1、第九章 微机保护概述,第一节 微机保护系统简介一、微机保护的应用和发展概况,英国剑桥大学的P.G.Mclaran及其同事就提出用计算机构成电力系统继电保护的设想，并发表了Sampling Techniques applied to derivation Letter 的文章。,澳大利亚新南威尔士大学的I.F.Morrison预测了输电线路计算机控制的前景。,美国西屋公司的G.D.Rockefeller发表年了利用数字计算机实现的故障保护的文章。,1965年：,1967年：,1969年：,国际电子电气工程师学会教育委员会组织了一次世界性的计算机继电保护研究班，对70年代以来的计算机保护的研究成果
2、进行了总结和交流。到80年代中期计算机保护在电力系统中获得广泛应用。,美国西屋公司与GE公司合作研制成功一套输电线路的计算机保护装置。,日本投入了一套以微处理机为硬件的控制与继电保护装置，全部代替了原有保护，大大减少了控制室的占地面积，并于1980年发表了试运行的结果。,1977年：,1972年：,1979年：,1984年4月，华北电力大学研究的以MC6809CPU构成的MDP1型微机线路保护装置。,这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置。,并在河北某电厂投入试运行。,我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为三个阶段,以单CPU的8位微处理器构成的微机保护装置,其主要特点为：,1 采用8位微处
3、理器MC6909CPU构成硬件系统。2 数据、地址、控制总线须引出插件外部。3 数据采集系统采用逐次逼近式A/D芯片构成。4 存储器的容量较小。5 保护的程序和定值都存在EPROM中，定值的修改十分不便。6 仅有软件时钟，当直流电源消失后，时钟停止运行，直流电源恢复后须重新校时。无接受GPS的接口。7 不具备数据远传功能。8 所有保护功能均由一个CPU处理，可靠性低。9 代表产品为WXB01型微机保护装置。,第一阶段：,第二个阶段：,以多个8位单片机组成的多微机系统。,其主要特点为：,1 硬件为五个8位单片机组成的多微机系统。2 数据、地址、控制总线不引出插件。3 数据采集系统为VFC系统。4
4、 保护装置的定值存在EEPROM中，定值修改十分方便。5 设有硬件时钟电路，装置直流电源消失后，依靠备用电池可使时钟继续运行。6 设计了与上位机通信的串行接口电路。7 具有液晶显示电路。调试方便。8 保护功能分散在各CPU中，可靠性高。9 代表产品为WXB11微机保护装置。,其主要特点为：,1硬件是以16位单片机构成的多微机系统。（80C196KB、M77）。2以日本三菱公司的M77芯片构成的微机系统，可以做到总线不引出芯片。,3 保护装置的硬件设计除了有硬件时钟外，装置还具备接受GPS全球定位系统的秒脉冲的接口。,4 数据采集系统为VFC方式，最高转换频率为4MHZ。（VFC110）,5 时
5、钟芯片和EEPROM芯片均为串行方式。,6具备较完善的通信网络，可应用于变电站综合自动化系统中。,7 具有友好的人机接口界面。,第三阶段,以多个16位单片机组成的多微机系统。,8 采用多层印刷电路板和表贴技术，增强了抗干扰能力。,9 保护装置具备录波功能。,其代表产品为CSL系列微机保护装置和LFP-900系列微机保护装置。,二 微机保护的现状,硬件方面：,1采用32位DSP数字信号处理器或嵌入式系统构成的多微机系统。,2 大屏幕液晶彩色显示，可显示汉字和图形。,3 多层印刷电路板，表贴技术、后插拔方式。,软件方面：,1 支持高级语言编程。人机界面采用WINGDONS系统,2 自适应保护，智能
6、体应用于保护中。,3 人工神经网络在保护中的应用研究。,4 模糊识别在继电保护中的应用研究。,5 小波分析方法在继电保护中的应用研究。,二、微机保护的基本构成微机保护是将被保护设备输入的模拟量经模数转换器后变为数字量，再送入计算机进行分析和处理的保护装置。微机保护由硬件和软件两部分构成。其整套硬件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统、CPU主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。微机保护的软件由初始化模块、数据采集管理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。,三、微机保护的特点1. 易于获得附加功能2. 微机保护具有灵活性3. 微机保护具有高可靠性4. 维护调试方便5. 保
7、护性能得到很好改善6. 良好的经济性,第二节 微机保护的硬件框图简介,微机保护装置硬件系统按功能可分为：1) 数据采集单元。2) 数据处理单元。3) 开关量输入/输出接口。4) 通信接口。5) 电源。,一、数据采集系统1.电压形成回路在微机保护中通常要求输入信号为5V或10V的电压信号，取决于所用的模数转换器的型号。电压变换常采用小型中间变换器来实现。电流变换器、电压变换器和电抗变换器的原理图分别如图9-2（a）、9-2（b）和9-2（a）所示，9-2（d）是电抗变换器的原理结构图。,2.采样保持电路采样就是将连续变化的模拟量通过采样器加以离散化。其过程如图9-3(a)(b)(c)所示。模拟量
8、连续加于采样器的输入端，由采样控制脉冲控制采样器，使之周期性的短时开放输出离散脉冲。采样脉冲宽度为TC，采样脉冲周期为TS。采样器的输出是离散化了的模拟量。继电保护算法是多输入而且要求同时采样，再依次顺序送到公用的A/D转换器中去的，微机保护中通常需要采样保持电路。,图9-3 采样保持过程示意图,目前，采样保持电路大多集成在单一芯片中，但芯片内不设保持电容，需用户外设，常选0.01F左右。常用的采样保持芯片有LF198、LF298、LF398等。,3.模拟低通滤波器（ALF）滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的电路。对微机保护系统来说，在故障初瞬间，电压、电流中可能含有相当
9、高的频率分量（例如2kHz以上），为防止频率混叠，采样频率不得不取值很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上，在这种情况下可以在采样前用一个低通模拟滤波器(ALF)将高频分量滤掉，这样就可以降低采样频率，降低对硬件速度的要求。模拟低通滤波器通常分为两大类。一类是无源滤波器，由RLC元件构成；另一类是有源滤波器，主要有RC元件与运算放大器构成。目前，微机保护中，采样频率常采用600Hz（即每工频周波采样12个点）、800Hz等。,为了降低采样频率，满足采样定理，在采样之前先用一个模拟低,通滤波器将频率高于采样频率一半的信号滤掉。,4.模拟多路转换开关(MUX)在实际的数据采集系统中，被模数转
10、换的模拟量可能是几路或十几路，利用多路开关MUX 轮流切换各被测量与A/D转换电路的通路，达到分时转换的目的。在微机保护中，各个通道的模拟电压是在同一瞬间采样并保持记忆的，在保持期间各路被采样的模拟电压依次取出并进行模数转换，但微机所得到的仍可认为是同一时刻的信息（忽略保持期间的极小衰减），这样按保护算法由微机计算得出正确结果。,5.模数转换器(A/D) 模数转换器A/D是数据采集系统的核心，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机进行处理、存储、控制和显示。A/D转换器主要有以下各种类型。逐位比较（逐位逼近）型、积分型以及计数型、并行比较型、电压频率（即V/F）型等。,二、计
11、算机主系统微机保护的计算机主系统有中央处理器（CPU）、只读存储器EPROM电擦除可编程只读存储器EEPROM、随机存取存储器RAM、定时器等。CPU执行控制及运算功能。EPROM主要存储编写好的程序，包括监控、继电保护功能程序等。EEPROM可存放保护定值，可通过面板上的小键盘设定或修改保护定值。RAM作为采样数据及运算过程中数据的暂存器。定时器用以记数、产生采样脉冲和实时钟等。CPU主系统的常见外设，如小键盘、液晶显示器和打印机等用于实现人机对话。,三、开关量输入、输出系统微机保护所采集的信息通常可分为模拟量和开关量。无论何种类型的信息，在微机系统内部都是以二进制的形式存放在存储器中。断路
12、器和隔离开关、继电器的接点、按钮和普通的开关、刀闸等都具有分、合两种工作状态，可以用0、1表示，因此，对它们的工作状态的输入和控制命令的输出都可以表示为数字量的输入和输出。开关量输入有两类：1.可以与CPU主系统使用共同电源，无需电气隔离的开关量输入。2.与CPU主系统使用不同电源，需要电气隔离的开关量输入。如断路器、隔离开关的辅助触点，继电器触点等。,图9-5 开关量输入回路接线图,开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号输出等。,图9-6 开关量输出回路接线图,四、VFC型数据采集系统VFC-Voltage Frequency Converter.,电压、电流信号经电压形成回路后
13、，均变换成与输入信号成比例的电压量，经过VFC，将模拟电压量变换为脉冲信号，该脉冲信号的频率与输入电压成正比，经快速光电耦合器隔离后，由计数器对脉冲进行计数，随后，微型机在采样间隔Ts内读取的计数值就与输入模拟量在Ts内的积分成正比，达到了将模拟量转换为数字量的目的，实现了数据采集系统的功能。,VFC工作原理:典型的电荷平衡式V/F转换器的电路结构如图9-8所示。,VFC型数据采集系统优点：普通A/D转换器是对瞬时值进行转换，而VFC型数据采集系统是对输入信号的连续积分，具有低通滤波的效果，降低噪声。VFC型数据采集系统的工作根本不需要微型机控制，微型机只要定时去读取计数器的计数值即可，因此与
14、微型机的接口简单。VFC型数据采集系统目前广泛应用于微机保护装置。,第三节 微机保护的算法,一、数字滤波数字滤波器由软件编程去实现，改变算法或某些系数即可改变滤波性能，即滤波器的幅频特性和相频特性。 基本形式有差分滤波(减法滤波)、加法滤波、积分滤波等。,二、正弦函数模型算法下面几种算法都是假定被采样的电压、电流信号都是纯正弦函数，既不含非周期分量，又不含谐波分量。因而，可利用正弦函数的种种特性，从若干个离散化采样值中计算出电流、电压的幅值、相位角和测量阻抗等量值。1半周积分算法半周积分算法的依据是即正弦函数半周积分与其幅值成正比。,2导数算法导数算法是利用正弦函数的导数为余弦函数这一特点求出
15、采样值的幅值和相位的一种算法。导数算法最大的优点是它的“数据窗”即算法所需要的相邻采样数据是三个，即计算速度快。导数算法的缺点是当采样频率较低时，计算误差较大。,3两采样值积算法两采样值积算法是利用2个采样值以推算出正弦曲线波形，即用采样值的乘积来计算电流、电压、阻抗的幅值和相角等电气参数的方法，属于正弦曲线拟合法。这种算法的特点是计算的判定时间较短。,4、三采样值积算法三采样值积算法是利用三个连续的等时间间隔TS的采样值中两两相乘，通过适当的组合消去t项以求出u、i的幅值和其它电气参数。,三采样值积算法的数据窗是2Ts。从精确角度看，如果输入信号波形是纯正弦的，这种算法没有误差，因为算法的基
16、础是考虑了采样值在正弦信号中的实际值。,傅里叶算法（傅氏算法）前面所讲正弦函数模型算法只是对理想情况的电流、电压波形进行了粗略的计算。由于故障时的电流、电压波形畸变很大，此时不能再把它们假设为单一频率的正弦函数，而是假设它们是包含各种分量的周期函数。针对这种模型，最常用的是傅氏算法。傅氏算法本身具有滤波作用。1. 全周波傅里叶算法全周波傅里叶算法是采用正弦函数组作为样品函数，将这一正弦样品函数与待分析的时变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同的分量的实部和虚部的系数。进而可以求出待分析的时变函数中该频率的谐波分量的模值和相位。,2半周波傅里叶算法 为了缩全周波傅里叶算法的计算时间，
17、提高响应速度，可只取半个工频周期的采样值，采用半周波傅里叶算法，其原理和全周波傅里叶算法相同。 半周波傅里叶算法的数据窗为半个工频周期，响应时间较短，但该算法基频分量计算结果受衰减的直流分量和偶次谐波的影响较大，奇次谐波的滤波效果较好。为消除衰减的直流分量的影响，可采用各种补偿算法，如采用一阶差分法(即减法滤波器)，将滤波后的采样值再代入半周波傅里叶算法的计算公式，将取得一定的补偿效果.,3基于傅里叶算法的滤序算法 有些微机保护中，需要计算出负序或零序公量，比如负序电流和零序电流。我们可利用上面傅氏算法中计算出的三相电流基波分量的实、虚部、及来计算三相电流的负序和零序分量。,四、解微分方程算法
18、解微分方程算法仅能计算线路阻抗，用于距离保护。对于一般的输电线路，在短路情况下，线路分布电容产生的影响主要表现为高频分量，于是，如果采用低通滤波器将高频分量滤掉，就相当于可以忽略被保护输电线分布电容的影响，因而从故障点到保护安装处的线路段可用一电阻和电感串联电路来表示。,解微分方程算法所依据的微分方程式忽略了输电线分布电容，由此带来的误差只要用一个低通滤波器预先滤除电流和电压中的高频分量就可以基本消除。因为分布电容的容抗只有对高频分量才是不可忽略的。另外，电流中非周期分量是符合算法所依据的微分方程的，它不需要用滤波器滤除非周期分量。用微方程算法不受电网频率的影响，前面介绍过的几种其它算法都要受
19、电网频率变化的影响，需使采样频率自动跟踪电网频率的变化。解微分方程算法要求采样频率应远大于工频，否则将导致较大误差，这是因为积分和求导是用采样值来近似计算的。,第四节 微机变压器差动保护举例,一、概述通过介绍一个利用二次谐波电流鉴别励磁涌流，采用比率制动特性的微机变压器差动保护典型方案，使读者对如何使用软件实现继电保护的功能有一个较具体和完整的概念。选择变压差动保护为例，一方面是因为国内外以微机差动保护应用与研究较多，另一方面它比较复杂，是比较好的典型 。,对Y，d11变压器，为补偿变压器两侧电流的相位差，在微机保护的软件中采用的方法是，对变压器绕组为星形连接的一侧按下式处理：,、 、 补偿后
20、的A、B、C三相电流的采样值； 、 、 A、B、C三相电流的采样值。,二、微机差动保护的动作判据和算法 1比率制动特性元件变压器三折线比率制动特性曲线：,2二次谐波制动元件变压器空载合闸或外部短路被切除变压器端电压突然恢复时，励磁涌流的大小可与短路电流相比拟，且含较大的二次谐波成分，采用二次谐波制动判据能可靠避免此时差动保护误动。二次谐波制动判据为 (9-87) 3差动速断元件 变压器内部严重故障时，差动保护动作电流 大于最大可能的励磁涌流，差动保护无须进行二次谐波闭锁判别，故设有差动速断保护，以提高变压器内部严重故障时保护动作速度。动作判据为： (9-88),4算法对于变压器差动保护，各侧电
21、流的正方向均以指向变压器为正。在这一规定下，对于双绕组变压器，差动电流和制动电流非别为 （9-89） 对于三绕组变压器 （9-90）,5起动元件及其算法微机保护为了加强对软、硬件的自检工作，提高保护动作可靠性及快速性，往往采用检测扰动的方式决定程序进行故障判别计算，还是进行自检。在本差动保护方案中，采用差动电流的突变量，且分相检测的方式构成起动元件，其公式为： （9-91）,6、电流互感器TA的断线判别对于中低压变电所变压器保护中TA断线判别采用以下两个判据：（1）电流互感器TA断线时产生的负序电流仅在断线侧出现，而在故障时至少有两侧会出现负序电流。（2）以上判据在变压器空载时发生故障的情况下
22、，因仅电源侧出现负序电流，将误判TA断线。因此要求另外附加条件：降压变压器低压侧三相都有一定的负荷电流。,三、微机变压器差动保护的软件流程微机变压器差动保护方案的全部软件可分为主程序、故障处理程序和中断服务程序。 1主程序 2定时器中断服务程序 3故障处理程序,.,.,.,第五节 提高微机保护可靠性的措施,一、抗电磁干扰的措施1接地的处理2. 屏蔽与隔离二、模拟量的自纠错1利用采样数据的相关性互相校核2运算过程的校核纠错三、故障自诊断1RAM的自检2EPROM的自检3模拟量输入通道的自检4开关量输出通道的自检,第六节 变电站微机综合自动化系统简介,一、变电站微机综合自动化的基本概念常规变电站的
23、二次部分主要由四大部分组成：继电保护、故障录波、就地监控和远动。变电站综合自动化系统的基本功能体现在5个子系统：监控子系统。微机保护子系统。电压、无功综合控制子系统。 电力系统的低频减负荷控制。 备用电源自投控制 变电站综合自动化系统的通信。,微机保护是综合自动化系统的关键环节，附加功能：满足保护装置速动性、选择性、灵敏性和可靠性的要求，要求保护子系统的软硬件结构要相对独立，各保护单元由各自独立的CPU组成模块化结构；主保护和后备保护由不同CPU实现。具有故障记录功能。具有与统一时钟对时功能，以便准确记录发生故障和保护动作的时间。存储多种保护整定值。对保护整定值的检查和修改要直观、方便、可靠。
24、设置保护管理机或通信控制机，负责对各保护单元的管理。通信功能。故障自诊断、自闭锁和自恢复功能。,二、变电站综合自动化系统的结构形式,1变电站设备的分层结构,2分层分布式变电站综合自动化系统的结构形式,三、保护和控制集成系统将保护和控制功能集成到同一装置中，实现数据的完全共享是一个发展的趋势。与传统的独立部件的结构相比，这种保护和控制集成的结构，可提供大量的保护功能和更多的监控及数据采集（Scada）功能，而使性价比更优。Scada所需要的许多初始数据与继电保护所处理的数据是相同的。将分布式的变电站Scada功能集成到微机保护继电器中，使保护和Scada公用一个硬件平台，可以明显提高经济性。这种保护和Scada的集成，称为PRO Scada策略。,为了寻求更理想的对电压和电流的测量方法，已开始研究采用光电传感器。光电传感器的优越性： 良好的绝缘性，造价低，体积小； 不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题； 测量精度高；频率范围宽； 抗干扰能力强等。,
