核电厂电气原理与设备单元20课时3940微机型继电保护装置

第20

单元

微机型继电保护装置授课人：日期：中电投高级培训中心本单元主要内容一、微机保护硬件组成各部分及作用二、开关量输入、输出电路的特点三、提高可靠性的措施四、微机保护的特点20.1微机保护硬件组成各部分及作用微机保护的原理微机保护的原理随保护的对象不同而不同，也随应用场合变化而变化（主要是电压等级、设备类型等）。不同的保护原理需要采集的模拟量、开入量和开出量也各不相同。虽然一套微机保护装置集成了许多保护原理，但各种保护原理仍然是相对独立的。微机继电保护装置的软件配置一般为一个主程序和两个中断服务程序。主程序包括初始化和自检循环模块、保护逻辑判断模块和跳闸（及后加速）处理模块。微机保护的原理不同保护原理的第一、三个模块是基本相同的，但保护逻辑判断模块随不同的保护原理而相差甚远。而零序电流保护则没有振荡闭锁部分。中断服务程序包括定时采用中断服务程序和串行口通信中断服务程序。微机保护硬件组成（1）数据采集系统（2）计算机系统（3）开关量输入输出单元（4）通讯单元（5）电源微机保护装置硬件原理框图微机保护装置的硬件结构由数据采集单系统，即模拟量输入部分；数据处理系统，即计算机系统；开关量输入/输出通道；外部通信接口和电源构成。（1）数据采集系统。模拟量输入通道为电流、电压信号，由于电流、电压为随时间变化的连续信号，而计算机只接收数字信号，因此，需要将这种类型的模拟信号转变为数字信号，完成模拟量到数字量的转换。包括电流、电压形成和模数转换模块，完成模拟输入量准确地转换为数字信号的功能；（2）计算机系统。计算机系统包括微处理器、存储器、随机存储器、定时器及并行口等。微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护功能；（3）开关量输入输出通道。微机继电保护装置通过数字量输出实现对断路器等控制。由若干并行接口、光电耦合器件及中间继电器等组成，完成各种保护出口跳闸、信号报警、外部触点输入及人机对话等功能；（4）通信接口。包括通信接口电路和接口，以实现多机通信或联网；（5）电源。电源的作用是将220V或110V直流电源变换成供给微处理器、数字电路、模数转换芯片及继电器所需要的弱电电压，有±12V、±24V、±5V等。一、光电耦合器1.概念2.分类光隔离器光传感器光敏元件集成的功能块3.光电耦合器在微机保护中的应用特性工作方式二、开关量输入回路安装在装置面板上的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三、开关量输出回路（一）保护的跳闸出口、本地和中央信号三、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三、开关量输出回路（二）通信接口、打印机接口WXH820系列微机保护开关量输出电路板20.3提高可靠性的措施

微机保护装置在工作中往往受到一些因素干扰而使其可靠性降低。影响微机可靠性有两个因素，一个是元器件损坏，另一个是干扰引起的功能障碍。由于微机系统元件数量很少，且使用大规模集成电路，不易损坏，因此微机保护的可靠性主要是抗干扰的问题。

提高微机保护装置可靠性有三种方法：（1）避免故障与错误。选用高质量元件，装配工艺优良完善，采用屏蔽隔离等以防干扰。（2）故障自动检测以防患于未然。发现故障时及时报警或自动闭锁，不影响保护对象正常工作。（3）采用容错技术。利用冗余技术，使局部故障时不降低整套装置的性能，不中断保护装置的正常运行。一、干扰的形成

干扰是除有用信号以外的所有可能对装置的正常工作造成不利影响的装置内部或外部的电磁信号，干扰将造成微机装置的计算错误或逻辑错误和程序运行出轨等。干扰产生来自外部干扰源和内部干扰源。干扰的三个因素，包括干扰源、耦合途径和接收电路。提高微机保护的可靠性就是要明确干扰源，切断耦合途径和提高保护装置本身的抗干扰能力。二、电力系统中常见的干扰源现代化的电力系统本身就是一个多种电磁干扰并存的复杂电磁环境，微机保护在这种环境中所面临的电磁兼容性问题自然也十分严重。电力系统中常见产生脉冲干扰、瞬变干扰的原因主要由以下几种。1．隔离开关及断路器操作隔离开关及断路器的开合操作，必然伴随触头间一系列电弧的熄燃过程，并在母线上引起各种高额的电流和电压脉冲．此时，母线上的干扰信号在通过电流互感器、电压互感器等设备直接耦合到二次设备的同时还向空间辐射电磁波，以电磁耦合的方式干扰处于该暂态电磁场中的二次二、电力系统中常见的干扰源2．雷电电力系统遭受到雷击通常有两种情况：一种是变电站的防雷系统受到雷击。另一种是雷电直落到或感应到输电线路上。对于前一种情况，雷电从避雷针等防雷系统进入变电站接地网并流入大地，一方面将在接地网中产生冲击，导致接地网电位瞬时升高。另一方面将在周围空间中产生强大的暂态电磁场，从而在二次设备中产生暂态过电压，影响二次设备正常运行，甚至导致二次设备损坏。对于后一种情况，雷电波通过输电线路传到变电站内，在经过一次设备、变电站接地网以及电流互感器、电压互感器等耦合到控制室中的二次设备中，对二次设备造成影响。二、电力系统中常见的干扰源3．运行中的供电设备和用电设备

运行中的电力设备周围存在着干扰微机系统运行的工频电磁场，特别是在系统发生故障时，故障电流产生的工频干扰更为强烈。另外，输电线上的电晕放电、脏污外绝缘表面的局部放电、电力负荷的变比引起电压波动，补偿电容器投切引起的瞬变干扰等等都是电力系统中常见的干扰源。二、电力系统中常见的干扰源4．无线电波

随着现代无线通信产品的广泛应用，在空间电磁场中充斥着各种电磁辐射干扰。尤其是大量用于电力部门的检修现场和其他场所的对讲机，由于其发射功率较大(1～10W)、发射频串较高(100～500MHz)，使与之相距较近的弱电设备的电路中产生高频感应电压，这种感应电压可能干扰设备的正常运行甚至导致保护装置误动作。

二、电力系统中常见的干扰源5．静电

静电的起因是由于两种不同物质的物体相互摩擦时，正负极性的电荷分别积蓄在两种物体上形成高压。静电放电属于脉冲式干扰，干扰程度取决于脉冲能量和脉冲宽度。虽然静电放电的能量较小，但由于作用时间极短，其瞬时能量密度可能大到干扰装置运行甚至导致设备损坏的程度。另外，保护装置所使用的直流电源的噪声、继电器开断时的瞬变电压、设计不完善的印制线路板所发出的辐射噪声等等，也是保护装置设计和运行所不能忽视的干扰源。三、电磁干扰的传播途径和耦合方式1．电磁干扰传播途径有路传播和场传播两种（1）路传播。通过金属导体以及电感、电容、变压器或电抗器等传播，其特点是这些载体在传导电磁干扰信号同时也消耗了干扰源的能量；（2）场传播。通过以电磁波形式在空间中的辐射干扰，其特点是干扰源对外辐射能量，具有一定的方向性，并且辐射的能量随距离增加而逐渐减弱。上述两种传播方式可以互相转换。2.干扰耦合方式（1）公共阻抗性耦合在两个设备之间存在诸如电源线、数字量I/O以及公共地线等连线情况下，它们各自的电流均流经一个公共阻抗，并在此公共阻抗上分别产生电压降，从而相互引起电压波动，干扰各自的工作。（2）互感耦合两电路之间存在互感，任一电路中电流变化通过空间交变电磁场影响到另一电路。这种互感耦合产生的干扰随干扰源频率增加而增加。2.干扰耦合方式（3）电容性耦合两根导线之间电位差使其中一根导线电荷通过它们之间耦合电容耦合到另一根导线上，形成静电耦合产生干扰电压，这种干扰随对地电阻R和干扰源的频率增加而增加。（4）电磁耦合除无线电通讯电磁波外，高频电流和电晕放电等均会向空间辐射电磁波，空间电磁波作用于其它导体，感应出电动势形成电磁波耦合干扰，而装置的输入信号线、外部电源线、装置的机壳等都相当于接收电磁波的天线。微机保护装置本身就是一个接收电路。图为电磁干扰的耦合方式(a)共阻抗性耦合(b)电感性耦合(c)电容性耦合四、干扰形式

干扰形式有横模干扰和共模干扰（1）横模干扰横模干扰是串联于信号源之中的干扰，即串联干扰，其产生的原因可归结为长线传输的互感、分布电容的相互干扰及工频干扰等。横模干扰对微机保护的威胁一般不大，因为微机保护各模拟量输入回路都首先要经过一个防止频率混叠的模拟低通滤波器，它能很好地吸收横模浪涌。四、干扰形式

干扰形式有横模干扰和共模干扰（2）共模干扰共模干扰就是引起回路对地电位发生变化的干扰，即对地干扰。共模干扰可以是直流，也可以是交流，它是造成微机保护装置故障的重要因素。消除共模干扰的方法主要有：1浮空隔离技术；2三线采样，即双层屏蔽技术；3系统一点接地；4低阻抗匹配传输（以电流传输代替电压传输）；5采用光电耦合器件。图为产生横模干扰示意图图为产生共模干扰示意图

图为干扰对有效信号的影响示意图(a)横模干扰叠加在直流信号上的波形(b)共模干扰改变地电位后的波形(c)横模干扰和共模干扰的叠加波形五、干扰对微机保护装置的影响

微机保护装置由核心部分的数字部件和外围部分的模拟部件（如出口继电器、驱动电路等）组成。模拟电路在干扰作用下往往使开关电路误翻转，在没有完善闭锁措施时将会导致误操作，数字电路在干扰作用下往往造成数据或地址传递错误，导致微机运行故障或功能故障。干扰对微机保护装置的影响主要是：1、计算或逻辑错误；2、程序运行出轨；3、元件损坏。六、微机保护装置抑制干扰的基本措施

通常抑制电磁干扰的措施包括三方面内容：一方面是积极防电磁干扰的措施，即抑制干扰源；另一方面是消极防电磁干扰措施，即阻断干扰通道；再一方面是预防性抑制电磁干扰的措施，即降低受干扰保护装置的噪声敏感度。常见应用于微机保护装置中的抗干扰措施，从硬件措施和软件措施两个角度分别加以论述：1．硬件措施

在设计继电保护装置的过程中，若在硬件上采用一些抗干扰措施，可以有效地抑制干扰信号的侵入，提高装置的抗干扰能力。基本防止电磁干扰的硬件措施主要包括以下几方面：（1）隔离。隔离是一种切断电磁干扰传播途径的抗干扰措施。为了有效抑制共模干扰，通常将保护装置中与外界相连的信号线、电源线等经过隔离后再连入装置内部。常见的隔离措施包括光电隔离和隔离变压器隔离。其中光电隔离主要通过光电耦合器将外部开关量信号和内部电气回路进行电气隔离。而隔离变压器隔离则主要通过专用变压器将一、二次侧的交流回路隔离，以抑制共模电压的干扰。（2）屏蔽。屏蔽主要是用来阻隔来自空间电磁场的辐射干扰。屏蔽措施的实质是通过由具有良好导电性的金属材料所构成的全封闭的壳体来隔离和衰减电磁干扰。常见的屏蔽方式有抑制寄生电容的耦合干扰的电场屏蔽(包括电压变换器、电流变换器的一、二次侧绕组之间的隔离)、防止辐射电磁场产生电磁耦合的电磁屏蔽以及限制低频磁场产生感性耦合的磁场屏蔽等等。（3）接地。良好的接地系统是微机系统可靠工作的基础和保证。常见有以下几种情况：1.一种称为信号接地。通过把装置中的两点或多点接地点用低阻抗的导体连在一起，为内部微机电路提供一个电位基准。为了尽量减少共模干扰，同一电路中的地电位应尽量保待一致。同时，避免不必要的地线环路，也可以减少外磁场的空间干扰的耦合。2.另一种称为功率接地。为了将沿微机保护电源回路串入的以及从低通模拟滤波回路耦合进的各种干扰信号滤除，往往要加装滤波器。通常将滤波器接地，以使干扰信号有泄放的回路。3.还有一种接地方式称为屏蔽接地，即将保护装置外壳以及电流、电压变换器的屏蔽层接地，以防止外部电磁场干扰以及从输入回路窜入的干扰。另外，为保证人身安全和静电放电，通常将微机保护的外壳接地，称为安全接地。2．软、硬件结合抗干扰措施采用硬件抗干扰措施可以大大提高微机保护装置的可靠性。但采用硬件抗干扰措施一方面增加了整个装置的复杂程度，也增加了成本。另外，不是所有干扰都可通过硬件措施完全解决。实际上，采用一些软硬件结合的措施不但可以弥补硬件抗干扰措施的不足，而且可使装置结构简化，降低成本。常用的软硬件结合的抗干扰措施有：（1）软、硬件结合的程序异常复位措施。也就是通常所说的“Watchdog(看门狗)”技术。使用独立于CPU的定时中断来监视程序的运行情况，具体方法是设置定时器的定时时间略大于保护程序周期运行时间，并在保护程序周期性执行中对定时器时间进行刷新操作。保护程序正常运行时，以基本恒定的时间刷新定时器，故定时器不会出现中断。而保护程序因干扰失控时，由于不能按时刷新定时器时间导致定时器产生定时中断，在定时中断服务程序中对失控的程序做出处理，如保存现场或复位CPU等等。2．软、硬件结合抗干扰措施

（2）关键输出口编码校核。为防止失控程序对重要的输出口进行非正常操作，导致如保护跳闸等误动作，必须对输出口的操作进行校核。解决的办法是使用软件编码后，经硬件解码才能启动出口驱动电路。（3）软、硬件冗余技术。由于微机保护是极其重要的安全设备，所以其可靠性要求很高。为保证在可靠性要求较高时保护的动作正确性不受外部干扰及其他因素的影响，需要采用软、硬件上的冗余措施。在硬件上可以采用如静态冗余法、动态冗余法以及混合冗余法等方法构成多机的冗余系统。而在冗余的保护之间又可采用不同保护算法构成原理上的冗余。七、抗干扰措施具体实施方法1．抗干扰的硬件措施（1）采用不扩展的单片机，总线不出芯片，实现电路简化，大大消除了横模干扰；（2）工艺上采用多层印制电路板和表面安装技术；（3）交流输入组件上电流变换器、电压变换器选用“R”型铁心，使数据采集系统的精度、线性范围、功耗等指标显著改善。（4）采用带双重屏幕的变换器，要正确地接地和接零；七、抗干扰措施具体实施方法1．抗干扰的硬件措施（5）在数据采集系统中，采用前置模拟低通滤波器来抑制横模干扰和其他干扰，同时，应考虑数字电路以外的外围电路，诸如采样保持器、A/D转换器、出口驱动电路、逆变电源等元件的可靠性。（6）装置的零电位线与大地（机壳）严格隔离，并加以良好的屏蔽，应考虑数字电路电源的纹波接地地线浮动及分布退耦器。（7）在输入和输出端接入对地电容，以减低现场高频干扰及“浪涌”。同时应消除因密集装置造成的杂散耦合，特别是消除工频串扰。（8）采用逆变后的开关电源供电，由蓄电池电压110V或220V逆变成高频（20kHz）电压后经高频变压器隔离。（9）利用光电耦合隔离技术，隔离叠加在CPU系统输入、输出信号上的各种干扰，在输入和输出通道上采用光电耦合隔离。在硬件设计中，模拟量输入、开关量输入/输出，例如装置与前置机的通信接口，出口继电器与锁存器的连接，以及出口继电器的状态均应采用光电耦合隔离。使微机工作在浮地状态。（10）采用CPU控制出口冗余设计；采用系统硬件故障自诊断；控制出口插件的设计采用互补性原理；继电器状态采用信号返回和“WATCH-DOG”技术。2．防止系统“死机”的软件设计（1）watchingdog的正确使用。（2）软件的容错设计。加入软件陷阱的方法；设立标志判断；增加数据安全备份；软件复位。（3）采样数据的干扰对策。利用模拟输入量间的规律去除虚假点；数值平滑滤波法。20.4微机保护的特点（l）维护调试方便

目前国内仍在使用的整流型或集成电路型继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂的保护，例如超高压线路的保护设备，调试时间常常需要一周甚至更长。微机保护则不同，它的硬件是由单片机（单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU，随机存取存储器RAM，只读存储器ROM，I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机）和相关的外围设备构成，各种复杂的保护功能是由相应的软件来实现的。保护装置对硬件和软件都具有自诊断功能，一旦发现异常会发出警告。通常只要给上电源后没有警报，就可确认装置是完好的。所以对微机保护装置而言除了输入和修改定值外几乎不用调试，从而大大减轻了运行维护的工作量。（2）可靠性高

计算机在程序引导下，有极强的综合分析和判断能力，因而它可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。另外它有自诊断能力，能够自动检测出本身硬件的异常部分，因此可靠性很高。（3）易于获得附加功能

应用微型计算机后，如果配置一台打印