南瑞继电保护技能培训教材.doc

1、1第一章 微机保护的硬件和软件系统第一节 微机保护的硬件系统一套微机保护由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统是构成微机保护的基础，软件系统是微机保护的核心。图 1-1 表示出了微机保护的硬件系统构成，它由下述几部分构成： 微机主系统。它是由中央处理器（CPU）为核心，专门设计的一套微型计算机，完成数字信号的处理工作。 数据采集系统。完成对模拟信号进行测量并转换成数字量的工作。 开关量的输入输出系统。完成对输入开关量的采集和驱动小型继电器发跳闸命令和信号工作。 外部通信接口。 人机对话接口。完成人机对话工作。 电源。把变电站的直流电压转换成微机保护需要的稳定的直流电压。WATCHDOG定

2、时 器 /计 数 器键 盘 指 示 灯 LED液 晶 显 示 打 印 机 接 口调 试 通 信 接 口电 源通 信 接 口数 据 采 集 系 统开 关 量输 入输 出系 统 C PU保 存 数 据 用 RAM存 放 程 序 用EPROM/FLASH存 放 定 值 用EPROM/FLASH开 关 量输 入跳 闸 、信 号 外 部 通 信打 印 机PC机专 用 调 试设 备微 机 主 系 统 人 机 对 话 接 口图 1- 微 机 保 护 的 硬 件 构 成 框 图一 中央处理器 CPU它是微机主系统的大脑，是微机保护的神经中枢。软件程序需要在 CPU 的控制下才能遂条执行。当前，在微机保护中应用

3、的 CPU 主要有以下一些类型：1. 单片微处理器例如 Intel 公司的 80X86 系列，Motorola 公司的 MC683XX 系列。其中 32 位的CPU 例如 MC68332 具有极高的性能，在 RCS900 系列的主设备保护装置中得到了应2用。16 位的如 Intel 公司的 80296，在 RCS900 型的线路、主设备保护中用到了该芯片。2. 数字信号处理器（DSP）它将很多器件，包括一定容量的存储器都集成在一个芯片中，所以外围电路很少。因而这种数字信号处理器的突出特点是运算速度快、可靠性高、功耗低。它执行一条指令只需数十纳秒（ns） ，而且在指令中能直接提供数字信号处理的相

4、关算法。因此特别适宜用于构成工作量较大、性能要求高的微机保护。在 RCS900 型的线路、主设备保护中，保护的计算工作都是由 DSP 来完成的，使用的芯片是 AD 公司的DSP-2181。二 存储器用以保存程序、定值、采样值和运算中的中间数据。存储器的存储容量和访问时间将影响保护的性能。在微机保护中根据任务的不同采用的存储器有下述三种类型的存储器。 随机存储器（RAM ） 。在 RAM 中的数据可以快速地读、写，但在失去直流电源时数据会丢失。所以不能存放程序和定值。只用以暂存需要快速进行交换的临时数据，例如运算中的中间数据、经过 A/D 转换后的采样数据等。现在有一种称做非易失性随机存储器（N

5、VRAM）它既可以高速地读/写，失电后也不会丢失数据，在 RCS900 保护中用以存放故障录波数据。 只读存储器（ROM ） 。目前使用的是一种紫外线可擦除、电可编程的只读存储器EPROM。EPROM 中的数据可以高速读取，在失电后也不会丢失，所以适用于存放程序等一些固定不变的数据。要改写 EPROM 中的程序时先要将该芯片放在专用的紫外线擦除器中，经紫外线照射一段时间，擦除原有的数据后，再用专用的写入器（编程器）写入新的程序。所以存放在 EPROM 中的程序在保护正常使用中不会被改写，安全性高。 电可擦除且可编程的只读存储器（EEPROM） 。EEPROM 中的数据可以高速读取，且在失电后也

6、不会丢失，同时不需要专用设备在使用中可以在线改写。因此在保护中 EEPROM 适宜于存放定值。既无需担心在失电后定值丢失之虞，必要时又可方便地改写定值。由于它可以在线改写数据，所以它的安全性不如 EPROM。此外 EEPROM 写入数据的速度较慢，所以也不宜代替RAM 存放需要快速交换的临时数据。还有一种与 EEPROM 有类似功能的器件称作快闪（快擦写）存储器（Flash Memory） ，它的存储容量更大，读 /写更方便。在RCS900 型的保护中使用 Flash 存放程序，在软件中采取措施确保在运行中程序不会被擦写。三 数据采集系统数据采集系统的作用是将从电压、电流互感器输入的电压、电流

7、的连续的模拟信号转换成离散的数字量供给微机主系统进行保护的计算工作。在介绍数据采集系统前，先对若干名词作一些解释。 采样。在给定的时刻对连续的模拟信号进行测量称做采样。每隔相同的时刻对模拟信号测量一次称做理想采样。微机保护采用的都是理想采样。 采样频率 。每秒采样的次数称做采样频率。采样频率越高对模拟信号的测sf量越正确。但采样频率越高对计算机的运算速度的要求也越高，计算机必须在相邻3两个采样时刻之间完成它的运算工作。否则将造成数据的堆积而导致运算的紊乱。在目前的技术条件下微机保护中使用的采样频率有 600Hz、1000Hz、1200Hz 三种。在南瑞继保电器公司原先生产的 LFP900 保护

8、中使用的采样频率是 600Hz 和1000Hz。目前生产的 RCS900 保护中使用的采样频率是 1200Hz。 采样周期 。相邻的两个采样点之间的时间称做采样同期。显然采样同期与sT采样频率互为倒数。 。当采样频率为 600Hz、1000Hz、1200Hz 时相应的采ssf1样周期分别为 、 、 。m6. s83.0 每周波采样次数 N。采样频率相对于工频频率（50Hz）的倍数表示了每周波的采样次数 N。采样频率为 600Hz、1000Hz 、1200Hz 时相应的 N 值为12、20、24。 采样定理。采样频率必须大于输入信号中的最高次频率的两倍， ，maxsf2这就是著名的采样定理。不满

9、足采样定理将产生频率混叠现象。由逐次逼近式原理的模数转换器（A/D）构成的数据采集系统 。这是目前应用最为广泛的一种数据采集系统，南瑞继保电气公司的 RCS900 保护中都用这种数据采集系统。图 1-2 画出了该数据采集系统的原理框图。各种保护根据需要有若干个模拟信号需要采样，例如南瑞继保电气公司的线路保护采样八个量： 、 、 、 、 、 、 以及线路电压 。而 电压不从 TV 的开口三角aubcaibci03xu03处采样，而用三个相电压相加的自产 方法获得。各个模拟量有各个独立的采样通道，通过多路转换开关若干个模拟量用一个 A/D 转换成数字量。下面对图 1-2 所示的原理框图中的各个环节

10、加以说明。（1）交流变换器。它的作用有两个： 将从 TV、TA 来的高电压、大电流变换成保护装置内部电子电路所需要和允许的小的电压信号。 电气隔离和屏蔽作用。从 TV、 TA 来的电气量经过很长电缆接到保护装置，也引入了大量的共模干扰。交流变换器一方面提供一个电气隔离，另一方面在一、二次线圈中加了一个接地的屏蔽层，使共模干扰经一次线圈和屏蔽层之间的分布电容而接地，可以有效地抑制共模干扰。交 流 变 换 器 L PFS/HMPXA/Daubu0i3 至 微 机 主 系 统图 1-2 采 用 A/D变 换 器 的 数 据 采 集 系 统 原 理 框 图4（2） LPF 模拟低通滤波器。它的作用是滤

11、除高次谐波。这一方面是为了在采样时满足采样定理，另一方面是为了减少算法的误差，因为有些算法是基于工频正弦量得到的，谐波分量将加大算法的误差。为满足采样定理应将输入信号中的大于频率的高次谐波滤除。sf（3）S/H 采样保持器。采样保持器的作用为： 能快速地对模拟量的输入电压进行采样，并将该电压保持住。 由于各个模拟量采样通道中的采样保持器是同时接受到采样脉冲的，所以各个模拟量是同时采样的。在同一个采样周期内模数转换后的各个数字量反应的是采样脉冲到来的同一瞬间各个模拟量的瞬时值，使各个模拟量的数值和相位关系保持不变。各个模拟量的同时采样保证了反应两个及两个以上电气量的继电器，例如方向继电器、阻抗继

12、电器、相序分量继电器计算的正确性。（4）MPX 模拟量的多路转换开关。MPX 是一种多路输入、单路输出的电子切换开关。通过编码控制，电子开关分时逐路接通。将由 S/H 送来的多路模拟量分时接到 A/D 的输入端，完成用一个 A/D 对若干个模拟量进行模数转换工作。（5）A/D逐次逼近式原理的模数转换器。它的作用是把模拟量转换为数字量。将由多路转换开关送来的由各路 S/H 采样保持器采样的模拟信号的瞬时值转换成相应的数字值。由于模拟信号的瞬时值是离散的，所以相应的数字值也是离散的。这些离散的数字量由微机主系统中的 CPU 读取并存放在循环存储器中供保护计算时使用。四 开关量的输入输出系统微机保护

13、有很多的开关量（接点）的输入，例如有些保护的投退接点、重合闸方式接点、跳闸位置继电器接点、收信机的收信接点、断路器的合闸压力闭锁接点以及对时接点等等。微机保护也有很多的开关量（接点）的输出，例如跳合闸接点、中央信号接点、收发信机的发信接点以及遥信接点等等。其中有些开关量是经过很长的电缆才引到保护装置的，因而也给保护引入了很多干扰。为了不使这些干扰影响微机系统的工作，在微机系统与外界所有接点之间都要经过光电耦合器件进行光电隔离。由于微机系统与外部接点之间经过了电信号 光信号 电信号的光电转换，两者之间没有直接的电与磁的联系，保护了微机系统免受外界干扰影响。1. 开关量输入系统5图 1-3 表示出

14、了开关量的输入系统。当外部接点闭合时，光耦的二极管内流过驱动电流，二极管发出的光使三极管导通，因此输出低电平。当外部接点断开时，光电耦合器的二极管内不流过驱动电流，二极管不发光，三极管截止，因此输出高电平。微机系统只要测量输出电平的高低就可以得知外部开关量的状态。开入专用电源一般使用装置内电源输出的 24V 直流电源。对于某些距离远的接点必要时也可用变电站的 220/110V 直流电源，装置提供强电的光电耦合电路。2. 开关量输出系统图 1-4 表示出了开关量的输出系统。当保护装置欲使输出开关量接点闭合时，只要在控制端输入一个低电平使光电耦合器的二极管内流过驱动电流，二极管发出的光使三极管导通

15、，从而使继电器 J 动作，其闭合的接点作为开关量输出。外 部 接 点 V5开 入 专 用 电 源(24V或 20/10V) 电 平 输 出光 电 耦 合 器图 1-3 开 关 量 输 入 系 统 V5 光 电 耦 合 器图 1-4 开 关 量 输 出 系 统控 制 端 JQDJJ 继 电 器操 作 电 源6第二节 微机保护的软件系统 一 保护继电器的算法在微机保护中各个继电器都是由其相应的算法实现的。例如工频变化量（有时称做突变量）的电气量（电流、电压）的计算，基波或某次谐波分量电气量幅值的计算，相序分量电气量幅值的计算，两电气量相角差的计算，相位比较动作方程的算法等等。1. 工频变化量电气量

16、的计算在 RCS900 系列保护装置中用了很多工频变化量的继电器。在实现这些继电器时先要计算出工频变化量的电流 和电压 值。以电流值为例，计算方法为：iuNnii（1-1）上式中 为每工频周波采样的次数。该式表示工频电流的变化量（瞬时值）是把当前时刻的电流瞬时值减去一周前的电流瞬时值而得到的。如果输入的工频电流没有变化，则工频电流的变化量为零。如果在 和 之间系统发生短路了。由于nN短路后电流发生了变化，于是工频电流的变化量不再是零。2半周积分算法RCS900 保护中有些继电器是用半周积分算法实现的，例如两相电流差的突变量起动元件、工频变化量的阻抗继电器等。假如输入信号是图 1-5 所示的工频

17、正弦电流信号， 。该电流tsinItim1信号绝对值的半周积分值为：（1-101201 21IItcosIdtsinIS mmTm2）于是该电流信号的有效值 为：I1SI（1-3）对输入信号绝对值进行半周积分其物理概念是求输入信号在半周内的面积绝对值之和。由（1-2）式可见，该积分值与初相角 无关。 180 t)(ti图 1-5 半 周 积 分 算 法 示 意 图3. 全周傅氏算法目前在微机保护中应用得最广泛的是全周傅里叶（傅氏）算法，它的理论基础是傅里叶级数。假设输入信号 为一个周期性函数，它由基波分量、直流分ti量和各整次谐波分量构成。 可表示为：（1-4）10kkmtcosIti式中：

18、直流分量。7基频分量的角频率。 。112f、 、 第 次谐波分量的幅值、初相角和角频率。 为正整数。kmI1k k按复相量的表示方法，在初相角为 时的第 次谐波分量 可表示为：kkI（1-5）IRkkkmjk jsinjcoIeI 式中 的实部 和虚部 分别为：RI（1-6）kkmRcosI（1-7）Iin将（1-4 ）式展开并考虑到（1-6）和（1-7）式的关系可得到：（1-8） 1 110kIkRk kkmmtsintcosI sintitti 8根据三角函数在一个工频周期 内的正交性可求得第 次谐波分量的实部和1Tk虚部的计算公式：dtkcostiTIRk1012（1-9）（1-1012

19、TIkdtksint10）（1-9）式中 在 其间的积分值是 的函数波形在tkcosti110，Ttkcosti1期间的面积。利用梯形法则该面积可用 与基准余弦函数 在10，T ti ts1期间的采样值之乘积求和再乘以采样周期后的一块块矩形面积和来代替。考虑到在一个工频周期 内，基准余弦函数 的采样值为 的2tkcos1Nkncos2关系后， （1-9）式为：（1-sNnRk TkcosiTI 10211）将采样周期 的关系代入上式，可得第 次谐波分量的实部为：s1 k（1- 10101 222NnNnRk cosiTkcoiTI 12）同理可得第 次谐波分量的虚部为：（1-1022NnIkk

20、si13）得知第 次谐波分量的实部和虚部以后，根据（1-5）式可求得 次谐波分量的有效k值和初相角为：（1-RkIkarctgI2214）一般的继电保护原理是反应工频电气量的，所以关心的是基波分量。这时只要将（1-12 ） 、 （1-13 ）和（ 1-14）式中取 ，即可求得基波分量的实部、虚部、1k有效值和初相角为：（1-10122NnRcosiI15）9（1-10122NnIsi16）（1-112RIarctgI17）考虑到（1-15）式中的标准基波余弦函数的采样值 在 时其值Nncos20为 1，同时考虑到对一个周期性函数 有 的关系后， （1-15）ni0/i/i式有时也可用下式求得：

21、（1-11 2102NnR NicosiiI 18）同理，用全周傅氏算法也可以求得任意整数次谐波分量的幅值和相位。所以在继电保护中根据保护的原理也经常用这种算法求得二次、三次、五次谐波分量的幅值。从上述原理推导中还可知，这种算法在求某个整数次谐波分量幅值时并不受其它各个整数次谐波分量的影响。也就是说这种算法有很强的滤波功能，其幅频特性为在所求的频率上输出的幅值最大，在其它整数次的谐波频率（包括直流）上幅值为零。4. 基于傅氏算法的滤序算法A、B、C 座标与 1、2、0 座标有一个互换关系。众所周知，已知 A、B、C相的相电压求正、负、零序电压的方法为：（1-CBACBAUUa313102219

22、） 式中 为算子， ， 。a23102jej231024jeaj、 、 三相电压用复相量表达，即用各相电压的实部和虚部表达为：ABC（1-SCCBBSAjUj20）10将（1-20 ）式以及算子表达式代入（1-19）式中的 式，即用各相电压的实1U部和虚部来表达正序电压为： 121 23133SC SCSBCACBjU jjjUja （1-21 ）式中 、 分别为正序电压 的实部与虚部，它们为：1CS1U（1- SCSBCSAS SSU213213122）用全周傅氏算法求出各相电压的实部虚部后代入（1-22）式求出正序电压的实部和虚部。再根据（1-21）式求出正序电压的有效值和初相角为：1121CSUarctg（1-23 ）同理，负序电压的算式为： 21222 213131CS SCSBCSAS SSCSUarctgUUj（1-24 ）零序电压的算式为：