1、I太原理工大学继续教育学院毕业设计（论文）题目电力变压器的微机保护姓名学院太原理工大学继续教育学院专业电气工程及其自动化学号11421268022指导教师二一三年月日II太原理工大学继续教育学院毕业设计（论文）任务书学生姓名学号11421268022专业电气工程及其自动化1设计（论文）题目及专题电力变压器的微机保护2学生设计（论文）时间自2013年月日开始至2013年月日止3设计（论文）所用资源和参考资料电力系统继电保护原理工厂供电系统继电保护及自动装置电力系统保护与控制微机原理与接口技术微型计算机继电保护基础4设计（论文）应完成的主要内容继电保护的基本概述电力变压器微机保护中各保护的基本原理
2、微机保护的基本组成微机保护的硬件设计微机保护的软件设计5提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求论文，严格按照湖南科技大学本科生毕业设计（论文）工作规范的有关要求打印订硬件电路原理图，用PROTEL格式输出打印软件结构流程图6发题时间2013年月日指导教师（签名）III学生摘要目前，随着超高压、特高压输变电技术在全国范围的广泛应用，对于确保电网安全运行的继电保护装置也由传统的电磁型向微机型发展。而电力变压器作为电业系统中重要的变换电压、联络系统、传送功率的设备之一，作为保护它的装置，要求更加的可靠和快速。本文在全面介绍和评述电力系统的微机保护原理及其发展的趋势的基础上，对电力系变压
3、器的微机保护进行了专门研究。以所制定的保护方案为依据，提出了以中间模拟转换器和电抗转换器，A/D转换器等各种微机变压器保护装置的具体实现方法。并对保护装置的硬件系统和软件模块设计进行了详细的研究，满足了变压器微机保护装置的要求。本装置将变压器运行工况监测与继电保护结合，体现了新一代微机保护装置的设计思想。关键词变压器,微机保护,继电保护IVABSTRACTITISWIDELYUSEDTHATTRANSFERRINGELECTRICPOWERINCHINAINORDERTOMAKEZHEELECTRIFIEDWRIENETTINGRUNNINGNORMALLYTHATZHEPROTECTIVER
4、ELAYINGEQUIPMENTADVANCINGWITHZHETIMEINTHISPAPERAREINTRODUCEDCOMPREHENSIVELYANDELECTRICALSYSTEMOFMICROCOMPUTERPROTECTIONPRINCIPLEANDDEVELOPMENTTRENDOFELECTRICPOWER,ONTHEBASISOFTHEMICROCOMPUTERPROTECTIONOFTHETRANSFORMERSPECIALLYRESEARCHWITHTHEPROTECTIONPLANFORMULATEDFORBASIS,PUTFORWARDBYTHEMIDDLEANALO
5、GSWITCHESANDCIRCUITREACTANCECONVERTER,A/DCONVERTERTRANSFORMERPROTECTIONDEVICEOFMICROCOMPUTERASTHECONCRETEREALIZATIONMETHODFORPROTECTIONDEVICEANDTHEHARDWAREANDSOFTWAREMODULEDESIGNMAKESADETAILEDRESEARCH,SATISFYTHEREQUIREMENTSOFTRANSFORMERMICROCOMPUTERPROTECTIONDEVICETHISDEVICEWILLTRANSFORMERRUNNINGCON
6、DITIONMONITORINGANDRELAYPROTECTIONUNION,REFLECTEDTHENEWGENERATIONOFMICROCOMPUTERPROTECTIONDEVICEDESIGNTHOUGHTKEYWORDSTRANSFORMER,MICROPROCESSORBASEDPROTECTION,REPLYPROTECTION太原理工大学继续教育学院本科生毕业设计（论文）V目录第一章绪论1第二章继电保护的基本概述221电力系统的故障和不正常运行状态222继电保护的基本原理、保护装置的组成和基本要求2221继电保护的基本原理2222继电保护装置3223继电保护的基本要求323
7、微机保护系统简介4231微机保护的应用与发展概况4232微机保护的基本构成5233微机保护的特点与发展前景6第三章电力变压器微机保护中各保护的基本原理831瓦斯保护832纵差动保护933过电流保护1034温度信号10第四章微机保护的基本组成1141概述11411模拟量输入系统11412开关量输入/输出系统12413CPU主系统1242微机保护的抗干扰措施13第五章微机保护的硬件设计1451微机保护系统的基本结构1452数据采集系统14521模拟量输入变换14522前置模拟低通滤波器15523采样保持电路16524多路转换电路19525A/D转换电路2153CPU主系统设计23531CPU808
8、623532时钟发生器8284电路24太原理工大学继续教育学院本科生毕业设计（论文）VI533内存储器及有关电路24534外围输入输出器件译码电路25535计数计时电路25536中断管理电路2554开关量输入/输出系统25541可编程并行I/O接口芯片8255A26542开关量输入电路27543开关量输出电路28544光电隔离电路29545人机接口回路29第六章微机保护的软件设计3261微机保护软件的基本结构3262数字滤波3263微机保护的基本算法3464微机保护软件流程36641软件框图及软件流程图36642数据采集366438255并行接口输出37644数字滤波37645输出部分3864
9、6键盘部分38第七章结论40参考文献41致谢42附录A元件清单43附录B程序清单44附录C电力变压器微机保护硬件原理图580第一章绪论在电力系统微机继电保护研究领域中，变压器保护的研究和开发一直受到人们的广泛关注。一方面，将传统的保护原理比如率制动和二次谐波制动原理应用于微机保护，并借助计算机计算机所具有的技术优势，重点针对保护原理的具体实现技术进行改进和完善，以提高变压器的保护的总体性能。另一方面，充分利用计算机的数字运算，逻辑处理以及长记忆能力，不断的探索新的保护原理，如采用故障电流实现差动保护、采样值差动保护、波形对称性原理、以及根据变压器磁通变化特性来判断励磁涌流等。但这些原理的实际应
10、用无不对微机保护的指挥中心CPU的内核结构、高速运算能力以及与实时信号处理相适应的寻址方式等许多方面的特性提出了更高的性能。在研制开发矿井35KV主变微机保护的调研时发现，当前应用于电力系统微机保护的中所采用的CPU多为8位或16位CPU。如INTEL公司的8086、MCS51系列及其兼容产品、8098、8086以及80C196等本文主要在全面介绍和评述电力系统的微机保护原理及其发展的趋势的基础上，对电力系变压器的微机保护进行了专门研究。以所制定的保护方案为依据，提出了以中间模拟转换器和电抗转换器，A/D转换器等各种微机变压器保护装置的具体实现方法。并对保护装置的硬件系统和软件模块设计进行了详
11、细的研究，满足了变压器微机保护装置的要求。本装置将变压器运行工况监测与继电保护结合，体现了新一代微机保护装置的设计思想。1第二章继电保护的基本概述21电力系统的故障和不正常运行状态变压器是电力系统中大量使用的重要的电气设备。它的安全运行直接关系到电力系统供电的可靠性及运行的稳定性。变压器在电力系统的使用数量较多，且变压器一旦发生故障，其影响范围较大。因此，为了保证电力系统及变压器的安全，并把故障和异常运行状态限制在最小，在变压器中必须装设动作可靠的，性能良好的继电保护装置。电力变压器广泛采用油浸式结构，其故障可分为变压器油箱内部故障和油箱外部故障两大类。内部故障由于变压器置身油箱内部，因而变压
12、器油箱内部故障应包括有绕组的相间短路、匝间短路和中性点接地系统侧的接地短路。当变压器油箱内部发生这些故障时，短路电流在故障点产生的高温电弧不仅可能烧坏绕组绝缘材料和铁心，而且由于绝缘材料和变压器油剧烈气化产生大量气体，可能使变压器油箱局部变形，严重时甚至引起油箱爆炸。因此，变压器油箱内部故障是电力系统最危险的故障之一，在配置变压器保护时应该注意。外部故障变压器油箱外部故障主要是在电力系统绝缘套管和引出线上发生的相间短路和中性点接地系统侧的接地短路。变压器的异常运行状态有多种，常见的有外部短路引起的过电流、过负荷、油箱漏油造成的油面降低或冷却系统，系统故障引起的油温升高。外部接地短路引起的中性点
13、过电压及系统过电压或频率降低引起的过励磁等。22继电保护的基本原理、保护装置的组成和基本要求221继电保护的基本原理继电保护装置要能正确工作，首先必须具备有区分被保护设备正常运行与发生故障和异常运行状态的能力。电力系统发生故障时，电流电压的大小和相位发生变化，还会产生负序、零序电流电压分量。当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。利用故障中电气量的特征，可以构成不同原理的继电保护装置。如反应电流增2大的过电流保护，反应电压降低的低电压保护，反应电压和电流的比值，即阻抗变化的距离保护等。222继电保护装置供电系统发生故障时，会引起电流的增加和电压的降低，以及电流、电压间
14、相位角的变化。因此，利用故障时参数与正常运行时的差别，就可以构成不同原理和类型的继电保护。继电保护的种类很多，一般由三大部分组成即测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构图如图21所示。测量部分逻辑部分执行部分故障参数量整定值输出信号图21继电保护装置的原理结构图测量部分测量被保护元器件分量，经过转换和构成后，将其与整定值比较，据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”、等于“0”或“1”等逻辑信号，从而判断保护是否应该起动。逻辑部分根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态，出现次序或组合方式，确定保护装置是否动作。执行部分根据逻辑部分所做出的判断，执行保护装置的任务。如发出信
15、号、跳闸或不动作等。223继电保护的基本要求电力系统继电保护的基本性能有可靠性、选择性、快速性、灵敏性，这些要求之间，有的相辅相承，有的相互制约，针对不同的使用条件，侧重点也有所不同。继电保护的可靠性继电保护的可靠性是对电力系统继电保护的最基本性能要求，它又分为两个方面，即可信赖性与安全性。可信赖性要求继电保护在设计要求它动作的异常或故障状态下，能够准确地完成动作；安全性要求继电保护在非设计要求它动作的其他所有情况下，能够可靠地不动作。3可信赖性与安全性，都是继电保护必备的性能，但两者相互矛盾。在设计与选用继电保护时，需要依据被保护对象的具体情况，对这两方面的性能要求适当地予以调解。选择性继电
16、保护的选择性是指在对系统影响可能最小的处所，实现短路器的控制操作，以终止故障或系统事故的发展。电力元件继电保护的选择性，除了决定于继电保护装置本身的性能外，还要求满足A、由电源算起，愈靠近故障点的继电保护的故障起动值相对愈小，动作时间愈短，并在上下级之间留有适当的裕度；B、要具有后备保护作用，如果最靠近故障点的继电保护装置或断路器因故拒绝动作而不能断开故障时，能由紧邻的电源侧继电保护动作将故障断开。快速性继电保护的快速性是指继电保护应以允许的可能最快速度动作于断路器跳闸，以断开故障或中止异常状态发展。继电保护快速动作可以减轻故障元件的损坏程度，减小对用户工作的影响，提高系统的稳定性。因此，在发
17、生故障时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。由于快速性与选择性在一般情况下是矛盾的，为兼顾两者，一般允许带有一定的延时切除故障。故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。灵敏性继电保护的灵敏性是指保护装置对于其保护范围内所发生的各种金属性短路故障，应具有足够的反应能力。保护装置的灵敏性要求与选择性要求关系密切，在电力系统故障时，故障设备的保护必须先能够灵敏地反应故障，才可能有选择性的切除故障。因此能有选择切除故障的保护，必须同时具备有灵敏性。保护装置的灵敏性通常用灵敏系数KSEN（又称灵敏度）的大小来衡量。灵敏系数越高，表示保护装置对故障的反应能力越强，反之，则越弱。因此，过量保护和欠
18、量保护对于灵敏系数的定义是不同。在最不利情况下保护装置的灵敏系数应大于1，一般为1220。23微机保护系统简介231微机保护的应用与发展概况计算机的出现是20世纪最令人瞩目的事件。自从世界上公认的第一台电子计算机电子数字积分计算机ENLAC于1946年在美国诞生以来，计算机的发展速度很快，特别是微处理器的出现，给工业自动化控制带来了深刻的变革。广泛而深入地影响着4科学技术、生产和生活等各个领域。以近十年来国内电力系统的迅速发展为例电力系统的现代化运行程度相当高，发电厂及电网的控制中心普遍采用了以计算机为核心的自动监测系统，可以自动进行数据收集与安全监控、自动发电控制与经济调度及安全分析。就电力
19、系统安全运行的重要领域继电保护而言，计算机保护的出现与广泛应用反映了这一技术发展潮流的一个方面。事实上，计算机保护装置目前主要是以微处理器为基础的数字电路构成的，通常又称为微机保护。目前我国无论是输电线路的保护还是电力主设备保护都有一系列成套实用的微机保护装置。在220500KV变电所内，已形成了基于不同原理的双套微机主保护系列装置，在110KV35KV变电所内微机保护装置也得到广泛应用，在综合自动化的变电所和电站里，微机型继电保护装置与监控系统已综合形成一个网络系统。保护装置通过微机监控系统的通信网络，将保护的状态、动作、信号传送给集控站或调度所，值班人员可以在远方投切保护装置、查看保护状态
20、修改保护定值等。微机保护的生产厂家众多，产品众多，在国内，目前较为成熟和用量较大的微机保护产品有南瑞继电保护公司生产的LFP900系列微机保护装置，含各种电压等级的线路保护、变压器成套保护、125MVA以下的发电机成套保护、母线保护、变电端综合自动化微机保护装置及各种辅助设备。北京哈德威四方保护与控制设备有限公司生产的CS系列微机保护装置，含CSL系列线路保护、CSP系列电容器保护、CST系列变压器保护、CSI断路器保护等，另外该公司还生产CSD系列集中式遥测、遥信和遥控装置、CSM网络主站、CSN系列网络辅助器件及其他微机自动装置。许昌继电器集团和南京自动化设备总厂等国内其他生产厂家生产的W
21、XHB、WBE型微机保护装置等。国外产品有美国GE公司生产的DLP型微机距离线路保护、美国SET公司生产的SEL301型微机线路保护、ABB公司生产的REL531微机距离保护、德国西门子公司生产的TSA531型距离保护等。232微机保护的基本构成原有的保护装置是使输入的电流、电压信号直接在模拟量之间进行比较和运算处理，使模拟量与装置中给定的电气量进行比较和运算处理，而计算机保护则由于计算机只能作数字运算或逻辑运算，因此，首先要求以模拟量输入的电流电压的瞬时值变换为离散的数字量，然后才送入计算机的中央处理器，按规定的算法程序进行运算，5且将运算结果随时与给定的数字进行比较，最后做出是否跳闸的判断
22、。微机保护的基本构成可看成由硬件和软件两部分构成。其整套硬件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统、CPU主系统、开关量输入、输出系统及外围设备等。微机保护的软件由初始化模块、数据采集管理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。233微机保护的特点与发展前景运行灵活保护定值可保存于具有电可擦性质的EEPROM中。由于微机保护的可编程及通信能力，该定值可根据系统运行方式的变化灵活地进行修改，修改时间短且步骤简单。可靠性高微机保护可以对硬件和软件进行连续的自检，有很强的综合分析和判断能力。它能自动检测出硬件故障同时发出报警信号并闭锁其跳闸出口回路。同时软件也具有自检功能，可以对输入
23、的数据进行校错和纠错，即自动的识别和排除干扰。易于获得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，只需增加一些软件即可获得各种附加功能。例如在微机保护装置中，可以很方便地附加低周减载和自动重合闸、故障滤波、故障测距等自动装置的功能。微机保护装置可以配有打印机、显示器等外部设备，在系统发生故障后提供多种信息，如动作时间记录、故障类型和相别、电流电压波形记录等。这些信息将有助于运行部门对事故的分析和处理。微机保护所具有的对外通信功能，使之成为该数字化环境不可缺少的一环。动作正确率高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。
24、在电力系统发生故障的暂态期内，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。调试维护方便微机保护的硬件是一片单片微型计算机及外围设备，而各种复杂的功能是由相应的程序实现的。微机保护装置本身又具有自诊断功能，可以对硬件各部分和存放在EPROM中的程序进行自动检测，一旦发现异常就会发出报警。通常只要给上电源后没有警报，就可以确认装置是完好的。故对微机保护装置可以说几乎不用调试，大大减轻了调试和运行维护的工作量。随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的不断进步，继电保护技术面临着进一步发展的趋势。国内外微机继电保护技术的未来发展趋势为计算机化，网6络化，保护、控制、测
25、量、数据通信一体化，人工智能化。随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断的发展。电力系统对微机保护的要求也总是在不断提高，除了具有保护的基本功能外，微机保护还具有大量故障信息和数据的长期存放空间、快速的数据处理功能、强大的通信能力，与其它保护控制装置和调度联网，以共享全系统数据、信息和网络资源的能力、高级语言编程等。7第三章电力变压器微机保护中各保护的基本原理电力变压器高低压侧的电压为110KV、385KV，且变压器的容量为50000KVA，为了保证电力系统和变压器的安全运行，应装设以下动作可靠、性能良好的保护装置。31瓦斯保护瓦斯保护是反应变压器油箱内部气体的数量和流动的速度而动作的保
26、护，保护变压器油箱内部各种短路故障，特别是对绕组的相间短路和匝间短路。由于短路点电弧的作用，将使变压器油和其它绝缘材料分解，产生气体。气体从油箱经连通管流向油枕，利用气体的数量及流速构成瓦斯保护。瓦斯保护的原理接线如图31所示，上面的触点表示“轻瓦斯保护”，动作后经延时发出报警信号。下面的触点表示“重瓦斯保护”，动作后起动变压器保护的总出口继电器，使断路器跳闸。当油箱内部发生严重故障时，由于油流的不稳定可能造成干簧触点的抖动，此时为使断路器能可靠跳闸，应选用电流具有自保持线圈的出口中间继电器KM，动作后由断路器的辅助触点来解除出口回路的自保持。此外，为防止变压器换油或进行试验时引起重瓦斯保护误
27、动作跳闸，可利用切换片KB将跳闸回路切换到信号回路。1YT1QF2YTKB信号信号信号KSKMKBKS图31瓦斯保护原理接线图8瓦斯保护的主要优点是动作迅速、灵敏度高，安装接线简单、能反应变压器油箱内部发生的各种故障包括轻微的匝间短路故障（这时其它变压器保护无法做到的）。近年来，大型变压器为了改善防护冲击过电压的性能，广泛采用了新型结构和工艺，这导致了匝间短路故障可能性的增加，而纵差动保护却往往不能动作，只能依靠瓦斯保护来反应；此外，瓦斯保护还能反应变压器的铁心局部烧损、绕组内部断线。绝缘逐渐劣化及油面降低等故障。瓦斯保护的主要缺点是不能反应变压器套管和引出线的故障，因此，还需要引入其它主保护
28、；在变压器内部发生严重故障时，由于瓦斯保护要有一定的油流速度才能动作，因而动作速度不够快。32纵差动保护纵差动保护是反应被保护变压器各端流入和流出电流的相量差，通过比较变压器各侧电流大小及相位构成保护原理。变压器实现差动保护的原理接线如图32所示。II1I2图32变压器实现差动保护的原理由于电力变压器高低压侧的额定电流不同，因此为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变比N，这时与送电线路的纵差动保护不同的。使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等。在保护范围内故障时，流入差回路的电流的为短路电流二次值，保护动作。纵差动保护动作后，跳开变压器两侧的断路器。在正常运行及保
29、护范围外部短路稳态情况下有稳态不平衡电流流入纵差动保护回路中，差动保护的动作电流应大于最大不平衡电流，以保证保护范围外部短路时差动保护不动作。不平衡电流增大，将使保护的灵敏度降低。由于变压器两侧电流相位不同而产生不平衡电流9变压器常常采用Y,D11的接线方式，其两侧电流的相位差为30。如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式，则二次电流由于相位不同也会有一个差电流流入继电器。为了清除这种不平衡电流的影响，通常将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形，并适当考虑连接方式即可整定。由于两侧电流互感器的误差引起的不平衡电流当变压器两侧电流互感器变比的比值等
30、于变压器的变比时，由于电流互感器有电流误差I，在正常运行及保护范围外部故障时流入差回路中的电流不为零。在正常运行时，电流互感器的铁心不饱和，励磁电流很小，不平衡电流也很小。当外部故障时，短路电流很大，使两侧电流互感器迅速饱和，励磁阻抗下降，励磁电流的差值也增大，不平衡电流增大。所以在选择互感器时，应选带有气隙的D级铁心互感器，使之在短路时也不饱和，另外选大变比的电流互感器，可以降低短路电流的倍数。产生不平衡电流的原因很多，应选择合适的方法消除或减小不平衡电流对变压器的影响。33过电流保护为了防止外部短路引起变压器线圈的过电流，并作为差动保护和瓦斯保护的后备保护，变压器还必须装设过电流保护。由于
31、变压器的过负荷能力强，流过变压器的最大负荷电流大。因此变压器过电流保护的动作电流大、灵敏度低，一般只用在容量较小或者只作为变压器相邻元件的后备保护。为实现过电流保护的动作选择性，各保护的动作时间一般按阶梯原则进行整定，相邻保护的动作时间，自负荷向电源方向逐渐增大，且每套保护的动作时间是恒定不变的，与短路电流的大小无关。另外过电流保护的整定值还要考虑继电器的返回系数，因为在外部短路时，电流继电器可能起动，但在外部故障切除后（此时电流降到最大负荷电流），必须可靠返回，否则会出现误跳闸。过电流保护应按躲过最大工作电流整定，起动值比较大，往往不能满足灵敏度的要求。为此，可以采用低电压闭锁的过电流保护，
32、以提高保护的灵敏度。34温度信号变压器油的温度越高，劣化速度就越快，使用寿命就越短，因此，变压器运行规程规定，变压器正常运行上层油温应控制在6080C范围内，不宜超过85C，不得超过95C。为此，必须对运行中的变压器上层油温进行监视。在变压器正常运行时，可动指示指针处在两个定位指针之间。当变压器上层油温升高时，受热10器中液体膨胀，温度指示表中流体压力计的感应部分所受压力增大，指示表指针的位置相应改变，当指示表指针到达预先放置的红色限定位指针位置时，定位指针的一对触点闭合，发出变压器油温高信号并启动相应的冷却系统；反之，在变压器上层油温下降时，指示表指针的位置也作相应的改变，当指示表指针到达预
33、先放置的黄色下限定位指针位置时，定位指针的触点由闭合变为断开，切断相应冷却系统的启动回路。可见，变压器温度信号装置不仅可实时显示变压器的上层油温，还起到了自动控制变压器冷却系统的作用。第四章微机保护的基本组成41概述微机保护是采用数字逻辑保护的，保护的每一种功能主要通过微机系统中程序运行来完成。微机保护装置实际上就是一台具有继电保护功能的微机系统，是一种依靠微机实现保护功能的工业控制装置。因此，微机保护的基本构成又可看成由硬件和软件两部分构成，其整套硬件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统、CPU主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。微机保护的软件系统由初始化模块、数据采集管理模块
34、、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。411模拟量输入系统模拟量输入系统又称数据采集单元，主要包括电压形成、模拟滤波（ALF）、采样保持（S/H）、多路转换（MPX）以及模数转换（A/D）等功能块，它的作用是隔离、规范输入电压，并将模拟输入量准确地转换为所需的数字量，以便与CPU接口。模拟量输入系统是微机保护装置中很重要的电路，保护装置的动作速度和测量精确度等性能都与该电路密切相关。目前微机保护产品中数据采集单元一般采用模数变换ADC。微机保护用的模数转换器绝大多数是应用逐次逼近法的原理实现的。其基本原理是，转换开始时，控制器首先在数码设定器中设置一个最高位数码“1”（例如10000）
35、，该数码经D/A数模变换为模拟电压U0，反馈到输入侧的比较器一端，与输入电压UI进行比较。如果设定值U0UI，则保留该位原设置的数码“1”，然后由控制器在数码设定器中附加次高位设置数码“1”形成新的数码（如11000），经D/A数模变换，再反馈到输入侧比较器与UI进行比较。如果设定值U0UI，则原设定次高位数码“1”改为“0”，然后附加下一高位设置数码“1”（如10100）。重复上述的比较与设置，直到所11设定的数码总值转换成反馈电压U0尽可能地接近UI的值。若其误差小于所设定数码中可改变的最小值（最小量化单位），则此时数码设定器中的数码总值即为转换结果。逐次比较式A/D转换的一个重要指标是转
36、换精度，即A/D转换分辨率，它主要取决于设定数码的最小量化单位，A/D转换输出的数字量位数越多，最小量化单位越小，分辨率越高转换出的数字量舍入误差越小，A/D转换的精度就越高。逐次比较式的另一个重要指标是A/D转换速度，它与A/D转换分辨率是有关的，通常分辨率越高，其转换速度就相对降低。模数变换还可以采用VFC型的变换方式。VFC型的模数转换是将电压模拟量UI线性地变换为数字脉冲式的频率FS，然后由计算器对数字脉冲计数，供CPU读入。ADC和VFC两种模数转换方式各有其优缺点，ADC转换方式的优点是容易实现高速高精度采样，但由于难以实现多CPU之间的数据共享，抗干扰能力交差，成本亦较高，一般用
37、于元件保护中；VFC转换方式的优点是电路简单、抗干扰能力强、工作稳定、与CPU的接口极其简单，易于实现多CPU的数据共享，但由于受VFC器的限制，难以实现较高采样速率下的高精度数据采集，一般用于线路保护中。412开关量输入/输出系统开关量输入/输出系统，主要用于完成各种保护的出口跳闸、信号显示、打印、信号报警、外部触点输入及人机对话等功能。它由多种输入/输出（I/O）接口芯片、光电隔离器件及有触点的中间继电器组成。开关量输入即接点状态（接通或断开）的输入可分两类一类是低电平（5V）开关量输入，如微机保护运行调试状态输入；一类是高电平（220V）开关量输入（如断路器的状态信号），高电平开关量输入
38、必须装有光电隔离，以防止外部干扰入侵微机保护装置。开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号输出等，由并行口经光电隔离电路将开关量输出的电路，只要由软件使并行口的PB输出低电平“0”，PB输出高电平“1”，便可使与非门H1输出低电平，光敏三极管导通，继电器J被吸合。413CPU主系统CPU主系统，它是由微机和扩展芯片构成的一台小型工业扩展微机系统，除了这些硬件之外，还有存储在存储器里的软件系统。这些硬件和软件构成的整个微机系统主要任务是将数据采集单元输出的数据进行分析处理，并完成逻辑运算、扩展和记录等任务，以实现各种继电保护功能。除此之外，现代的微机保护还应具有各种远方功能，12它包括
39、发送保护信息并上传给变电所微机监控系统，接收集控站、调度所的扩展和管理信息。这种微机系统可以是单CPU或多CPU系统。一般为了提高保护装置的容错水平，目前大多数保护装置已采用多CPU系统。尤其较为复杂的保护装置，其主保护和后备保护都是相互独立的微机系统。它们的CPU是相互独立的，任何一个保护CPU或芯片损坏均不影响其它保护。除此之外，各保护的CPU总线均不引出，输入及输出的回路均经光电隔离处理，各保护具有自检与互检功能，能将故障定位到插件或芯片，从而大大地提高了保护装置运行的可靠性。但对于比较简单的微机保护，由于保护功能较少，多数还是采用单CPU主要包括微机处理器（CPU）、只读存储器（一般用
40、EPROM）、随机存取存储器（RAM）以及定时器等。CPU执行存放在EPROM中的程序，对数据采集系统输入到RAM中的数据进行分析处理，以完成继电保护的功能。42微机保护的抗干扰措施干扰对微机保护的影响比较大，主要有以下几个方面A、计算或逻辑错误。微机保护中的输出数据、计算中间结果和控制标志字都放在RAM中，强干扰引起RAM数据发生改变是可能的。另外，当CPU正在读（或写）一个数据时，数据线或地址线受干扰发生改变，就会造成读（或写）一个坏数据或者对一个错误的地址读（或写）。如果这是一个中间结果或者采样数据，就会造成计算错误；如果这是一个标志字就会造成逻辑紊乱，这都有可能引起装置误动或拒动。B、
41、程序运行出轨。这是由于随机干扰破坏了程序执行的正常顺序而造成程序执行卡死的现象。如当CPU正通过地址总线送出一相地址以便从EPROM获取指令操作码。如果由于干扰使传送地址出错，它将从下一个错误的地址取得一个错误的操作码。如果这个误码CPU不认识，程序运行将发生中断；如果这个误码是可执行码，那么在执行了一系列非预期的指令后往往最终碰到一个CPU不认识的指令操作码而停止工作。由此看出，在程序运行出轨后引起误动作的机会是很小的，但会造成CPU停止执行继电保护任务的规定任务，在发生系统故障时，保护装置将拒动。C、元件损坏。严重的干扰还可能造成元件损坏。硬件设计时应使微机保护和外接端子同微机弱电系统之间
42、没有电的联系，系统的正确运行，应采取以下抗干扰措施。如A、交流输入端子采用电压形成回路中的小变压器隔离，一次和二次绕组间有屏蔽层。B、开关量输入端子采用光电耦合器隔离。C、开关量输出端子采用光电隔离和继电器绕组与接地之间隔离。D、直流电源端子逆变电源中的高频变压器隔离，线圈间有屏蔽层。13E、交直流来线（交流电压、交流电流、直流电源）先经抗干扰电容再进装置。F、将弱电系统的插件远离同外接端子有直接电联系的各插件（如电压形成回路、开关量输入和开关量输出回路等）G、装置后底板的配线也应使强电和弱电严格分开H、各弱电电源不共地等第五章微机保护的硬件设计51微机保护系统的基本结构微机保护装置主要是以微
43、处理器为基础的数字电路构成的。它的核心是中央处理单元CPU及其数字逻辑电路和实时处理程序。在微机保护中广泛采用插件式结构，微机保护装置包括以下印制板插件模拟量输入变换插件；前置模拟低通滤波插件；采样及A/D转换插件；CPU及人机对话插件；开关量输入/输出插件。微机保护装置硬件示意框图如图51所示，这种硬件模块化体现了微机保护结构的特点。模拟量输变换模拟低通滤波采样A/D转换CPU及人机对话I/O接口开关量输入数据线控制线开关量输出地址线图51微机保护装置硬件示意框图1452数据采集系统521模拟量输入变换微机保护要从被保护的电力设备的电流互感器和电压互感器上获得信息，但这些互感器的二次侧电流或
44、电压不能适应模数变换器的输入范围要求，故需要对它们降低和变换，在微机保护中通常要求输入信号为5V和10V的电压信号，具体决定于所用的模数转换器，因此一般采用中间变换器来实现以上的变换，交流电流的变换一般采用电流中间变换器并在其二次侧并电阻以取得所需变电压的方式。此外，也有采用电抗变换器的。二者各有其优缺点，电抗变换器的优点是线性范围较大，铁芯不容易饱和，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。电流中间变换器的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，这对微机保护是很重要的，因为只有
45、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，提取某些分量或抑制某些分量等，在微机保护系统中，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。该变换除了起电量变换的作用外，还起到隔离的作用。它使微机电路在电气上与强电系统相隔离，从而在较大程度上减弱了来自高压系统的电磁干扰。522前置模拟低通滤波器模拟低通滤波器的作用是滤掉电压和电流中的高频分量以降低采样频率FS。滤波器有有源滤波和无源滤波两种，对要求快速动作的保护及控制装置而言，为防止无源模拟低通滤波中电阻和电容对信号造成衰减和时间延迟，可以采用有源模拟低通滤波器；
46、一般情况下采用无源模拟低通滤波器即可。如图52为RC无源低通滤波器，只要调整R、C的数值就可以改变低通滤波器的截止频率取F50工频，任取R227K,那么电容的容量为C027F图52模拟低通滤波器U0UIRC15（51）01JCUR（52）01IJC（53）0IUJR（54）021IC（55）21R（56）1（57）625C523采样保持电路1采样保持原理采样保持电路的工作原理如图53所示。阻抗变换器IUIAS阻抗变换器IICHU0逻辑输入图53采样保持电路原理图它由一个电子模拟开关AS,电容CH及两个阻抗变换器组成。阻抗变换器由运算放大器构成的电压跟随器实现的，具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点
47、。开关AS受逻辑输入端采样脉冲的电平控制，高电平时AS闭合。此时，电路处于采样状态，CH迅速充电到UI在采样时刻的电压值。AS的闭合时间应满足使CH有足够的充电时间即采样时间。为了正确采到UI在采样时刻的值，显然希望采样时间越短越好，因而，应用阻抗变换器16I，它在输入端呈现高阻抗，而输出阻抗低，使CH上的电压能迅速跟踪到UI的值。AS打开时，电容CH上保持住AS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，电路中应用了另一个阻抗变换器II，它对CH呈现高阻抗，而输出阻抗（侧U0）很低，以增强带负载能力。2采样保持电路采样/保持电路（S/H）有两方面的作用首先是在一个极短的时间内测
48、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；其次是由于微机保护系统中要保证各模拟量的相位关系经过采样后保持不变，各通道必须同步采样。在本系统中采用的是LF398采样保持器来实现采样的。图54（A）、（B）LF398典型连线图和结构框图。LF398有8个引脚，结构框图和典型连线图如图54（A）、（B）所示。第2脚接1K电阻，用于调节漂移电压，7脚和8脚是两个控制端，控制开关的关断。7脚接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。如7脚接地，则8脚接控制信号大于14V时，LF398处于采样状态；如8脚为低电平，则LF398处于保持状态。6脚
49、外接保持电容，即可构成完整的采样保持电路，它是一种具备放大功能的采样保持电路,具有较低的捕捉时间当CH1000PF，采集时间为25S，可满足12位AD要求。它的选取对采样保持电路的技术性能指标至关重要，大电容可使系统得到较高精度，但采样时间加长。小电容可提高采样频率，但精度较低。同时，电容的选择应综合考虑精度要求和采样频率等因素。R1R287654213LF398“1”采样“0”保持CH17A1A2RA3CH模拟量输入逻辑输入输出AS（A）LF398典型连接图BLF398结构框图图54（A）、（B）LF398典型连线图和结构框图采用多片采样保持器LF398，可同时采样多路模拟信号，同时采样保持电路是通过双稳触发器电路控制的，每个采样保持器均有独立的调零控制电路。采样逻辑如图55所示。采样频率的选择是微机保护硬件设计和软件设计中的一个关键问题，这个问题涉及到采样信号是否真实的反映输入的信号。采样频率越高，要求CPU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CPU输入数据，CPU必须要来得及在两个相邻采样间隔时间内处理完每一组采样值所必须做的各种操作和运算，否则CPU将跟不上实时节拍而无法工作。36524817U1L
