国网考试学长全继电保护

电力系统继电保护原理主讲教师：刘青电自教研室继电保护的硬件构成2.1继电器1、继电器的分类☆按照动作原理分为：电磁型、感应型、整流型、电子型和数字型等；☆按照反应的物理量可分为：电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器和气体（瓦斯）继电器等；☆按照继电器在保护回路中所起的作用分为：启动继电器、量度继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器和出口继电器等；2、对继电器的基本要求：工作可靠，动作过程具有“继电特性”。3、继电器的继电特性：I返回动作继电器的动作明确干脆不可能停留在某一中间位置，这种特性称为“继电特性”。＊继电器的动作电流：使继电器动作的最小电流；＊继电器的返回电流：使继电器返回的最大电流；返回系数：(0.85~0.9)＊电磁型电流继电器3个力矩：电磁力矩Mdc；弹簧力矩Mth；摩擦力矩Mm；动作条件：返回条件：2.2微机继电保护简介计算机用于现场工业控制的例子举不胜举250Kb/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通道和隔离数字量输出通道,隔离保护电压可达到2500VDC.它们是要求采取高电压隔离工业应用的理想选择.此外,所有输出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总线接口卡

计算机控制系统(ComputerControlSystem，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。辅助部件：输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系：可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。控制目的：可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。

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PCB板上——称为保护的“插件”，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以下几部分：机箱、插件、面板、总线1.1.2微机保护装置的结构0.1.3微机保护装置构成及其特点微机保护的构成框图DAS保护微机系统（1~n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。微机保护装置具有一般计算机系统共同的特点1）计算——速度足够快2）计算——精度足够高3）存储——容量足够大4）逻辑判断5）硬件的通用性6）智能化——程序化设计的结果7）通讯——网络接口现场应用的微机保护发电厂值班人员监视机组生产2.3微机继电保护硬件系统的构成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2.3.1微机保护硬件功能结构划分将模拟信号转换为数字信号对采集到的数据进行分析处理，以完成各种保护功能完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接点输入及人机对话等功能；一、数据采集系统电压形成电压形成LFLFS/HS/HMPXA/D......1.电压形成一、常识1.微机保护输入的电气量

1）交流电流：来自TA的二次侧，额定电流为5A或1A2）交流电压：来自TV的二次侧，额定线电压为100V3）直流电压：发电机的励磁电压400-600V2.电力系统短路故障后电气量的变化

1）电流升高，最大一次电流倍数可通过故障计算得出。

2）相电压降低，最低可达到0V3）零序电压在发生不对称接地短路时有输出。3.数据采集系统处理的一般都是电压信号，根据采用的模数转换器件不同，其输入信号范围不同，如0~5V,0~10V,-2.5V~+2.5v,-5V~+5V,-10V~+10V等。

4.变换器的作用和分类

1）按变换的信号电流变换器；电压互感器；电流电压双用互感器

2）按用途分类测量用电流、电压变换器；录波用电流、电压变换器；保护用电流、电压变换器；作用：电流、电压变换器除了电量变换作用外，还起隔离作用，使微机保护装置在电路上与电力系统二次回路隔离。

举例：保护用电压变换器规格输入电压

额定值（V）输出电压

额定值（V）输入电压

过载倍数非线性度空载电流（mA）工频耐压（V）比差

（±%）角差

（±分）57.7V/3.53V57.73.531.2＜0.1≤10＜0.5＞2500100V/2.88V1002.881.5＜0.1≤10＜0.5＞2500100V/3.53V1003.531.5＜0.1≤10＜0.5＞2500电流变换器规格输入电流额定值(A)输出电压额定值(V)最大过载电流(A)最大过载时输出电压（V）非线性度功率消耗(VA)工频耐压(V)比差(±%)角差(±分)20A/3.53V10.1765203.53＜0.1≤10＜0.1＞250020A/7.07V10.3535207.07＜0.1≤10＜0.1＞250050A/4V50.4504＜0.1≤10＜0.1＞2500100A/3.53V50.17651003.53＜0.1≤10＜0.1＞25002.采样保持（S/H）电路及采样频率的选择一、概述

模拟信号进行A/D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。

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，会造成很大的转换误差。

要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。

能完成这能完种功能的器件叫采样／保持器。采样／保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。采样保持器工作示意在数据采集系统中，采样／保持器主要起以下两种作用：

(1)“稳定”快速变化的输入信号，以利于模/数转换器把模拟信号转换成数字信号，减小采样误差。

(2)用来储存多路模拟信号，这样可使用多路开关和一个AD实现多路信号的同步采集。

对采样保持电路的要求

a）截获时间（Tc）尽量短，以便采用很短采样脉冲。

b）保持时间长，在保持期间输出电压变化小。

c）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。采样保持器器件举例——LF398LF398典型的参数如下：

运算放大器的输出阻抗不大于6欧姆，输入阻抗高达10000兆欧姆电压下降率为2mV/s

电压按误差小于0.1%的精度跟踪输入信号，截获时间约为20微秒。

3.模拟低通滤波器ALF一、常识1）电力系统故障后的暂态信号的频率成分

目前大多数保护原理是基于工频分量的保护2）采样频率3）硬件能力采样频率的高低受到CPU的速度、被采集的模拟信号的路数、A/D转换后的数据与存储器的数据传送方式的制约。要求在一个采样间隔内完成对所有采样信号的处理，否则会造成数据的错误。

——采样频率——所含信号的最高频率

短路瞬间电流、电压中含有高频率信号，为了防止混叠误差，要求采样频率很高，势必增加对硬件的要求。实际上目前大多数微机保护原理是反映工频量的，或反映某些高次谐波，故可以在采样之前将最高信号波频率分量限制在一定频带内。

一般在采样前用一个低通滤波器（ALF）将高频分量滤掉。以降低采样频率，从而降低对硬件的要求。RC无源低通滤波器电路二阶RC模拟低通滤波器4.模拟量多路转换开关(1).模数转换器的分类5.模数转换器（Ａ/D）(2).A/D型模数转换的一般原理

模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。模数转换器可以认为是一种编码电路。它可以实现将模拟的输入量相对于参考电压经过一个编码电路转换成数字量D。用二进制数表示为：

式中：为二进制数的0或1。其中D是一个小于1的数，。从而，模拟信号可表示为：

工作原理a.逐次逼近型电路结构框图

1个时钟周期内只能完成1位转换。n位转换需要n个时钟周期，故采样速率不高,输入带宽也较低。优点是原理简单，便于实现，适用于中速率而分辨率要求较高的场合第一次设定数码：1000UR>UOUR<UO第二次设定数码：11000100

第三次设定数码：UR>UOUR<UOUR>U0UR<UO1110101001100010

><><><><第四次设定数码11111101101110010111010100110001A/D型模数转换器举例1）AD574Complete12-BitA/DConverterwithReferenceandClock8-and16-BitMicroprocessorBusInterface35µsMaximumConversionTimeAD7665与微型机的接口AD7665是一种逐次逼近型的16位数模转换器，转换速率是500kSPS（SamplesPerSecond），即进行一次模数转换的时间为1/500K=2uS。b.VFC式A/D型模数转换

换一种思路，用待转换的电压V控制计数脉冲的频率，使脉冲频率正比于电压V，而计数间隔不变，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-频率型（V-F型）模数转换，简称VFC。

电压频率转换器VFC（VoltageFrequencyConverter）是另一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。VFC工作原理输出波形输入电压V为一负电压，在其作用下，电容器C充电，当积分器的输出电压上升至零时，过零比较器发生跳变。触发单稳电路，使之产生一个宽度为to的脉冲，此脉冲控制开关S，使其与+Vs电源接通to时间，C反充电，当to结束时，S断开，在负的输入电压作用下，电容器C又充电，如此反复进行下去，振荡不止。于是可将输入的模拟电压变换为一串等幅脉冲输出。显然，其它参数不变时，当输入电压越大，积分电容充电越快，从而使输出脉冲的频率越高。反之，输入电压越小输出脉冲的频率越低。

单稳触发器的输出脉冲信号的宽度受RT和CT两个参数的影响。在RT固定时，改变用户接入的CT大小，可改变单稳触发器输出脉冲信号的宽度。微机保护中VFC型数据采集系统的构成浪涌吸收器：由RC网络构成，可吸收高频干扰信号。电压频率变换器：由VFC芯片实现电压到频率的转换。将模拟信号变为数字信号。光电隔离器：由光电隔离芯片实现模拟系统与数字系统的隔离，具有抗干扰的作用。计数器：由可编程的计数器芯片构成，通常为16位计数器。在单片机的干预下，在每次采样中断中，读取计数器的计数值。VFC型数据采集系统结构简图如下所示。可见与普通A/D型的数据采集系统是不一样的。VFC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；普通A/D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，并可大大抑制噪声。（2）抗干扰能力强，在VFC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；（3）输出数字量D的位数可调；（4）与微型机的接口简单；（5）可实现多微机共享数据采集；（6）易于实现同步采样；（7）但不适用于高频采样。器件举例——AD654二、数据处理系统数字处理系统又称为微机保护的主系统——是指除I/O设备外的微机保护系统的核心部分。微机保护的主系统的作用是：进行数字运算、逻辑处理与I/O控制。并行接口

处理器EPROMRAMFLASHEEPROM

时钟

译码逻辑

定时器串行接口

在微机保护的主系统中，ＥＰＲＯＭ可以用于存放保护的程序；

在微机保护中，ＦＬＡＳＨ可以作为保护程序、波形或事件记录的存储器使用；

在微机保护中，ＲＡＭ可用于存储数据或运行程序；

在微机保护中ＥＥＰＲＯＭ可以用作保护的定值存储器；1.开关量的输入回路开关量即接点状态信号，接通或断开（识别外部条件）。对微机保护装置的开关量输入可以分为2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。

三、开关量输入/输出接口开关量输入电路需要输出的开关量（开出量）：保护的跳闸信号、通信接口。（一）通信接口（包括打印机接口）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。

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。开关量输出电路需要输出的开关量（开出量）：保护的跳闸信号、通信接口。（一）通信接口（包括打印机接口）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。

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。小结1、掌握微机保护构成的三大部分及其作用2、掌握数据采集系统的构成原理3、掌握保护主系统构成所需要的资源4、掌握开关量输入输出系统的工作原理思考与练习1.1微机保护的构成包含那几部分？1.2数据采集系统、微机主系统和输入输出系统的作用是什么？1.3以三段式电流保护为例，设计一套微机保护的硬件构成方案，并给出简要说明。装置正面布置图：液晶显示器LCD光字灯LED确认键SET退出键QUIT信号复归键RST上下左右选择键串行接口ISO插件及其功能：2.4微机保护软件算法一、微机保护软件结构主程序：对硬件初始化，自检(定值自检、程序自检、开出检查、开入量监视等)。采样中断程序：采样，起动元件判别等。故障处理程序：实现保护功能。

微机保护把经过数据采集系统量化的数字信号经过适当的算法，计算出交流信号的有效值、相位以及多个信号的组合量如：阻抗、相位等。

常规保护把被测信号引入保护继电器，继电器按照电磁、感应、比幅、比相等原理作出动作与否的判断。

算法——是研究由若干个采样数据求取保护原理所需要的故障特征量的方法。IΦ二、微机保护的算法1）直接由采样值经过某种运算，求出被测信号的实际值再与定值比较。2）依据继电器的动作方程，将采样值或由它们计算出的中间变量代入动作方程，转换为运算式的判断。

一是算法的计算精度——关系到保护能否正确做出判断；二是算法所用的数据窗——关系到保护动作速度的快慢。算法所研究的主要问题微机保护装置中采用的算法可分为两类二、微机保护的算法1.基于正弦函数模型的算法1.1最大绝对值算法ΔUmaxu算法误差数据窗平均半个周波10ms

算法依据——一个正弦信号在任意半周内，其绝对值积分（求面积）的结果正比于信号的有效值。1.2半周绝对值积分算法设积分的结果为S，则：

从而可求出有效值：算法：us1s2s3s4s5s6u0u1u2u3u4u5u6例如：N=12对于正弦信号数据窗半个周期1971年,澳大利亚的两位学者Mann和Morrison提出了利用正弦函数的导数为余弦函数的特点,可求出交流信号的有效值的一阶导数算法。设：1.3一阶导数算法(Mann_Morrison算法)微机保护中求导数的方法——差分求导数

1971年，美国西屋公司研究出一套用小型计算机实现的输电线路计算机保护系统，安装在太平洋煤气和电气公司的变电站中试运行。在该保护装置中采用了二阶导数算法。又称Prodar—70算法。设：1.4二阶导数算法（Prodar-70算法）在微机保护中计算一阶导数和二阶导数的方法：1）两采样值积算法设：式中：1.5采样值乘积算法

利用三个连续的等时间间隔的采样值中两两相乘，通过适当组合求出信号幅值的方法。设：2）三采样值积算法2.基于周期函数模型的算法2.1.周期函数的傅立叶级数及各次谐波的关系设有一个周期函数，其周期为T。且该周期函数满足狄里赫利条件，则该函数可表示为：、为基波角频率。为谐波次数，对于基波分量，取

式中：

正弦基波信号表示的另一种形式：

2.2傅立叶算法在微机保护中的应用

设是与连续函数对应的离散序列,

每基波周期采样的点数为N,提取基波分量的算法：假设一个正弦基波电压信号为：

用向量表示为：

所以：

结论：采用傅里叶算法提取的是一个向量函数的实部和虚部。全周傅氏算法——实部——虚部1）全周傅氏算法计算结果是一个向量的实部和虚部。2）傅氏算法既是一种算法，本身具有很好的滤波作用——能够滤除直流及各整次谐波分量。3）全周傅氏算法需要一个周期的数据窗，时间是20毫秒。全周傅氏算法小结4）采用傅氏算法可以提取任何整次谐波分量，一般的计算方法为：5）傅氏算法受衰减直流分量的影响会产生计算误差，可采取适当措施减小其影响。半周傅氏算法

半周波傅氏算法用半周波的数据计算信号的幅值和相角。提取n次谐波分量的算法如下：对于基波分量其中：同样可以分析其幅频特性幅频特性|H(f)|f/f00123456

半周傅氏算法在故障后10MS即可进行计算，因而使保护的动作速度减少了半个周期。半周傅氏算法不能滤除恒定直流分分量和偶次，因此，半周傅氏算法的计算误差较大。3微机线路保护的基本元件及算法3.1概述

线路保护基本上是按电压等级划分的，不同电压等级的线路配置的保护原理不尽相同。35kV及以下等级的输电线路保护配置：反应相间短路的三段式电流保护接线的功率方向元件（可选）三相重合闸（动作次数可设定）特殊场合可以配置反映相间短路的距离保护保护动作跳三相110kV电压等级的输电线路的保护配置：反应相间短路的三段式距离保护反应接地短路的三段式距离保护反应不对称接地短路的三段或四段式零序电流保护（带或不带零序功率方向——可选）三相一次重合闸保护动作跳闸跳三相220kV及以上电压等级的线路保护配置：电流差动保护方向纵联保护距离纵联保护