繼電保護(hù)1微機(jī)保護(hù)基本硬件構(gòu)成

繼電保護(hù)1微機(jī)保護(hù)基本硬件構(gòu)成第一頁(yè)，共54頁(yè)。參考書(shū)目:《微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)》楊奇遜黃少峰《電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)》高亮《微型機(jī)繼電保護(hù)原理》張舉《微機(jī)繼電保護(hù)原理》陳德樹(shù)《RCS900系列超高壓線路成套保護(hù)裝置》第二頁(yè)，共54頁(yè)。

概述一、微機(jī)保護(hù)的發(fā)展微機(jī)保護(hù)的發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)階段：硬件設(shè)計(jì)重點(diǎn)使總線系統(tǒng)更隱蔽，提高抗干擾水平。軟件、算法也取得很多理論成果。第一階段：?jiǎn)蜟PU結(jié)構(gòu)，幾塊印刷電路板由總線相連組成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，總線暴露在印刷電路板之外。WXB-01第三頁(yè)，共54頁(yè)。一、微機(jī)保護(hù)的發(fā)展第二階段：多CPU結(jié)構(gòu)，每塊印刷電路版以CPU為中心組成一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“總線不出插件”。WXB-11第三階段：一種特殊單片機(jī)DSP(數(shù)字信號(hào)處理器），將總線系統(tǒng)與CPU一起封裝在一個(gè)集成電路塊中，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)“總線不出芯片”。RCS，LFP，CSL系列。第四頁(yè)，共54頁(yè)。我國(guó)微機(jī)保護(hù)市場(chǎng)我國(guó)自主研制較為有實(shí)力的四大集團(tuán)公司為南瑞、許繼、南自、四方，南自在主變保護(hù)等保護(hù)領(lǐng)域?qū)嵙^強(qiáng)。許繼在線路保護(hù)實(shí)力很強(qiáng)，南瑞在主站及自動(dòng)化監(jiān)控方面實(shí)力很強(qiáng)。四方也主要是在保護(hù)方面實(shí)力較強(qiáng)。國(guó)外的企業(yè)如西門子、施耐德、ABB等第五頁(yè)，共54頁(yè)。二、微機(jī)保護(hù)的構(gòu)成與特點(diǎn)1.微機(jī)保護(hù)的構(gòu)成

微機(jī)保護(hù)主要由兩部分構(gòu)成：

硬件系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量輸入輸出、人機(jī)接口、通信及電源等軟件算法及原理：數(shù)字濾波器、算法、保護(hù)原理、邏輯判斷等。第六頁(yè)，共54頁(yè)。二、微機(jī)保護(hù)的構(gòu)成與特點(diǎn)2.微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)（1）維護(hù)調(diào)試方便（2）可靠性高（3）易于獲得附加功能（4）靈活性大（5）保護(hù)性能得到很好改善（6）經(jīng)濟(jì)性好第七頁(yè)，共54頁(yè)。2.微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)（１）維護(hù)調(diào)試方便整流型或集成電路型繼電保護(hù)裝置的調(diào)試工作量很大，尤其是一些復(fù)雜的保護(hù)，調(diào)試時(shí)間常常需要一周甚至更長(zhǎng)。微機(jī)保護(hù)硬件是由單片機(jī)和相關(guān)外設(shè)構(gòu)成，復(fù)雜的保護(hù)功能是由相應(yīng)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。保護(hù)裝置對(duì)硬件和軟件都具有自診斷功能。通常只要給上電源后沒(méi)有警報(bào)，就可確認(rèn)裝置是完好的。所以對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置而言除了輸入和修改定值外幾乎不用調(diào)試。第八頁(yè)，共54頁(yè)。（2）可靠性高計(jì)算機(jī)在程序引導(dǎo)下，有極強(qiáng)的綜合分析和判斷能力，它可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和排除干擾，能夠自動(dòng)檢測(cè)出本身硬件的異常部分，因此可靠性很高。第九頁(yè)，共54頁(yè)。（3）易于獲得附加功能 給微機(jī)保護(hù)配置一臺(tái)打印機(jī)等其它顯示設(shè)備或提供通信接口，可以在系統(tǒng)發(fā)生故障后提供多種信息：保護(hù)各部分的動(dòng)作順序、動(dòng)作時(shí)間、故障類型、相別及故障前后電壓和電流的波形記錄等。第十頁(yè)，共54頁(yè)。（4）靈活性大 微機(jī)保護(hù)的功能由軟件決定（不同原理的保護(hù)可以采用通用的硬件），因此，只要改變軟件就可以改變保護(hù)的特性和功能，從而靈活地適應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化。第十一頁(yè)，共54頁(yè)。（5）保護(hù)性能得到很好改善 微機(jī)的應(yīng)用使傳統(tǒng)的繼電保護(hù)中存在的很多技術(shù)問(wèn)題得到新的解決方法。如接地距離保護(hù)承受過(guò)渡電阻能力的改善，距離保護(hù)如何區(qū)分振蕩和短路，變壓器差動(dòng)保護(hù)如何識(shí)別勵(lì)磁涌流等。

第十二頁(yè)，共54頁(yè)。（6）經(jīng)濟(jì)性好計(jì)算機(jī)硬件的性能不斷提高而價(jià)格一直在下降。而且，微機(jī)保護(hù)是一個(gè)可編程序的裝置，它能實(shí)現(xiàn)多種功能，使硬件種類大大減少。這樣，在經(jīng)濟(jì)性方面顯然優(yōu)于傳統(tǒng)保護(hù)。第十三頁(yè)，共54頁(yè)。1.1概述一般微機(jī)保護(hù)裝置采用插件式結(jié)構(gòu)（分為前插式和后插式），各插件之間通過(guò)底板走線實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)系。這樣設(shè)計(jì)即考慮了現(xiàn)場(chǎng)使用的便利性又提高了裝置的可靠性。第一章硬件系統(tǒng)第十四頁(yè)，共54頁(yè)。第十五頁(yè)，共54頁(yè)。南瑞繼保RCS-900系列線路成套快速保護(hù)裝置第十六頁(yè)，共54頁(yè)。國(guó)電南自WBZ-500H數(shù)字式變壓器保護(hù)裝置第十七頁(yè)，共54頁(yè)。1-1概述一．微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(信息預(yù)處理)數(shù)字處理系統(tǒng)（CPU主系統(tǒng)）開(kāi)關(guān)量輸入、輸出人機(jī)接口通信接口電源將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量

由微處理器執(zhí)行存放在EPROM中的程序，對(duì)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至RAM區(qū)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以完成各種繼電保護(hù)的功能。

完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號(hào)警報(bào)、外部開(kāi)關(guān)量的輸入有人機(jī)對(duì)話等功能。包括顯示器、鍵盤、各種面板開(kāi)關(guān)、實(shí)時(shí)時(shí)針等。用于人機(jī)對(duì)話,如調(diào)試、定值調(diào)整等。包括維護(hù)口、監(jiān)控系統(tǒng)接口、錄波系統(tǒng)接口等，滿足各種通信規(guī)約?？梢圆捎瞄_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源或DC/DC電源模塊，提供+5V，+24V，±15V電源。第十八頁(yè)，共54頁(yè)。微機(jī)保護(hù)硬件整體結(jié)構(gòu)插件式結(jié)構(gòu)：各插件之間通過(guò)底板走線實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)系。電源模塊及開(kāi)入量插件開(kāi)關(guān)量輸入提供+5V和+24V電源CPU插件開(kāi)關(guān)量輸出操作回路插件外部回路交流量輸入與濾波插件電壓電流數(shù)字量電壓電流模擬量顯示板提供人機(jī)接口第十九頁(yè)，共54頁(yè)。1.1、硬件系統(tǒng)概述1.數(shù)據(jù)采集單元:將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。電壓形成模擬濾波采樣保持多路轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換第二十頁(yè)，共54頁(yè)。1.1、硬件系統(tǒng)概述2.數(shù)據(jù)處理單元:

微處理器對(duì)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以完成各種繼電保護(hù)的功能。第二十一頁(yè)，共54頁(yè)。1.1、硬件系統(tǒng)概述2.數(shù)據(jù)處理單元:微處理器（CPU）數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）只讀存儲(chǔ)器（ROM）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）閃存單元（FLASH）定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）并行接口（PIO）通信接口等多種功能。第二十二頁(yè)，共54頁(yè)。1.1、硬件系統(tǒng)概述3.數(shù)字量輸入輸出接口:并行接口光電隔離器中間繼電器等

完成保護(hù)的出口跳閘、警報(bào)、外部接點(diǎn)輸入及人機(jī)對(duì)話等功能。第二十三頁(yè)，共54頁(yè)。4、人機(jī)接口：5.通信接口:

包括通信接口電路及接口以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信或聯(lián)網(wǎng)。6.電源:

供給微處理器、數(shù)字電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片及繼電器所需的電源。包括維護(hù)口、監(jiān)控系統(tǒng)接口、錄波系統(tǒng)接口等，滿足各種通信規(guī)約。第二十四頁(yè)，共54頁(yè)。第二節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換的前期準(zhǔn)備、轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量。完成輸入信號(hào)的預(yù)處理。即對(duì)取自被保護(hù)元件的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行必要的處理并將其變成離散信號(hào)，最后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入給微處理機(jī)。作用：第二十五頁(yè)，共54頁(yè)。第二節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適應(yīng)繼電保護(hù)原理要求模擬量設(shè)置應(yīng)滿足保護(hù)功能要求。典型的高壓線路保護(hù)需要：三相電壓、電流；零序電壓、電流；線路側(cè)電壓。典型的差動(dòng)保護(hù)需要：每一側(cè)的三相電流。要求：微機(jī)保護(hù)是一個(gè)多模擬量輸入系統(tǒng)。第二十六頁(yè)，共54頁(yè)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(模擬量輸入系統(tǒng))的兩種方式電壓形成ALFS/H多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S/HALF電壓形成A/DCPU總線………來(lái)自TVTA二次（a）電壓形成VFC計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器VFC電壓形成………來(lái)自TVTA二次CPU總線（b）（a）逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換方式（b）VFC原理的A/D轉(zhuǎn)換方式第二十七頁(yè)，共54頁(yè)。一、逐次逼近原理的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電壓形成回路低通濾波回路（ALF）采樣保持回路（S/H）多路轉(zhuǎn)換器（MPX）模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）回路第二十八頁(yè)，共54頁(yè)。1、電壓形成

微機(jī)保護(hù)要從被保護(hù)的電力線路或設(shè)備的電流互感器、電壓互感器上取得信息，其額定參數(shù)一般為：交流電壓：相電壓——100/sqrt(3)V;

線路抽取電壓——100V或100/sqrt(3)V;交流電流：5A或1A（電流范圍最大一般可按20In或40In考慮）第二十九頁(yè)，共54頁(yè)。1、電壓形成

互感器二次數(shù)值的輸入范圍對(duì)微機(jī)保護(hù)硬件電路不適用，故需降低和變換。一般采用中間變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)以上的變換。電壓變換：100V±5V(2.5V、10V)電流變換：20In±5V(2.5V、10V)第三十頁(yè)，共54頁(yè)。1、電壓形成回路－隔離變換

(a)電壓變換器；(b)電流變換器(c)電抗變換器··

TV二次回路····

TA二次回路

TA二次回路R第三十一頁(yè)，共54頁(yè)。1、電壓形成回路－典型接線

第三十二頁(yè)，共54頁(yè)。2、模擬低通濾波器前置低通濾波器又稱為抗混疊濾波器。可將該濾波器的截止頻率設(shè)置為1/2fs，這樣在給定采樣頻率下所不能反映的高頻信號(hào)分量被濾除。UiC1C2UoR1R2（a）fs（b）f0第三十三頁(yè)，共54頁(yè)。有源濾波器特點(diǎn)：通帶較平坦，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元件少，運(yùn)算放大器頻率特性偏離濾波器頻率特性不易引起振蕩，但元件參數(shù)變化時(shí)對(duì)濾波器影響較大，適用于Q值要求較低的場(chǎng)合。+-AR1R2C2R3R4=R3(K-1)C1UiUo第三十四頁(yè)，共54頁(yè)。2、模擬低通濾波器由此，根據(jù)采樣頻率的選擇以及低通濾波器截止頻率的設(shè)置，可限制輸入信號(hào)的最高頻率，將CPU的采樣頻率降低，即降低了對(duì)CPU運(yùn)算速度的苛刻要求，對(duì)整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)有利。第三十五頁(yè)，共54頁(yè)。3、采樣保持采樣：將一個(gè)連續(xù)的時(shí)間信號(hào)（正弦波信號(hào)）變成離散的時(shí)間信號(hào)（采樣信號(hào)）采樣間隔Ts稱為采樣周期fs=1/Ts為采樣頻率第三十六頁(yè)，共54頁(yè)。tti(t)i"(t)i(t)ti"(t)采樣過(guò)程描述第三十七頁(yè)，共54頁(yè)。3、采樣保持采樣保持電路（S/H:SamplingandHolding）的作用是在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)測(cè)量模擬輸入量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換期內(nèi)保持其輸出不變。即把隨時(shí)間連續(xù)變化的電氣量離散化。第三十八頁(yè)，共54頁(yè)。3.采樣保持開(kāi)關(guān)K受邏輯輸入端電平控制。在高電平時(shí)K閉合，此時(shí)，電路處于采樣狀態(tài)，C迅速充電或放電到電容上電壓等于該采樣時(shí)刻的電壓值(Ui)。K的閉合時(shí)間應(yīng)滿足采樣時(shí)間。一個(gè)電子模擬開(kāi)關(guān)K保持電容器C兩個(gè)阻抗變換器阻抗變換器2阻抗變換器1CUiUoK邏輯輸入第三十九頁(yè)，共54頁(yè)。3.采樣保持阻抗變換器I：輸入端呈現(xiàn)高阻抗（使得輸入電壓全部降落在電容C上），輸出端呈現(xiàn)低阻抗（電容C上能迅速完成充電）；阻抗變換器II：輸入端呈現(xiàn)高阻抗（使電容C上電壓具有保持能力），輸出端呈現(xiàn)低阻抗（提高帶負(fù)載能力）。阻抗變換器2阻抗變換器1CUoK邏輯輸入U(xiǎn)i第四十頁(yè)，共54頁(yè)。3.采樣保持Tc為采樣脈沖寬度，Ts為采樣周期（或采樣間隔）。采樣后信號(hào)在下次采樣脈沖到來(lái)之前保持不變，形成穩(wěn)定的階梯狀采樣保持信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后就成為離散化數(shù)字量。第四十一頁(yè)，共54頁(yè)。4、模擬量多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(MPX)

由于模數(shù)變換器復(fù)雜及價(jià)格昂貴，通常不宜對(duì)各路電壓、電流模擬量采用同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換，而是采用多路S/H共用一個(gè)A/D變換器，中間經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換，輪流由公用的A/D變換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。第四十二頁(yè)，共54頁(yè)。4、模擬量多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（MPX)保護(hù)需要多個(gè)模擬量輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換器是貴重的元器件電路板設(shè)計(jì)希望采用盡量少的芯片多路轉(zhuǎn)換是一個(gè)簡(jiǎn)單、常采用的芯片MPX是一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，接入很多的模擬量，僅把其中的一路送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器去轉(zhuǎn)換。不同的模擬量通過(guò)“分時(shí)”的方式完成模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程。（實(shí)際上由于前置的S/H環(huán)節(jié)，各模擬量是同步的）第四十三頁(yè)，共54頁(yè)。4模擬量多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（MPX)A0~A3是路數(shù)選擇線接CPU，控制哪一路選通；1＃～N＃是電子開(kāi)關(guān)；u1~ui16是模擬量輸入；En是始能端。譯碼/驅(qū)動(dòng)UoUi1Uin輸入1#N#……EnA0A1A2A3輸出Upp（+15V）Uss（-15V）第四十四頁(yè)，共54頁(yè)。5、A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換器采樣后所得的是離散的模擬量，要為計(jì)算機(jī)采用還需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程實(shí)際上就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行量化和編碼的過(guò)程。量化：就是把時(shí)間上離散而數(shù)值上連續(xù)的模擬信號(hào)以一定的準(zhǔn)確度轉(zhuǎn)換為時(shí)間上和數(shù)字上都離散化的等效數(shù)值。編碼：把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值用二進(jìn)制數(shù)、BCD碼或其他碼來(lái)表示。第四十五頁(yè)，共54頁(yè)。

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理框圖

-+D/A轉(zhuǎn)換器輸入電壓UR比較器控制器數(shù)碼設(shè)定器數(shù)碼輸出Uo第四十六頁(yè)，共54頁(yè)。

逐次逼近式A/D(比較式）

將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入量UR相對(duì)于參考電壓UO經(jīng)過(guò)一個(gè)編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D。參考電壓由D／A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得。其參考電壓值的取值采用二分法，一直比較到最末位為止。此時(shí)，D／A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入即為對(duì)應(yīng)模擬輸入信號(hào)的數(shù)字量。第四十七頁(yè)，共54頁(yè)。4位A/D轉(zhuǎn)換的逼近過(guò)程示意圖

1000UR>UOUR<UO第一次設(shè)定數(shù)碼：11000100第二次設(shè)定數(shù)碼：UR>UOUR<UOUR<UOUR>UO1110101001100010第三次設(shè)定數(shù)碼：11111101101110010111010100110001第四次設(shè)定數(shù)碼：>>>><<