微机型继电保护基础
电力系统微型计算机继电保护
2002年4月电力系统微型计算机继电保护1.以微型计算机为核心的继电保护装置称为微型机继电保护装置。
2.交流电流交换器输出量的幅值与输入模拟电流量的幅值成正比。
3.脉冲传递函数定义为：在零初始条件下，离散系统输出响应的Z变换与输入信号的Z变换之比值4.当离散系统特征方程的根，都位于Z平面的单位圆之外时，离散系统不稳定。
5.在一个控制系统中，只要有一处或几处的信号是离散信号时，这样的控制系统称为离散_控制系统。
6.反映电力系统输电设备运行状态的模拟电气量主要有两种：来自电压互感器和电流互感器二次侧的交流电压和交流电流信号。
7.在一个采样周期内，依次对每一个模拟输入信号进行采样的采样方式称为顺序采样。
8.脉冲传递函数分子多项式为零的根，称为脉冲传递函数的零点。
9.从某一信号中，提取出有用频率成份信号的过程，称为滤波。
10.合理配置数字滤波器脉冲传递函数的零点，能够滤除输入信号中不需要的频率成份。
11.合理配置数字滤波器脉冲传递函数的极点，能够提取输入信号中需要的频率成份信号。
12.数字滤波器脉冲传递函数的零点z i在脉冲传递函数表达式中以因子1-Z i Z-1的形式出现。
13.如果设计样本的频率特性频谱的最大截止频率为fmax，则要求对设计样本的单位冲激响应h(t)进行采样时，采样频率要求大于2fmax。
14.为了提高微型机继电保护装置的抗干扰能力，在开关量输入电路中采取的隔离技术是光电隔离。
15.利用正弦函数的三个_瞬时采样值的乘积来计算正弦函数的幅值和相位的算法称为三点采样值乘积算法。
16.在电力系统正常运行时，微型机距离保护的软件程序工作在自检循环并每隔一个采样周期中断一次，进行数据采集。
17.微型机距离保护的软件程序主要有三个模块—初始化及自检循环程序、采样中断子程序和故障处理程序。
18.在电力系统正常运行时，相电流瞬时采值差的突变量起动元件△I bc等于零。
19.电力系统在非全相运行时，一旦发生故障，则健全相电流差起动元件起动。
电力系统继电保护微机保护基础
装置外部引入的触点应经光电隔离
第二节 微机继电保护的基本算法 与数字滤波
一、 微机继电保护的基本算法 算法是微机继电保护的数学模型，
是微机继电保护工作原理的数学表达式，是 编制微机继电保护计算程序的依据。
1.采样及微分法 设电压和电流分别为 ：
u Umsint （1） i Imsin(t ) （2）
Um
u2
u2
2
（4）
式中 u —任一时刻电压的采样值； uˊ—采样值u的微分。
如图所示，uk为当前采样值。
图中：uk-1为tk-1时刻的采样值；uk+1为tk+1时刻的采样值，则
Um u2k(uk21 T uk1)2/2 （5）
2.半周积分算法
S 0 T /2U m sitn d U t m co t0 T /2 s 2 U m T U m
N/2
S uk
k1
12N()Um
式中 S——半周内N/2个采样值的总和； uk——第k个采样值； N——工频周采样次数； α——第一个采样值的初相角。
3.傅氏算法
u(t) U 0 (U nc R o n ts U nsj in nt) n 1
U nR
2 N
N
u(k) cosk
k 0
2
N
Unj
输入模拟信号的电平变换主要由各种电压、 电流变换器来实现。
二、采样、采样定理及采样保持器 采样 — 周期性的抽取或测量连续信号。 采样定理 —为了能根据采样信号完全重现 原来的信号。采样频率fs必须大于输入连续信 号最高频率的2倍。 即：
fs 2fmax
采样周期： T=1/ fs
采样频率fs在240Hz到2000Hz之间。
《微机保护》PPT课件
输入信号预处理过程的具体步骤为： 1. 将电力系统输入到继电保护装置的模拟信号
2. 数据处理单元对已转变为数字量电量信号进 行数字滤波，从而获得微机保护算法所需要 的数字信号序列；
3. 数据处理单元对已滤波的数字信号序列采用 合适的算法并结合开关量输入信号综合判断， 然后根据判断结果控制开关量输出系统和人 机对话和外部通信系统的输出，实现闸、信 号告警、数据记录等功能。
一、输入信号预处理
二、模拟量输入系统
微机保护装置模拟量输入接口部件的作用 是 将电力传感器输入的模拟电量正确地变换成离散 化的数字量，提供给数字核心部件进行处理。
交流模拟量输入接口部件内部按信号传 递顺 序为：电压输入变换器和电流输入变换器及其电 压形成回路 、前置模拟低通滤波器 、采样保持 器 、多路转换器、模数变换器。
采样 多路
A/D 数据更
保持 转换器 转换器 新排队
输入信号的预处理
图2—2 输入信号预处理流程框图
二、数字滤波
数字滤波器的优点： • 滤波精度高。加长字长可以很容易提高精度。 • 可靠性高。模拟元器件很容易受环境和温度 的
影响，而数字系统受这种影响要小得多。 • 灵活性高。数字滤波器改变性能只要改变算 法
• 按照不同的滤波理论又可分为常规滤波器和最 佳滤波器。
• 按频率特性分为低通、带通、高通和带阻四类 基本滤波器，其中前两类滤波器在微机保护中 用得较多。
第2章 微机保护基础(1)
1、电压变换器（UV）
电压变换器原理接线如图2-11所示，UV原方与电压互感器相 联，TV二次侧有工作接地，UV副方的“直流地”为保护电源 的0V，电容C容量很小，起抗干扰作用。
图2-11 电压变换器应用
2、电流变换器（UA）
电流变换器与电压变换器不同，从UA原方看进去，输入阻抗 很小，对于负载而言UA可以看成一个电流源。电流变换器应 用接线如图2-12所示。
图2-4 采样保持过程示意图
2) 采样频率的选择
采样间隔Ts 的倒数称为采样频率fs。
采样频率越高，要求CPU 的运行速度越高。 因为微机保护是一个实时系统，数据采集系 统以采样频率不断地向微型机输入数据，微 型机必须要来得及在两个相邻采样间隔时间 Ts内处理完对每一组采样值所必须做的各种 操作和运算，否则CPU 跟不上实时节拍而无 法工作。相反，采样频率过低，将不能真实 地反映采样信号的情况。 采样函数为一周期信号,采样间隔Ts太大，就 会有一部分相互交迭，新合成的X(f)*G(f)图 形与X(f)/Ts不一致，这种现象称为迭混。 为了避免迭混以便采样后仍能准确地恢复原 信号，采样频率fS必须大于信号最高频率fC 的两倍，即fS＞2fC，这就是采样定理。
<1>采样频率的方式选择
<2>.对多个模拟输入信号的采样方式
微机继电保护绝大多数的算法都是基于多个 模拟输入信号（如三相电压、三相电流等） 采样值进行计算的。如何对多个信号进行采 样，根据多个模拟输入信号在采样时刻上的 对应关系，可分别采用以下三种采样方式： 1、同时采样 2、顺序采样 3、分组同时采样
例
图
MAX125内部结构图
2.1.1
模拟数据采集系统
微机继电保护装置教学讲义
工作原理
微机继电保护装置的工作原理基于对电力系统故障和异 常运行的分析，通过检测电压、电流等电气量变化，判 断系统是否发生故障或处于异常状态。
当系统发生故障或异常时，微机继电保护装置会迅速响 应，根据预设的保护逻辑，自动切除故障设备或进行相 应的报警处理，以减小故障对系统的影响。
保护功能原理
微机继电保护装置具备多种保护功能，如电流速 断保护、过流保护、零序保护等。
步满足市场需求。
03
市场竞争格局变化
随着技术的不断发展和市场的逐步开放，微机继电保护装置市场的竞争
格局将发生变化，优质的产品和服务将获得更大的市场份额。
对未来发展的建议与展望
加强技术研发和创新
鼓励企业加大技术研发和创新投入，提高微机继电保护装置的技 术水平和市场竞争力。
推进标准制定和规范
加强行业标准和规范的制定和推广，促进微机继电保护装置的规范 化和标准化发展。
常见故障与处理
故障分类
硬件故障、软件故障、外部干扰 引起的故障。
处理方法
根据故障现象，分析原因，采取 相应措施进行修复或更换部件， 同时对故障进行记录和总结，提 高维护管理水平。
微机继电保护装置的应用实
04
例
微机继电保护装置的应用实
04
例
在电力系统中的应用
01 输电线路保护
微机继电保护装置用于监测输电线路的运行状态， 当发生故障时，能够快速切断故障线路，保障整 个电力系统的稳定运行。
加强人才培养和引进
加强微机继电保护装置相关领域的人才培养和引进，为产业发展提 供人才保障。
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配置步骤
确定保护需求、选择保护装置、配置保护参数、 安装与接线、测试与验收。
继电保护基础知识和微机保护原理
继电保护基础知识和微机保护原理继电保护是电力系统中重要的安全措施之一，它的作用是在电力系统发生故障时，迅速切除或隔离故障点，保护电力设备和人身安全。
而微机保护利用先进的微机技术，结合各种传感器和控制装置，实现电力系统的准确、灵敏和可靠的保护，提高系统的稳定性和可靠性。
本文将介绍继电保护基础知识和微机保护原理。
一、继电保护基础知识1.继电保护原理继电保护根据电力系统的运行状态和故障特征，通过各种传感器和设备，对电力系统的电压、电流、功率等进行监测和测量，从而判断系统是否发生故障以及故障的位置和类型。
根据保护原理的不同，可以将继电保护分为差动保护、过流保护、间隙保护、距离保护等。
2.继电保护的类型继电保护按照保护范围的不同，可以分为发电机保护、变压器保护、线路保护、母线保护、馈线保护等。
不同的保护对象有着不同的保护特点和保护要求。
3.继电保护的组成继电保护由监测传感器、比较装置、判据装置和动作执行装置等组成。
监测传感器负责将电能转化为可测量的电信号，如电压互感器、电流互感器等；比较装置根据测量信号和设定值进行比较，判断系统的状态；判据装置根据比较装置的输出结果，生成动作指令，控制动作执行装置对保护范围内的设备进行保护动作。
1.微机保护系统结构微机保护系统由数据采集模块、微机主控装置、数据处理模块、监测和操作界面等组成。
数据采集模块负责采集保护对象的电压、电流等信号，并将其转化为数字信号；微机主控装置进行数据的处理和分析，并根据设定条件生成保护动作指令；数据处理模块进行数据的存储和管理，提供故障记录和统计报表等。
2.微机保护的特点微机保护具有以下特点：（1）准确性高：微机保护采用先进的数字信号处理技术，可以实时监测和测量电力系统的各种参数，提高保护的准确性和可靠性。
（2）速度快：微机保护系统的处理速度很快，可以在几十毫秒内完成对电力系统的故障判断和动作指令的生成。
（3）功能强大：微机保护具有丰富的功能，可以实现过流保护、差动保护、距离保护、频率保护等多种保护方式。
微机型继电保护
3.能操作保护出口回路压板、动作信息的复归； 4.管理好打印机和打印报告，防止其卡纸和报告丢失，熟悉打印信息； 5.了解保护装置现有定值； 6.熟悉保护装置的运行环境要求。
检修基本要求
（一）检修时间 在装置无故障的情况下，建议6年检修，每两年可作一次小修。 （二）小修内容
1.检修电源； 2.输入通道检查； 3.检查定值； 4.出口检测； 5.插件完好性检查； 6.校正时钟。 （三）大检修基本内容 1.清洁处理； 2.检查端子； 3.保护静态测试； 4.小修中各项试验 5.保护联动试验。
（五）电源系统 通常这种电源是逆变电源，即将直流逆变为交流，再把交流整定为 微机系统所需的直流电压。 作用：它把水电站的强电系统的直流电源与微机的弱点系统电源完 全隔离开。 微机继电保护装置的抗干扰措施 可靠性是对继电保护的基本要求之一，它包括不误动和不拒动两方面。 除了保护的基本原理应满足可靠性要求，还有两个因素影响保护 的可靠性，这就是干扰和元件损坏，这些都不应该引起误动和拒 动。 为了防止由于干扰使保护的可靠性下降，微机保护通常在硬件及软件 方面采取以下防范：
电流差动保护
差 动 保 护 的 动 作 特 性
各相差动保护判据如下： 1、 当 Iop Icd ，且 Iop 3Icd 时，
Iop 0.6Ires 时满足动作条件； 2、 当 Iop 3Icd ，且 Iop I res 2Icd 时，满足动作条件。 I res 其中，分相差动电流 Iop IM I N ， I M I N 分相制动电 I 流 ；I M 、 N 分别是任一相两侧的电流。
中性点直接接点系统的110KV输电线路一般可以配置三段式相间距 离及接地距离保护、四段式零序电流保护、双回路相继速动保护、 不对称故障相继速动保护、三相一次重合闸等保护。
继电保护基础知识
继电保护（Relay Protection ）绪论本部分主要介绍电力系统故障类型，不正常运行状态及电力系统发生故障产生的危害后果。
重点介绍继电保护部分的任务，工作原理及对继电保护的要求。
一．电力系统的故障与不正常运行1．电力系统：电能的生产，输送，分配和应用组成的系统。
2．一次设备：电能通过的设备。
如发电机，变压器，断路器，隔离开关，PT,CT ，电力电容器，电抗器，母线及线路为一次设备。
3．二次设备：对一次设备运行状态进行监视，测量，保护及控制的设备为二次设备。
（弱电）电力系统在运行中可能会发生各种故障及不正常运行状态，会严重影响系统的正常运行，甚至会使系统瓦解。
4．电力系统中的故障和不正常运行状态及后果。
a ． 故障：最常见也是最危险的故障是发生各种形式的短路，其次是系统断路及复合故障。
危害：○1 通过故障点很大的短路电流（为负载电流的几倍或几十倍）备。
○2 短路电流通过电源到短路点的非故障元件。
由于发热和电动力的作用（如线路间力的作用）使它们损坏或缩短使用寿命，功能降低。
○3 使电压大大下降，供电质量下降，影响用户工作的稳定性（大面积停电）○4 破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡。
b. 不正常运行状态：电力系统中电气设备不能正常工作，但没发生故障。
○1 过负荷：负荷超过电气设备额定值，即负载上升，R 下降，负荷电流上升大于额定电流即fhI>N I （载流部分和绝缘材料温度上升，加速绝缘的老化损坏，可能会发展为故障）○2 过电压：发电机突然甩负荷或急剧下降。
R 上升。
I 下降 aaaU EI R=-↑○3 系统频率下降（低用状态） ○4 发生轻微振荡。
5．短路的类型： ○1 三相短路 (3)D 2% ○2 两相短路 (2)D1.6%○3单相接地短路 (1)D 87% ○4两相接地短路 (1.1D6.1%6．系统发生事故的原因：○1 自然条件因素 （如雷击等） ○2 设备设计不合理，使正常的电流偏离。
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微机保护装置硬件的核心是微处理器。微 处理器的选择遵循以下原则：一是速度，二是功 能，三是通用性，四是工作环境。微处理器的速 度选择以能在两个相邻采样间隔内完成必要的工 作为准，并不是在任何情况下位数越高越好。随 着大规模集成电路的发展，微处理器正在向两个 方向发展：一方面，往功能强的方向发展；另一 方面，在同样的集成度下，不集成高功能的快速 的微处理器，而是把许多其它功能如A／D转换、 通信接口、定时器等集成在一个芯片上，往功能
全的方向发展。为了便于购买和升级换代，一定 要选择大公司的主流芯片。由于继电保护对可靠 性、安全性要求很高，再加上保护装置工作环境 恶劣，所以，要尽可能选择工业级的嵌入式微处 理器。目前，国内外微机保护装置所用的微处理 器有两大类：一类是单片机；另一类是数据处理 芯片。下面予以分别介绍。
§2.1 单片机简介
单片机的多机应用系统可分为功能集散系 统、并行多机处理及局部网络系统。
1）功能集散系统。多功能集散系统是为了满足 工程系统多种外围功能要求而设置的多机系统。
例如，一个加工中心的计算机系统除完成机床加 工运行控制外，还要控制对刀系统、坐标指示、 刀库管理、状态监视、伺服驱动等机构。
2）并行多机控制系统。并行多机控制系统主要 解决工程应用系统的快速性问题，以便构成大型 实时工程应用系统．典型的有快速并行数据采集、 处理系统、实时图像处理系统。
一．单片机的应用
单片机问世以来，应用日趋广泛，性能不 断地改善和提高，在许多应用场合取代了现有的 微型计算机系统，但其性能价格比却更为优越， 体积也大为减小。单片机的潜在能力愈来愈为人 们所注意。按照单片机的特点，它的应用可分为 单机和多机应用两种。
（1）单机应用
在一个应用系统中，只使用一片单片机，这是 目前应用最多的方式，单片机应用的主要领域
4）智能接口。在计算机系统，特别是较大型的 工业测、控系统中，如果用单片机进行接口的
控制与管理，单片机与主机并行工作，可以大大 提高系统的运行速度。例如，在大型数据采集系 统中，用单片机对模／数转换接口进行控制不仅 可提高采集速度，还可对数据进行预处理，如数 字滤波、线性化处理、误差修正等。
（2）多机应用
公司也研制成F8微处理器．这些微处理器虽说还 不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。
第二阶段（1974—1978年）：初级单片机 阶段。以INTEL公司的MCS—48为代表。这个系 列的单片机内集成有8位CPU、并行I／O口、8位 定时器／计数器，寻址范围不大于4K，且无串行 口。
第三阶段（1978～1983年）：高性能单片 机阶段。在这一阶段推出的单片机普遍带有串行 口，有多级中断处理系统、16位定时器／计数器、
误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。
3）机电一体化产品。单片机与传统的机械产品 结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化， 构成新一代的机、电一体化产品。例如，在电传 打字机的设计中由于采用了单片机，取代了近千 个机械部件；在数控机床的简易控制机中，采用 单片机可提高可靠性及增强功能，降低控制机成 本。
功能较强，性能优良的单片机。目前国内很多继 电保护装置都采用此类单片机。
l）测控系统。用单片机可以构成各种工业控制 系统、自适应控制系统、数据采集系统等。例如， 温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线 自动控制、汽轮机电液调节系统、车辆检测系统、 机器人轴处理器等．
2）智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制 仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、 综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓 度显示、控制仪表及智能电度表等。通过采用单 片机软件编程技术，使长期以来测量仪表中的
节，有的片内还带有A／D转换器。这类单片机 有 INTEL 公司的MCS－51 ，Motorola 公 司的 6801等。由于这类单片机的应用领域极其广泛， 各公司正在大力改进其结构与性能。
第四阶段（1983年以后）：8位单片机巩 固发展及16位单片机推出阶段。此阶段主要特征 是一方面发展16位单片机及专用单片机；另一方 面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满 足不同的用户需要。
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或可擦除 只读存储器EPROM、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。由于它的 结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的， 故 又 叫 单 片 微 控 制 器 （ Single Chip Microcontroller ） 。 目 前 国 外 已 开 始 把 它 称 作 单 片 微 型 计 算 机 （ Single Chip Microcomputer）。
单片机出现的历史并不长，它的产生与发 展和微处理器的产生与发展大体上同步，也经历 了四个阶段：
第一阶段：（1971～1974年）：1971年 11月美国INTEL公司首先设计成集成度为每片上 有 2000只晶体管的 4位微处理器 Intel 4004， 并且配有随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM和移位寄存器等芯片，构成第一台MCS-4 微型计算机。1972年4月INTEL公司又研制成了 功能较强的 8位微处理器Intel 8008，在此期间 Faircnild
3）局部网络系统。单片机网络系统的出现，使 单片机应用进入了一个新的水平。目前单片机构 成的网络系统主要是分布式测、控构成各种测、 控用子级系统。
随着应用的进一步深入，8位单片机已不能 满足需要。例如，MCS-51系列单片机（8位单 片机）只能用于速率为300波特的马达控制，对 速率为2400波特新型马达的控制就显得无能为力 了。又如，每秒100～200个字符的打印机，可 用MCS-51系列单片机加以控制，但每秒200— 400个字符的打印机控制则需要性能更强的16位 单片机，如 MCS-96系列单片机。MCS-96系列 的16位单片机是