继电保护1微机保护基本硬件构成

继电保护1微机保护基本硬件构成第一页，共54页。参考书目:《微型机继电保护基础》杨奇逊黄少峰《电力系统微机继电保护》高亮《微型机继电保护原理》张举《微机继电保护原理》陈德树《RCS900系列超高压线路成套保护装置》第二页，共54页。

概述一、微机保护的发展微机保护的发展经历三个阶段：硬件设计重点使总线系统更隐蔽，提高抗干扰水平。软件、算法也取得很多理论成果。第一阶段：单CPU结构，几块印刷电路板由总线相连组成一个完整的计算机系统，总线暴露在印刷电路板之外。WXB-01第三页，共54页。一、微机保护的发展第二阶段：多CPU结构，每块印刷电路版以CPU为中心组成一个计算机系统，实现“总线不出插件”。WXB-11第三阶段：一种特殊单片机DSP(数字信号处理器），将总线系统与CPU一起封装在一个集成电路块中，具有极强的抗干扰能力，实现“总线不出芯片”。RCS，LFP，CSL系列。第四页，共54页。我国微机保护市场我国自主研制较为有实力的四大集团公司为南瑞、许继、南自、四方，南自在主变保护等保护领域实力较强。许继在线路保护实力很强，南瑞在主站及自动化监控方面实力很强。四方也主要是在保护方面实力较强。国外的企业如西门子、施耐德、ABB等第五页，共54页。二、微机保护的构成与特点1.微机保护的构成

微机保护主要由两部分构成：

硬件系统：数据采集系统、数据处理系统、开关量输入输出、人机接口、通信及电源等软件算法及原理：数字滤波器、算法、保护原理、逻辑判断等。第六页，共54页。二、微机保护的构成与特点2.微机保护的特点（1）维护调试方便（2）可靠性高（3）易于获得附加功能（4）灵活性大（5）保护性能得到很好改善（6）经济性好第七页，共54页。2.微机保护的特点（１）维护调试方便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，调试时间常常需要一周甚至更长。微机保护硬件是由单片机和相关外设构成，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。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。第八页，共54页。（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，它可实现自动识别和排除干扰，能够自动检测出本身硬件的异常部分，因此可靠性很高。第九页，共54页。（3）易于获得附加功能 给微机保护配置一台打印机等其它显示设备或提供通信接口，可以在系统发生故障后提供多种信息：保护各部分的动作顺序、动作时间、故障类型、相别及故障前后电压和电流的波形记录等。第十页，共54页。（4）灵活性大 微机保护的功能由软件决定（不同原理的保护可以采用通用的硬件），因此，只要改变软件就可以改变保护的特性和功能，从而灵活地适应电力系统运行方式的变化。第十一页，共54页。（5）保护性能得到很好改善 微机的应用使传统的继电保护中存在的很多技术问题得到新的解决方法。如接地距离保护承受过渡电阻能力的改善，距离保护如何区分振荡和短路，变压器差动保护如何识别励磁涌流等。

第十二页，共54页。（6）经济性好计算机硬件的性能不断提高而价格一直在下降。而且，微机保护是一个可编程序的装置，它能实现多种功能，使硬件种类大大减少。这样，在经济性方面显然优于传统保护。第十三页，共54页。1.1概述一般微机保护装置采用插件式结构（分为前插式和后插式），各插件之间通过底板走线实现电气联系。这样设计即考虑了现场使用的便利性又提高了装置的可靠性。第一章硬件系统第十四页，共54页。第十五页，共54页。南瑞继保RCS-900系列线路成套快速保护装置第十六页，共54页。国电南自WBZ-500H数字式变压器保护装置第十七页，共54页。1-1概述一．微机保护装置硬件系统构成数据采集系统(信息预处理)数字处理系统（CPU主系统）开关量输入、输出人机接口通信接口电源将模拟量转换成数字量

由微处理器执行存放在EPROM中的程序，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。

完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部开关量的输入有人机对话等功能。包括显示器、键盘、各种面板开关、实时时针等。用于人机对话,如调试、定值调整等。包括维护口、监控系统接口、录波系统接口等，满足各种通信规约。可以采用开关稳压电源或DC/DC电源模块，提供+5V，+24V，±15V电源。第十八页，共54页。微机保护硬件整体结构插件式结构：各插件之间通过底板走线实现电气联系。电源模块及开入量插件开关量输入提供+5V和+24V电源CPU插件开关量输出操作回路插件外部回路交流量输入与滤波插件电压电流数字量电压电流模拟量显示板提供人机接口第十九页，共54页。1.1、硬件系统概述1.数据采集单元:将模拟量转换为数字量。电压形成模拟滤波采样保持多路转换模数转换第二十页，共54页。1.1、硬件系统概述2.数据处理单元:

微处理器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的功能。第二十一页，共54页。1.1、硬件系统概述2.数据处理单元:微处理器（CPU）数字信号处理器（DSP）只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）闪存单元（FLASH）定时器、模数转换器（AD）并行接口（PIO）通信接口等多种功能。第二十二页，共54页。1.1、硬件系统概述3.数字量输入输出接口:并行接口光电隔离器中间继电器等

完成保护的出口跳闸、警报、外部接点输入及人机对话等功能。第二十三页，共54页。4、人机接口：5.通信接口:

包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网。6.电源:

供给微处理器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的电源。包括维护口、监控系统接口、录波系统接口等，满足各种通信规约。第二十四页，共54页。第二节数据采集系统模数转换的前期准备、转换模拟量为数字量。完成输入信号的预处理。即对取自被保护元件的连续模拟信号进行必要的处理并将其变成离散信号，最后转换成数字信号，输入给微处理机。作用：第二十五页，共54页。第二节数据采集系统适应继电保护原理要求模拟量设置应满足保护功能要求。典型的高压线路保护需要：三相电压、电流；零序电压、电流；线路侧电压。典型的差动保护需要：每一侧的三相电流。要求：微机保护是一个多模拟量输入系统。第二十六页，共54页。数据采集系统(模拟量输入系统)的两种方式电压形成ALFS/H多路转换开关S/HALF电压形成A/DCPU总线………来自TVTA二次（a）电压形成VFC计数器计数器VFC电压形成………来自TVTA二次CPU总线（b）（a）逐次逼近A/D转换方式（b）VFC原理的A/D转换方式第二十七页，共54页。一、逐次逼近原理的数据采集系统数据采集系统包括电压形成回路低通滤波回路（ALF）采样保持回路（S/H）多路转换器（MPX）模数转换（A/D）回路第二十八页，共54页。1、电压形成

微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器上取得信息，其额定参数一般为：交流电压：相电压——100/sqrt(3)V;

线路抽取电压——100V或100/sqrt(3)V;交流电流：5A或1A（电流范围最大一般可按20In或40In考虑）第二十九页，共54页。1、电压形成

互感器二次数值的输入范围对微机保护硬件电路不适用，故需降低和变换。一般采用中间变换器来实现以上的变换。电压变换：100V±5V(2.5V、10V)电流变换：20In±5V(2.5V、10V)第三十页，共54页。1、电压形成回路－隔离变换

(a)电压变换器；(b)电流变换器(c)电抗变换器··

TV二次回路····

TA二次回路

TA二次回路R第三十一页，共54页。1、电压形成回路－典型接线

第三十二页，共54页。2、模拟低通滤波器前置低通滤波器又称为抗混叠滤波器。可将该滤波器的截止频率设置为1/2fs，这样在给定采样频率下所不能反映的高频信号分量被滤除。UiC1C2UoR1R2（a）fs（b）f0第三十三页，共54页。有源滤波器特点：通带较平坦，结构简单，所用元件少，运算放大器频率特性偏离滤波器频率特性不易引起振荡，但元件参数变化时对滤波器影响较大，适用于Q值要求较低的场合。+-AR1R2C2R3R4=R3(K-1)C1UiUo第三十四页，共54页。2、模拟低通滤波器由此，根据采样频率的选择以及低通滤波器截止频率的设置，可限制输入信号的最高频率，将CPU的采样频率降低，即降低了对CPU运算速度的苛刻要求，对整个硬件电路的设计有利。第三十五页，共54页。3、采样保持采样：将一个连续的时间信号（正弦波信号）变成离散的时间信号（采样信号）采样间隔Ts称为采样周期fs=1/Ts为采样频率第三十六页，共54页。tti(t)i"(t)i(t)ti"(t)采样过程描述第三十七页，共54页。3、采样保持采样保持电路（S/H:SamplingandHolding）的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模拟/数字转换器进行转换期内保持其输出不变。即把随时间连续变化的电气量离散化。第三十八页，共54页。3.采样保持开关K受逻辑输入端电平控制。在高电平时K闭合，此时，电路处于采样状态，C迅速充电或放电到电容上电压等于该采样时刻的电压值(Ui)。K的闭合时间应满足采样时间。一个电子模拟开关K保持电容器C两个阻抗变换器阻抗变换器2阻抗变换器1CUiUoK逻辑输入第三十九页，共54页。3.采样保持阻抗变换器I：输入端呈现高阻抗（使得输入电压全部降落在电容C上），输出端呈现低阻抗（电容C上能迅速完成充电）；阻抗变换器II：输入端呈现高阻抗（使电容C上电压具有保持能力），输出端呈现低阻抗（提高带负载能力）。阻抗变换器2阻抗变换器1CUoK逻辑输入Ui第四十页，共54页。3.采样保持Tc为采样脉冲宽度，Ts为采样周期（或采样间隔）。采样后信号在下次采样脉冲到来之前保持不变，形成稳定的阶梯状采样保持信号，再经A/D转换后就成为离散化数字量。第四十一页，共54页。4、模拟量多路转换开关(MPX)

由于模数变换器复杂及价格昂贵，通常不宜对各路电压、电流模拟量采用同时A/D转换，而是采用多路S/H共用一个A/D变换器，中间经多路转换开关切换，轮流由公用的A/D变换器将模拟量转换成数字量。第四十二页，共54页。4、模拟量多路转换开关（MPX)保护需要多个模拟量输入数模转换器是贵重的元器件电路板设计希望采用尽量少的芯片多路转换是一个简单、常采用的芯片MPX是一个开关电路，接入很多的模拟量，仅把其中的一路送给数模转换器去转换。不同的模拟量通过“分时”的方式完成模数转换过程。（实际上由于前置的S/H环节，各模拟量是同步的）第四十三页，共54页。4模拟量多路转换开关（MPX)A0~A3是路数选择线接CPU，控制哪一路选通；1＃～N＃是电子开关；u1~ui16是模拟量输入；En是始能端。译码/驱动UoUi1Uin输入1#N#……EnA0A1A2A3输出Upp（+15V）Uss（-15V）第四十四页，共54页。5、A/D（模数）转换器采样后所得的是离散的模拟量，要为计算机采用还需要转换成数字量，A/D转换的过程实际上就是对模拟信号进行量化和编码的过程。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转换为时间上和数字上都离散化的等效数值。编码：把已经量化的模拟数值用二进制数、BCD码或其他码来表示。第四十五页，共54页。

逐次逼近式A/D转换原理框图

-+D/A转换器输入电压UR比较器控制器数码设定器数码输出Uo第四十六页，共54页。

逐次逼近式A/D(比较式）

将一待转换的模拟输入量UR相对于参考电压UO经过一个编码电路转换成数字量D。参考电压由D／A转换器的输出获得。其参考电压值的取值采用二分法，一直比较到最末位为止。此时，D／A转换器的数字输入即为对应模拟输入信号的数字量。第四十七页，共54页。4位A/D转换的逼近过程示意图

1000UR>UOUR<UO第一次设定数码：11000100第二次设定数码：UR>UOUR<UOUR<UOUR>UO1110101001100010第三次设定数码：11111101101110010111010100110001第四次设定数码：>>>><<