1、第第1 1章章 继电保护基础继电保护基础1.51.5 微机保护概述微机保护概述 目标：目标：掌握微机保护的特点。掌握微机保护的特点。掌握微机保护的硬件组成及作用。掌握微机保护的硬件组成及作用。掌握实现继电保护原理的方法，即掌握实现继电保护原理的方法，即基本算法与软件组成。基本算法与软件组成。硬件组成硬件组成 数据采集系统原理数据采集系统原理基本算法基本算法 软件结构软件结构 知识点知识点：掌握硬件、软件的作用，基本原理。掌握硬件、软件的作用，基本原理。用计算机方法实现继电保护，在实践中提用计算机方法实现继电保护，在实践中提高对微机保护的认识。高对微机保护的认识。要将保护的基本算法与具体继电保护
2、原理要将保护的基本算法与具体继电保护原理结合，要利用微机来实现基本算法。结合，要利用微机来实现基本算法。理论联系实践，要既动脑也动手。理论联系实践，要既动脑也动手。学习方法学习方法 调试简单、维护方便；调试简单、维护方便；微机保护测试仪微机保护测试仪的应用，缩短了调试时间。的应用，缩短了调试时间。可靠性高；有自诊断能力、纠错能力。可靠性高；有自诊断能力、纠错能力。保护性能更加完善；保护性能更加完善；可以实现复杂继电可以实现复杂继电保护原理，如任意形状阻抗继电器。保护原理，如任意形状阻抗继电器。可以提供更多信息；可以提供更多信息；可以在系统故障后可以在系统故障后提供多种信息。提供多种信息。灵活性
3、大；保护功能由软件决定，硬件灵活性大；保护功能由软件决定，硬件通用。通用。1.5.1 1.5.1 微机保护装置的特点微机保护装置的特点 1.5.21.5.2 微机保护硬件部分的微机保护硬件部分的构成及作用构成及作用 数据采集系统（或称模数据采集系统（或称模拟量输入系统）拟量输入系统）微型机主系统（或称微型机主系统（或称CPU主系统）主系统）开关量输入开关量输入/输出回路输出回路 通信回路通信回路 电源回路电源回路1.1.微机保护硬件部分的构成微机保护硬件部分的构成 将交流模拟量转换为将交流模拟量转换为CPU能够处能够处理的数字量。理的数字量。基本通用的微机主系统。基本通用的微机主系统。完成各种
4、保护的出口跳闸、信号完成各种保护的出口跳闸、信号指示、外部接点输入等。（接点指示、外部接点输入等。（接点状态或高低电平的处理。）状态或高低电平的处理。）实现保护之间的通信及远动，便实现保护之间的通信及远动，便于实现综合自动化。于实现综合自动化。为整个装置提供直流电源。（开为整个装置提供直流电源。（开关电源，要强调抗干扰。）关电源，要强调抗干扰。）数据采集系统（或称模拟量输入系统）数据采集系统（或称模拟量输入系统）微型机主系统（或称微型机主系统（或称CPU主系统）主系统）开关量输入开关量输入/输出回路输出回路 通信回路通信回路 电源回路电源回路 数据采集系统 开关量输入输出系统开关量输入输出系统
5、 人机对话微机保护硬件构成微机保护硬件构成数据采集系统（或称模拟量输入系统）：将数据采集系统（或称模拟量输入系统）：将交流模拟量转换为交流模拟量转换为CPU能够处理的数字量。能够处理的数字量。微型机主系统（或称微型机主系统（或称CPU主系统）：基本主系统）：基本通用的微机主系统。通用的微机主系统。开关量输入开关量输入/输出回路：输出回路：完成各种保护的出口完成各种保护的出口 跳闸、信号指示、外部接点输入等。（接点状跳闸、信号指示、外部接点输入等。（接点状态或高低电平的处理。）态或高低电平的处理。）通信回路：通信回路：实现保护之间的通信及远动，实现保护之间的通信及远动，便于实现综合自动化。便于实
6、现综合自动化。电源回路：电源回路：为整个装置提供直流电源。为整个装置提供直流电源。（开关电源）（开关电源）基于逐次逼近型基于逐次逼近型A/D转换的采集系统转换的采集系统 基于电压基于电压/频率变换（频率变换（VFC）原理进行）原理进行A/D变换变换的采集系统的采集系统2 2.数据采集系统数据采集系统 前者包括：电压形成回路、模拟低通滤波器（前者包括：电压形成回路、模拟低通滤波器（ALFALF）、）、采样保持回路（采样保持回路（S/HS/H）、多路转换开关电路（）、多路转换开关电路（MPXMPX）及）及模数转换回路（模数转换回路（A/DA/D）后者包括：电压形成后者包括：电压形成、VFCVFC回
7、路、计数器回路、计数器 两者各有优点，前者便于满足精度，后者不需要滤波两者各有优点，前者便于满足精度，后者不需要滤波与采样保持电路与采样保持电路电压变换、电压变换、屏蔽和隔离屏蔽和隔离 滤除高频，降滤除高频，降低采样频率低采样频率逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换方式转换方式TVTA二次侧来多路转换开关A/D电压形成ALFS/H电压形成ALFS/H在某一时刻，测量模拟信号的瞬时值在某一时刻，测量模拟信号的瞬时值，并且在，并且在A/D转换期间保持不变。转换期间保持不变。将各通道的模拟将各通道的模拟信号分时送入信号分时送入A/D转换器转换器逐次逼近原理逐次逼近原理电压变换、电压变换、屏蔽和隔离屏
8、蔽和隔离基于压频变换（VFC）方式电压转化为电压转化为频率频率 对脉冲计数，从而完对脉冲计数，从而完成对电压的测量成对电压的测量类型：类型：电流变换器（电流变换器（UA）电压变换器（电压变换器（UV）电抗变换器（电抗变换器（UR）（1 1）电压形成回路）电压形成回路作用：作用：TA、TV二次侧电流电压较大，变二次侧电流电压较大，变化范围也较大，为适应模数转换器化范围也较大，为适应模数转换器的转换要求将交流模拟量变换为适的转换要求将交流模拟量变换为适当值，以满足精度要求。当值，以满足精度要求。屏蔽和隔离，屏蔽和隔离，防止防止TA、TV二次侧二次侧过电压损坏保护装置。过电压损坏保护装置。基于逐次逼
9、近式基于逐次逼近式A/DA/D转换的转换的模拟量输入系统模拟量输入系统 有源有源ALFALF 无源无源ALFALF 由由RCRC网络加上运算放大器构成，其特性较稳定，网络加上运算放大器构成，其特性较稳定，不受时间、温度变化的影响，可以避免采用大电不受时间、温度变化的影响，可以避免采用大电容，有好的特性及快的速度。容，有好的特性及快的速度。无源滤波器通常是由无源滤波器通常是由RLCRLC等元件组成，滤波特性受等元件组成，滤波特性受温度变化发生漂移，而且保护带来延时。温度变化发生漂移，而且保护带来延时。无源电路特性（2 2）模拟低通滤波器）模拟低通滤波器ALFALF模拟低通滤波器（模拟低通滤波器（
10、ALF）的作用：）的作用：滤除输入信号中滤除输入信号中fs2以上的频率以上的频率分量，降低采样频率。分量，降低采样频率。采样：将一个连续时间信采样：将一个连续时间信号号x(t)变成离散时间信号变成离散时间信号x*(t)。（3 3）采样保持（采样保持（S/HS/H）电路）电路TS采样周期采样周期 fS=1/TS采样频率采样频率工频每周期采样点数工频每周期采样点数N为：为：T工频周期，工频周期，20ms f=1/T工频频率，工频频率，50HZsSfTN=Tf保持：为保证各通道采样的保持：为保证各通道采样的同时性，在等待模数转换同时性，在等待模数转换的过程中，必须保持采样的过程中，必须保持采样值不变
11、。值不变。（3 3）采样保持（采样保持（S/HS/H）电路）电路粉红色为理想值，粉红色为理想值，红色为实际值。红色为实际值。要求：要求：1、截获时间尽量短，特别是对快速变化的输、截获时间尽量短，特别是对快速变化的输入信号采样更应保证这一点；入信号采样更应保证这一点；2、保持时间要长；、保持时间要长；3、模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时、模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的泄漏电流要小。的泄漏电流要小。（3 3）采样保持（采样保持（S/HS/H）电路）电路采样电子开关离散信号怎样才能真实反应被采样的连续信号，若离散信号怎样才能真实反应被采样的连续信号，若要求不丢失信息，应满足什么条件？要求
12、不丢失信息，应满足什么条件？采样频率采样频率问题？问题？被采样信号被采样信号x(t)的频率为的频率为f0，TS为采样周期，为采样周期，fS为采样频率为采样频率混叠混叠正确43若要不丢掉信息地对输入信号进行采样，就必须满若要不丢掉信息地对输入信号进行采样，就必须满足足fs2f0。采样频率采样频率结论结论采样定理采样定理若输入信号若输入信号x(t)含有各种频率成份，其最高含有各种频率成份，其最高频率为频率为fmax，若要对其不失真地采样，或者，若要对其不失真地采样，或者采样后不产生频率混叠现象，采样频率必采样后不产生频率混叠现象，采样频率必须不小于须不小于2fmax，即，即fs2fmax。采用模拟
13、低通采用模拟低通ALF的原因：降低采样频率。的原因：降低采样频率。限于限于CPU运算速度，要限制输入信号的最高频率，运算速度，要限制输入信号的最高频率，只需在采样前用一个模拟低通滤波器（只需在采样前用一个模拟低通滤波器（ALF），），滤除滤除fs2以上的频率分量。以上的频率分量。目前绝大多数微机保护的采样周期目前绝大多数微机保护的采样周期Ts为为 5/6ms或或 5/3ms，即采样频率为，即采样频率为1200Hz或或600Hz。采样频率采样频率微机保护现状微机保护现状每周期采样每周期采样N=24点或点或12点。点。（4 4）模拟多路转换开关（）模拟多路转换开关（MPXMPX）模拟量输入通道公用
14、一个模拟量输入通道公用一个A/DA/D芯片芯片 多路转换开关是电子型的，通道切换受微机控制。多路转换开关是电子型的，通道切换受微机控制。译码/驱动器ENA1A2A3A0AS1AS15AS015V+15Vui0ui1ui15uout ADC的基本原理的基本原理（5 5）模数转换器（）模数转换器（ADCADC回路）回路）将输入的离散模拟量将输入的离散模拟量u u*(t)(t)与与基准电压基准电压U UR R进行比较，按照四进行比较，按照四舍五入的原则，编成二进制代舍五入的原则，编成二进制代码的数字信号。码的数字信号。将数字量将数字量D D转换成模拟量。转换成模拟量。l数模转换器数模转换器 二分法举
15、例二分法举例ADC的基本原理已知某物品价格在已知某物品价格在0-64元间（元间（31元），猜一猜元），猜一猜该物品价格（精确到该物品价格（精确到1元）。元）。第1次第2次第3次第4次第6次第5次321624283130高低低低结束低64是基准值；最多6次，2664；精度64/26 1元。逐次逼近逐次逼近ADC原理原理ADC的基本原理参考电压参考电压UR，ADC位数位数N位，输入电压位，输入电压Ui，则最多需要比较则最多需要比较N次，精度为次，精度为UR/2N。第1次第2次第N次100000100001101高，1改0低，1保持结束第3次01100低RRUUQ=分层电压 N层数2模数转换器的位数
16、越多即模数转换器的位数越多即N值越值越大，则模数转换器分辨率与转换大，则模数转换器分辨率与转换的精度越高。的精度越高。R1 U 2分辨率 N2用于将上述用于将上述ADC过程中数字量转化为模拟量与输入电过程中数字量转化为模拟量与输入电压进行比较。压进行比较。DAC数模转换原理R1U2RI R2U4RI R3U8RI R4U16RI RR-1-2-3-41234UUI=(B 2+B 2+B 2+B 2)RRD可见，输出模拟电可见，输出模拟电压正比于输入的数压正比于输入的数字量字量D。DRRUuFRD)/(模数转换器回路逻辑 较快的二分逼近方法，较快的二分逼近方法，N N位转换器只要比较位转换器只要
17、比较N N次，比较的次数与输次，比较的次数与输入模拟量的值无关。入模拟量的值无关。查询方式查询方式数据采集系统与微机接口 靠靠CPUCPU查询查询ADAD转换是否结束转换是否结束 ADAD转换结束向转换结束向CPUCPU发出中断请求发出中断请求 ADAD转换结果直接存入内存转换结果直接存入内存l中断方式中断方式lDMA 微处理器微处理器CPU 存储器存储器 并行口并行口 串行口串行口 定时定时/计数器等计数器等3.3.微型机主系统微型机主系统 存储器包括：存储器包括：EPROMEPROM用于存放保护程序，用于存放保护程序，即软件即软件 RAMRAM用于存放运算的中间结用于存放运算的中间结果果。
18、EEPROMEEPROM用于存放保护定值，用于存放保护定值，也可采用也可采用FLASHFLASH来存放。来存放。微型机主系统：微型机主系统：CPU执行存放在执行存放在EPROM中的中的程序，对由数据采集系统输入至程序，对由数据采集系统输入至RAM区的数据进行区的数据进行分析处理，并与存放于分析处理，并与存放于EEPROM中的定值进行比较，中的定值进行比较，以完成各种保护功能。以完成各种保护功能。开关量输入回路开关量输入回路4.4.开关量输入输出回路开关量输入输出回路 电平接点直接接入并行口电平接点直接接入并行口 外部接点要采取抗干扰措施，外部接点要采取抗干扰措施，如光耦的隔离如光耦的隔离开关量
19、输出回路开关量输出回路 电平接点并行口直接输出电平接点并行口直接输出 外部接点要采取抗干扰措施，如光耦隔离、防止误输出外部接点要采取抗干扰措施，如光耦隔离、防止误输出5.通信接口通信接口通信回路：通信回路：实现保护之间的通信及远动，实现保护之间的通信及远动，便于实现综合自动化。便于实现综合自动化。6.电源电源电源回路：电源回路：为整个装置提供直流电源。为整个装置提供直流电源。1.5.3 微机保护软件部分的构成微机保护软件部分的构成 构成：监控程序、运行程序。构成：监控程序、运行程序。监控程序包括对人机接口键盘命令处监控程序包括对人机接口键盘命令处理程序及为插件调试、整定设置显示理程序及为插件调
20、试、整定设置显示等配置的程序。等配置的程序。运行程序就是指保护装置在运行状态运行程序就是指保护装置在运行状态下所需执行的程序。下所需执行的程序。a）主程序。包括初始化，全面自检、开放及）主程序。包括初始化，全面自检、开放及等待中断等；等待中断等；b）中断服务程序。通常有采样中断、串行口）中断服务程序。通常有采样中断、串行口中断等。前者包括数据采集与处理、保护起中断等。前者包括数据采集与处理、保护起动判定等，后者完成保护动判定等，后者完成保护CPU与保护管理与保护管理CPU之间的数据传送。例如，保护的远方整之间的数据传送。例如，保护的远方整定、复归、校对时间或保护动作信息的上传定、复归、校对时间
21、或保护动作信息的上传等。等。c）故障处理程序。在保护起动后才投入，用）故障处理程序。在保护起动后才投入，用以进行保护特性计算、判定故障性质等。以进行保护特性计算、判定故障性质等。微机保护运行程序一般可分为三部分。微机保护运行程序一般可分为三部分。（1）主程序主程序主程序主程序框图框图（2）采样中断服务程）采样中断服务程序序 采样中断服务程序示采样中断服务程序示于图，主要内容有：于图，主要内容有：l）数据采样及存储；）数据采样及存储；2）电流差突变量起动）电流差突变量起动元件；元件；3）电压、电流求和自）电压、电流求和自检。检。采样中断服务程序采样中断服务程序 在进入中断服务程序后，首先关闭其他
22、中断是为在进入中断服务程序后，首先关闭其他中断是为了在采样期间不被其他中断打断。在中断返回前了在采样期间不被其他中断打断。在中断返回前则应开中断。则应开中断。电压、电流求和自检用下式实现。若：电压、电流求和自检用下式实现。若：如果延时如果延时60ms后上式一直满足，则置起动标后上式一直满足，则置起动标志志QDB=1，程序中断返回时转至故障处理程序。，程序中断返回时转至故障处理程序。DZcbaDZcbaIIIIUUUU（3）故障处理程序故障处理程序故障处理程序（部分）故障处理程序（部分）1.5.4 微机保护的算法微机保护的算法 微机保护的算法微机保护的算法：微机保护装置根微机保护装置根据模数转换
23、器提供的输入电气量的采样据模数转换器提供的输入电气量的采样数据，进行分析、运算和判断，以实现数据，进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法。各种继电保护功能的方法。评价指标：评价指标：计算精度计算精度 响应时间响应时间 运算量运算量算法的种类：算法的种类：1.1.根据输入电气量的若干点采样值，根据输入电气量的若干点采样值，通过一定的数学式或方程式计算出通过一定的数学式或方程式计算出保护所反应的量值，然后与定值进保护所反应的量值，然后与定值进行比较。行比较。2.2.不计算出具体的量值，根据动作方不计算出具体的量值，根据动作方程进行判别，确定是否在动作区内。程进行判别，确定是否在动作区内。小 结 微机保护的硬件构成及作用。微机保护的硬件构成及作用。理解数据采集系统的构成及原理模拟理解数据采集系统的构成及原理模拟量转化为数字量的方法。量转化为数字量的方法。微机保护的软件构成。微机保护的软件构成。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
