微机继电保护培训课件

微机继电保护培训课件第1页，共60页，2023年，2月20日，星期四1．概述1.1微机保护的发展1.2我国微机保护的发展概况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

第2页，共60页，2023年，2月20日，星期四1、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微机保护的发展

第3页，共60页，2023年，2月20日，星期四3、80年代后期至90年代 多CPU结构保护方案 可靠性高，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

网络通讯技术应用 新的保护原理研究第4页，共60页，2023年，2月20日，星期四1.2我国微机保护的发展概况

１、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MDP—1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：采用单CPU结构及多路转换的ADC模数变换模式。第5页，共60页，2023年，2月20日，星期四２、第二代微机保护装置

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WXH—11和WXB—11。特点：结构与第一代“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。第6页，共60页，2023年，2月20日，星期四３、第三代微机保护装置

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CSL—101系列、变压器保护CST—200系列。

特点：采用不扩展的单片机，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。第7页，共60页，2023年，2月20日，星期四4、第四代微机保护装置

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、开发手段先进、精度高、性能稳定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。第8页，共60页，2023年，2月20日，星期四1.3我国微机继电保护存在的问题

微机保护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、经济性问题第9页，共60页，2023年，2月20日，星期四1.4微机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优劣、正确或错误。第10页，共60页，2023年，2月20日，星期四逆变电源打印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

＋５V±15V

图1-1典型的微机保护系统框图

第11页，共60页，2023年，2月20日，星期四1.5微机继电保护装置的特点及其优点

特点:保护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第12页，共60页，2023年，2月20日，星期四1.6微机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的新技术和趋势。

第13页，共60页，2023年，2月20日，星期四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发展方向第14页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.1传统保护装置硬件系统构成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．微机继电保护装置的硬件系统

第15页，共60页，2023年，2月20日，星期四

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第16页，共60页，2023年，2月20日，星期四图2.1：传统继电保护装置的原理结构图

各基本部分的作用是：(1)测量部分是测量与被保护设备工作状态(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第17页，共60页，2023年，2月20日，星期四微机保护装置的典型结构１、信号输入电路２、单片微机系统３、人机接口部分４、输出通道回路５、电源部分

2.2微机保护装置的硬件结构第18页，共60页，2023年，2月20日，星期四(一)信号输入电路

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。第19页，共60页，2023年，2月20日，星期四(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。

第20页，共60页，2023年，2月20日，星期四(三)人机接口部分

在许多情况下，单片微机系统必须接受操作人员的干预，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。第21页，共60页，2023年，2月20日，星期四(四)输出通道部分

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。第22页，共60页，2023年，2月20日，星期四(五)电源部分

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。它把变电所强电系统的直流电源与微机的弱电系统电源完全隔离开。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消除掉。第23页，共60页，2023年，2月20日，星期四其他电路

其他电路包括复位电路、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。

第24页，共60页，2023年，2月20日，星期四

图2.2典型的保护装置的硬件结构示意图

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第25页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.3微机保护的数据采集系统

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开关量输入输出回路原理

第26页，共60页，2023年，2月20日，星期四

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式

2.3.1模拟量输入电路概述第27页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.3.2ADC变换模式的构成部分（1）电压形成回路（2）采样保持电路(S／H)模拟低通滤波器(ALF)（3）模拟量多路转换开关(MPX)（4）模数变换器第28页，共60页，2023年，2月20日，星期四(一)电压形成回路

1、作用（1）变换作用：将交流强电系统转变为弱电系统（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)第29页，共60页，2023年，2月20日，星期四电流变换器(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。第30页，共60页，2023年，2月20日，星期四光电互感器

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。第31页，共60页，2023年，2月20日，星期四

(二)采样保持电路(S／H)和模拟低通滤波(ALF)

1．采样保持电路(S／H)

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第32页，共60页，2023年，2月20日，星期四2、采样频率与采样定理

设被采样信号x(t)的频率为f0

，采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs，若fs>2f0，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).第33页，共60页，2023年，2月20日，星期四3．低通滤波器(ALF)

1、作用

（1）将fs／2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，对快速保护不利，仅适用于要求不高的微机保护。

无源低通滤波

第34页，共60页，2023年，2月20日，星期四3．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，从而加快了保护动作速度（T在0．8～1．8ms之间）有源低通滤波第35页，共60页，2023年，2月20日，星期四

(三)模拟量多路转换开关(MPX)

由于数模变换器接口复杂及价格昂贵，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S／H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。第36页，共60页，2023年，2月20日，星期四

(四)模数变换(A／D)

1．模数变换器(ADC)原理（１）逐次逼近法的原理（２）重要指标a转换精度

即A／D转换分辨率，它主要取决于设定数码的最小量化单位，A／D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，A／D转换的精度就越高。

b转换速度

它与A／D转换分辨率是有关的，通常分辨率越高，其转换速度就相对降低。第37页，共60页，2023年，2月20日，星期四

2.3.3开关量输入输出回路原理

一、开关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。第38页，共60页，2023年，2月20日，星期四

二、开关量输出回路开关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接正电源，形成保护出口的闭锁回路。第39页，共60页，2023年，2月20日，星期四3．微机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，以决定是否发出跳闸命令。第40页，共60页，2023年，2月20日，星期四

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、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

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傅氏算法的基本思想源于傅立叶级数。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全周波傅氏算法第42页，共60页，2023年，2月20日，星期四

这种算法在计算机上实现时，也就是对离散的采样值进行运算，其实部和虚部如下：3.1.1全周波傅氏算法第43页，共60页，2023年，2月20日，星期四3.1.2时差移相算法

当输入信号为，而保护原理需要应用延后一个α角的时，在计算机保护中可以用时差移相方法实现。假如在时刻k要得到一个滞后α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α角的值，可取时刻时的瞬时值。第44页，共60页，2023年，2月20日，星期四

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，可用线性方程逼近。这里举出两种常用逼近方法：（4）（5）3.1.3复数求模的近似算法第45页，共60页，2023年，2月20日，星期四

第一种:(6)

第二种:(7)

由负序分量的基本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负序分量计算方法第46页，共60页，2023年，2月20日，星期四3.2软件设计基本步骤

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）循环自检及打印报告程序；（2）采样中断服务程序，（3）故障处理程序等。第47页，共60页，2023年，2月20日，星期四（图1）微机保护装置软件基本结构图第48页，共60页，2023年，2月20日，星期四3.2.1初始化及自检循环

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)第49页，共60页，2023年，2月20日，星期四

然后开放中断，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初始化及自检循环第50页，共60页，2023年，2月20日，星期四3.2.2采样中断服务程序

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。如果发生，起动标志增加一次，否则起动标志清零。(图3)第51页，共60页，2023年，2月20日，星期四3.2.2采样中断服务程序

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。第52页，共60页，2023年，2月20日，星期四3.2.3故障处理程序

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，清零各种标志并恢复起动元件，准备好下次再动作。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。第53页，共60页，2023年，2月20日，星期四（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故障处理程序第54页，共60页，2023年，2月20日，星期四3.2.3故障处理程序

（3）跳闸后程序。判为区内故障时，110kV以上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。第55页，共60页，2023年，2月20日，星期四4．微机继电保护在煤矿上的实际应用

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，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。

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