第1章繼電保護基礎

1.5

微機保護概述目標：掌握微機保護的特點。掌握微機保護的硬件組成及作用。掌握實現繼電保護原理的方法，即基本算法與軟件組成。2023/7/201硬件組成數據采集系統原理基本算法軟件結構知識點：2023/7/20掌握硬件、軟件的作用，基本原理。用計算機方法實現繼電保護，在實踐中提高對微機保護的認識。要將保護的基本算法與具體繼電保護原理結合，要利用微機來實現基本算法。理論聯系實踐，要既動腦也動手。學習方法2023/7/20調試簡單、維護方便；－－微機保護測試儀的應用，縮短了調試時間。可靠性高；－－有自診斷能力、糾錯能力。保護性能更加完善；－－可以實現復雜繼電保護原理，如任意形狀阻抗繼電器。可以提供更多信息；－－可以在系統故障后提供多種信息。靈活性大；－－保護功能由軟件決定，硬件通用。1.5.1微機保護裝置的特點

2023/7/201.5.2微機保護硬件部分的

構成及作用2023/7/20數據采集系統（或稱模擬量輸入系統）微型機主系統（或稱CPU主系統）開關量輸入/輸出回路通信回路電源回路1.微機保護硬件部分的構成將交流模擬量轉換為CPU能夠處理的數字量。基本通用的微機主系統。完成各種保護的出口跳閘、信號指示、外部接點輸入等。（接點狀態或高低電平的處理。）實現保護之間的通信及遠動，便于實現綜合自動化。為整個裝置提供直流電源。（開關電源，要強調抗干擾。）2023/7/20數據采集系統（或稱模擬量輸入系統）微型機主系統（或稱CPU主系統）開關量輸入/輸出回路通信回路電源回路2023/7/20

數據采集系統

開關量輸入輸出系統

人機對話微機保護硬件構成2023/7/20數據采集系統（或稱模擬量輸入系統）：將交流模擬量轉換為CPU能夠處理的數字量。微型機主系統（或稱CPU主系統）：基本通用的微機主系統。2023/7/20開關量輸入/輸出回路：完成各種保護的出口

跳閘、信號指示、外部接點輸入等。（接點狀態或高低電平的處理。）通信回路：實現保護之間的通信及遠動，便于實現綜合自動化。電源回路：為整個裝置提供直流電源。（開關電源）2023/7/20基于逐次逼近型A/D轉換的采集系統基于電壓/頻率變換（VFC）原理進行A/D變換的采集系統2.數據采集系統前者包括：電壓形成回路、模擬低通濾波器（ALF）、采樣保持回路（S/H）、多路轉換開關電路（MPX）及模數轉換回路（A/D）后者包括：電壓形成、VFC回路、計數器兩者各有優點，前者便于滿足精度，后者不需要濾波與采樣保持電路2023/7/20電壓變換、屏蔽和隔離

濾除高頻，降低采樣頻率逐次逼近式A/D轉換方式在某一時刻，測量模擬信號的瞬時值，并且在A/D轉換期間保持不變。

將各通道的模擬信號分時送入A/D轉換器逐次逼近原理2023/7/20電壓變換、屏蔽和隔離基于壓頻變換（VFC）方式電壓轉化為頻率

對脈沖計數，從而完成對電壓的測量2023/7/20類型：電流變換器（UA）電壓變換器（UV）電抗變換器（UR）（1）電壓形成回路作用：TA、TV二次側電流電壓較大，變化范圍也較大，為適應模數轉換器的轉換要求將交流模擬量變換為適當值，以滿足精度要求。屏蔽和隔離，防止TA、TV二次側過電壓損壞保護裝置。基于逐次逼近式A/D轉換的模擬量輸入系統2023/7/20有源ALF無源ALF由RC網絡加上運算放大器構成，其特性較穩定，不受時間、溫度變化的影響，可以避免采用大電容，有好的特性及快的速度。無源濾波器通常是由RLC等元件組成，濾波特性受溫度變化發生漂移，而且保護帶來延時。無源電路特性（2）模擬低通濾波器ALF2023/7/20模擬低通濾波器（ALF）的作用：濾除輸入信號中fs／2以上的頻率分量，降低采樣頻率。2023/7/202023/7/20采樣：將一個連續時間信號x(t)變成離散時間信號x*(t)。（3）采樣保持（S/H）電路TS－采樣周期

fS=1/TS－采樣頻率工頻每周期采樣點數N為：T－工頻周期，20msf=1/T－工頻頻率，50HZ2023/7/20保持：為保證各通道采樣的同時性，在等待模數轉換的過程中，必須保持采樣值不變。（3）采樣保持（S/H）電路粉紅色為理想值，紅色為實際值。2023/7/20要求：1、截獲時間盡量短，特別是對快速變化的輸入信號采樣更應保證這一點；2、保持時間要長；3、模擬開關的動作延時、閉合電阻和開斷時的泄漏電流要小。（3）采樣保持（S/H）電路采樣電子開關要求1：CH越小越好要求2：CH越大越好保持電容CH的大小應當如何確定呢？2023/7/20離散信號怎樣才能真實反應被采樣的連續信號，若要求不丟失信息，應滿足什么條件？采樣頻率問題？被采樣信號x(t)的頻率為f0，TS為采樣周期，fS為采樣頻率混疊混疊正確4－32023/7/20若要不丟掉信息地對輸入信號進行采樣，就必須滿足fs≥2f0。采樣頻率結論采樣定理若輸入信號x(t)含有各種頻率成份，其最高頻率為fmax，若要對其不失真地采樣，或者采樣后不產生頻率混疊現象，采樣頻率必須不小于2fmax，即fs≥2fmax。采用模擬低通ALF的原因：降低采樣頻率。限于CPU運算速度，要限制輸入信號的最高頻率，只需在采樣前用一個模擬低通濾波器（ALF），濾除fs／2以上的頻率分量。2023/7/20目前絕大多數微機保護的采樣周期Ts為5/6ms或5/3ms，即采樣頻率為1200Hz或600Hz。采樣頻率微機保護現狀每周期采樣N=24點或12點。2023/7/20（4）模擬多路轉換開關（MPX）模擬量輸入通道公用一個A/D芯片多路轉換開關是電子型的，通道切換受微機控制。譯碼/驅動器ENA1A2A3A0AS1AS15AS015V+15V–ui0ui1ui15uout2023/7/20ADC的基本原理（5）模數轉換器（ADC回路）將輸入的離散模擬量u*(t)與基準電壓UR進行比較，按照四舍五入的原則，編成二進制代碼的數字信號。將數字量D轉換成模擬量。數模轉換器2023/7/20二分法舉例ADC的基本原理已知某物品價格在0-64元間（31元），猜一猜該物品價格（精確到1元）。第1次第2次第3次第4次第6次第5次321624283130高低低低結束低64是基準值；最多6次，26＝64；精度64/26

＝1元。2023/7/20逐次逼近ADC原理ADC的基本原理參考電壓UR，ADC位數N位，輸入電壓Ui，則最多需要比較N次，精度為UR/2N

。第1次第2次…第N次100…00010…00…011…01高，1改0低，1保持…結束第3次011…00低模數轉換器的位數越多即N值越大，則模數轉換器分辨率與轉換的精度越高。2023/7/20用于將上述ADC過程中數字量轉化為模擬量與輸入電壓進行比較。DAC數模轉換原理可見，輸出模擬電壓正比于輸入的數字量D。2023/7/20模數轉換器回路邏輯較快的二分逼近方法，N位轉換器只要比較N次，比較的次數與輸入模擬量的值無關。2023/7/20查詢方式數據采集系統與微機接口靠CPU查詢AD轉換是否結束AD轉換結束向CPU發出中斷請求AD轉換結果直接存入內存中斷方式DMA2023/7/20微處理器CPU存儲器并行口串行口定時/計數器等3.微型機主系統存儲器包括：EPROM－用于存放保護程序，即軟件RAM－用于存放運算的中間結果。EEPROM－用于存放保護定值，也可采用FLASH來存放。

微型機主系統：CPU執行存放在EPROM中的程序，對由數據采集系統輸入至RAM區的數據進行分析處理，并與存放于EEPROM中的定值進行比較，以完成各種保護功能。2023/7/20開關量輸入回路4.開關量輸入輸出回路電平接點直接接入并行口外部接點要采取抗干擾措施，如光耦的隔離2023/7/20開關量輸出回路電平接點并行口直接輸出外部接點要采取抗干擾措施，如光耦隔離、防止誤輸出2023/7/205.通信接口通信回路：實現保護之間的通信及遠動，便于實現綜合自動化。2023/7/206.電源電源回路：為整個裝置提供直流電源。2023/7/201.5.3微機保護軟件部分的構成構成：監控程序、運行程序。監控程序包括對人機接口鍵盤命令處理程序及為插件調試、整定設置顯示等配置的程序。運行程序就是指保護裝置在運行狀態下所需執行的程序。2023/7/20

a）主程序。包括初始化，全面自檢、開放及等待中斷等；b）中斷服務程序。通常有采樣中斷、串行口中斷等。前者包括數據采集與處理、保護起動判定等，后者完成保護CPU與保護管理CPU之間的數據傳送。例如，保護的遠方整定、復歸、校對時間或保護動作信息的上傳等。c）故障處理程序。在保護起動后才投入，用以進行保護特性計算、判定故障性質等。微機保護運行程序一般可分為三部分。2023/7/20（1）主程序

給保護裝置上電或按復歸按鈕后，進入程序入口，首先進行必要的初始化（初始化一）。如堆棧寄存器賦值、控制口的初始化、查詢面板上開關的位置（如在調試位置進入監控程序，否則進入運行狀態）。然后，CPU開始運行狀態所需的各種準備工作（初始化二）。首先是往并行控制口寫數，讓所有繼電器處于正常位置。然后，詢問面板上定值切換開關的位置，按照定值套號從EEPROM中取出定值，放至規定的定值RAM區。準備好定值后，CPU將對裝置各部分進行全面自檢，在確認一切良好后才允許數據采集系統開始工作．完成采樣系統初始化后，開放采樣定時器中斷和串行口中斷，等待中斷發生后轉入中斷服務程序。若中斷時刻未到，就進入循環狀態（故障處理程序結束后也經整組復歸后進入此循環狀態）。它不斷進行循環自檢及專用自檢項目。如果保護有動作或自檢報告，則向管理CPU送報告。全面自檢包括有：RAM區讀寫檢查，EPROM中程序和EEPROM中定值求和檢查，開出量回路檢查等。通用自檢包括有：定值選擇撥輪的監視和開入量的監視等。專用自檢項目依不同的被保護元件或不同保護原理而設置。例如，超高壓線路保護的靜穩判定、高頻通道檢查等。2023/7/20主程序框圖

2023/7/20（2）采樣中斷服務程序

采樣中斷服務程序示于圖，主要內容有：l）數據采樣及存儲；2）電流差突變量起動元件；3）電壓、電流求和自檢。

采樣中斷服務程序

2023/7/202023/7/20在進入中斷服務程序后，首先關閉其他中斷是為了在采樣期間不被其他中斷打斷。在中斷返回前則應開中斷。電壓、電流求和自檢用下式實現。若：

如果延時60ms后上式一直滿足，則置起動標志QDB=1，程序中斷返回時轉至故障處理程序。2023/7/20（3）故障處理程序保護裝置起動進入故障處理程序后，先查電壓求和電流求和自檢標志，以確定采樣中斷服務程序是由于求和自檢不通過，還是相電流差突變量起動元件動作而進入故障處理程序。若是起動元件動作則需進行故障性質判定以確定保護是否動作。若是求和自檢不通過，則需進一步判定自檢不通過的原因。若是一次系統故障所致，那么此時應滿足： 這里3U0和3I0由零序電壓和電流互感器得到。故障處理程序繼續進行故障性質的判定。若：

則表明電壓或電流采集通道故障，需閉鎖保護并報警；下圖為一距離保護故障處理程序的簡單框圖。2023/7/20故障處理程序（部分）2023/7/201.5.4微機保護的算法2023/7/20