第二十二讲微机保护概要

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1、 第二十二讲第二十二讲 微机保护简介微机保护简介主要内容主要内容1 1、了解微机保护的硬件构成及各元件的、了解微机保护的硬件构成及各元件的作用作用2 2、了解微机保护的特点、了解微机保护的特点3 3、了解微机保护的算法、了解微机保护的算法4 4、了解微机保护的抗干扰措施、了解微机保护的抗干扰措施一、微机保护的应用和发展概况一、微机保护的应用和发展概况一、微机保护的应用和发展概况一、微机保护的应用和发展概况 20202020世纪世纪世纪世纪60606060年代末，提出用小型计算机实现微年代末，提出用小型计算机实现微年代末，提出用小型计算机实现微年代末，提出用小型计算机实现微机保护的设想，开始的继

2、电保护算法的研究为后来微机保护的设想，开始的继电保护算法的研究为后来微机保护的设想，开始的继电保护算法的研究为后来微机保护的设想，开始的继电保护算法的研究为后来微机保护的发展奠定了理论基础。机保护的发展奠定了理论基础。机保护的发展奠定了理论基础。机保护的发展奠定了理论基础。20202020世纪世纪世纪世纪70707070年代中、后年代中、后年代中、后年代中、后期，国外已有少量的样机在电力系统中试运行，微型期，国外已有少量的样机在电力系统中试运行，微型期，国外已有少量的样机在电力系统中试运行，微型期，国外已有少量的样机在电力系统中试运行，微型计算机保护趋于实用。计算机保护趋于实用。计算机保护趋于

3、实用。计算机保护趋于实用。我国对微机继电保护的研究从我国对微机继电保护的研究从我国对微机继电保护的研究从我国对微机继电保护的研究从20202020世纪世纪世纪世纪70707070年代后半年代后半年代后半年代后半期开始，从期开始，从期开始，从期开始，从 20202020世纪世纪世纪世纪 90 90 90 90 年代开始我国继电保护技术已年代开始我国继电保护技术已年代开始我国继电保护技术已年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代，到进入了微机保护的时代，到进入了微机保护的时代，到进入了微机保护的时代，到21212121世纪，微机保护已成为世纪，微机保护已成为世纪，微机保护已成为世纪，微机保护

4、已成为继电保护的主要形式。继电保护的主要形式。继电保护的主要形式。继电保护的主要形式。二、微机保护的基本构成二、微机保护的基本构成二、微机保护的基本构成二、微机保护的基本构成 保护是将被保护设备输入的模拟量经模数转换保护是将被保护设备输入的模拟量经模数转换保护是将被保护设备输入的模拟量经模数转换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器后变为数字量，再送入计算机进行分析和处理的器后变为数字量，再送入计算机进行分析和处理的器后变为数字量，再送入计算机进行分析和处理的保护装置。保护装置。保护装置。保护装置。微机保护由硬件和软件两部分构成。其整套硬微机保护

5、由硬件和软件两部分构成。其整套硬微机保护由硬件和软件两部分构成。其整套硬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，包括数据采集系件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统、统、统、统、CPUCPUCPUCPU主系统、开关量输出、输入系统及外围设主系统、开关量输出、输入系统及外围设主系统、开关量输出、输入系统及外围设主系统、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、数据采集管备等。微机保护的软件由初始化模块、数据采集管备等。微机保护的软件由初始化模块、数据采

6、集管备等。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理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。等组成。等组成。等组成。三、微机保护的特点三、微机保护的特点三、微机保护的特点三、微机保护的特点1.1.1.1.易于获得附加功能易于获得附加功能易于获得附加功能易于获得附加功能2.2.2.2.微机保护具有灵活性微机保护具有灵活性微机保护具有灵活性微机保护具有灵活性3.3.3.3.微机保护具有高可靠性微机保护具有高可靠性微机保护具有高可靠性微机保护具有高可靠性4.4.

7、4.4.维护调试方便维护调试方便维护调试方便维护调试方便5.5.5.5.保护性能得到很好改善保护性能得到很好改善保护性能得到很好改善保护性能得到很好改善6.6.6.6.良好的经济性良好的经济性良好的经济性良好的经济性 微机保护装置硬件系统按功能可分为：微机保护装置硬件系统按功能可分为：微机保护装置硬件系统按功能可分为：微机保护装置硬件系统按功能可分为：1)1)1)1)数据采集单元。数据采集单元。数据采集单元。数据采集单元。2)2)2)2)数据处理单元。数据处理单元。数据处理单元。数据处理单元。3)3)3)3)开关量输入开关量输入开关量输入开关量输入/输出接口。输出接口。输出接口。输出接口。4)

8、4)4)4)通信接口。通信接口。通信接口。通信接口。5)5)5)5)电源。电源。电源。电源。四、微机保护的硬件框图简介四、微机保护的硬件框图简介微机保护原理系统框图微机保护原理系统框图1 1 1 1、数据采集系统、数据采集系统、数据采集系统、数据采集系统压形成回路压形成回路压形成回路压形成回路在微机保护中通常要求输入信号为在微机保护中通常要求输入信号为在微机保护中通常要求输入信号为在微机保护中通常要求输入信号为5V5V5V5V或或或或10V10V10V10V的电的电的电的电压信号，取决于所用的模数转换器的型号。电压压信号，取决于所用的模数转换器的型号。电压压信号，取决于所用的模数转换器的型号。

9、电压压信号，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、变换常采用小型中间变换器来实现。电流变换器、变换常采用小型中间变换器来实现。电流变换器、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下图电压变换器和电抗变换器的原理图分别如下图电压变换器和电抗变换器的原理图分别如下图电压变换器和电抗变换器的原理图分别如下图1 1 1 1（a a a a）、（）、（）、（）、（b b b b）和（）和（）和（）和（a a a a）所示，（）所示，（）所示，（）所示，（d d d d）是电抗变换器）是电抗变换器）是电抗变换器）是电抗变换器的

10、原理结构图。的原理结构图。的原理结构图。的原理结构图。变换器原理图变换器原理图采样保持电路采样保持电路采样保持电路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采样就是将连续变化的模拟量通过采样器加以离散采样就是将连续变化的模拟量通过采样器加以离散采样就是将连续变化的模拟量通过采样器加以离散化。其过程如图化。其过程如图化。其过程如图化。其过程如图2(a)(b)(c)2(a)(b)(c)2(a)(b)(c)2(a)(b)(c)所示。模拟量连续加所示。模拟量连续加所示。模拟量连续加所示。模拟量连续加于采样器的输入端，由采样控制脉冲控制采样器，于采样器的输入端，由采样控制脉冲控制采样器，于

11、采样器的输入端，由采样控制脉冲控制采样器，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。采样脉冲使之周期性的短时开放输出离散脉冲。采样脉冲使之周期性的短时开放输出离散脉冲。采样脉冲使之周期性的短时开放输出离散脉冲。采样脉冲宽度为宽度为宽度为宽度为T T T TC C C C，采样脉冲周期为，采样脉冲周期为，采样脉冲周期为，采样脉冲周期为T T T TS S S S。采样器的输出是。采样器的输出是。采样器的输出是。采样器的输出是离散化了的模拟量。离散化了的模拟量。离散化了的模拟量。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，再依次继电保护算法是多输入而

12、且要求同时采样，再依次继电保护算法是多输入而且要求同时采样，再依次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顺序送到公用的顺序送到公用的顺序送到公用的A/DA/DA/DA/D转换器中去的，微机保护中通转换器中去的，微机保护中通转换器中去的，微机保护中通转换器中去的，微机保护中通常需要采样保持电路。常需要采样保持电路。常需要采样保持电路。常需要采样保持电路。样保持过程示意图样保持过程示意图 目前，采样保持电路大多集成在单一芯片中，但芯目前，采样保持电路大多集成在单一芯片中，但芯目前，采样保持电路大多集成在单一芯片中，但芯目前，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

13、，需用户外设，常选片内不设保持电容，需用户外设，常选片内不设保持电容，需用户外设，常选片内不设保持电容，需用户外设，常选0.01F0.01F0.01F0.01F左右。左右。左右。左右。常用的采样保持芯片有常用的采样保持芯片有常用的采样保持芯片有常用的采样保持芯片有LF198LF198LF198LF198、LF298LF298LF298LF298、LF398LF398LF398LF398等。等。等。等。采样保持电路采样保持电路模拟低通滤波器（模拟低通滤波器（模拟低通滤波器（模拟低通滤波器（ALFALFALFALF）滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑

14、制滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制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，在故无用频率信号的电路。对微机保护系统来说，在故无用频率信号的电路。对微机保护系统来说，在故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高的频率分障初瞬间，电压、电流中可能含有相当高的频率分障初瞬间，电压、电流中可能含有相当高的频率分障初瞬间，电压、电流中可能含有相当高的频率分量量量量(例如例如例如例如2kHz2kHz2kHz2kHz以上），为防止频率混叠，采样频率不以上），为防止频率混叠，采样频率不以上），为防止频率混叠，采样频率不以

15、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。得不取值很高，从而对硬件速度提出过高的要求。得不取值很高，从而对硬件速度提出过高的要求。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但实际上，在这种情况下可以在采样前用一个低通但实际上，在这种情况下可以在采样前用一个低通但实际上，在这种情况下可以在采样前用一个低通模拟滤波器模拟滤波器模拟滤波器模拟滤波器(ALF)(ALF)(ALF)(ALF)将高频分量滤掉，这样就可以降低将高频分量滤掉，这样就可以降低将高频分量滤掉，这样就可以降低将高频分量滤掉，这样就可以降低采样频率，降低对

16、硬件速度的要求。模拟低通滤波采样频率，降低对硬件速度的要求。模拟低通滤波采样频率，降低对硬件速度的要求。模拟低通滤波采样频率，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，由器通常分为两大类。一类是无源滤波器，由器通常分为两大类。一类是无源滤波器，由器通常分为两大类。一类是无源滤波器，由RLCRLCRLCRLC元件元件元件元件构成；构成；构成；构成；另一类是有源滤波器，主要有另一类是有源滤波器，主要有另一类是有源滤波器，主要有另一类是有源滤波器，主要有RCRCRCRC元件与运算放元件与运算放元件与运算放元件与运算放大器构成。目前，微机保护中，采样频率常采用大器构成。目前

17、，微机保护中，采样频率常采用大器构成。目前，微机保护中，采样频率常采用大器构成。目前，微机保护中，采样频率常采用600Hz600Hz600Hz600Hz（即每工频周波采样（即每工频周波采样（即每工频周波采样（即每工频周波采样12121212个点）、个点）、个点）、个点）、800Hz800Hz800Hz800Hz等。等。等。等。模拟多路转换开关模拟多路转换开关模拟多路转换开关模拟多路转换开关(MUX)(MUX)(MUX)(MUX)在实际的数据采集系统中，被模数转换的模拟在实际的数据采集系统中，被模数转换的模拟在实际的数据采集系统中，被模数转换的模拟在实际的数据采集系统中，被模数转换的模拟量可能是

18、几路或十几路，利用多路开关量可能是几路或十几路，利用多路开关量可能是几路或十几路，利用多路开关量可能是几路或十几路，利用多路开关MUX MUX MUX MUX 轮流切轮流切轮流切轮流切换各被测量与换各被测量与换各被测量与换各被测量与A/DA/DA/DA/D转换电路的通路，达到分时转换转换电路的通路，达到分时转换转换电路的通路，达到分时转换转换电路的通路，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的目的。在微机保护中，各个通道的模拟电压是在的目的。在微机保护中，各个通道的模拟电压是在的目的。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同一瞬间采样

19、并保持记忆的，在保持期间各路被采同一瞬间采样并保持记忆的，在保持期间各路被采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，但微机所样的模拟电压依次取出并进行模数转换，但微机所样的模拟电压依次取出并进行模数转换，但微机所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（忽略保持期间得到的仍可认为是同一时刻的信息（忽略保持期间得到的仍可认为是同一时刻的信息（忽略保持期间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的极小衰减），这样按保护算法由微机计算得出正的极小衰减），这样按保护算法由微机计算得

20、出正的极小衰减），这样按保护算法由微机计算得出正确结果。确结果。确结果。确结果。模数转换器模数转换器模数转换器模数转换器(A/D)(A/D)(A/D)(A/D)模数转换器模数转换器模数转换器模数转换器A/DA/DA/DA/D是数据采集系统的核心，它的是数据采集系统的核心，它的是数据采集系统的核心，它的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，以任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以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。便计算机进行处理、存储、控制和显示。便计算机进行处理、存储、

21、控制和显示。便计算机进行处理、存储、控制和显示。A/DA/DA/DA/D转换转换转换转换器主要有以下各种类型。逐位比较（逐位逼近）型器主要有以下各种类型。逐位比较（逐位逼近）型器主要有以下各种类型。逐位比较（逐位逼近）型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、积分型以及计数型、并行比较型、电压频率（即、积分型以及计数型、并行比较型、电压频率（即、积分型以及计数型、并行比较型、电压频率（即V/FV/FV/FV/F）型等。）型等。）型等。）型等。2 2 2 2、计算机主系统、计算机主系统、计算机主系统、计算机主系统 微机保护的计算机主系统有中央处理

22、器（微机保护的计算机主系统有中央处理器（微机保护的计算机主系统有中央处理器（微机保护的计算机主系统有中央处理器（CPUCPUCPUCPU）、）、）、）、只读存储器只读存储器只读存储器只读存储器EPROMEPROMEPROMEPROM电擦除可编程只读存储器电擦除可编程只读存储器电擦除可编程只读存储器电擦除可编程只读存储器EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM、随、随、随、随机存取存储器机存取存储器机存取存储器机存取存储器RAMRAMRAMRAM、定时器等。、定时器等。、定时器等。、定时器等。CPU CPU CPU CPU执行控制及运算功能。执行控制及运算功能。执行控制及运算功能。执行控

23、制及运算功能。EPROM EPROM EPROM EPROM主要存储编写好的程序，包括监控、继电保主要存储编写好的程序，包括监控、继电保主要存储编写好的程序，包括监控、继电保主要存储编写好的程序，包括监控、继电保护功能程序等。护功能程序等。护功能程序等。护功能程序等。EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM可存放保护定值，可通过面板上的小键盘可存放保护定值，可通过面板上的小键盘可存放保护定值，可通过面板上的小键盘可存放保护定值，可通过面板上的小键盘设定或修改保护定值。设定或修改保护定值。设定或修改保护定值。设定或修改保护定值。RAM RAM RAM RAM作为采样数据及运算过程中

24、数据的暂存器。作为采样数据及运算过程中数据的暂存器。作为采样数据及运算过程中数据的暂存器。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。定时器用以记数、产生采样脉冲和实时钟等。定时器用以记数、产生采样脉冲和实时钟等。定时器用以记数、产生采样脉冲和实时钟等。CPU CPU CPU CPU主系统的常见外设，如小键盘、液晶显示器和主系统的常见外设，如小键盘、液晶显示器和主系统的常见外设，如小键盘、液晶显示器和主系统的常见外设，如小键盘、液晶显示器和打印机等用于实现人机对话。打印机等用于实现人机对话。打印机等用于实现人机对话。打印机等用于实现人机对话。3 3 3 3、开

25、关量输入、输出系统、开关量输入、输出系统、开关量输入、输出系统、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微机保护所采集的信息通常可分为模拟量和开微机保护所采集的信息通常可分为模拟量和开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关量。无论何种类型的信息，在微机系统内部都是关量。无论何种类型的信息，在微机系统内部都是关量。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。断路器和隔离开以二进制的形式存放在存储器中。断路器和隔离开以二进制的形式存放在存储器中。断路器和隔离开以二进制的形式存放在存储器中。断路器和隔离开关

26、、继电器的接点、按钮和普通的开关、刀闸等都关、继电器的接点、按钮和普通的开关、刀闸等都关、继电器的接点、按钮和普通的开关、刀闸等都关、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，可以用具有分、合两种工作状态，可以用具有分、合两种工作状态，可以用具有分、合两种工作状态，可以用0 0 0 0、1 1 1 1表示，因表示，因表示，因表示，因此，对它们的工作状态的输入和控制命令的输出都此，对它们的工作状态的输入和控制命令的输出都此，对它们的工作状态的输入和控制命令的输出都此，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。可以表示为数字量的输入和输出。可以表示

27、为数字量的输入和输出。可以表示为数字量的输入和输出。开关量输入有两类：开关量输入有两类：开关量输入有两类：开关量输入有两类：1 1 1 1、可以与、可以与、可以与、可以与CPUCPUCPUCPU主系统使用共同电源，无需电气隔离主系统使用共同电源，无需电气隔离主系统使用共同电源，无需电气隔离主系统使用共同电源，无需电气隔离的开关量输入。的开关量输入。的开关量输入。的开关量输入。2 2 2 2、与、与、与、与CPUCPUCPUCPU主系统使用不同电源，需要电气隔离的开关主系统使用不同电源，需要电气隔离的开关主系统使用不同电源，需要电气隔离的开关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

28、、隔离开关的辅助触点，继电器触量输入。如断路器、隔离开关的辅助触点，继电器触量输入。如断路器、隔离开关的辅助触点，继电器触量输入。如断路器、隔离开关的辅助触点，继电器触点等。点等。点等。点等。开关量输入回路接线图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开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地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。和中央信号输出等。和中央信号输出等。和中央信号输出等。开关量输出回路接线图开关量输出回路接线图4 4 4 4、VFCVFCVFCVFC型数据采集系统型数据采集系统型数据采集系统型数据采集系

29、统(VFC-Voltage Frequency Converter.)(VFC-Voltage Frequency Converter.)电压、电流信号经电压形成回路后，均变换电压、电流信号经电压形成回路后，均变换成与输入信号成比例的电压量，经过成与输入信号成比例的电压量，经过VFCVFC，将模，将模拟电压量变换为脉冲信号，该脉冲信号的频率与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，微型机在采样间计数器对脉冲进行计数，随后，微型机在采样间隔隔T Ts s内读取的计数值就与输入模拟量在

30、内读取的计数值就与输入模拟量在T Ts s内的积内的积分成正比，达到了将模拟量转换为数字量的目的，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。实现了数据采集系统的功能。VFCVFCVFCVFC工作原理工作原理工作原理工作原理:典型的电荷平衡式典型的电荷平衡式典型的电荷平衡式典型的电荷平衡式V/FV/FV/FV/F转换器的电路结构如图转换器的电路结构如图转换器的电路结构如图转换器的电路结构如图9-89-89-89-8所示。所示。所示。所示。VFCVFC原理图原理图VFCVFC波形图波形图5 5 5 5、WXB-11WXB-11WXB-11WXB-11型线路保护装置型线路

31、保护装置型线路保护装置型线路保护装置 WXB-11WXB-11WXB-11WXB-11型微机保护装置是用于型微机保护装置是用于型微机保护装置是用于型微机保护装置是用于110-500kV110-500kV110-500kV110-500kV各级各级各级各级电压的输电线路成套保护，能正确反映输电线路电压的输电线路成套保护，能正确反映输电线路电压的输电线路成套保护，能正确反映输电线路电压的输电线路成套保护，能正确反映输电线路的各种相间故障和接地故障，并进行一次重合闸。的各种相间故障和接地故障，并进行一次重合闸。的各种相间故障和接地故障，并进行一次重合闸。的各种相间故障和接地故障，并进行一次重合闸。四

32、个用于保护和重合闸功能的四个用于保护和重合闸功能的四个用于保护和重合闸功能的四个用于保护和重合闸功能的CPU1-CPU4CPU1-CPU4CPU1-CPU4CPU1-CPU4分别用来分别用来分别用来分别用来实现高频、距离、零序和重合闸，它们被设计成实现高频、距离、零序和重合闸，它们被设计成实现高频、距离、零序和重合闸，它们被设计成实现高频、距离、零序和重合闸，它们被设计成四个独立的插件，硬件电路完全相同，只是不同四个独立的插件，硬件电路完全相同，只是不同四个独立的插件，硬件电路完全相同，只是不同四个独立的插件，硬件电路完全相同，只是不同软件实现不同的功能。软件实现不同的功能。软件实现不同的功能。软件实现不同的功能。WXB-11型微机保护装置硬件框图型微机保护装置硬件框图 五、微机保护的算法五、微机保护的算法两采样值积算法两采样值积算法六、微机保护抗干扰措施六、微机保护抗干扰措施容错技术容错技术2/32/3表解方式表解方式对采样信号按模拟量的规律进行判断采用信号的真伪对采样信号按模拟量的规律进行判断采用信号的真伪作业与思考题作业与思考题1 1、简述微机保护的构成，并说明各组成部分、简述微机保护的构成，并说明各组成部分的作用。的作用。2 2、简述采样定理。、简述采样定理。3 3、简述微机保护的抗干扰措施。、简述微机保护的抗干扰措施。4 4、简述微机保护的特点。、简述微机保护的特点。