微机保护基础

课题一微机保护基础微机保护基础定义基本原理微机保护的发展概括微机保护的特点微机保护工作流程微机保护装置的硬件结构不正常工作状态、故障、事故不正常工作状态指由于各种原因使电气设备或系统的运行参数偏离了规定允许值的情况，又称为异常状态。

如变压器的过负荷等。

故障指系统内各种短路、断线、短路加断线等。

最严重最危险且最常见的故障是各种短路，如相间短路（三相和两相）、接地短路（单相和两相）、匝间短路等。

事故指系统的正常工作遭到破坏，以致造成对用户的体停电或少送电、电能质量下降到不允许程度，甚至造成人身伤亡及电气设备的损坏。

（前者称为停电事故，后者称为人身和设备事故）。

继电保护装置及继电保护继电保护装置：能够反应被保护设备（元件）所发生的故障或出现的不正常工作状态，并作用于断路器跳闸或发出信号的自动装置。

（又称为反事故装置）继电保护：对保护装置构成原理的研究、动作行为的分析以及整定计算等内容，统称为继电保护。

基本原理利用被保护设备（元件）在正常运行与发生故障或出现不正常工作状态时参数变化的特点构成；将设备(元件)的参数与整定值进行比较，当满足条件时保护启动，瞬时或延时动作，跳闸或发信号。

例如：L1：线路正常运行时；负荷电流值小线路相间短路时：短路电流值大利用线路故障时电流增大的特点可以构成电流保护。

电流保护的整定值即动作电流用Idz表示电流保护：①瞬时电流速断保护当Id≥Idz时，保护启动，瞬时动作跳QF1②定时限过电流保护当Id≥Idz时，保护启动，延时动作跳QF1微机保护的发展概括1984年由华北电力学院研制的微机距离保护MDP－1型经试运行后通过科研鉴定并于1987年投入批量生产。

其特点是采用单CPU 结构及多路转换的ADC模数变换模式。

1990年由华北电力学院北京研究生部首先研制的11型微机保护投入试运行，其代表产品WXH－11、WXB－11等。

其特点是采用多单片机并行工作，总线不引出插件，采用VFC模式变换方式。

第三代产品由北京四方公司与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。

其特点是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。

国家电力公司电力自动化研究院研制的LEP－900系列保护装置。

（反映故障分量的高速继电保护软件原理）在综自站，微机保护装置与监控系统形成一个网络系统。

保护装置通过微机监控系统的通信网络，将保护的状态、动作、信号等传送给集控站或调度所，值班员可以在远方投切保护装置、查看保护状态，修改保护定值等。

微机保护的特点微机保护装置①硬件：重要元件为单片机或数字处理器②软件（程序）：实现保护各种功能1.维护和调试方便给电源→自诊→无报警，说明装置是完好的。

因此对微机保护装置而言，除了输入和修改定值及检查外部接线外几乎不用调试，从而大大减轻了运行维护的工作量。

2.可靠性高具有在线自检功能，可以检查出硬件的异常，从而可避免由于硬件异常引起的保护误动作或拒动；软件在编程上可实现自动识别和排除干扰信号，防止保护误动作。

3.易于获得附加功能装置通常配有通信接口，可连接打印机或其它显示设备，在系统发生故障后可提供多种信息，有助于事故后的分析及判定保护的动作情况。

4.灵活性大当硬件设计尽量相同时，只要改变软件就可以改变保护的特性和功能，从而可灵活地适应电力系统发展对保护要求的变化。

5.保护性能得到很好改善微处理器的使用，使得在保护中可以引入人工智能技术或复杂的算法，从而解决了常规保护中所存在的很多技术问题。

6.具有远方监控特性微机保护装置都具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的联络使微机保护具有远方监控的特点并将微机保护纳入变电所综合自动化系统。

微机保护工作流程微机保护装置的硬件结构 典型结构1.信号输入部分：妥善处理模拟量信号和开关量信号，完成单片微机系统输入信号接口功能。

模拟量信号→数字量信号（模拟量输入系统）开关量信号→电平转换整形、延时、光电隔离2.单片微机系统部分：硬件－单片微机和扩展芯片软件系统完成数值测量、计算、逻辑运算及控制和记录等智能任务，并具有远方功能。

EPROM:紫外线可擦除可编程只读存储器用存放保护程序。

EEPROM：电可擦除可编程只读存储器用来存放保护定值。

RAM：随机存取存储器用来存放A/D转换来的数据及保护动作的故障报告等。

MPU：微处理器(习惯称CPU芯片，中央处理器）执行存放在EPROM中的程序，对由A/D→RAM的原始数据进行分析处理，以完成各种保护功能。

定时器/计数器：计时、触发采用脉冲信号、计数。

3.人机接口部分：在CPU控制下，完成操作人员对CPU系统的干预，如整定值的输入、工作方式的变更、对CPU系统的检查等。

通常通过键盘、汉化液晶显示、打印及信号灯、音响或语音告警等实现。

4.输出通道部分：对控制对象（例如断路器）实现控制操作的出口电路。

小信号→大功率防干扰→光电隔离5.电源部分：逆变电源直流→交流→直流＋5V供各保护CPU等芯片电源±15V供运算放大器及VFC模数变换芯片电源＋24V启动、跳闸及信号、告警继电器电源各电源均有发光二极管作正常运行指示信号面板上设有各路电源测试的转接插孔及电源控制开关成套的微机保护、各种线路和元件的保护软件系统及硬件模块化的组合与数量不同不同的保护用不同的软件来实现模拟量输入系统将输入的模拟信号转换成数字信号。

这一过程又称为输入信号的预处理。

电压形成回路低通滤波器ALF采样及采样保持多路转换开关MPX模数变换电压形成回路将输入的电流、电压线性的转换成电压并变小即实现输入模拟信号的电平变换。

变换器：变换、隔离、屏蔽电压变换器电流变换器低通滤波器：滤除频率f＞fs/2的高次谐波1.在微机保护中有两种滤波方式：模拟滤波→ALF（两级RC滤波电路）→f＞fs/2数字滤波→程序或算法→非周期分量及f＜fs/22.采样频率fs fs＝Nff－工频50Hz N－工频一周采样点数如WXH-11A型线路微机保护N＝12则fs＝12×50=600（Hz）目前微机保护的采样频率约在240～2000Hz之间3.fs的选取应满足采样定理及变换的原理算法的要求，还要考虑硬件的速度问题4.采样定理：为了能根据采样信号完全重现原来的信号（采样前的信号），fs必须大于输入连续信号最高频率的2倍即fs＞2fmax采样及采样保持采样－在极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值。

多路转换开关MPX1.多路模拟通道共用一个A/D，经MPX切换，实现多路同时采样，顺序转换即时分复用，以节省A/D2.多路转换开关包括选择接通路数的二进制译码电路和由它控制的各路电子开关，集成在一个集成电路芯片中。

以16路多路转换开关芯片AD7506为例，其内部电路组成框图如下：EN为芯片选择线，EN为高电平时芯片开始工作A0～A3四个路数选择线，用二进制表示0000～1111（0～15）AS1～AS16 16路电子开关A0～A3赋以不同的二进制码即选通一路电子开关，将被选中的一路模拟通道接至公共的输出端，共给A/D转换器。

如：A0A1A2A3赋以0000则选中AS1模数转换：将离散的模拟信号转换为数字信号。

目前微机保护常用压频式ADC（简称VFC）1.VFC原理：将电压转换为与之成正比的脉冲频率数字脉冲式的频率），计数器对数字脉冲计数，CPU每隔一个采样间隔时间Ts读取计数器的脉冲计数值并根据比例关系算出输入电压的数字量完成模数变换。

2.VFC变换关系：3.量化：将离散的采样信号瞬时值与A/D转换器中的基准电压的分层进行比较，并按舍五入的原则用幅度不连续的电平表示输入信号的相对幅值。

4.编码：用二进制码表示。

码位数愈高，基准分层愈多，量化误差愈小，分辨率愈高。

微机保护通常取12位的A/D转换器，也有采用16位的A/D 转换器，采用二进制补码形式。

以12位为例：D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0分辨率为4.88mv︱符号位“0”表示正“1”表示负按一般输入信号电平幅值最大值为±10v为例，采用12位编码与A/D转换器构成的对应数值如下表：在实际应用中，微机保护装置分为单CPU和多CPU的结构方式。

单CPU结构：单CPU的微机保护装置是指整套微机保护装置共用一个单片微机，数据采集、开关量采集、人机接口及出口信号等均由一个单片微机控制。

CPU通过AB地址总线选通各功能芯片，通过CB控制总线控制各功能芯片的工作方式，由DB数据总线传送数据和信息。

容错能力不高→中、低压保护装置可靠性低多CPU结构：指在一套微机保护装置中，按功能配置有多个CPU模块，分别完成本体原理的主保护和后备保护及人机接口等功能。

①容错水平高。

②抗干扰能力强。

③每一个CPU插件只分担一种保护功能，提高了保护的速动性和动作的准确性。

④实现自检定位。

⑤硬件相同，缩短了硬件故障处理时间。

⑥提供了采用三取二起动方式，提高了保护装置起动的可靠性。

→高压及超高压微机保护装置多CPU系统巡检及巡检中断告警出口闭锁巡检及巡检中断告警巡检：①正常运行状态，接口插件不断地通过串行口向各保护CPU插件发出巡检命令，当各保护CPU均正常时，分别作出回答；②若某一保护CPU插件自检出硬件故障a 驱动本CPU告警继电器切断跳闸出口电源b 收到巡检令后向接口插件传送故障信息及出错码，接口插件收到出错码后，驱动总告警继电器，并显示或打印故障信息。

③若巡检令发出后，某一保护CPU未作出回答a接口插件通过外部复位开出，强制该CPU复位，然后再发巡检令b仍未作答，驱动总告警继电器开出，并显示或打印出该CPU出错信息巡检中断告警：人机接口插件发生故障而不能执行循环检测程序时，各保护CPU插件在规定时间内收不到巡检命令，就驱动巡检中断继电器告警出口闭锁自检告警闭锁保护CPU若自检出硬件故障，则启动其自检告警继电器AXJN，利用其动断触点切断跳闸电源，实现出口闭锁。

三取二启动回路（以WXH－11型线路微机保护为例）启动继电器KST2←高频保护KST3←距离保护KST4←零序保护防止一个CPU程序出格引起整套保护误动作（回路若退出运行，将LX1、LX2短接）。