD转换输出的数字量位数越多，最小量化单位越小，分辨率越高，转换出的数字量舍入误差越小，AD转换的精度就越高。 b 转换速度 它与AD转换分辨率是有关的，通常分辨率越高，其转换

19、速度就相对降低。 共六十四页 2.3.3开关(kigun)量输入输出回路原理 一、开关(kigun)量输入回路 开关量输入回路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入，外部装置闭锁重合闸触点输入，轻、重瓦斯继电器接点输入，还包括装置上连接片位置输入等回路。共六十四页 二、开关(kigun)量输出回路开关(kigun)量输出主要包括跳闸出口、重合闸出口及就地和中央信号出口等。开关(kigun)量输出回路一般都采用并行输出端口来控制有接点的继电器。为了提高抗干扰能力，都要经过一级光电隔离。在实际保护装置中应考虑出口的闭锁，以防止保护误动作，因此光敏三极管的集电极必须经启动继电器接点

20、接正电源，形成保护出口的闭锁回路。共六十四页3微机(wi j)继电保护装置的软件系统 众所周知，传统的继电器是由硬件实现的，直接将模拟信号引入保护装置，实现幅值、相位、比率的判断，从而实现保护功能。而微机保护则是由硬件和软件共同实现，将模拟信号转换为数字信号，经过某种运算求出电流、电压的幅值、相位、比值等，并与整定值进行比较，以决定是否(sh fu)发出跳闸命令。共六十四页 微机保护装置这种根据模/数转换器的采样数据进行分析、运算、判断，实现各种继电保护功能的方法称为算法。根据继电保护算法，可以列出继电器动作判据的数学表达式，编写程序，实现继电保护功能。 评价一个算法的好坏指标包括：运算精度、

21、数据窗长度、运算工作量等。然而各个指标的实现是相互矛盾的，如要求计算精度高，往往需要更长的数据窗。研究算法的实质是如何在速度与精度之间进行权衡，找到一种同时(tngsh)满足精度和速度要求的算法。实际上电力系统微机保护存在很多算法，下面以几种最常用算法为例进行介绍。3.1 算法(sun f)共六十四页 傅氏算法的基本思想源于傅立叶级数(j sh)。周期函数u（t）用傅氏级数的形式来表达： 式中: 为基波角频率, 为n次谐波正弦项幅值(系数): 为n次谐波余弦项幅值(系数).3.1.1 全周波(zhub)傅氏算法共六十四页 这种算法在计算机上实现时，也就是对离散的采样值进行(jnxng)运算，其

22、实部和虚部如下：3.1.1 全周波(zhub)傅氏算法共六十四页3.1.2 时差(shch)移相算法 当输入信号为 ，而保护原理需要应用延后一个角的 时，在计算机保护中可以用时差移相方法(fngf)实现。假如在时刻k要得到一个滞后角的电压，只需要在滞后时刻k一个时间间隔 取值，即为所要求的 在时刻k的瞬时值。同理要取超前角的值，可取时刻 时的瞬时值。共六十四页 复数求模，通常需要进行平方计算，即 ，其中 是 的实部， 是 A的虚部。开方运算的计算量很大，当精度(jn d)要求不太高时，可用下列近似算法: 取 和 两数中的大者为L，小者为S，r 为S与L 之比，设 为A 的估计值，当 时，可用线

23、性方程逼近。这里举出两种常用逼近方法： （4） （5）3.1.3 复数(fsh)求模的近似算法共六十四页 第一种: (6) 第二种: (7) 由负序分量的基本(jbn)公式 和前述的时差移相算法并离散化可推导出负序分量的计算方法。最常用的两种算法为：3.1.4 负序分量(fn ling)计算方法共六十四页3.2 软件设计基本(jbn)步骤 介绍一个实际的微机距离保护的程序流程（如图1）。软件分为两大部分: 一为监控程序，包括调试和检查微机保护装置的硬件电路模块，输入、修改、固化保护装置的定值等模块； 二为运行程序，即微机保护程序的主要部分，完成不同原理的保护功能，包括：（1）循环自检(z ji

24、n)及打印报告程序；（2）采样中断服务程序，（3）故障处理程序等。共六十四页（图1）微机保护装置软件(run jin)基本结构图共六十四页3.2.1初始化及自检(z jin)循环 如图2所示，微机保护上电后必须进行初始化设置和检测，例如堆栈指针设置、串行口、定时器工作方式的初始化等。通常微机保护面板上有一个工作方式开关，初始化后，由开关位置决定执行调试程序还是运行程序。如在调试方式，则转至监控程序，等待人机对话插件的调试命令。在运行方式下则进行全面自检，当全面自检通过(tnggu)后才进行数据采集系统的初始化，包括计数器的初始化、采样值存放地址指针的初始化等。(图2)共六十四页 然后开放中断，

25、通常等待60ms（三个周波）后才投入突变量起动元件的计算。如果开放中断后立即投入起动元件，由于RAM区的数据是随机(su j)的，会造成起动元件误动。自检循环中的通用自检内容包括RAM 区读写检查、E2PROM求和检查、定值检查、开关量输出回路检查、开关量监视、对定值拔轮开关位置的监视、电压互感器二次断线检查、电流求和自检等。3.2.1初始化及自检(z jin)循环共六十四页3.2.2采样(ci yn)中断服务程序 如图3 所示，中断开始后，首先进行采样指针更新，接着对采样数据进行差分滤波，滤除采样数据中的直流成分，并检测零序电压变化量，判断零序电压突变起动是否发生(fshng)。如果发生(f

26、shng)，起动标志增加一次，否则起动标志清零。(图3)共六十四页3.2.2采样(ci yn)中断服务程序 只要连续三点零序电压变化量大于整定值，就确定第一突变点为故障发生点，并设定故障起动标志为1，计数器开始计时，否则清零故障起动标志并返回主程序。如果故障起动标志为1且计数器延时，开始计算中断程序中的保护程序输出，否则返回主程序。检测(jin c)保护输出有出口否，有则修改中断返回地址为故障处理程序首地址，并返回；如保护无出口，返回主程序并顺序执行下面的程序。共六十四页3.2.3 故障(gzhng)处理程序 首先判断系统是否有振荡发生，如有则进入振荡闭锁模块，待振荡停息后返回整组复归入口，清

27、零各种标志并恢复起动元件，准备好下次再动作(dngzu)。如判断确实有故障发生，则进入故障处理模块，包括选相子模块、继电器计算子模块和跳闸逻辑子模块等。共六十四页（1）选相程序。故障处理程序的第一步是选出故障相别，以决定阻抗计算中应取什么相别的电压和电流，因为只有故障相的阻抗才能(cinng)正确反映故障点位置。该型保护装置的选相程序首先计算三个相电流差突变量的有效值。即 ，并把它们分为大、中、小三类。如果（大中）（中小）则必定是单相接地，且小者对应的两相为非故障相。如不满足上述条件则为相间故障，且大者对应的两相为故障相。（2）保护继电器计算程序，由具体继电器算法编制。3.2.3 故障(gzh

28、ng)处理程序共六十四页3.2.3 故障(gzhng)处理程序 （3）跳闸后程序。判为区内故障时，110kV以上(yshng)电压等级的微机保护系统通常驱动三个分相跳闸出口继电器，发出跳闸命令后40ms内不考虑撤销跳闸命令，以保证可靠跳闸。从40ms后判断故障相有无电流，如无电流则认为跳闸成功收回跳闸命；如发出跳今后0.25 秒仍有电流，则发三跳（后备三跳）命令，以期在本装置三跳出口回路拒动时起到后备作用。发出三跳命令后12s 内三相均无电流，程序转至整组复归，取12s的原因是考虑三相重合闸最长时间不大于10s，发出三跳令后0.4s判断任一相是否又有电流，如有电流，则进入后加速程序段。共六十四

29、页4微机继电保护在煤矿上的实际(shj)应用 煤矿电力系统的发展，对连续、安全、可靠供电的要求越来越高。微机保护以其可靠性高、动作迅速、维护调试方便、保护性能好等优点在矿区35KV变电所得到了迅速推广。与传统的机械式继电器相比(xin b)，微机保护具有保护动作灵敏、可靠，能够记录故障信息，可以进行远程控制和管理，微机保护自检功能强大等特点。矿上正在使用的微机保护一般有南京南瑞、许继、四方、西门子等几种类型。 共六十四页4.1原理(yunl) 微机保护一般包含电流差动和过电流保护元件的动作特性。电流差动提供作为变压器的主保护，能够提供差动速断和比率差动两种保护方式，两组共用一组出口接点。(一)

30、差动速断 差动速断保护不经过比率制动、涌流闭锁和CT断线闭锁，因此(ync)能在变压器差动区内严重故障时快速切除变压器。它作为变压器的辅助保护，实质上是反映差动电流的过流继电器。当变压器内部发生严重故障时，直接利用差动电流的全波峰值电流作为启动量。它的取值范围一般为变压器额定电流的4-16倍。共六十四页(二)比率(bl)差动保护 采用双折线比率差动制动特性以提高变压器内部轻微故障的灵敏度，以及抗区外故障电流互感器饱和的能力。对于区外短路故障差动回路通过最大不平衡电流，利用流过变压器的短路电流对继电器实施制动，继电器可靠不动作。而在内部短路故障时，因差动回路中流过的是短路电流，此时制动减弱甚至不

31、制动，故继电器能可靠动作，具有(jyu)较高的灵敏度。在变压器空载投入或外部短路切除后产生很大的励磁涌流，励磁涌流中含有大量的非周期分量和二次谐波，其中二次谐波量占基波的30%-40%。比率差动保护利用差动电流中的二次谐波作为励磁涌流闭锁判断依据。三相电流中任一相电流中的二次谐波量大于二次谐波制动系数(一般取值15%)，则闭锁三相比率差动保护。微机保护要求变压器二次侧电流互感器的接法为Y/Y，因为这种接法保护范围大，系统阻抗是三角形接法的1/3。变压器各侧电流存在的相位差由系统软件自动调整。所以变压器内部任何一相故障都会引起两相比率差动动作，故微机保护选择两相及以上比率差动动作才允许差动继电器跳闸。共六十四页(三) CT断线闭锁(b su)保护 微机保护通过测量差动电流回路中的负序电流分量的大小，判断(pndun)是否有一相或两相断线现象。微机保护通过直接启动闭锁CT继电器，封闭CT。既可以发现CT断线又可以防止CT断线后再发生区外故