培训(微机保护基础)课件

1、电力系统微机继电保护毕 天 姝 教 授电气与电子工程学院华北电力大学中国大唐集团公司第1期继电保护高级专业技术人才培训班9/3/20221绪 论9/3/20222电力系统微机继电保护，毕天姝发电用电输电变电配电通信系统电厂监控站端监控数据采集和传输电 网 调 度50.0Hz49.850.2发 电用 电站端监控电力系统继电保护的作用9/3/20223电力系统微机继电保护，毕天姝正常状态：能量管理系统目标：安全性与经济性K1故障发生：继电保护系统目标：快速、准确、可靠切除故障故障切除后：稳控系统目标：维护系统稳定性9/3/20225电力系统微机继电保护，毕天姝0-1 电力系统继电保护的作用电力系统

2、运行状态 三种状态： 正常运行，指电压、电流、频率（转速）在规定的范围内，各个一次电气设备能够正常工作而不损坏的运行状态 不正常运行，指电力系统中电气设备的正常工作遭到破坏但未出现故障的状态，比如像过负荷。 故障，通常指各种类型的短路和断线，包括各相导体之间或者导体对地的不正常连接、三相或者某相开断。9/3/20226电力系统微机继电保护，毕天姝0-1 电力系统继电保护的作用故障的排除 故障是不可避免的，发生故障后，迅速而有选择性地切除故障设备是保证故障设备不损坏、非故障设备继续安全运行的前提和保障。继电保护 继电保护装置，检测故障发生后所出现的故障信息，根据故障信息判断故障发生在那个设备上，

3、进而快速、有选择地切除故障设备的一种安全自动装置。 继电保护，泛指继电保护理论、技术与装置以及各种装置一起所组成的系统。继电保护的基本任务自动、迅速、有选择地将故障设备切除反映不正常状态，发出报警信号、减负荷或者跳闸9/3/20227电力系统微机继电保护，毕天姝02 继电保护的基本原理和系统构成电流保护 短路故障发生后，设备中流过的电流会增大，保护安装点（一般在变电站母线处）所测量的电流会增大，根据电流增大构成的继电保护称为电流保护，电流保护是一种过量保护，越靠近母线，短路电流越大。电流保护说明见图019/3/20228电力系统微机继电保护，毕天姝02 继电保护的基本原理和系统构成距离保护 输

4、电线路发生短路故障后，电流会增大，电压会降低，根据测量到的电压和电流可以计算出故障点到测量点之间的线路阻抗，这个阻抗值比线路正常运行时小，据此，可以构成阻抗继电器。因为线路阻抗和线路距离成正比，所以阻抗保护又称为距离保护。图02示出了距离保护说明图。9/3/202210电力系统微机继电保护，毕天姝02 继电保护的基本原理和系统构成差动保护 正常运行的设备，流进电流和流出电流相等，如果都以流进电流为参考方向，则电流之和为零； 该设备发生短路故障后，流进电流和流出电流不再相等，其和为短路电流。 据此，可以构成电流差动保护。图03示出了电流差动保护说明图9/3/202212电力系统微机继电保护，毕天

5、姝02 继电保护的基本原理和系统构成继电保护系统构成 继电保护的根本任务是检测并发现故障，然后通过断路器切除故障设备。因此，一个完整的继电保护系统至少应该包括： 传感器：包括电压互感器、电流互感器、其它传感器（比如瓦斯气体传感器）等 继电保护装置：有通道的继电保护甚至需要在两端（比如线路保护）安装，还需要专用的继电保护通道 断路器：用于切除故障设备，达到保护目的。一个典型的继电保护系统图如图04所示 9/3/202214电力系统微机继电保护，毕天姝02 继电保护的基本原理和系统构成1继电保护装置2通信设备图04 继电保护系统9/3/202215电力系统微机继电保护，毕天姝03 微机保护微机保护

6、概念 微机保护是指以微型机、微处理器为核心构成的继电保护。 以数字量为处理对象，为微型机、微处理器为核心的数字保护装置9/3/202216电力系统微机继电保护，毕天姝03 微机保护世界微机保护的发展历史20世纪60年代末期，开始倡议用计算机构成继电保护。20世纪70年代，掀起了研究热潮。20世纪70年代末期，开始进入实用化阶段。1979年后，推出各种定型的商业性微机保护产品，并迅速推广。9/3/202217电力系统微机继电保护，毕天姝03 微机保护我国微机保护的发展70年代后半期开始，对国外计算机继电保护的发展作了广泛的介绍和综述分析。70年代末至80年代初则广泛地开展各种算法以至样机的研制。

7、1984年，华北电力学院杨奇逊教授主持研制的第一套微机距离保护样机在河北马头电厂投入试运行。1986年，全国第一台微机高压线路保护装置投入试运行。1987年9月26日，微机距离保护经受人工短路考验。9/3/202218电力系统微机继电保护，毕天姝05 微机保护特点维护调试方便可靠性高易于获得附加功能灵活性大保护性能得到很好改善9/3/202220电力系统微机继电保护，毕天姝第一章 微机保护的硬件原理9/3/202221电力系统微机继电保护，毕天姝1-1 概述（续）模拟量输入系统（数据采集系统）：电压形成、模拟滤波、采样保持(S/H)、多路转换(MPX)以及模数转换(A/D)，完成将模拟输入量准

8、确地转换为所需的数字量CPU主系统：微处理器(MPU)、只读存储器(ROM)或闪存内存单元(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、定时器、并行以及串行接口等。MPU执行编制好的程序，以完成各种继电保护测量、逻辑和控制功能开关量（数字量）输入/输出系统：并行接口(PIA或PIO)、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，完成保护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话等功能9/3/202223电力系统微机继电保护，毕天姝1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）一、电压形成回路1. 模拟量选取原则：以满足保护功能为基本准则2. 作用与方案比较作用方案比较电抗变换器缺点：二次电压波形将发生畸变优点：

9、线性范围大、铁芯不易饱和、有移相作用、抑制直流电流变换器优点：线性范围内，波形相同且同相缺点：在非周期分量下容易饱和、线性度较差、动态范围小9/3/202224电力系统微机继电保护，毕天姝1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）二、采样保持电路和模拟低通滤波器（一）S/H电路的作用及原理S/H电路的作用S/H电路的工作原理9/3/202226电力系统微机继电保护，毕天姝1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）（二）对采样保持电路的要求使Ch上电压按一定精度（例如误差小于0.1%）跟踪上usr所需要的最小采样宽度Tc（或称为截获时间），对快速变化的信号采样时，要求Tc尽量短保持时间要长。通常用下降率

10、 来表示保持能力。模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。分析讨论Ch的选值9/3/202227电力系统微机继电保护，毕天姝1-2 数据采集系统（模拟量输入系统） Ch=0.01F（三）采样保持电路的典型芯片9/3/202228电力系统微机继电保护，毕天姝1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）（四）采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用低通滤波器R=4.3k, C=0.1F9/3/202230电力系统微机继电保护，毕天姝1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）三、模拟量多路转换开关（一）模拟量多路转换开关的作用（二）MPX的工作过程9/3/202231电力系统微机继电保护，毕天姝1-2

11、数据采集系统（模拟量输入系统）四、模数转换器（一）模数转换的一般原理和分类一般原理：将输入的模拟量UA相对于模拟参考量UR转换成数字量D输出：即： 假定数字量D是小于1的数，则：分类：积分型、逐次逼近比较型、并行和流水线型等9/3/202232电力系统微机继电保护，毕天姝四、模数转换器（二）逐次逼近法模数转换器的基本原理9/3/202233电力系统微机继电保护，毕天姝四、模数转换器（二）逐次逼近法模数转换器的基本原理溢出问题9/3/202234电力系统微机继电保护，毕天姝四、模数转换器（二）逐次逼近法模数转换器的基本原理双极性模拟信号的模数转换9/3/202235电力系统微机继电保护，毕天姝四

12、、模数转换器（三）A/D转换器举例AD7665是逐次逼近型的16位快速模数转换器，速度为500kSPS电源DVDD、DGNGOVDD、OGNDAVDD、AGNDREF、REFGND模拟量输入usr10V, 5V, 2.5V0-10V, 0-5V, 0-2.5V9/3/202236电力系统微机继电保护，毕天姝四、模数转换器（三）A/D转换器举例方式选择OB/2 (output binary/2s complement)WARP, IMPULSESER/ (Serial/Parallel)BYTESWAP9/3/202237电力系统微机继电保护，毕天姝四、模数转换器控制信号RESET (Read)

13、, (Chip Select) (Start Conversion)PD (Power Down)BUSY并行输出方式的数据信号DATA15-DATA09/3/202238电力系统微机继电保护，毕天姝四、模数转换器串行输出方式的接口信号SYNCSCLKSDOUTRDERRORDIVSCLKEXT/ INVSYNCINSCLKRDC/SDIN9/3/202239电力系统微机继电保护，毕天姝四、模数转换器（五）模数转换器与微型机的接口9/3/202240电力系统微机继电保护，毕天姝四、模数转换器（五）模数转换器与微型机的接口初始化定时器中断服务程序控制多路转换开关，将0通道连接到A/D 输入端启动

14、A/D转换查询A/D转换是否结束读取A/D转换结果，并按照一定格式 存入循环寄存器中修改存数指针为下一个存数单元判断本次采样时刻的所有模拟量都转换完毕 否则通道号加1全部转换结束后，判断存数指针是否超出循环 寄存器末地址9/3/202241电力系统微机继电保护，毕天姝四、模数转换器（七）微机保护对模数转换器的主要要求转换时间 Tsn(tAD+tR)+tYA/D转换的位数要求200倍的精度范围9/3/202242电力系统微机继电保护，毕天姝1-3 开关量输入及输出回路一、光电耦合器概念分类光隔离器光传感器光敏元件集成的功能块光电耦合器在微机保护中的应用特性工作方式9/3/202243电力系统微机

15、继电保护，毕天姝1-3 开关量输入及输出回路二、开关量输入回路安装在装置面板上的接点人机对话的键盘部分切换装置工作方式 用的转换开关从装置外部经过端子排 引入装置的接点压板、转换开关其他保护装置和操作 继电器的接点9/3/202244电力系统微机继电保护，毕天姝三、开关量输出回路（一）保护的跳闸出口、本地和中央信号1-3 开关量输入及输出回路9/3/202245电力系统微机继电保护，毕天姝1-3 开关量输入及输出回路三、开关量输出回路（一）保护的跳闸出口、本地和中央信号装置正常、系统无短路设备异常系统发生短路出口回路自检9/3/202246电力系统微机继电保护，毕天姝三、开关量输出回路（一）通

16、信接口、打印机接口1-3 开关量输入及输出回路9/3/202247电力系统微机继电保护，毕天姝1-5 网络化硬件电路一、问题提出继电保护的种类很多，且由于受被保护对象的容量、模拟量数量、跳闸对象和功能要求不同等因素影响，造成保护配置多种多样。希望采用模块化的思想。希望微机保护在更新换代后，保护装置对外的连线基本保持不变。保护功能插件（CPU插件）与开入、开出之间的连线受CPU插件的空间限制，很难做到开入、开出数目的方便扩展。在变压器、发电机保护中，根据不同容量、不同主接线等情况，保护的一个动作逻辑有可能组成多个出口对象。9/3/202248电力系统微机继电保护，毕天姝1-5 网络化硬件电路二、

17、网络化硬件电路标准模块CPU插件开入(DI)插件开出(DO)插件通信网络采用 CAN总线方式9/3/202249电力系统微机继电保护，毕天姝1-5 网络化硬件电路三、网络化硬件结构的优点模块之间的连接简单、方便可靠性高、抗干扰能力强扩展性好升级方便便于实现出口逻辑的灵活配置降低了对微型机或微控制器并行口的数量要求9/3/202250电力系统微机继电保护，毕天姝1-6 硬件技术的展望通用硬件技术平台高可靠性开放性通用性灵活性和可扩展性模块性与新型互感器接口微机保护硬件网络化总线不出芯片可以有效提高装置整体可靠性9/3/202251电力系统微机继电保护，毕天姝第二章 数字滤波器9/3/202252

18、电力系统微机继电保护，毕天姝2-1 概 述数字滤波器的定义滤波器就广义来说是一个装置或系统，用于对输入信号进行某种加工和处理，以达到取得信号中的有用信息而去掉无用成分的目的。定义：是一个计算程序或算法，将代表输入信号的数字时间序列转换为代表输出信号的数字时间序列，并在转换过程中，使信号按照预定的形式变化。9/3/202253电力系统微机继电保护，毕天姝2-1 概 述例：设一个模拟信号既包含了工频基波信号，也包含了三次谐波成分，表达式为x(t)=sin(w1t)+0.6sin(3w1t)，试分析经过采样计算，如何滤去三次谐波解：应用采样间隔Ts=5/3ms对该信号采样9/3/202254电力系统

19、微机继电保护，毕天姝2-1 概 述数字滤波器的优点特性一致性好。一旦程序设计完成，每台装置的特性就可以做到完全一致不存在由于温度变化、元件老化等因素对滤波器特性影响的问题不存在阻抗匹配的问题灵活性好，改变算法或某些系数就可以改变滤波器的性能滤波精度高，加长字长可以很容易提高精度9/3/202255电力系统微机继电保护，毕天姝2-2 零、极点法设计数字滤波器一、零、极点对系统频率响应的影响零点极点9/3/202256电力系统微机继电保护，毕天姝2-2 零、极点法设计数字滤波器一、零、极点对系统频率响应的影响9/3/202257电力系统微机继电保护，毕天姝2-2 零、极点法设计数字滤波器二、零点设

20、计法如果希望滤除fk的频率分量，即|H(f)|fk=0由于离散值计算公式中的滤波系数必须为实数9/3/202258电力系统微机继电保护，毕天姝2-2 零、极点法设计数字滤波器二、零点设计法例：设Ts=5/3ms(即N=12)，用零点设计法设计出能同时滤除3次和5次谐波分量的数字滤波器传递函数解: (1)滤3次的因子H3(Z)=1+Z-2 (2)滤5次的因子H5(Z)=1+ Z-1+Z-29/3/202259电力系统微机继电保护，毕天姝第三章 微机保护的算法9/3/202260电力系统微机继电保护，毕天姝3-1 概述定义：微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断，

21、以实现各种继电保护功能的方法称为算法分类性能指标精度速度算法所要求的采样点数（数据窗长度）算法的运算工作量9/3/202261电力系统微机继电保护，毕天姝3-2 假定输入为正弦量的算法假定原始数据为纯正弦量的理想采样值一、两点乘积算法9/3/202262电力系统微机继电保护，毕天姝3-2 假定输入为正弦量的算法一、两点乘积算法9/3/202263电力系统微机继电保护，毕天姝3-2 假定输入为正弦量的算法一、两点乘积算法9/3/202264电力系统微机继电保护，毕天姝3-2 假定输入为正弦量的算法二、导数算法9/3/202265电力系统微机继电保护，毕天姝3-2 假定输入为正弦量的算法二、导数算

22、法9/3/202266电力系统微机继电保护，毕天姝3-2 假定输入为正弦量的算法三、半周积分算法9/3/202267电力系统微机继电保护，毕天姝3-2 假定输入为正弦量的算法四、平均值、差分值的误差分析由平均值求瞬时值9/3/202268电力系统微机继电保护，毕天姝3-2 假定输入为正弦量的算法由采样值求微分值9/3/202269电力系统微机继电保护，毕天姝3-3 突变量电流算法一、原理9/3/202270电力系统微机继电保护，毕天姝3-3 突变量电流算法一、原理9/3/202271电力系统微机继电保护，毕天姝3-3 突变量电流算法一、原理系统正常运行时，计算出来的值等于0；当系统刚发生故障的

23、一周内，求出的是纯故障分量；突变量电流算法受频率偏移的影响。 9/3/202272电力系统微机继电保护，毕天姝3-3 突变量电流算法二、频率变化的影响9/3/202273电力系统微机继电保护，毕天姝3-4 选相方法一、选相方法的必要性实现选相跳闸在阻抗继电器中仅投入故障特征最明显的阻抗测量元件二、突变量电流选相元件单相接地故障9/3/202274电力系统微机继电保护，毕天姝3-4 选相方法两相不接地短路两相接地短路三相短路9/3/202275电力系统微机继电保护，毕天姝3-4 选相方法9/3/202276电力系统微机继电保护，毕天姝3-5 傅里叶级数算法一、基本原理前提基本原理9/3/2022

24、77电力系统微机继电保护，毕天姝3-5 傅里叶级数算法一、基本原理（续）说明：积分可以从任意t1时刻开始，改变t1不会改变基波分量的有效值，但基波分量的初相角却会改变9/3/202278电力系统微机继电保护，毕天姝3-5 傅里叶级数算法二、傅氏算法的滤波特性分析9/3/202279电力系统微机继电保护，毕天姝3-5 傅里叶级数算法三、傅氏算法和两点乘积算法的统一两点乘积法的实质是为了获得正弦量中相差90的两点傅氏算法则是同时利用两个对基频信号的相移相差90的数字滤波器。b1(t)相当于两点乘积法中的第一点i1或u1，a1(t)相当于第二点的i2或u2。傅氏法和两点乘积法本质是统一的9/3/20

25、2280电力系统微机继电保护，毕天姝3-6 R-L模型算法一、基本原理基本原理其中：对于相间短路应用u，i；如uab，ia-ib。 对于单相接地短路取相电压及相电流加零 序补偿电流9/3/202281电力系统微机继电保护，毕天姝3-6 R-L模型算法一、基本原理（续）数据获取积分形式9/3/202282电力系统微机继电保护，毕天姝3-6 R-L模型算法二、对R-L模型算法的分析和评价算法的频域分析9/3/202283电力系统微机继电保护，毕天姝3-6 R-L模型算法二、对R-L模型算法的分析和评价R-L模型算法不是仅反映基频分量，而是在相当宽的一个频段内都能适用 不需要用滤波器滤除非周期分量

26、不受电网频率变化的影响9/3/202284电力系统微机继电保护，毕天姝用差分近似求导数引入的误差分析3-6 R-L模型算法二、对R-L模型算法的分析和评价9/3/202285电力系统微机继电保护，毕天姝算法的稳定性分析3-6 R-L模型算法二、对R-L模型算法的分析和评价9/3/202286电力系统微机继电保护，毕天姝3-6 R-L模型算法二、对R-L模型算法的分析和评价电阻分量的误差比较大实际上，受衰减非周期分量影响，分母可能成为两个相近数相减，而造成比较大的计算误差，需监测分母的数值9/3/202287电力系统微机继电保护，毕天姝评价不必滤除非周期分量，因此算法的总时窗较短不受电网频率变化

27、的影响受信号的噪声影响比较大3-6 R-L模型算法二、对R-L模型算法的分析和评价9/3/202288电力系统微机继电保护，毕天姝3-7 故障分量阻抗继电器一、工作原理与动作方程9/3/202289电力系统微机继电保护，毕天姝3-7 故障分量阻抗继电器9/3/202290电力系统微机继电保护，毕天姝3-7 故障分量阻抗继电器一、工作原理与动作方程故障点K在保护范围内9/3/202291电力系统微机继电保护，毕天姝3-7 故障分量阻抗继电器故障点K在保护范围外9/3/202292电力系统微机继电保护，毕天姝3-7 故障分量阻抗继电器故障点K在保护的反方向突变量阻抗继电器的动作方程为：9/3/20

28、2293电力系统微机继电保护，毕天姝3-7 故障分量阻抗继电器为了构成可实现的动作方程，有三种方法可以近似得到 的量值：用短路前保护范围末端Y点的电压实测值 代替 用短路前保护安装处的电压实测值 代替用额定电压代替 。突变量阻抗继电器的实用动作方程为：9/3/202294电力系统微机继电保护，毕天姝3-11 算法的动态特性3-12 算法的选择9/3/202295电力系统微机继电保护，毕天姝第四章 提高微型机保护可靠性的措施9/3/202296电力系统微机继电保护，毕天姝4-1 概 述微机保护可靠性的含义不误动不拒动影响微机保护可靠性的因素微机保护的抗干扰问题装置内部元件出现损坏时的对策9/3/

29、202297电力系统微机继电保护，毕天姝4-2 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径一、干扰源外部干扰：与系统结构无关而是由使用条件和外部环境因素所决定的干扰由其它物体和设备辐射的电磁波由其它物体和设备产生的强电场或强磁场来自电源的工频干扰内部干扰：由系统结构、元件布局和生产工艺等所决定的干扰杂散电感和电容的结合引起的不同信号感应长线传输造成电磁波的反射多点接地造成的电位差干扰等9/3/202298电力系统微机继电保护，毕天姝4-2 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径二、干扰形式及耦合途径差模干扰定义：是串联于信号源之中的干扰原因长线传输的互感分布电容的相互干扰工频干扰措施：防频率混叠的模拟低通滤波

30、能很好地吸收差模浪涌9/3/202299电力系统微机继电保护，毕天姝4-2 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径二、干扰形式及耦合途径共模干扰定义：是引起回路对地电位发生变化的干扰可能传播途径及应对措施装置对外引线端子和机壳之间的共模干扰硬件设计保证各外接端子同微机弱电系统之间没有电的联系电路的分布电容微机保护的结构布局必须谨慎弱电系统的插件远离同外界端子有直接联系的各插件装置后底板的配线也应当使强电和弱电严格分开电源线和机壳之间的共模干扰9/3/2022100电力系统微机继电保护，毕天姝4-2 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径二、干扰形式及耦合途径电源线和机壳之间的共模干扰电源零线直接接机壳电源

31、零线浮空将印制板周围都用电源零线或+5V线封闭起来，这样就可以完全隔离电路板上其他部分同机壳之间的直接耦合9/3/2022101电力系统微机继电保护，毕天姝4-3 干扰的可能后果“读”或“写”出错，使得计算或逻辑错误程序出格元件损坏9/3/2022102电力系统微机继电保护，毕天姝4-4 抗干扰措施对输入采样值的抗干扰纠错利用某些输入量之间存在着的可以利用的规律 ia+ib+ic=3i0 ia(k)+ib (k) +ic (k) =3i0 (k) x(k)+x (k-2)/2 =x (k-1)运算过程的校核纠偏复算数据窗移位后复算9/3/2022103电力系统微机继电保护，毕天姝4-4 抗干扰措施出口的闭锁不允许一条指令就出口中间加入核对程序程序出格的自恢复9/3/2022104电力系统微机继电保