微型机继电保护基础杨奇逊Word格式文档下载.docx
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随即，河北省电力局在石家庄、定州、保定之间的两条双回线上全部采用了微机保护。
经过研究、制造人员和东北电管局、河北省电力局及继电保护领域许多技术人员的积极配合与共同努力下，微机保护很快就进入了推广和应用阶段，翻开了国内微机保护应用的新篇章。
经过十几年的研究、应用、推广与实践，现在，新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品，继电保护领域的研究部门和制造厂家已经完全转向进行微机保护的研究与制造，出现了百花齐放、百家争鸣的竞争与发展共存的良好局面。
与此同时，在微机保护和网络通信等技术结合后，变电站综合自动化系统、配网自动化系统也已经在全国电力系统中得到了广泛的应用，将保护、测量、控制、录波、监视、通讯、调节、报表和防误操作等多种功能融为一体，为电力系统的安全、稳定和可靠、经济运行奠定了基础，为电网高质量的电能传输和供电提供了良好的技术保障，也为变电站实现无人或少人值班创造了必要的条件。
预计未来几年内，微机保护将朝着高可靠性、简便性、开放性、通用性、灵活性和网络化、智能化、模块化、动作过程透明化方向发展，并可以方便地与电子式互感器、光学互感器[195]，[220]实现连接，同时，要跳出传统的“继电器”概念，充分利用计算机的计算速度、数据处理能力、通信能力和硬件集成度不断提高等各方面的优势，结合模糊理论、自适应原理、行波原理、小波技术和波形特征等，设计出性能更为优良和维护工作量更少的微机保护设备。
二、微机继电保护装置的特点
1．维护调试方便
在微机保护应用之前，整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂的保护，例如超高压线路的保护设备，调试一套保护常常需要一周，甚至更长的时间。
究其原因，这类保护装置都是布线逻辑的，保护的每一种功能都由相应的硬件器件和连线来实现。
为确认保护装置是否完好，就需要把所具备的各种功能都通过模拟试验来校核一遍。
微机保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功能是由相应的软件（程序）来实现的。
换言之，它是用一个只会做几种单调的、简单操作（如读数，写数以及简单的运算）的硬件，配以软件，把许多简单操作组合而完成各种复杂功能的。
因而只要用几个简单的操作就可以检验微机的硬件是否完好。
或者说如果微机硬件有故障，将会立即表现出来。
如果硬件完好，对于已成熟的软件，只要程序和设计时一样（这很容易检查），就必然会达到设计的要求，用不着逐台做各种模拟试验来检验每一种功能是否正确。
实际上如果经检查，程序和设计时的完全一样，就相当于布线逻辑的保护装置的各种功能已被检查完毕。
第四章将介绍微机保护装置具有很强的自诊断功能，对硬件各部分和程序（包括功能、逻辑等）不断地进行自动检测，一旦发现异常就会发出警报。
通常只要给上电源后没有警报，就可确认装置是完好的。
所以对微机保护装置可以说几乎不用调试，从而可大大减轻运行维护的工作量。
2．可靠性高
计算机在程序指挥下，有极强的综合分析和判断能力，因而它可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动地识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。
另外它有自诊断能力，能够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动，因此可靠性很高。
目前，国内设计与制造的微机保护均按照国际标准的电磁兼容试验（EMC）来考核，进一步保证了装置的可靠性。
3．易于获得附加功能
应用微型机后，如果配置一个打印机，或者其它显示设备，或通过网络连接到后台计算机监控系统，可以在电力系统发生故障后提供多种信息。
例如保护动作时间和各部分的动作顺序记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等。
对于线路保护，还可以提供故障点的位置（测距）。
这将有助于运行部门对事故的分析和处理。
4.灵活性大
由于微机保护的特性主要由软件决定（不同原理的保护可以采用通用的硬件），因此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运行方式的变化。
5．保护性能得到很好改善
由于微型机的应用，使很多原有型式的继电保护中存在的技术问题，可找到新的解决办法。
例如对接地距离保护的允许过渡电阻的能力，距离保护如何区别振荡和短路，大型变压器差动保护如何识别励磁涌流和内部故障等问题都已提出了许多新的原理和解决方法。
可以说，只要找出特征的区别方案，微机保护基本上都能予以实现。
第一章微型机保护的硬件原理
1－1概述
微型机保护系统的硬件一般包括以下三大部分。
（1）数据采集系统（或称模拟量输入系统）
包括电压形成、模拟滤波、采样保持（S/H）、多路转换（MPX）以及模数转换（A/D）等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为所微型机能够识别的数字量。
（2）微型机主系统
包括微处理器（MPU）、只读存储器（ROM）或闪存内存（FLASH）、随机存取存储器（RAM）、定时器、并行接口以及串行接口等。
微型机执行编制好的程序，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析、处理，完成各种继电保护的测量、逻辑和控制功能。
（3）开关量（或数字量）输入／输出系统
由微型机的并行接口（PIA或PIO）、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部触点输入、人机对话及通讯等功能。
图1—l为一种典型的硬件结构示意框图。
目前，随着集成电路技术的不断发展，已有许多单一芯片将微处理器（MPU）、只读存储器（EPROM）、随机存储器（RAM）、定时器、模数转换器（A/D）、并行接口适配器（PIO）、闪存单元（FLASH）、数字信号处理单元（DSP，DigitalSignalProcessor）、通讯接口等多种功能集成于一个芯片内，构成了功能齐全的单片微型机系统，为微机保护的硬件设计提供了更多的选择。
其中，还出现了芯片对外连线已没有了任何数据、地址和控制总线的微型机，实现了“总线不出芯片”的设计，这种芯片的应用将有利于提高微机保护设备的可靠性和抗干扰性能。
在集成电路技术飞速发展、单芯片功能越来越强的情况下，本书不对微型计算机、单片机、微控制器等几个概念进行界定，而统一称为微型机，或沿用CPU的简称。
由于介绍微型机方面的书籍很多，读者可自行参考，所以，本书只分别介绍除微型机
主系统以外的各子系统的电路构成原理及其设计原则。
1－2模拟量输入系统（数据采集系统）
一、电压形成回路
微机保护模拟量的设置应以满足保护功能为基本准则，输入的模拟量与计算方法结合后，应能够反应被保护对象的所有故障特征。
以高压线路保护和三卷变压器差动保护为例，由于高压线路保护一般具备了全线速动保护（如高频保护或光纤电流纵联差动保护）、距离保护、零序保护和重合闸的功能，所以，模拟量一般设置为Ia、Ib、Ic、3I0、Ua、Ub、Uc、Ux共8个模拟量，其中，Ia、Ib、Ic、3I0、Ua、Ub、Uc用于构成保护的功能，Ux为断路器的另一侧电压，用于实现重合闸功能；
对于三卷变压器的差动保护，至少应该接入三侧的三相电流，共9个模拟量。
微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得信息，但这些互感器的二次数值、输入范围对典型的微机电路却不适用，故需要降低和变换。
在微机保护中，通常根据模数转换器输入范围的要求，将输入信号变换为±
5V或±
10V的电压信号。
因此，一般采用中间变换器来实现以上的变换。
交流电压信号可以采用电压变换器；
而将交流电流信号变换为成比例的电压信号，可以采用电抗变换器或电流变换器，二者各有优缺点。
1．电抗变换器具有阻止直流、放大高频分量的作用，因此当一次流过非正弦电流时，其二次电压波形将发生严重的畸变，这是所不希望的。
电抗变换器的优点是线性范围较大，铁芯不易饱和，有移相作用，另外，其抑制非周期分量的作用在某些应用中也可能成为优点。
2．电流变换器最大优点是，只要铁芯不饱和，则其二次电流及并联电阻上的二次电压的波形可基本保持与一次电流波形相同且同相，即它的传变可使原信息不失真。
这点对微机保护是很重要的，因为只有在这种条件下作精确的运算或定量分析才是有意义的。
至于移相、提取某一分量或抑制某些分量等，在微机保护中，根据需要可以容易地通过软件来实现。
电流中间变换器的缺点是，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，这在设计和使用中应予以注意。
综合比较电抗变换器和电流变换器的优缺点后，在微机保护中，一般采用电流变换器将电流信号变换为电压信号，当然，也有采用电抗变换器的。
采用电流变换器时，连接方式如图1－2所示。
图中，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；
RLH为电流变换器二次侧的并联电阻，数值为几欧姆到十几欧姆，远远小于Z。
因为RLH与Z的数值差别很大，所以，由图1－2可得：
于是，在设计时，相关参数应满足下列条件：
式（1－1）和（1－2）中，RLH为并联电阻；
nLH为电流变换器的变比；
i1max为电流变换器原边电流的最大瞬时值；
Umax为A/D转换器在双极性输入情况下的最大正输入范围，例如A/D的输入范围为±
5V，则Umax＝5V。
通常，在中间变换器的原边和副边之间，应设计一个屏蔽层，并将屏蔽层可靠地与地网连接，以便提高交流回路抗共模干扰的能力。
在共模干扰情况下（差模和共模干扰的示意图参阅图4－1），等效电路如图1－3所示，其中，C1、C2为变换器两侧与屏蔽层之间的等效电容，ZL为交流输入传输导线的等效阻抗，Zf为设备对地的等效阻抗，Zg为接地阻抗（一般要求Zg小于0.5Ω）。
由于Zg很小，所以，由电路的基本分析可以知道，共模干扰信号对变换器二次侧的影响得到了极大的抑制。
这样，这些中间变换器还起到屏蔽和隔离的作用，可提高交流回路的可靠性。
顺便指出，在一些需要采集直流信号的场合，通常采用霍尔元件实现变换和隔离。
二、采样保持电路和模拟低通滤波器
（一）S/H电路的作用及原理
S/H（Sample/Hold）电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入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内保持其输出不变。
S/H电路的工作原理可用图1－4（a）来说明。
它由一个电子模拟开关AS、保持电容Ch以及两个阻抗变换器组成。
模拟开关AS受逻辑输入端的电平控制，该逻辑输入就是采样脉冲信号。
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。
AS打开时，电容Ch上保持住AS闭合时刻的电压，电路处于保持状态。
同样，为了提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器Ⅱ，它在Ch侧呈现高阻抗，使Ch对应充放电回路的时间常数很大，而输出阻抗（usc侧）很低，以增强带负载能力。
阻抗变换器I和Ⅱ可由运算放大器构成。
图l－4（b）中，TC称为采样脉冲宽度，TS称为采样间隔（或称采样周期）。
采样保持的过程如图l－4（b）所示。
由微型机控制内部的定时器产生一个等间隔的采样脉冲，如图中的“采样脉冲”，用于对“信号”（模拟量）进行定时采样，从而得到反映输入信号在采样时刻的信息，即图中的“采样信号”，随后，在一定时间内保持采样信号处于不变的状态，以便进行模数转换。
（二）对采样保持电路的要求
高质量的采样保持电路应满足以下几点。
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。
2）保持时间要长。
通常用下降率
来表示保持能力。
3）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。
上述1）和2）两个指标一方面决定于图1—4（a）中所用阻抗变换器的质量，另一方面也和电容器Ch的容量有关。
就截获时间来说，希望Ch越小越好，但必须远大于杂散电容；
就保持时间而言，Ch大一些更有利。
因此设计者应根据使用场合的特点，在二者之间权衡后，选择合适的Ch值，同时，要求选择漏电流小的Ch电容。
下面通过图l—5所示的一种典型采样保持器的特性曲线，进一步说明采样保持电路的性能与电容Ch大小的关系。
由图l－5可见，Ch不宜用太小的值，这不仅因为保持能力随Ch下降而下降（图中曲线1），还因为Ch和采样脉冲输入电路之间不可避免地会通过一定的分布电容产生耦合。
因而，从采样状态转到保持状态的瞬间，采样脉冲由高电平变到低电平，这种电平的跳变可能要通过分布电容的耦合影响Ch的保持值，由于这种原因造成的误差叫保持跳变误差（holdstep）。
不难理解，Ch值越小，保持跳变误差越大（图中的曲线2）。
对微机保护来说，通常可选用Ch＝0.0lųF，此时从曲线l可见，保持下降率约为2mV／s，完全可以忽略（以后将看到保护系统的采样间隔一般不大于2ms），而达到0.1％的采样跟踪精度所需的最小截获时间约为20μS，仅相当于工频的0.36º
，这是完全允许的。
应当说，随着集成电路技术的发展，最小截获时间可以大大缩小。
目前，已有将整个采样保持电路集成在一块芯片上的器件，但其中不包括采样电容Ch（需外接），一方面是因为用集成电路构成电容困难，另一方面是为了增加设计的灵活性。
可根据不同的应用场合，选用不同容量的电容Ch。
图1—6就是一种型号为LF－398的采样保持电路芯片的原理图。
其他型号采样保持器
的工作原理大同小异。
电路主要由两只高性能的运算放大器A1、A2构成的跟随器组成。
其中A2是典型的跟随器接法，其反相端直接与输出端相连。
由于运算放大器的开环放大倍数极高，两个输入端之间的电位差实际上为零，所以输出端对地电压能跟踪上输入端对地电压，也就是保持电容Ch两端的电压。
A1的接法和A2实质相同，在采样状态（AS接通时），A1的反相输入端从A2输出端经电阻R获得负反馈，使输出跟踪输入电压。
在AS断开后的保持阶段，虽然模拟量输入仍在变化，但A2的输出电压却不再变化，这样，A1不再能从A2的输出端获得负反馈，为此，在A1的输出端和反相输入端之间跨接了两个反向并联的二极管，直接从A1的输出端经过二极管获得负反馈，以防止A1进入饱和区，同时，配合电阻R起到隔离第二级输出与第一级的联系。
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。
图l—6（b）中的端子2用于调零。
实际上，零漂一般很小，在要求不是特别高的情况下，可将端子2开路。
AS为场效应晶体管模拟开关，由运算放大器A3驱动。
A3的逻辑输入端S/H由外部电路（通常可由定时器）按一定时序控制，进而控制着Ch处于采样或保持状态。
符号S/H表示该端子有双重功能，即S/H＝“1”电平为采样（Sample）功能，S/H＝“0”电平为保持（Hold）功能。
某个符号上面带一横，表示该功能为低电平有效，这是数字电路的习惯表示法。
（三）采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用
由于电网频率的波动较小，所以，通常按照时间等间隔来设计采样间隔Ts，完全满足工程的实际要求，这种方法的Ts控制方式很简单。
另外，在测量正常运行参数等场合，为了进一步提高计算精度，还有按照电气角度等间隔的方法设计采样间隔，此时，需要跟踪电网的基波周期来调整采样间隔。
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，为此，要综合考虑很多因素，并从中作出权衡。
采样频率越高，要求微型机的速度越高。
因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样频率不断地向微型机输人数据，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作的各种操作和运算，否则微型机将跟不上实时节拍而无法工作。
相反，采样频率过低，将不能真实地反映被采样信号的情况。
由采样定理：
fs>
2fmax可以知道，如果被采样信号中所含最高频率成份的频率为fmax，则采样频率fs必须大于fmax的二倍。
采样频率的设置在满足采样定理后，才能通过一定的计算方法，从采样信号中获取连续时间信号的有关信息。
当然，还应考虑采样信号整量化的影响。
这里仅从概念上来说明采样频率过低造成频率混叠的原因。
设被采样信号x（t）中含有的最高频率为fmax，现将x（t）中这一频率成份xfmax（t）单独画在图1—7（a）中。
从图l—7（b）可以看出，当fs=fmax时，采样所看到的为一直流成份，而从图l—7（c）看出，当fs略小于fmax时，采样所看到的是一个差拍低频信号。
这就是说，一个高于fs/2的频率成份在采样后将被错误地认为是一低频信号，或称高频信号“混叠”到了低频段。
显然，满足采样定理fs>
2fmax后，将不会出现这种混叠现象。
工程中，一般取：
fs＝（2.5～3）fmax。
对微机保护系统来说，在故障初瞬，电压、电流中可能含有相当高的频率分量（例如2kHz以上），为防止混叠，fs将不得不用得很高，从而对硬件速度提出过高的要求。
但实际上，目前大多数的微机保护原理都是反映工频量的，在这种情况下，可以在采样前用一个低通模拟滤波器（LPF，LowPassFilter）将高频分量滤掉，这样就可以降低fs，从而降低对硬件提出的要求。
实际上，在第二章将看到，由于数字滤波器有许多优点，因而通常并不要求图1－1中的模拟低通滤波器滤掉所有的高频分量，而仅用它滤掉fs/2以上的分量，以消除频率混叠，防止高频分量混叠到工频附近来。
低于了fs/2的其他暂态频率分量，可以通过数字滤波来滤除。
还应当提出，实际上电流互感器、电压互感器对高频分量已有相当大的抑制作用，因此不必对抗混叠的低通模拟滤波器的频率特性提出很严格的要求，例如不—定要求很陡的过渡带，也不一定要求阻带有理想的衰耗特性，否则高阶的模拟滤波器将带来较长的过渡过程，影响保护的快速动作。
最简单的低通模拟滤波器如图1－8所示，其中的一种参数设计为：
R=4.3K，C=0.1μF。
采用低通滤波器消除频率混叠问题后，采样频率的选择在很大程度上取决于保护的原理和算法的要求，同时还要考虑硬件的速度问题。
例如一种常用的采样频率是使采样间隔fs＝5/3ms，这正好相当于工频30°
，因而可以很方便地实现30°
、60°
、或90°
移相，从而构成负序滤过器等。
考虑到硬件目前实际可达到的速度和保护算法的要求，绝大多数微机保护的采样间隔Ts都在0.1～2ms的范围内。
三、模拟量多路转换开关
对于反映两个量以上的继电保护装置，例如阻抗、功率方向等，都要求对各个模拟量同时采样，以准确地获得各个量之间的相位关系，因而图l—l中要对每个模拟输入量设置一套电压形成、抗混叠低通滤波和采样保持电路。
所有采样保持器的逻辑输入端并联后，由定时器同时供给采样脉冲。
但由于模数转换器价格相对较贵，通常不是每个模拟量输入通道设一个A/D，而是公用一个，中间经多路转换开关MPX（Multiplex）切换，轮流由公用的A/D转换成数字量输入给微机。
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，它们被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示于图l—9。
因为要选择16路输人量，所以它有A0～A3四个路数选择线，以便由微型机通过并行接口或其他硬件电路给A0～A3赋以不同的二进制码，选通AS1～AS16中相应的一路电子开关AS，从而将被选中的某一路模拟量接通至公共的输出端，供给A/D转换器。
图l—9中的EN（Enable）端为芯片选择线，也称为允许端，只有在EN端为高电平时多路开关才接通，否则不论A0～A3在什么状态，AS1～AS16均处于断开状态。
设置EN端是为了便于控制二个或更多个的AD7506，将其输出端并联，以扩充多路转换开关的路数。
MPX中的模拟电子开关AS在D/A、A/D、S/H电路中应用甚广，现作简单介绍。
它是用电子逻辑（数字）控制模拟信号通、断的一种电路。
通常有双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）或金属氧化物半导体场效应管（MOS－FET）组成的电子开关。
BJT模拟电子开关是用得最早的一种，电路举例如图l—10所示，这是一种反接晶体管模拟开关，该电路可直接用TTL数字逻辑电路控制。
当控制信号为低电平时，T1、T2截止，T3导通。
当控制信号为高电平时，T1、T2导通，T3截止。
这种电路导通误差电压大约为l～2mV，精度不高。
为了提高精度，还可以采用并联互补、串联补偿等电路。
J—FET组成的模拟开关性能更好，导通电阻小，截断时只有极微小的漏电流，因此应用广泛。
其电路举例如图l—11所示。
这是一个互补双路开关。
当Uc为高电平时，T1、T2导通，T3截止，T4导通，U0=Ui2。
当Uc为低电压时，T1、T2截止，T3导通，T4截止，U0=Ui1。
MOS－FET组成的模拟开关性能和J－FET类似
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