微机保护的硬件原理
微机继电保护 第一章
三、开关量输出 (DO)回路 实际的微机保护 装置输出跳闸回路中, 需要对跳闸出口继电 器的电源回路采取控 制措施, 同时对光电 隔离回路采用异或逻 辑控制。
图1-23 具有电源控制的跳闸出口继电器输出回路
第一章 微机继电保护装置硬件原理
第五节 微机继电保护的发展趋势 一、微机保护装置的发展 计算机化, 网络化, 保护、控制、测量、数据 通信一体化和人工智能化。 二、微机保护算法和原理的发展 基于故障分量原理的保护(暂态故障分量保护 和工频故障分量保护) 算法 , 小波分析在保护中 的应用, 利用通信技术构成的“广域保护”, 以及模 糊理论、人工神经网络、自适应理论、专家系统 等智能技术在继电保护装置的应用等。
第一章 微机继电保护装置硬件原理
第六节 微机继电保护装置的功能编号 将继电保护装置通过对功能进行详细描述、 定义 。采用ANSI/IEEE Standard C37.2 标准的继 电保护功能编号见表1－1。 表中给出了标准的功能号 , 广泛应用于工程图 例、流程图、操作过程及其他应用书籍中。采用 标准功能编号 , 每个继电器或继电保护装置可细 分为一系列功能 , 方便设计、制造、运行维护等 各个环节 , 简洁易懂。
第一章 微机继电保护装置硬件原理
第四节 开关量输入及输出回路 一、光电隔离 实现两侧电路之间的电气隔离，解决不同逻 辑电平之间的信号传递和控制。 二、开关量输入(DI)回路 用于识别运行方式、运行条件等。开关量状态正 好对应二进制数字的“1” 或 “0”, 开关量可作为数 字量读入。DI接口作用是为开关量提供输入通道, 并在数字保护装置内外部之间实现电气隔离, 一类是装在保护装置面板上的接点，另一类 是从装置外部经过端子排引入装置的接点。
第一章 微机继电保护装置硬件原理
微机保护装置的原理
微机保护装置的原理1.测量采集：微机保护装置首先需要采集电力系统中的各种电气量，如电流、电压、功率等。
通过安装在各种电气设备上的传感器，可以将这些电气量转换为相应的模拟信号。
然后，使用模数转换器将模拟量转换为数字量，供后续处理使用。
2.信号处理：通过采集到的数字量，微机保护装置可以进行信号处理，包括滤波、采样、定标等。
其中滤波是为了滤除噪声和干扰，使得信号更为稳定；采样是为了采集到足够的离散的数据点，以便于后续计算和分析；定标是为了将数字量转换为实际的物理量，以便更好地理解和处理。
3.故障检测：在信号处理之后，微机保护装置通过各种算法和模型进行故障检测。
这些算法和模型是基于电力系统的工作原理和特性进行建立的，可以通过对输入信号的分析和比较来判断系统是否存在故障情况。
例如，可以通过电流和电压的幅值、相位、频率等信息来判断电力设备是否过载、短路等。
4.故障定位：一旦微机保护装置检测到电力系统中存在故障，它可以通过进一步的信号处理和分析来进行故障的定位。
根据电力设备的具体结构和布置，可以通过测量到的电气量和设备的参数计算出故障点的位置，以指导后续的处理和维修。
5.保护动作：最后，当微机保护装置确认存在故障并确定故障位置之后，它会采取相应的保护动作以保护电力设备的安全运行。
这些保护动作通常包括断开故障电路、切除故障负荷和发送报警信号等。
同时，微机保护装置还会记录故障发生的时间、位置和原因等信息，以供后续的故障分析和预防。
总之，微机保护装置通过采集、处理、分析电力系统中的各种电气量来检测故障，定位故障，并最终采取适当的措施以保护电力设备的安全运行。
通过软件算法和模型的支持，微机保护装置能够快速、准确地响应电力系统中的异常情况，并对其进行及时控制和保护。
微机保护原理
一、微机继电保护装置的特点1．可靠性高微机保护的软件设计，考虑到电力系统中各种复杂的故障，具有很强的综合分析和判断能力，几乎就是一个专家智能系统。
而常规保护装置，由于是各种器件组成的，不可能做得很复杂，否则硬件越多，越复杂，本身出故障的概率就越大，可靠性当然就降低了。
另外微机保护装置的自检与巡检功能也大大提高了其可靠性。
2．动作正确率高鉴于计算机软件计算的实时性特点，微机保护装置能保证在任何时刻均不断迅速地采样计算，反复准确地校核。
在电力系统发生故障的暂态时期内，就能正确判断故障，如果故障发生了变化或进一步发展也能及时做出判断和自纠。
如在保护延时动作或重合间延时的过程中都能监视系统故障的变化，因此微机保护的动作正确率很高，运行实践已证明了这点。
3．易于获得各种附加功能由于计算机软件的特点，使得微机保护可以做到硬件和软件资源共享，在不增加任何硬件的情况下，只需增加一些软件就可以获得各种附加功能。
例如在微机保护装置中，可以很方便地附加了低周减载和自动重合闸等自动装置的功能。
4．保护性能容易得到改善由于计算机软件可方便改写的特点，保护的性能可以通过研究许多新的保护原理来得到改善。
而且许多现代新原理的算法，在常规保护中是很难或根本不可能用硬件来实现的。
5．使用灵活、方便目前微机保护装置的人机界面做得越来越好，也越来越简单方便。
例如汉化界面、微机保护的查询、整定更改及运行方式变化等等都十分灵活方便，受到现场继电保护工作入员的普遍欢迎。
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通信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。
三、微机保护的学习方法微机保护专业基础是单片微机原理和电力系统继电保护原理，显然要学好微机保护就得掌握一定的单片微机原理和电力系统继电保护原理。
对于专业入员的培训学习，目前主要的困难还在于单片微机的基本知识。
为了提高培训学习的效率，对于单片微机原理应该抓住单片微机的实质，而不应以单片微机电路的细节为主，要防止钻进去而跳不出来，在具体细节上纠缠不清的现象。
微机保护的基本原理与构成课件
输入；执行通过开关量输出，起动信号、跳闸继电器等，完成保护各种功能。
④ 人机对话接口 用于调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。
包括：打印、显示、键盘及信号灯、音响或语言告警等。
⑤ 电源 电源是微机保护装置重要组成部分，通常采用逆变稳压电源。
3
2、微机保护数据采集系统 A/D式数据采集系统如图所示：
① 电压形成回路 微机继电保护要从被保护对象的电流、电压互感器处取得相应信息。但
这些二次数值、输入范围对典型的微机继电保护电路却不适用，需要降低 和变换。一般采用变换器来实现变换。（微机保护参数的输入范围：0～5V 或4～20mA）
4
② 采样保持与低通滤波 由于微机保护只能对数字量进行运算和判断，所以应将连续模拟量变
为离散量。采样保持电路作用就是在一个极短的时间测出模拟量在该时 刻的瞬时值；并要求在A／D转换期间保持不变。
同时采样：继电保护大多数原理是基于多个输入信号，如三相电流、 三相电压等。在每一个采样周期对通道的量全部同时采样。
5
采样频率：采样间隔 的倒数称为采样频率 。采样频率的选 择是微机保护中的一个关键问题。频率高，采样精确，但对A/D转换器 的转换速度要求也高，投资也就越高。
监控程序主要是键盘命令处理程序，为接口插件及各CPU保护插件进 行调节和整定而设置的程序；接口的运行程序由主程序和定时中断服务程 序构成。主程序完成巡检、键盘扫描和处理、故障信息的排列和打印。
2、保护软件的配置 保护软件含主程序和中断服务程序。 主程序：初始化、自检；保护逻辑判断和跳闸处理。 中断程序：定时采样中断和串行口通信中断服务程序。
第二章微机保护装置硬件原理
第二章微机保护装置硬件原理微机保护装置是一种常见的电力系统保护装置，用于对电力系统进行监控、测量和保护。
它通常由硬件和软件两部分组成，其中硬件部分是保护装置的核心部分。
本章将介绍微机保护装置的硬件原理。
一、微机保护装置的硬件构成微机保护装置的硬件构成包括中央处理器、存储器、输入输出接口、时钟和定时器、外围电路等。
1. 中央处理器（Central Processing Unit, CPU）：中央处理器是微机保护装置的核心部件，它负责执行各种保护算法和逻辑控制，对电力系统进行监测和保护。
中央处理器中通常包含ALU（算术逻辑单元）、控制单元和寄存器等。
2. 存储器（Memory）：存储器用于存储程序、数据和中间结果等信息。
微机保护装置中的存储器通常包括主存储器和辅助存储器。
主存储器用于存储运行时的程序和数据，而辅助存储器用于存储长期保存的程序和数据。
3. 输入输出接口（Input/Output Interface）：输入输出接口用于与外部设备进行数据交换。
微机保护装置的输入输出接口通常包括模拟输入输出接口和数字输入输出接口。
模拟输入输出接口用于处理模拟量数据，如电流、电压等；而数字输入输出接口用于处理数字量数据，如开关状态、报警信号等。
4. 时钟和定时器（Clock and Timer）：时钟和定时器用于对微机保护装置进行时序控制。
时钟用于提供基本的时钟周期，定时器用于进行定时操作，如定时测量、关闭保护装置等。
5. 外围电路（Peripheral Circuit）：外围电路包括电源电路、输入电路和输出电路等。
电源电路用于为微机保护装置提供稳定的供电，输入电路用于对输入信号进行处理和转换，输出电路用于向外部设备输出信号。
二、微机保护装置的工作原理微机保护装置的工作原理主要包括数据采集、信号处理、判决逻辑和输出动作等。
1.数据采集：微机保护装置通过输入接口从电力系统中采集各种信号，如电流、电压、功率、频率等，并将它们转换为数字信号进行处理。
微机继电保护硬件系统的构成与原理
图4 采样保持电路原理
它由一个电子模拟开关K，电容C以及两个阻抗变换 器组成。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 闭合时间应满足使C有足够的充电或放电时间即采样 时间。为了缩短采样时间，这里采用阻抗变换器l， 它在输入端呈现高阻抗，输出端呈现低阻抗，使C上 电压能迅速跟踪等于Ui值。K打开时，电容C上保持 住K打开瞬间的电压，电路处于保持状态。同样为了 提高保持能力，电路中亦采用了另一个阻抗变换器2， 它对C呈现高阻抗。采样保持的过供电1班 第四组
§1.1 微机保护装置硬件系统构成
微机保护装置硬件系统包含以下五个部分： （1）数据采集单元即模拟量输入系统。包括电压形成、模拟滤波、采样保 持、多路转换以及模数转换等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为所需 的数字量的功能。 （2）数据处理单元即微机主系统。包括微处理器、只读存储器、随机存取 存储器以及定时器等．微处理器执行存放在只读存储器中的程序，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。 （3）数字量输入/输出接口即开关量输入输出系统。由若干并行接口、光电 隔离器及中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部 接点输入及人机对话等功能。 （4）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。 （5） 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。 保护装置的硬件示意图如下所示 ：
图5 采样保持过程示意图 Tc为采样脉冲宽度，Ts为采样周期（或称采样间隔）。可见， 采样保持输出信号已经是离散化的模拟量，再经A/D转换后就成 为离散化的数字量。
图5所示采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs。采 样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关 键问题。采样频率越高，要求微处理器的速度 越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采 集系统以采样的频率不断地向微处理器输入数 据，微处理器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作的 各种操作和运算，否则,微处理器将跟不上实时 节拍而无法工作。相反，采样频率过低，将不 能真实反映被采样信号的情况。
微机继电保护装置的硬件原理
在非周期分量的作用下容易饱和，线性度较差，动态 范围也较小。
一般采用电流变换器将电流信号变换为电压信号
第一章 微型机保护的硬件原理
1－2 模拟量输入系统（数据采集系统）
Z 为模拟低通滤波器及A/D 输入端等回路构成的综合 阻抗，在工频信号条件下，该综合阻抗的数值可达 80KΩ 以上
在逻辑输入为高电平时 AS 闭合，此时，电路处于采样 状态。Ch 迅速充电或放电到usr(t)在采样时刻的电压值。 AS 的闭合时间应满足使Ch 有足够的充电或放电时间 即采样时间，显然希望采样时间越短越好。这里，应 用阻抗变换器I 的目的是，它在输入端呈现高阻抗，对 输入回路的影响很小；而输出阻抗很低，使充放电回 路的时间常数很小，保证Ch 上的电压能迅速跟踪到 usr(t)在采样时刻的瞬时值。
跟随器的输入阻抗很高（达1010Ω），输出阻抗很低 （最大6Ω），因而A1对输入信号usr来说是高阻，而在 采样状态时，对电容Ch 为低阻充放电，故可快速采样。 又由于A2 的缓冲和隔离作用，使电路有较好的保持性 能。
第一章 微型机保护的硬件原理
二、采样保持电路和模拟低通滤波器
（二）对采样保持电路的要求
阻抗变换器I 和Ⅱ可由运算放大器构成。
TC 称为采样脉冲宽度，TS 称为采样间隔（或称采样 周期）。
等间隔的采样脉冲由微型机控制内部的定时器产生。
第一章 微型机保护的硬件原理
二、采样保持电路和模拟低通滤波器
（二）对采样保持电路的要求
1）Ch 上电压按一定的精度（如误差小于0.1％）跟踪上 Usr 所需要的最小采样宽度Tc（或称为截获时间），对 快速变化的信号采样时，要求Tc 尽量短，以便可用很 窄的采样脉冲，这样才能更准确地反映某一时刻的Usr 值。
微机保护的硬件原理和算法
1 1 1
1 1 1
A 1 a2 1 a
a a2
,
A1
1 3
1 1
a a2
a
2
a
31
第四节 傅立叶级数算法
采用对称分量矩阵表达后，三相分解为正负零序的关系 可以表达为
U•
0 ,1, 2
A
1 U•
A,B,C
三序合成为三相就是逆的过程
U•
A,B,C
A
第三章 微机保护的算法
第一节 概述
定义
根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行 分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方 法称为算法
分类
根据采样值计算出保护需要的量值，求电压、电流、 再计算阻抗，然后和定值比较
直接模拟模拟型保护判据，判断故障是否在区内。
评价指标 精度和速度
1
第三章 微机保护的算法
i2
i(n2TS
)
应为2wI nsi1nTs(n2TS
0I
)
2
2I
sin(1I
)
2
2I cos1I
3
第二节 假定输入为正弦量的算法
2I 2 i12 i22 2U 2 u12 u22
阻抗模值和幅角
tg1I
i1 i2
tg1U
u1 u2
Z U I
u12 u22 i12 i22
Z
1U
1I
i1
1 TS
(in1
in )
u1
1 TS
(un1 un )
为了保证精度，该点的瞬时值要和求导数的值位于同
一点，瞬时值用前后两点的平均值代替
i1
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不区分微机、单片机、微处理器
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3
第一章 微机保护的硬件原理
第二节 数据采集系统
为模数转换（AD）做准备、转换模拟量为数字 量
适应电力系统故障信号特点
频谱分布宽广：从直流、衰减直流、工频基波分量到各 次谐波（最高到数百千赫兹）在内的暂态信号
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10
第二节 数据采集系统
2－2 采样保持电路和模拟低通滤波 器
采样保持电路的作用及原理
定义：采样保持电路（S/H,Sampling and Holding）是在极短时间内测量模拟量在该时刻的 瞬时值，并在模拟－数字转换器进行转换的期间 保持输出不变的一个电路
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第二节 数据采集系统
第一章 微机保护的硬件原理
第一节 概述
1.微机保护的硬件系统包括以下三部分：
数据采集系统（或称模拟量输入系统）：包括电压形 成、采样保持、多路开关及数模转换。
微型机（或微处理器）主系统：包括微处理器、程序 存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器、并串 接口等。
开关量输入输出系统：由微型机的并行接口、光电隔 离器件及有触点的中间继电器等组成。完成保护需要 的外部触点接入、出口跳闸、人机对话等功能。 图1－1 示出了微机保护硬件构成框图
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1
第一节 概述
图1－1 微机保护硬件构成框图
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第一节 概述
2. 微机保护用硬件特点
集成微处理器（MPU）、只读存储器(ROM)、随 即存取存储器(RAM)、定时器、模数转换器(AD)、 并行接口(PIO)、闪存单元(FLASH)、数字信号处 理器(DSP)、通信接口等多种功能集成在一个芯片 内的单片机系统。
一般来讲，要求快速捕获，采样周期短，电容要小 一些；
慢速捕获，采样周期长，电容大一些，稳定性好， 抗杂散电容影响能力强。
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第二节 数据采集系统
1－保持下降率 2－保持跳变误差 3－0.1％误差的截获时间 4－充电速率 5－频带 例子：若取Ch为0.01uf，则保持 下降率为2mV/S，微机保护采样 速率高于2mS，没问题；而截获 时间为20微妙，误差相当于工频 0.36度，也没有问题。 但是对于高频采集－行波采集就 不行了！！ 需要提醒的是：Ch经常需要外接
动态范围宽广：从正常运行的几十安培到短路状态下的 几万安培甚至几十万安培
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4
第一章 微机保护的硬件原理
适应继电保护特点要求
模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则 典型的高压线路保护需要：三相电流、零序电流；三相
电压、线路侧线间电压； 典型的三绕组变压器差动保护需要：每一绕组侧的三相
负载阻抗可忽略不及，故一次电流全部作为励磁电
流。此时有以下关系：
.
.
U ocI1(R mjX)//(Z'3R')
Z b r (R m jX )//(Z '3 R ')
总体效果相当于
.
.
U oc I1 jX
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第二节 数据采集系统
因此电抗变能够将一次电流的基波分量成比例地转
换成二次侧电压。但放大了谐波分量，阻止了直流和
把小于1安～100安的电流变换为适合AD转换需要 的正负2.5伏、正负5伏、正负10伏的电压
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第二节 数据采集系统
变换器
电压变换器
用于将一次电压变换成微机保护模数转换（AD）用的电 压，普通变压器原理。
电流变换器：用于电流－电流－电压
用于将一次电流变换成微机保护模数转换（AD）用的电 压。普通变压器原理，把电流变换成电流，再把一个小电阻 并联在该变压器的二次侧，形成电压。
组成：它由电子模拟开关AS、保持电容器及两个 阻抗变换器组成。Ch的作用是记忆AS闭合时刻的 电压，并在AS打开后保持该电压。阻抗变换器I在 Ch端提供低阻抗，使得Ch电压建立迅速，而在输 入端呈现高阻抗，以尽量减少对输入回路的影响； 阻抗变换器11在Ch端提供高阻抗，使得Ch衰减缓 慢，而在后边呈现低阻抗以提高带负载的能力。
低频分量。严格讲是失真变换。
电流变换器和电抗变压器的比较
电流变换器能够不失真地变换电流成为电压，但是在出 现非周期分量、衰减直流分量时，容易饱和，线性度差， 动态范围小
电抗变压器具有阻止直流、放大谐波的作用，因此当一 次波形为非正弦时，二次将发生严重畸变。但是它的动 态范围宽广、铁心不易饱和、具有移相作用。在某些场 合下还是有用的。
要求该变压器的铁心不饱和。
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第二节 数据采集系统
电抗变压器：用于直接获取电压
它的原理结构、原理图及等值电路如图1－2所示
图1－2 电抗变压器的原理结构与等值电路图
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第二节 数据采集系统
它的铁心带有气隙、具有三个绕组的变压器。由于
存在气隙，励磁电抗数值很小，相对而言很大的二次
图1－4采样保持电路的性能与电容Ch的关系曲线
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第二节 数据采集系统
采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用
等步长采样和变步长采样
对于电网频率波动小，采样精度要求不是很高的场合，常采用等 步长采样
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第二节 数据采集系统
图1－3 采样可保编持辑p电pt 路及工作过程
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第二节 数据采集系统
工作过程：微机采样定时器等间隔地产生采样脉 冲进行采样，得到采样信号，采样后信号在下次 采样脉冲到来之前应保持不变，形成稳定的阶梯 状采样保持信号，等待A/D转换。
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第二节 数据采集系统
对采样保持电路的
量短，以适应最小采样宽度要求Tc
u
保持时间要长，通常用下降率来表示保持能力 T s T c
模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电
流要小
前两个指标取决于阻抗变换器和保持电容的性能， 就捕获而言，越小越好；就保持而言越大越好。
电流
因此，微机保护是一个多模拟量输入系统
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第二节 数据采集系统
2－1 电压形成回路
要求
继电保护所使用的电压、电流都是来自于电压互 感器（100伏、线间电压）和电流互感器（额定电 流5安或1安，短路电流100安）
把100伏左右的电压变换为适合AD转换需要的正负 2.5伏、正负5伏、正负10伏的电压；