鉴定数字保护课件

1、 微机继电保护 第一节 数字继电保护的发展与特点1 数字继电保护的发展与现状 数字继电保护是指基于可编程数字电路技术和实时数字信号处理技术实现的电力系统继电保护。在电力系统继电保护的学术界和工程技术界，数字继电保护又常被称作计算机型继电保护、微型计算机型继电保护、微处理器型继电保护，或简称为微机保护 第一节 数字继电保护的发展与特点1 数字继电保护的发展与现状 数字继电保护是指基于可编程数字电路技术和实时数字信号处理技术实现的电力系统继电保护。在电力系统继电保护的学术界和工程技术界，数字继电保护又常被称作计算机型继电保护、微型计算机型继电保护、微处理器型继电保护，或简称为微机保护 数字继电保护

2、区别于前四类继电保护的本质特征在于它是建立在数字技术基础上的：数字继电保护装置先将各种类型的输入信号转化为数字信号再加以处理，它不仅能够实现其它种类保护装置难以实现的保护原理，还能提供简化调试及整定、自身工作状态监视、事故记录及分析等高级辅助功能，还可以完成电力自动化要求的各种智能化测量、控制、通信及管理等任务。目前上述五类继电保护装置在电力系统中都有使用，但数字继电保护装置已在电力系统中占据主导地位，它也代表了现代继电保护发展的方向。 数字继电保护的历史最早可以追溯到二十世纪60年代中末期，国外起先在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究，当时首先提出了用小型计算机实现继电保护装

3、置的设想。因当时小型计算机在价格、体积、性能方面种种原因而未能使数字继电保护投入实用，但却由此开始了对数字继电保护的算法、实现技术以及工业试验方面的大量研究，为后来数字继电保护的发展奠定了理论基础。 二十世纪70年代微型计算机（微处理器）的出现，极大地推动了数字继电保护的实用化。二十世纪90年代数字继电保护成为了继电保护装置的主要型式。二十世纪80年代数字继电保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟，在世界上很多国家（包括我国）逐步得到推广应用。70年代后半期，出现了比较完善的基于微机的数字继电保护样机，并投入电力系统运行。我国在微机保护方面的研究工作起步较晚，但进展较快，并卓有成效。第一代198

4、4年 华北电力学院（杨奇逊等）微机距离保护装置MDP-1型，通过科研鉴定并投入试运行。1987年 投入批量生产。特点：采用单CPU总线结构，多路转换式ADC模式CPU PDP-11型16位小型机第三代90年代中期 华北电大和北京哈得威四方保护与设备控制公司研制的CS系列。典型产品代表：CSL-101系列（线路），CST-200特点：采用不扩展的单片机，总线不引出芯片，具有先进的网络通讯技术（RS-485/422，CAN BUS，PROFIBUS等总线接口）支持变电站综合自动化。CPU Intel8031 Intel8096微机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力，具有优良的存储记忆功能，因而

5、可以实现性能完善且复杂的保护原理；微机保护可连续不断地对本身的工作情况进行自检，其工作可靠性很高。此外，微机保护可用同一硬件实现不同的保护原理，这使保护装置的制造大为简化，也容易实行保护装置的标准化。微机保护除了具有保护功能外，还可兼有故障录波、故障测距、事件顺序记录以及网络通信等辅助功能，这对简化保护的调试、事故分析和事故后的处理等都有重大意义。由于微机保护装置的巨大优越性和潜力，因而受到了运行人员的广泛欢迎。可以说微机保护代表着电力系统继电保护的未来。微机保护的技术进步由软件实现的功能性能稳定，优越。逻辑判断清楚、正确。微机保护不考虑个别元件功能的失灵。进行数值计算完成特殊功能（测距、录波

6、）。增加功能实现多重判别，完善保护原理。完善的保护装置和原理双重化。数字继电保护的基本构成继电保护的任务是判断电力系统有关设备是否发生故障而决定是否发出跳闸命令，使发生故障的设备尽量迅速地与电力系统隔离。为此，首先要取得与被保护设备有关的信息，根据这些信息，根据不同的原理，进行综合和逻辑判断，最后作出决断，并付诸执行。继电保护的基本结构大致上可以为三部分：决断结果的执行。信息的综合、分析与逻辑加工、决断；信息获取与初步加工；信息要通过电压、电流传送，有时还通过一些开关量传递。早期，在机电型继电器中，电流、电压直接加到继电器的测量机构，变换成机械力。然后在机械力的层次上进行比较判别，中间并不需设

7、置其他的变换、隔离等环节。随着电子技术的引入，为了适应电子器件的弱信号的要求，在电流互感器、电压互感器与电子电路之间要求设置一些传变环节，通常使用所谓的电流变换器、电压变换器以至电抗变换器等等。这些环节，可以称为“信息预处理”环节。 1)信息预处理“信息预处理”环节通常包括：（1）将一次设备的电流，电压等信号经TA，TV变成二次信号。（2）将二次信号经电流电抗器，电压电抗器进一步变换，满足电子器件对输入信号的要求。（3）硬件滤波（4）采样保持（5）多路转换（6）AD变换（7）转换结果存入内存（8）软件滤波（9）通过采样算法计算信号的有效值及故障参量。2)信息的综合、分析与逻辑加工、决断根据不同

8、的保护原理，给出其动作方程，把信息预处理中得到的数据代入动作方程，决断保护的动作行为。3)决断结果的执行通过大功率驱动器件驱动断路器跳闸，通信接口部件竞争总线把故障和状态改变信息迅速通告相关部件。继电保护的主要任务是操作，控制有关断路器，使发生故障的设备迅速与电力系统其余健全的部分隔离开来，最大限度地减轻故障对电力系统的影响，减轻故障设备的损坏程度。这种操作是通过控制跳闸线圈实现的，也就是给线圈通入电流实现的。电流可以由接点控制，也可以由无触点的半导体器件控制。出于可靠性的考虑，目前，基本上仍是采有触点的小型中间继电器，组成必要的出口逻辑。这个方面，计算机继电保护与模拟式继电保护也是基本一致的

9、。 计算机式继电保护是由“硬件”和“软件”两部分组成的，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的性能优劣、正确或错误。第二节数字继电保护装置的硬件系统1.数字继电保护装置的硬件系统框图 输出通道开关量输出通道等人机接口键盘、显示器及打印机等微机保护主要包括近些年来，随着网络及通讯技术在电力系统广泛应用。通信系统也日益成为微机保护装置必不可少的部分。 进行数据采集的输入通道模拟量输入变换与低通滤波回路、采样保持与多路转换、模数转换系统以及开关量输入通道等进行数据处理及相应判断的数字核心部

10、分CPU、存储器、实时时钟、WATCHDOG等一个IED的硬件原理框图2.数据采集与信号调理 微机保护的数据采集系统一般包括：模拟量输入变换回路低通滤波回路采样保持回路多路转换器模数转换（A/D）回路2 VFC原理的A/D转换方式模拟量输入系统 CSC系列模拟量输入变换前置低通滤波回路多路转换开关A/DCPU保存数据用的RAM存放程序用EPROM/FLASH来自电力系统的电压电流信号存放整定值用EEPROM/FLASHWATCHDOG实时时钟开关量输入信号处理继电器逻辑回路光电 隔离手分/手合信号压板投退信号状态信号断路器及重合闸操作机构告警信号数字继电保护装置的硬件系统要求继电保护所使用的电

11、压、电流都是来自于电压互感器（100伏、线间电压）和电流互感器（额定电流5安或1安，短路电流100安）把100伏左右的电压变换为适合AD转换需要的正负2.5伏、正负5伏、正负10伏的电压；把小于1安100安的电流变换为适合AD转换需要的正负2.5伏、正负5伏、正负10伏的电压将TV、TA二次侧的电压、电流变换为满足A/D量程的电压量。隔离和屏蔽作用，以减小高压设备对微机保护装置的干扰。1 电压形成回路来自电流互感器电流变换器 C R电压变换器TV用于将一次电压变换成微机保护模数转换（AD）用的电压，普通变压器原理。电流变换器TA：用于电流电流电压用于将一次电流变换成微机保护模数转换（AD）用的

12、电压。普通变压器原理，把电流变换成电流，再把一个小电阻并联在该变压器的二次侧，形成电压。要求该变压器的铁心不饱和。在设计电流变换器应考虑以下几点：（1） 优先保证在输出为最小工作电流时，对应AD变换的结果应具有足够的分辨能力；（2） 保证在可能出现的最大短路电流条件下，电流变换器输出的电压不应使AD变换出现溢出，从而避免造成数字量紊乱；（3） 适当选择电流变换器二次侧负载，使电流变换器在一次侧出现最大短路电流时不至于出现饱和现象。2 模拟低通滤波器 作用：滤除短路电流中的高次谐波，消除采样中的频率问题滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时拟制无用频率信号的电路。低通滤波器是只让低于截止频率通过

13、的滤波器。 前置模拟低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于各种消息、控制电路中的采样电路前，滤除高于2倍采样频率的信号，因此截至频率被设置为1/2fs。低通滤波器可以采用有源的、也可以采用无源的。无源滤波器构成简单，但电阻和电容回路对信号有衰减作用，并会带来时间延迟，仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护有源滤波器抗冲击干扰能力差，但滤波性能好。性能越好的滤波器延时越长，造成信号不同步的可能性越大。继电保护常常采用普通的一阶（最高二阶的有源或无源）滤波器来限制接近工频分量的谐波信息混进来！（1）无源低通滤波器 在微机保护中常采用的一种二阶RC滤波器如图所示。其传递函数为：RC无源滤波器C2C

14、1R1R2理想低通滤波器的频率响应特性曲线如图中曲线a所示，信号频率低于理想低通滤波器的截止频率fc的部分无任何衰减，而高于截止频率fc的信号被完全滤除。 实际低通滤波器的特性曲线如图中曲线b所示，显然，实际低通滤波器截止频率的过渡带远没有理想低通滤波器那么陡。 ba输出信号/输入信号通带阻带 fC低通滤波特性f2.1 有源低通滤波器 有源低通滤波器的设计就是通过选择不同的传递函数去逼近理想低通特性。可用的逼近函数有：Butterworth（巴特沃斯最平幅度特性）Cheybyshev（切比雪夫等波汶特性）Bessel（最平延迟特性）当前模拟滤波器的设计较为成熟，有大量的设计成果及专用集成电路（

15、如MAX系列）可供选择，详细内容可参考相关资料。 3）采样保持所谓采样，就是将一个在时间上连续变化的模拟信号转换为在时间上离散的模拟量。 采样的过程相当于一个受控理想开关的快速开闭的过程。采样控制信号s(t)可表示为一个以Ts为周期的脉冲序列信号，其中脉冲的宽度为（即理想开关每隔Ts秒短暂闭合的时间为）。Ts f(t)为输入连续信号，fs(t)为采样输出的信号。当s(t)=1时,开关闭合，此时fs(t)= f(t)。当s(t)=0时,开关打开，此时fs(t)= 0用数学形式可表示为：fs(t)= f(t)s(t)其中s(t)=0或1。当s(t)=1时，输出fs(t)跟踪输入f(t)的变化。采样

16、脉冲的宽度越小，采样输出的脉冲的幅度就越准确反映了输入信号在该离散时刻上的瞬时值。说明采样定理的示意图当输入的信号被记录下来后，为了保证A/D转换的正确进行。这些信号必须在A/D转换过程中保持恒定，保持电路就是为实现这一功能的。 我们把采样和保持电路结合在一起，称为采样保持电路。 典型采样保持电路典型芯片 LF398 1 2 3 4 8 7 6 5+U调零Usr-UUscChGNDSnLF398+U-UChR1R2UscUsrSnGND调零LF398双列直插，8引脚。R1， R2用于内部调零。一般取2kCh外接保持电容，通常Ch取0.01u。采样保持电路由MOS管采样开关T、保持电容Ch和作为

17、跟随器的运放构成。当s(t)=1时，采样开关T导通，输入信号Vi向Ch充电，V0和Vc跟随Vi的变化，即对Vi采样。当s(t)=0时，T截止，在Ch的漏电电阻、跟随器的输入电阻以及MOS管T的截止电阻都足够大，Ch的放电电流可以被忽略的情况下，V0将保持T截止前一刻的电压基本不变，直至下一次采样开关导通，新一轮采样从新开始。 S（t）Vi f（t）TVcChVo fs（t）O采样保持电路原理图采样开关保持电容跟随器为了使采样所得到的信号能准确、真实的反映原始信号，除了上述采样保持电路外，还必须对采样的频率做出一些要求 如输入信号u，如果按“”所示频率采样，基本可以反映u的变化情况。而若按“”所

18、示频率采样，同样的采样值所对应的波形却不是唯一的，所以根本无法恢复原始波形。ut采样定理及频率混叠现象示意图这种由于采样频率不够高，导致采样值对应多种的可能波形的现象称为频率混叠。 NiaIbIc010.56-6.495.7602-3.05-4.177.0303-5.85-0.736.3704-7.102.904.0205-6.465.730.5806-4.107.03-3.0207-0.656.42-5.83082.974.07-7.10095.780.65-6.46107.05-2.95-4.10116.39-5.78-0.65124.02-7.102.95130.56-6.465.761

19、4-3.07-4.127.0315-5.88-0.706.3716-7.122.904.0017-6.465.730.5818-4.077.03-3.0519-0.636.42-5.85203.004.07-7.10215.780.63-6.46227.03-3.00-4.10236.37-5.81-0.63244.00-7.102.971）每工频周期采样点数为12。2）外加电流值为5A。3）可以看出，电流回路接线（即由保护盘端子排至中间TA二次）有误，因为采样值的相序为反相序。要用采样值准确无误的表示原始输入信号，采样频率必须大于原始信号中最高次频率分量的两倍即: 这就是采样定理。实际应用中

20、所取倍数往往大于4、5倍，才有利于改善测量精度。 很多的微机保护算法往往要利用多个模拟量来实现，由于每个模拟量通道用一个A/D转换器成本太高而且实现电路较复杂，所以一般采用各模拟量通道通过多路转换器共用一个A/D转换器。 4)多路转换器 O 输出OOOO控制信号多路转换器示意图离散值输入多路转换器是一种通过控制逻辑从多路输入模拟信号中选一路作为输出的器件。将多路离散值分时轮流送至A/D进行变换。并行口发出5)模数转换（A/D）回路 模数转换(A/D)的基本原理 由于微机系统只能对数字量进行计算， 而微机保护所能取得的电压、电流信号均为模拟信号，因此必须将采样所得到的模拟量经过模数转换成为数字量

21、。模数转换的过程实质上就是对模拟信号进行量化和编码的过程。 模数转换器是一种编码电路，将输入的模拟量UA相对于模拟参考量UR经一编码电路转换成数字量D输出。 D=UA/ UR所谓量化 就是把时间上离散而数值上连续的模拟信号以一定的准确度变为时间上和数字上都离散化、或量级化的等效数值。量级化通常有只舍不入和四舍五入两种方法。显然经过量级化后的结果可能仅是输入模拟信号的近似值。这种由于量化而产生的误差，称为量化误差。量化误差直接影响了A/D转换的精度。这种影响只能减小，不能消除。 编码 就是把已经量化的模拟数值用二进制数、BCD码或其它码来表示。 经过量化和编码，就完成了A/D转换的全过程，将各采

22、样点的模拟信号转换成与之一一对应的数字量。 3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100 原始信号 PAM脉冲（采样） PCM 脉冲(量化) 有量化差错011100011011001100 PCM 输出(编码)上述种种A/D变换中，以逐次逼近式和V/F转换式在微机保护中应用最广。根据A/D转换的原理和特点的不同，可将A/D转换分为：直接式A/D转换间接式A/D转换将模拟信号直接转换为数字量将模拟信号先变成中间变量，再将这些中间变量变成数字量直接式A/D转换比较式A/D记数式A/D并行转换式A/D间接式A/D转换单积分式A/D双积分式A/DV/F（压频）转

23、换式A/D当出现启动转换脉冲时，输出缓冲锁存器和逐次逼近寄存器均清零，故D/A转换器的输出为零。当第一个时钟脉冲到来时，逐次逼近寄存器的最高位置1，即为1000，此时D/A转换器将逐次逼近寄存器的数字量转化为模拟电压Vf输出（这里Vf为A/D输入的满刻度值的一半）。然后将Vf与输入信号VI比较，如果VfVi(max)/R，故在t0这段时间里，IR使积分器放电，使VINT线性上升到某一正电压。到t0结束的时候，只有正的输入电压Vi作用于积分器，使其充电，此时输出电压VINT沿斜线下降。当VINT下降到0V时，电压比较器翻转，又使单稳定时器产生一个t0宽的脉冲，再次反充电，如此反复。简而言之，整个

24、电路可以看成一个振荡频率受输入电压Vi控制的振荡器。 tt0u-URtuV/F转换器光电隔离输出脉冲计数器保护CPU保护中典型V/F模数转换原理图保护CPU定时读取计数器在若干个采样周期内的计数值。模数转换的结果R相当于输出电压VINT的频率在某一时段内对时间的积分，即： 。上式中R相当于从时刻 到时刻 所读到的计数器的计数值。 V/F模数转换系统精度较高，与CPU接口简单，易于为多CPU共享，抗干扰能力强，现在应用的比较广泛。A/D变换器的主要性能参数分辨率 是反映A/D对输入电压信号微小变化的响应能力的一种度量 A/D转换分辨率=（输入信号的满刻度值/2n）。以满刻度为10V的12位A/D

25、转换器为例：10V/212=10V/40960.00244V。 精度 是指A/D变换的结果与实际输入的接近程度，也就是准确度 转换时间 指的是进行一次A/D变换所需的时间 分辨率精度转换时间A/D转换器的主要技术性能（1）分辨率：分辨率反映A/D转换器对输入模拟信号微小变化响应的能力，通常以数字量输出的最低位（LSB）所对应的模拟输入电平值表示。N位A/D转换能反映1/2n满量程的模拟量输入电压。一般用A/D转换器输出数字量的位数来表示分辨率。A/D位数 分辨率 8 10 12 14 16 1/28=1/256 1/210=1/1024 1/212=1/4096 1/214=1/16384 1

26、/216=1/65536 5)采样方式通常微机保护在一个工频周期内的采样次数是固定的。例如：每周波12个点（1）单一通道的采样方式根据采样点的位置及采样间隔时间与输入波形在时间上的对应关系，可分为同步和异步采样。a)异步采样采样频率固定为fs =N f0 (f0为工频50Hz)，当基频f1发生变化而偏移工频时，fs相对于f1不再是整倍数的关系，即采样信号与输入信号在时间位置上发生异步。每个周波虽然均采样N个点，但各采样点相对于输入信号在位置上发生了变化。b) 同步采样跟踪采样定位采样跟踪采样使采样频率fs跟踪系统基频f1的变化， 始终保持fs =N f1，通过硬件或软件测得基频周期的变化来动态

27、调整采样周期，使每个周波的采样点均位于输入波形的某些固定位置。（动态调整采样间隔和采样起点）定位采样在任何情况下，不但要始终保持fs/ f1=N为一不变的常数，而且采样点总位于基波中事先确定的固定位置上，发生故障时信号波形突变，相位同步破坏，立刻重新同步定位。同步定位方法：利用硬件或软件方法检测基波和其导数的过零点。（2）多通道的采样方式微机保护中通常要对多个模拟量进行采样（ia，ib ， ic ， ua ， ub ， uc ， ux 等）a) 同时采样DBS/HS/HA/DA/DCPUui1uin采样脉冲启动转换在同一时刻对所有信号同时进行采样，各通道信号之间没有相角差，同时启动A/D转换，

28、各信号的衰减相同，不会造成幅值误差。.a) 同时采样S/HS/Hui1uin采样脉冲在同一时刻对所有信号同时进行采样，各通道信号之间没有相角差，通过MPX分时启动A/D转换，由于保持电容的漏电流，可能会造成幅值误差。MPXA/DCPU启动A/D转换.b) 顺序采样ui1uin采样脉冲MPXA/DCPU启动A/D转换.S/H结构简单，但由于各输入信号的采样时刻不同，将产生一定的相角差，设单通道采样时间为 单通道A/D转换时间为则第一通道与第n通道的角度差为：T1基频周期(ms)c) 分组同时采样将所有输入信号分成若干组，组内各通道同时采样，组间人为的增加一段时延再开始采样，在某些算法中需要把其中

29、一些量滞后一个角度，以利于计算。3.中央数据处理系统数字继电保护装置的中央数据处理系统组成尽管多种多样、各不相同，但它们一般由CPU、存储器、定时器/计数器、Watchdog等组成 根据采样数据完成不同的保护功能根据开入量状态，执行相应功能。持续自检数据采集系统与中央处理系统的接口电路CPU（中央处理器） CPU是计算机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的运行依赖于CPU来实现。因此，CPU的性能好坏在很大程度上决定了计算机系统性能的优劣。 当前应用于电力系统中的微机继电保护所采用的CPU多种多样，且多为8位或16位CPU，如Intel 公司的8086/8088，8031系列及其兼容产品、80

30、98、8096以及80C196等等。这一类 CPU均是八、九十年代的主流CPU。其中，80C196系列CPU是目前国内微机继电保护装置中最常采用的一种CPU。这一方面是这一系列CPU具有较高的性能价格比，另一方面这一系列CPU指令、结构以及寻址方式等均于早期较流行的8098/8096相似，使早期基于8098/8096的微机继电保护装置可以较顺利地移植到80C196上来。随着微电子技术近几年来突飞猛进的发展，新一代32位的CPU伴随着大规模/超大规模集成电路的广泛应用而被新一代微机继电保护装置中普遍采用。这一类CPU品种较多，如Motorola公司的MC863XX系列就是目前使用较多的一类。另一

31、方面，随着数字信号处理器（DSP）的广泛应用，微机继电保护装置采用DSP来完成保护功能、实现保护算法已成为一种发展趋势计算机利用存储器把程序和数据保存起来，使计算机可以在脱离人的干预下自动地工作，它的存储容量和访问时间直接影响着整个计算机系统的性能 微机保护运行程序和一些固定不变的数据通常保存在EPROM中，这是由于EPROM的可靠性较高，通常只有紫外线长时间照射才可以擦除保存在EPROM中的内容。由于EEPROM可以在运行时在线改写，而且掉电后又可保证内容不丢失，因此，在微机继电保护中通常用来保存整定值。SRAM主要作用是保存程序运行过程中临时需要暂存的数据。NVRAM和FLASH都是近几年

32、来迅速发展的非易失性存储器，由于它们具有掉电后数据不丢失，而且读写简单方便等优势，在微机继电保护中通常将它们用作保存故障数据，以便事后分析事故时用。 存储器 EPROM（紫外线擦除电可编程只读存储器）EEPROM（电擦除可编程只读存储器）SRAM（静态随机存储器）NVRAM（非易失性随机存储器）定时器/计数器 定时器/计数器在微机保护中十分重要，除计时作用外，它还有两个主要用途，一是用来触发采样信号，引起中断采样。另外，在V/F变换式A/D中，定时器/计数器也是把频率信号转换为数字信号的关键部件。 Watchdog 当微机继电保护装置受到干扰导致运行程序弹飞后，系统可能陷入瘫痪。Watchdo

33、g的作用就是监视程序的运行情况，若微机继电保护装置受到干扰而失控，则立即动作以使程序重新开始运行，以避免微机系统失控后产生死机或误动作 CLR定时脉冲发生器 Watchdog原理OUT可被清除的定时脉冲发生器通常由单稳触发器或计数器构成。若无CLR清除脉冲信号，则定时脉冲发生器按一定频率输出脉冲。通常将此输出脉冲引到微机系统的复位端。当程序正常运行时，不断发出CLR清除脉冲信号，使脉冲发生器没有输出。当运行程序受干扰失控后，无法按时发出CLR清除脉冲信号，于是脉冲发生器产生输出，复位微机系统 。二.开关量输入/输出系统开关量指那些反映“是”或“非”两种状态的逻辑变量，如断路器的“合闸”或“分闸

34、”状态、控制信号的“有”或“无”状态等。继电保护装置常常需要确知开关量的状态才能正确地动作。 1 安装在装置面板上的触点，如工作方式开关、键盘触点、复位按钮等。2 从装置外部经过端子排引入的触点，如各种保护的功能压板、转换开关、操作继电器触点。1) 开关量输入接口部件外部设备一般通过其辅助继电器接点的“闭合”与“断开”来提供开关量状态信号。开关量输入接口部件的作用是为正确地反映开关量提供输入通道，并在微机保护装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰。由于开关量的状态正好对应二进制数字的“1”或“0”，所以开关量可作为二进制数字量读入，每一路开关量信号占用二进制数字

35、的一位 PA0O并列接口4.7k5VK1装置内接点输入回路OOoPA05V o oK1外部触点装置端子装置外接点输入回路光电耦合器件内部由发光二极管和光敏晶体管组成。当外部继电器接点闭合时，电流流过发光二极管使其发光，光敏晶体管受光照射而导通，其输出端呈现低电平“0”；反之，当外部继电器接点断开时，无电流流过发光二极管，光敏晶体管无光照射而截止，其输出端呈现高电平“1”。该“0”、“1”状态可作为数字量由CPU直接读入并依据状态进行处理；也可控制中断控制器发出中断请求，CPU响应中断再进行相应的处理 使用光电耦合器件实现电气隔离采用光电隔离的开关量输入方式采用继电器隔离的开关量输入方式3 开关

36、量采集回路开关量、数字量输入的后续输入回路一种开关量光耦输入前置抗扰动处理回路2)开关量输出接口部件 微机保护通过开关量输出的状态来控制执行回路、信号回路以及完成其它操作的继电器的动作。开关量输出接口部件的作用是为正确地发出开关量操作命令提供输出通道，并在微机保护装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰 主要包括保护的跳闸出口、合闸出口以及本地和中央信号等。采用光电耦合器件的开关量输出回路B1H1 PB0 PB1O O +5vO&O VCKO O K11空接点输出续流二极管继电器绕组当CPU输出为“0”（低电平）时，执行回路的出口继电器常开接点闭合；反之，当CPU

37、输出为“1”（高电平）时，出口继电器常开接点断开。继电器线圈两端并联的二极管称为续流二极管。它在CPU输出由“0”变为“1”，光敏晶体管突然由“导通”变为“截止”时为继电器线圈释放储存的能量提供电流通路，这样一方面加快继电器的返回，另一方面避免电流突变产生较高的反向电压而引起相关元件的损坏和产生强烈的干扰信号。 在重要的开关量输出回路如跳闸回路中，往往采用数字逻辑编码形成开关量输出信号，目的是为了防止因强烈干扰甚至元件损坏在CPU输出回路出现不正常状态改变时，以及因直流工作电源拉合在CPU输出回路出现不确定状态时而导致保护装置发生误动。 继电器输出回路设计4.4 开关量输出回路VCC24VQD

38、QDJVCC24VBSBSJVCC24VTZTZJoR4&oR3oR6&oR5oR2&oR11o微机保护内部工作电源来自CPU光隔采用逻辑编码的开关量输出回路o启动继电器开放保护5.人机联系与调试接口1)人机对话接口部件 人机对话（也可称为人机联系）接口部件的作用是建立起微机保护装置与使用者之间的信息联系，以便对装置进行人工操作、调试和得到反馈信息。 继电保护的操作主要包括整定值和控制命令的输入等；而反馈信息主要包括被保护的一次设备是否发生故障、何种性质的故障、保护装置是否已发生动作以及保护装置本身是否运行正常等。 微机保护采用智能化人机界面使人机信息交换功能大为丰富、操作更为方便。 微机保护

39、人机对话接口部件通常包括以下几个部分： 键盘输入电路：用来修改整定值和输入控制命令，必要时辅之以切换开关；液晶显示回路：通常采用图形化液晶显示屏（LCD），用来实现汉字、数据及图形的显示,如整定值、控制命令、采样值、测量值、电力系统故障报告（含故障发生的时间、性质、保护动作情况）及保护装置运行状态的报告等；指示灯：通常采用发光二极管（LED），可对一些非常重要的事件，如保护已动作、装置运行正常、装置故障等提供更明显的监视信号；硬件自复位电路：防止人机接口CPU程序出格而装设的。 打印机驱动电路：用来驱动打印机形成文字报告；串行通讯接口电路：与保护CPU的通讯实现人机对话和巡检功能；与系统机的通

40、信，用于向RTU设备或系统机传送数据，并与变电站综合自动化相配套。硬件时钟电路：校对保护CPU的软件时钟，以确保保护的软件时钟的正确性；并可修改时间；在保护装置直流电源掉电时使保护软件时钟不丢失。825580318279MC146818RAMEPROMEEPROM三总线键盘显示至ADC插件单CPU结构保护的人机接口芯片与保护CPU的连接接口CPU就由保护CPU兼任。为减轻保护CPU的负担，可由可编键盘、显示器专用接口芯片8279来完成键盘、显示器与保护CPU的接口任务，时钟校对由MC146818独立完成在多CPU结构的保护中，另设有专用的人机接口CPU插件。接口CPU除了要完成人机接口的任务外

41、，还要完成与各CPU通信管理、巡检及时间校对、程序出格复位等多项任务。 8031硬件自复位EPROMRAMRTU光电隔离至RTU时钟PPI光电隔离呼唤至CPU插件总告警开入外部触点复位各CPU键盘多CPU结构保护的人机接口插件框图BUS至各CPU2）键盘输入电路键输入的接口功能 （1）键开关状态的可靠输入 （2）按键编码 为了识别按键，通常都对每个键进行编码，即给定键值，不同的键盘结构采用不同的编码方法。软件中根据键值安排执行程序的地址，按键值执行不同的功能程序。（3）键盘检测功能 对是否有键按下的监测方式，通常有中断方式和查询两种方式 为了简便操作，单片机键盘不必像PC机那么繁杂，保护装置键

42、盘的数量应尽可能减少。人机接口的面板上键盘只有七个键：上、下、左、右、返回、复位和确认键。复位和确认键用于装置复位和操作确认。 按键或键盘大都是利用机械触点的合断作用来实现。 3）液晶显示回路 5V 8256 P2 P1 CBLS245A07 CB LCDDB07 CB液晶显示回路液晶显示器是一种极低功耗的显示器件，在低功耗保护中应用较广 液晶显示接口电路由接口芯片8256的P1、P2端口，驱动芯片74LS245及一块416字符的LCD液晶显示器组成。接口芯片8256在接口CPU的控制下输出P2和P1并行端口，分别作为LCD液晶显示器的控制线CB和数据线DB，其DB通过总线驱动芯片74LS24

43、5驱动，接至LCD数据端DB07。在控制线CB的控制下，选通LCD行、列及其电极。 4） 硬件时钟电路（1）正常运行方式 当接口CPU复位重新开始执行程序初始化工作完成后，从硬件时钟时间值通过CPU串行通信口送到保护CPU插件内部时钟存储单元，去校对保护CPU的软件时钟。此外每隔一定时间，该硬件时钟对保护内部时钟的存储单元同步校正一次，以确保保护的软件时钟的正确性，实现了对各CPU软件时钟的同步校对。 （2）修改时间 运行人员欲修改时间，可在运行方式下按提示的格式输入正确时间，确认后硬件时钟按输入的时间开始运行。 （3）保护装置直流电源掉电时 保护软件时钟丢失，但接口硬件时钟由电池供电继续运行

44、，直流恢复后又重新把接口硬件时钟的时间通过串行通信送入保护内部软件时钟存储单元，确保时钟不间断计时。 6.数字通信接口 1）人机接口与保护CPU之间的串行通信 人机接口与保护CPU之间的串行通信的作用是人机对话和巡检，这个串行通信系统是主从分布式的系统，接口CPU是主机，保护CPU是从机。主机发讯的T端接从机收讯的R端，从机发讯的T端接主机收讯的R端 8256T RT RT RT RCPU1CPU2CPU3CPU4CPU保护装置的串行通信框图RT接口插件的串行通信回路，由接口CPU的串行接口与各保护插件的串行接口按辐射状相连，每个保护插件都可以同人机接口进行双向的串行通信，而各种插件之间不能互

45、相通信。8256、CPU1、CPU2、CPU3、CPU4分别代表人机串行通信接口的键盘命令或接受保护CPU插件的数据。在运行状态下，用于巡检各保护CPU插件，当系统发生故障后，则能通过串行口向主机传送故障报告，并通过显示器显示出来。正常运行状态，接口插件不断的通过串行口向各CPU插件发出巡检命令，当各CPU均为正常时，分别作出回答。如某一保护CPU插件自检硬件出错，一方面驱动本CPU告警继电器切断跳闸出口继电器。另一方面在收到巡检命令后向接口插件传送故障信息及出错码，接口插件收到出错码后，驱动总告警继电器，并显示或打印出故障信息。 如果接口插件发巡检命令，某一保护CPU未作回答，则接口插件通过

46、外部复位开出，强制该CPU复位，然后再发巡检命令，如果仍得不到回答，则驱动总告警开出，并显示或打印CPU出错信息。 采用先复位后报警是为了防止某一保护插件因干扰造成出格，但并无硬件损坏时，可在复位后使其恢复正常工作，不必告警。 如果人机接口插件发生故障而不能执行循环检测程序时，各保护CPU插件在规定时间内收不到巡检命令，就驱动巡检中断继电器告警。 2）人机接口与系统机的通信电路 人机接口与系统机的通信，用于向RTU设备或系统机传送数据，为设备的集中管理提供了方便，并与变电站综合自动化相配套。由于通信线路较长，因此有必要采用光电隔离，以防干扰。当系统机有通信信息传至保护时，接收端通过光隔连接CP

47、U的INT0端申请串行中断服务，相应中断时接受系统机信息或向系统机传送保护信息。为抗干扰，串行通信的专用电源由保护电源通过逆变器件DC/DC隔离后供电。 电源系统-IED的“心脏”完成高电压小电流输入到低压大电流输出的转换完成外部电源系统与IED内部系统的隔离抑制外部高频干扰信号对IED内部系统的扰动抑制内部高频信号对外部电源系统的干扰实现过流、过压、过热保护在电源输入较大波动下，仍然维持输出稳定逆变电源系统元器件等降额使用（整流器件、电容、MOSFET）电源输出功率降额使用电解电容原理发热器件优化散热条件考虑EMI和EMS寿命计算和等寿命法则运用电源系统工作原理X-Y滤波及共模抑制全桥整流高

48、频振荡及过载检测高频变压器隔离高频整流及滤波电压反馈电源输入多路低压电源输出第二节 数字继电保护的常 用算法及功能模块 在微机保护中，模拟电压、电流输入信号经过离散采样和模数变换成为可用于计算机处理的数字量，计算机将对这些数字量(采样值)进行计算和分析，得到保护所需的电气量参数，再将这些参数代入保护的动作特性方程并与整定值进行比较和判断，决定保护装置的动作行为。而完成上述分析计算和比较判断以实现各种继电保护功能的方法，通称为保护算法。 在电力系统中，继电保护的种类很多，保护原理也各不相同，因此，相应有各种不同的保护算法。但无论何种算法，其核心都可归结为如何计算能表征被保护对象运行特点的各种电气

49、量参数，如电压、电流的基波或某次谐波分量的幅值与相位、测量阻抗、功率及各种序分量的幅值与相位等。有了这些基本的电气量参数，才能构成保护的动作特性方程，实现各种不同的保护原理。因此，电气量参数的计算方法是微机保护算法的基础。 一.概述 大多数微机保护原理，是以故障信号中的稳态基频分量或某种特定谐波分量为基础构成。而在实际故障情况下，输入的电流、电压信号中，除了保护所需的有用成分外，还包含有许多无效的“噪声”分量，如衰减直流分量和各种高频分量等。保护算法的主要任务之一就是从包含有噪声分量的输入信号中，快速、准确地计算出所需的各种电气量参数。 参数计算的准确性关系到保护装置动作行为的正确性。 消除噪

50、声分量的影响，提高参数计算的精度，有两种途径： 采用滤波器对输入信号进行滤波处理，然后对滤波后的有效信号进行电气参数计算 设计电气参数的算法时使其本身具有良好的滤波性能 算法的计算速度则直接决定着保护的动作速度。 算法计算速度包含 一是指算法的数据窗长度，即需要采用多少个采样数据才能计算出所需的参数值； 二是指算法的计算量，算法越复杂，运算量也越大，在相同的硬件条件下，计算时间也越长。 通常，算法的计算精度与计算速度之间总是相互矛盾的，若要计算结果准确，往往需要利用更多的采样值，即增大算法的数据窗。 三. 基于正弦交流信号的基本量算法 数字滤波 是将含有各种频率成分的采样序列变换成只含特定频率

51、信号的输出序列，是序列到序列的变换 算法 则是要从数字滤波器的输出序列或直接从采样序列中求取电气信号的特征参数并且进而实现保护原理 微机保护算法 基本算法 保护原理算法 基本算法 用来计算保护所需的各种电气量的特征参数，如交流 电流和电压的幅值及相位、功率、阻抗、序分量等； 保护原理算法 用基本算法的结果来实现保护原理，因此与具体 的保护功能密切相关：它不仅要求解特定保护的 动作方程，还需要完成各种逻辑处理、时序配合 算法及故障判定。 正弦函数模型算法 假设提供给算法的电流、电压数据为纯正弦函数序列。以电压信号为例，设输入序列为 ： 角频率； 、 电压的幅值、相位 在实际故障情况下，输入电压或

52、电流信号中除基频分量外，还包含有其它暂态噪声分量，如衰减直流分量和各种高频分量等，并且，数据采集系统还会引入各种测量噪声。因此，采用这类算法进行参数计算时，必须与数字滤波器配合使用，即所用信号应是经过数字滤波后的输出序列，它也可以视为采样值，但不是原始采样值。 1.半周绝对值积分算法 设 ，令 ，则：设 为估值，离散化后得到： 令 ：则 ：由于用采样值求和代替积分，所以也带来误差，此误差随 值而变化。仍以上述参数为例。当 N=12 ， ， 时，可算得 ；而当 ， 时故 ：举例说明设输入相电压、电流分别为21.13057.72878.85878.85857.72821.1301 数据窗长度为10

53、ms，对工频而言延时10ms.2 由于进行的是积分运算，故具有滤波功能，对高频分量有抑制作用，能滤除2、4次谐波，但不能滤除直流分量，对其有放大作用。3 算法的精度与采样频率、系统频率、初相角有关。4 由于只进行加法运算，计算工作量小。5 通常作为保护的起动元件计算或简单的电流保护计算。半周绝对值积分算法的特点： 二、两点乘积算法：假设u(t)为输入数据，u1为在采样时刻t1的采样值， u2为在采样时刻t2的采样值;滞后的时间为3个采样周期，角度为/2。同理可得相角差阻抗写为代数表达式只要知道两个相隔/2的采样值，就可按上述方法计算出有效值。1 数据窗为1/4周期，延时5ms。2 此算法是基于

54、正弦波基础上，因此要与带通滤波器配合使用。3 算法本身与采样频率无关、算法不存在误差。4 算法中要进行较多的乘除法，运算工作量较大。123456u21.13057.72878.85878.85857.72821.130I03.5356.1237.076.1233.535设输入相电压、电流分别为并已知，现取每工频周期采样次数N=12， 举例说明有功、无功功率电阻、电抗3.傅氏算法 傅氏算法的基本思想源于傅里叶级数。该算法假设输入信号为一周期性函数信号，即输入信号中除基频分量外，还包含直流分量和各种整次谐波分量。 X0 直流分量； 基频角频率； 、 为第k次谐波分量的幅值和相位。 输入信号可表示为

55、： (1)tttttttX(t)X0X1X2X3X4X5将上式展开，并用复相量的实、虚部形式表示，则有 :(2) 为第k次谐波分量的实部 为第k次谐波分量的虚部 根据三角函数系在区间 (T1为基频周期)上的正交性和傅里叶系数的计算方法，可直接导出实、虚部计算式为 (3)(4)在数字计算中，式(3)和(4)用采样值序列计算，并取每基频周期N点采样，则有: (5)(6)式(5)、(6)所示即为傅氏算法。由于该算法的数据窗为一个基频周期，故也称之为全周波傅氏算法。根据三角函数系的正交性，当输入信号为周期性信号时，采用富氏算法可准确地求出信号中的某次谐波分量，并保证使其它整次谐波分量及恒定直流分量衰减

56、到零。 在式(5)、(6)中，k为整数，表示谐波次数。当k取不同的数值，可求出不同次谐波分量的实部和虚部。例如，取k=1，则基频分量的实部和虚部为: (7)(8)由所求得的实、虚部值，可进一步计算出基频分量的幅值和相位： (9)(10)X1XI1XR1+R+j由式(7)(8)可准确地求出信号中的基频分量，其计算精度不受恒定直流分量和整次谐波分量的影响。傅氏算法不能完全滤除非整次谐波分量，但有一定的抑制作用，尤其对高频分量的滤波能力相当强；而对于低频分量(主要由衰减的非周期分量产生)的滤波效果相对较差。仿真计算表明，在最严重情况下，由衰减非周期分量引起的计算误差可能超过10%。 实际故障情况下，

57、故障信号通常并不是呈周期性变化，如非周期分量不是恒定不变的纯直流分量，而是依指数规律衰减。对于输电线路上的故障，故障暂态信号中的高频分量与故障点至保护安装处之间的距离有关，也不一定是整次谐波分量，并且，这些高频分量也都是随时间不断衰减的。因此，采用傅氏算法进行参数计算时会产生一定误差。为减小误差，一个简单可行的方法是对输入信号的原始采样数据先进行一次差分滤波，以削弱衰减的非周期分量的影响，然后再进行富氏计算。 傅氏算法原理简单，计算精度高，因此在微机保护中得到了广泛应用。不过该算法的数据窗较长(一个基频周期)，从而降低了保护的动作速度。 XmsXmcXmm傅氏算法Xm 和 m 可以由 Xms

58、和 Xmc 求出求 Xms 和 Xmc的方法 : 根据傅立叶级数的理论， Xms 和 Xmc 可以表示为:傅氏算法在微机保护中，输入函数x(t)的确切表达式是不知道的，只知道它在一系列离散点上的采样值，所以并不能直接求出积分值，这时可以应用积分的近似计算法来近似地计算上述积分。由数学知识，常用的近似积分算法有矩形积分法和梯形积分法两种。下面以矩形积分法为例，进行讨论傅氏算法sin mttx(t)tnTstx(t) sin mtData WindowConcept of rectangle method矩形积分法图解sin mttx(t)tnTsx(t) sin mttXms will be d

59、ifferent for different nTs, So do Xmc数据窗移动由图可以得到面积的计算公式当 m=1，可以算出基波，这时公式变为 ：若采样频率为 600Hz, 即 N=12, 则公式变为 1020t (ms)举例n012345678A105000866710000866750000-5000-8667A3033330-3333033330-33330A501000-17322000-173210000-10001732Samp.0933369358667693593330-9333-6935n91011121314151617A1-10000-8667-5000050008

60、6671000086675000A333330-3333033330-333303333A5-20001732-100001000-17322000-17321000Samp.-8667-6935-9333093336935866769359333For n=12，粉红框为数据窗实际值应该是 10000, 产生误差的原因是 0.8667,0.3333等小数的截断误差.For n=13:The actual number should be 10000,phase angle should be 30, the error comes from round off of 0.8667,0.333