【正文】 微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成原理 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 采用低通濾波器消除頻率混疊問題后，采樣頻率的選擇在很大程度上取決于保護(hù)的原理和算法的要求，同時(shí)還要考慮硬件的速度問題。實(shí)際上，電流互感器、電壓互感器對高頻分量 微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成原理 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 已有相當(dāng)大的抑制作用，因而不必對抗混疊的模擬低通濾波器的頻率特性提出很嚴(yán)格的要求，例如不一定要求很陡的過渡帶，也不一定要求阻帶有理想的衰耗特性，否則高階的模擬濾波器將帶來較長的過渡過程，影響保護(hù)的快速動(dòng)作。由于數(shù)字濾波器有許多優(yōu)點(diǎn)，因而通常并不要求圖 ，而僅用它濾掉 fs/2以上的分量，以消除頻率混疊，防止高頻分量混疊到工頻附近來。 4) 模擬低通濾波器的應(yīng)用 對微機(jī)保護(hù)來說，在故障初瞬，電壓、電流中含有相當(dāng)高的頻率分量 (如2kHz以上 )，為防止混疊， fs將不得不用得很高，從而對硬件速度提出過高的要求。也就是說，一個(gè)高于 fS/2的頻率成分在采樣后將被錯(cuò)誤地認(rèn)為是一低頻信號，或稱高頻信號“混疊”到了低頻段。設(shè)被采樣信號 x(t)中含有的最高頻率為 fmax，現(xiàn)將 x(t)中這一成分 x fmax(t)單獨(dú)畫在圖 (a)中。由采樣 (香農(nóng) )定理可以證明，如果被采樣信號中所含最高頻率成分的頻率為 fmax，則采樣頻率 fs必須大于 fmax的 2倍 (即 fs＞ 2fmax)，否則將造成頻率混疊。因?yàn)槲C(jī)保護(hù)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采樣頻率不斷地向微型機(jī)輸入數(shù)據(jù)，微型機(jī)必須要來得及在兩個(gè)相鄰采樣間隔時(shí)間Ts內(nèi)處理完對每一組采樣值所必須做的各種操作和運(yùn)算，否則 CPU跟不上實(shí)時(shí)節(jié)拍而無法工作。采樣頻率的選擇是微機(jī)保護(hù)硬件設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題，為此要綜合考慮很多因素，并要從中作出權(quán)衡。 (3) 模擬開關(guān)的動(dòng)作延時(shí)、閉合電阻和開斷時(shí)的漏電流要小。 (2) 保持時(shí)間更長。等間隔的采樣脈沖由微型機(jī)控制內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生，如圖 (b)中的“采樣脈沖”，用于對“信號”進(jìn)行定時(shí)采樣，從而得到反映輸入信號在采樣時(shí)刻的信息，即圖 (b)中的“采樣信號”；隨后，在一定時(shí)間內(nèi)保持采樣信號處于不變的狀態(tài)，如圖 (b)中的“采樣和保持信號”；因此，在保持階段，在任何時(shí)刻進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的結(jié)果都反映了采樣時(shí)刻的信息。 采樣保持的過程如圖 (b)所示。為了提高保持能力，電路中應(yīng)用了另一個(gè)阻抗變換器 Ⅱ ，它在 Ch側(cè)呈現(xiàn)高阻抗，使 Ch對應(yīng)的充放電回路的時(shí)間常數(shù)很大，而輸出阻抗 (usc側(cè) )很低，以增強(qiáng)帶負(fù)載能力。而應(yīng)用阻抗變換器 I的目的是它在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，對輸入回路的影響很??；而輸出阻抗很低，使充放電回路的時(shí)間常數(shù)很小，保證 Ch上的電壓能迅速跟蹤到在采樣時(shí)刻的瞬時(shí)值 usr。如果開關(guān)每次閉合的時(shí)間為 TC(s)，則輸出將是一串重復(fù)周期為 TS 寬度為 TC 的脈沖，而脈沖的幅度則重復(fù)著 TC時(shí)間內(nèi)的信號幅度。電容 Ch迅速充電或放電到 usr在采樣時(shí)刻的電壓值。模擬開關(guān) AS受邏輯輸入端的電平控制，該邏輯輸入就是采樣脈沖信號。 微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成原理 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 2. 采樣保持電路和模擬低通濾波器 1) 采樣基本原理 采樣保持 (Sample/Hold)電路，其作用是在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)測量模擬輸入量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間內(nèi)保持其輸出不變。至于移相、提取某一分量等，在微機(jī)保護(hù)中，根據(jù)實(shí)際需要可以容易地通過軟件來實(shí)現(xiàn)。電流變換器的優(yōu)點(diǎn)是，只要鐵芯不飽和，則其二次電流及并聯(lián)電阻上的二次電壓的波形可基本保持與一次電流波形相同且同相，即它的傳變信號可使原信息不失真。電抗變換器具有阻止直流、放大高頻分量的作用，當(dāng)一次存在非正弦電流時(shí)，其二次電壓波形將發(fā)生嚴(yán)重的畸變，這是不希望的。因此，一般采用中間變換器來實(shí)現(xiàn)以上的變換。 5V或 177。 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 圖 微機(jī)保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)示意框圖 微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成原理 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 1. 電壓形成回路 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、電壓互感器或其他變壓器上取得信息，但這些互感器的二次數(shù)值、輸入范圍對典型的微機(jī)保護(hù)電路卻不適用，需要降低和變換。 3. 開關(guān)量 (或數(shù)字量 )輸入 /輸出系統(tǒng) 開關(guān)量輸入 /輸出系統(tǒng)由微型機(jī)若干個(gè)并行接口適配器、光電隔離器件及有接點(diǎn)的中間繼電器等組成，以完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號報(bào)警、外部接點(diǎn)輸入及人機(jī)對話、通信等功能。 2. 微型機(jī)主系統(tǒng) (CPU) 微型機(jī)主系統(tǒng)包括微處理器 (MPU)、只讀存儲(chǔ)器 (ROM)或閃存內(nèi)存單元(FLASH)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM)、定時(shí)器、并行接口以及串行接口等。同時(shí)，微機(jī)保護(hù)具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信能力，可適應(yīng)無人或少人值守的自動(dòng)化變電站。例如，利用模糊識(shí)別原理判斷振蕩過程中的短路故障，對接地距離保護(hù)的允許過渡電阻的能力，大型變壓器差動(dòng)保護(hù)如何識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障，采用自適應(yīng)原理改善保護(hù)的性能等。 概 述 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 4. 靈活性 由于微機(jī)保護(hù)的特性主要由軟件決定，因此替換改變軟件就可以改變保護(hù)的特性和功能，且軟件可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性，依靠運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)改變整定值和特性，從而可靈活地適應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化。對于線路保護(hù)，還可以提供故障點(diǎn)的位置 (測距 )，這將有助于運(yùn)行部門對事故的分析和處理。 3. 易于獲得附加功能 常規(guī)保護(hù)裝置的功能單一，僅限于保護(hù)功能，而微機(jī)保護(hù)裝置除了提供常規(guī)保護(hù)功能外，還可以提供一些附加功能。它能夠自動(dòng)檢測出本身硬件的異常部分，配合多重化可以有效地防止拒動(dòng)；同時(shí)，軟件也具有自檢功能，對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行校錯(cuò)和糾錯(cuò)，即自動(dòng)地識(shí)別和排除干擾，因此可靠性很高。微機(jī)保護(hù)則不同，除了硬件外，各種復(fù)雜的功能均由相應(yīng)的軟件 (程序 )來實(shí)現(xiàn)。未來幾年內(nèi)，微機(jī)保護(hù)將朝著高可靠性、簡便性、通用性、靈活性和網(wǎng)絡(luò)化、智能化、模塊化等方向發(fā)展，并可以與電子式互感器、光學(xué)互感器實(shí)現(xiàn)連接；同時(shí)，充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、數(shù)據(jù)處理能力、通信能力和硬件集成度不斷提高等各方面的優(yōu)勢，結(jié)合模糊理論、自適應(yīng)原理、行波原理、小波技術(shù)等，設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)良和維護(hù)工作量更少的微機(jī)保護(hù)設(shè)備。經(jīng)過 10多年的研究、應(yīng)用、推廣與實(shí)踐，現(xiàn)在新投入使用的高中壓等級繼電保護(hù)設(shè)備幾乎均為微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品。 1984年上半年，華北電力學(xué)院研制的第一套以 6809(CPU)為基礎(chǔ)的距離保護(hù)樣機(jī)投入試運(yùn)行。 微機(jī)保護(hù)是指將微型機(jī)、微控制器等器件作為核心部件構(gòu)成的繼電保護(hù)。在繼電保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，除了用作故障分析和保護(hù)動(dòng)作性能分析外，20世紀(jì) 60年代末期已提出用計(jì)算機(jī)構(gòu)成保護(hù)裝置的倡議。 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 返回總目錄 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 本章講述微機(jī)保護(hù)原理方面的基礎(chǔ)知識(shí)，主要包括硬件原理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、特征量和保護(hù)動(dòng)作判據(jù)的算法、軟件流程、抗干擾措施及今后的發(fā)展趨勢等方面的內(nèi)容。 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 本章內(nèi)容 ● 概 述 ● 微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成原理 ● 微機(jī)保護(hù)的特征量算法 ● 微機(jī)保護(hù)裝置的軟件構(gòu)成 ● 提高微機(jī)保護(hù)可靠性的措施 ● 微機(jī)保護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢 ● 思考題與習(xí)題 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 概 述 計(jì)算機(jī)在繼電保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展概況 近幾十年來電子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展很快，其應(yīng)用已廣泛而深入地影響著科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)和生活等各個(gè)領(lǐng)域，使各行業(yè)的面貌發(fā)生了巨大的變化，繼電保護(hù)技術(shù)也不例外。到了 20世紀(jì) 70年代末期，出現(xiàn)了一批功能足夠強(qiáng)的微型計(jì)算機(jī)，價(jià)格也大幅度降低，因而無論在技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上，已具備用一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)來完成一個(gè)電氣設(shè)備保護(hù)功能的條件，從此掀起了新一代的繼電保護(hù) ——微機(jī)保護(hù)的研究熱潮。國內(nèi)在微機(jī)保護(hù)方面的研究工作起步較晚，但進(jìn)展卻很快。 1984年底在華中工學(xué)院召開了我國第一次計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)學(xué)術(shù)會(huì)議，這標(biāo)志著我國計(jì)算機(jī)保護(hù)的開發(fā)開始進(jìn)入了重要的發(fā)展階段。 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 自從微型機(jī)引入繼電保護(hù)以來，微機(jī)保護(hù)在利用故障分量方面取得了長足的進(jìn)步，另一方面，結(jié)合了自適應(yīng)理論的自適應(yīng)式微機(jī)保護(hù)也得到較大發(fā)展，同時(shí)，計(jì)算機(jī)通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及其在系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，使得變電站和發(fā)電廠的集成控制、綜合自動(dòng)化更易實(shí)現(xiàn)。 概 述 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 微機(jī)繼電保護(hù)裝置特點(diǎn) 1. 調(diào)試維護(hù)方便 在微機(jī)保護(hù)應(yīng)用之前，整流型或晶體管型繼電保護(hù)裝置的調(diào)試工作量很大，原因是這類保護(hù)裝置都是布線邏輯的，保護(hù)的功能完全依賴硬件來實(shí)現(xiàn)。 2. 高可靠性 微機(jī)保護(hù)可對其硬件和軟件連續(xù)自檢，有極強(qiáng)的綜合分析和判斷能力。目前，國內(nèi)設(shè)計(jì)與制造的微機(jī)保護(hù)均按照國際標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容試驗(yàn) (EMC， Electromagic Compatibility)來考核，進(jìn)一步保證了裝置的可靠性。例如，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和各部分的動(dòng)作順序記錄，故障類型和相別及故障前后電壓和電流的波形記錄等。電壓互感器的二次是否發(fā)生斷線等信息。 5. 改善保護(hù)性能 由于微型機(jī)的應(yīng)用，可以采用一些新原理，解決一些常規(guī)保護(hù)難以解決的問題。 6. 簡便化、網(wǎng)絡(luò)化 微機(jī)保護(hù)裝置本身消耗功率低，降低了對電流、電壓互感器的要求，而正在研究的數(shù)字式電流、電壓互感器更易于實(shí)現(xiàn)與微機(jī)保護(hù)的接口。 概 述 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成原理 微機(jī)保護(hù)的硬件組成 1. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) DAS(或模擬量輸入系統(tǒng) ) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電壓形成、模擬濾波 (ALF)、采樣保持 (S/H)、多路轉(zhuǎn)換(MPX)以及模擬轉(zhuǎn)換 (A/D)等功能塊，完成將模擬輸入量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為微型機(jī)所需的數(shù)字量。微型機(jī)執(zhí)行存放在只讀存儲(chǔ)器中的程序，將數(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，完成各種繼電保護(hù)的功能。 圖 。在微機(jī)保護(hù)中，通常根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍的要求，將輸入信號變換為 177。 10V范圍內(nèi)的電壓信號。交流電壓信號可以采用小型中間變壓器；而將交流電流信號變換為成比例的電壓信號，可以采用電抗變換器或電流變換器。其優(yōu)點(diǎn)是線性范圍較大，鐵芯不易飽和，有移相作用；另外，其抑制非周期分量的作用在某些應(yīng)用中也可能成為優(yōu)點(diǎn)。傳變信號不失真這點(diǎn)對微機(jī)保護(hù)是很重要的，因?yàn)橹挥性谶@種條件下作精確的運(yùn)算或定量的分析才是有意義的。但電流中間變換器在非周期分量的作用下容易飽和，線性度較差，動(dòng)態(tài)范圍也較小，這在設(shè)計(jì)和使用中應(yīng)予以注意。 S/H電路的工作原理可用圖 (a)來說明，它由一個(gè)電子模擬開關(guān) AS、保持電容器Ch以及兩個(gè)阻抗變換器組成。 微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成原理 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) (a) 采樣保持電路工作原理圖 (b) 采樣保持過程示意圖 圖 采樣保持電路工作原理圖及其采樣保持過程示意圖 微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成原理 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 在輸入為高電平時(shí) AS閉合，此時(shí)電路處于采樣狀態(tài)。電子模擬開關(guān) AS 每隔 TS(s)閉合一次，將輸入信號接通，實(shí)現(xiàn)一次采樣。AS閉合時(shí)間應(yīng)滿足使 Ch有足夠的充電或放電時(shí)間即采樣時(shí)間，顯然希望采樣時(shí)間越短越好。 電子模擬開關(guān) AS打開時(shí)，電容器 Ch上保持住 AS打開瞬間的電壓，電路處于保持狀態(tài)。阻抗變換器 I和 Ⅱ 可由運(yùn)算放大器構(gòu)成。圖 (b)中， TC稱為采樣脈沖寬度， TS稱為采樣間隔 (或稱采樣周期 )。 微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成原理 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 2) 對采樣保持電路的要求 高質(zhì)量的采樣保持電路應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)： (1) 電容 Ch上的電壓按一定的精度跟蹤上 usr所需的最小采樣寬度 TC(或稱為截獲時(shí)間 )，對快速變化的信號采樣時(shí)，要求 TC盡量短，以便可用很窄的采樣脈沖，這樣才能更準(zhǔn)確地反映某一時(shí)刻的 usr值。通常用下降率 來表示保持能力。 3) 采樣頻率的選擇 采樣間隔 Ts的倒數(shù)稱為采樣頻率 fs。采樣頻率越高，要求 CPU的運(yùn)行速度越高。相反，采樣頻率過低，將不能真實(shí)地反映采樣信號的情況。 SCuTT?? 微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成原理 第 9章 微機(jī)繼電保護(hù) 下面僅從概念上說明采樣頻率過低造成頻率混疊的原因。從圖 (b)可以看出，當(dāng) fS=fmax時(shí)，采樣所看到的為一直流成分；而從 93(c)看出，當(dāng) fS略小于 fmax時(shí)，