1、電力系統微機繼電保護畢 天 姝 教 授電氣與電子工程學院華北電力大學中國大唐集團公司第1期繼電保護高級專業技術人才培訓班9/3/20221緒 論9/3/20222電力系統微機繼電保護，畢天姝發電用電輸電變電配電通信系統電廠監控站端監控數據采集和傳輸電 網 調 度50.0Hz49.850.2發 電用 電站端監控電力系統繼電保護的作用9/3/20223電力系統微機繼電保護，畢天姝正常狀態：能量管理系統目標：安全性與經濟性K1故障發生：繼電保護系統目標：快速、準確、可靠切除故障故障切除后：穩控系統目標：維護系統穩定性9/3/20225電力系統微機繼電保護，畢天姝0-1 電力系統繼電保護的作用電力系統

2、運行狀態 三種狀態： 正常運行，指電壓、電流、頻率（轉速）在規定的范圍內，各個一次電氣設備能夠正常工作而不損壞的運行狀態 不正常運行，指電力系統中電氣設備的正常工作遭到破壞但未出現故障的狀態，比如像過負荷。 故障，通常指各種類型的短路和斷線，包括各相導體之間或者導體對地的不正常連接、三相或者某相開斷。9/3/20226電力系統微機繼電保護，畢天姝0-1 電力系統繼電保護的作用故障的排除 故障是不可避免的，發生故障后，迅速而有選擇性地切除故障設備是保證故障設備不損壞、非故障設備繼續安全運行的前提和保障。繼電保護 繼電保護裝置，檢測故障發生后所出現的故障信息，根據故障信息判斷故障發生在那個設備上，

3、進而快速、有選擇地切除故障設備的一種安全自動裝置。 繼電保護，泛指繼電保護理論、技術與裝置以及各種裝置一起所組成的系統。繼電保護的基本任務自動、迅速、有選擇地將故障設備切除反映不正常狀態，發出報警信號、減負荷或者跳閘9/3/20227電力系統微機繼電保護，畢天姝02 繼電保護的基本原理和系統構成電流保護 短路故障發生后，設備中流過的電流會增大，保護安裝點（一般在變電站母線處）所測量的電流會增大，根據電流增大構成的繼電保護稱為電流保護，電流保護是一種過量保護，越靠近母線，短路電流越大。電流保護說明見圖019/3/20228電力系統微機繼電保護，畢天姝02 繼電保護的基本原理和系統構成距離保護 輸

4、電線路發生短路故障后，電流會增大，電壓會降低，根據測量到的電壓和電流可以計算出故障點到測量點之間的線路阻抗，這個阻抗值比線路正常運行時小，據此，可以構成阻抗繼電器。因為線路阻抗和線路距離成正比，所以阻抗保護又稱為距離保護。圖02示出了距離保護說明圖。9/3/202210電力系統微機繼電保護，畢天姝02 繼電保護的基本原理和系統構成差動保護 正常運行的設備，流進電流和流出電流相等，如果都以流進電流為參考方向，則電流之和為零； 該設備發生短路故障后，流進電流和流出電流不再相等，其和為短路電流。 據此，可以構成電流差動保護。圖03示出了電流差動保護說明圖9/3/202212電力系統微機繼電保護，畢天

5、姝02 繼電保護的基本原理和系統構成繼電保護系統構成 繼電保護的根本任務是檢測并發現故障，然后通過斷路器切除故障設備。因此，一個完整的繼電保護系統至少應該包括： 傳感器：包括電壓互感器、電流互感器、其它傳感器（比如瓦斯氣體傳感器）等 繼電保護裝置：有通道的繼電保護甚至需要在兩端（比如線路保護）安裝，還需要專用的繼電保護通道 斷路器：用于切除故障設備，達到保護目的。一個典型的繼電保護系統圖如圖04所示 9/3/202214電力系統微機繼電保護，畢天姝02 繼電保護的基本原理和系統構成1繼電保護裝置2通信設備圖04 繼電保護系統9/3/202215電力系統微機繼電保護，畢天姝03 微機保護微機保護

6、概念 微機保護是指以微型機、微處理器為核心構成的繼電保護。 以數字量為處理對象，為微型機、微處理器為核心的數字保護裝置9/3/202216電力系統微機繼電保護，畢天姝03 微機保護世界微機保護的發展歷史20世紀60年代末期，開始倡議用計算機構成繼電保護。20世紀70年代，掀起了研究熱潮。20世紀70年代末期，開始進入實用化階段。1979年后，推出各種定型的商業性微機保護產品，并迅速推廣。9/3/202217電力系統微機繼電保護，畢天姝03 微機保護我國微機保護的發展70年代后半期開始，對國外計算機繼電保護的發展作了廣泛的介紹和綜述分析。70年代末至80年代初則廣泛地開展各種算法以至樣機的研制。

7、1984年，華北電力學院楊奇遜教授主持研制的第一套微機距離保護樣機在河北馬頭電廠投入試運行。1986年，全國第一臺微機高壓線路保護裝置投入試運行。1987年9月26日，微機距離保護經受人工短路考驗。9/3/202218電力系統微機繼電保護，畢天姝05 微機保護特點維護調試方便可靠性高易于獲得附加功能靈活性大保護性能得到很好改善9/3/202220電力系統微機繼電保護，畢天姝第一章 微機保護的硬件原理9/3/202221電力系統微機繼電保護，畢天姝1-1 概述（續）模擬量輸入系統（數據采集系統）：電壓形成、模擬濾波、采樣保持(S/H)、多路轉換(MPX)以及模數轉換(A/D)，完成將模擬輸入量準

8、確地轉換為所需的數字量CPU主系統：微處理器(MPU)、只讀存儲器(ROM)或閃存內存單元(FLASH)、隨機存取存儲器(RAM)、定時器、并行以及串行接口等。MPU執行編制好的程序，以完成各種繼電保護測量、邏輯和控制功能開關量（數字量）輸入/輸出系統：并行接口(PIA或PIO)、光電隔離器件及有觸點的中間繼電器等組成，完成保護的出口跳閘、信號、外部接點輸入及人機對話等功能9/3/202223電力系統微機繼電保護，畢天姝1-2 數據采集系統（模擬量輸入系統）一、電壓形成回路1. 模擬量選取原則：以滿足保護功能為基本準則2. 作用與方案比較作用方案比較電抗變換器缺點：二次電壓波形將發生畸變優點：

9、線性范圍大、鐵芯不易飽和、有移相作用、抑制直流電流變換器優點：線性范圍內，波形相同且同相缺點：在非周期分量下容易飽和、線性度較差、動態范圍小9/3/202224電力系統微機繼電保護，畢天姝1-2 數據采集系統（模擬量輸入系統）二、采樣保持電路和模擬低通濾波器（一）S/H電路的作用及原理S/H電路的作用S/H電路的工作原理9/3/202226電力系統微機繼電保護，畢天姝1-2 數據采集系統（模擬量輸入系統）（二）對采樣保持電路的要求使Ch上電壓按一定精度（例如誤差小于0.1%）跟蹤上usr所需要的最小采樣寬度Tc（或稱為截獲時間），對快速變化的信號采樣時，要求Tc盡量短保持時間要長。通常用下降率

10、 來表示保持能力。模擬開關的動作延時、閉合電阻和開斷時的漏電流要小。分析討論Ch的選值9/3/202227電力系統微機繼電保護，畢天姝1-2 數據采集系統（模擬量輸入系統） Ch=0.01F（三）采樣保持電路的典型芯片9/3/202228電力系統微機繼電保護，畢天姝1-2 數據采集系統（模擬量輸入系統）（四）采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應用低通濾波器R=4.3k, C=0.1F9/3/202230電力系統微機繼電保護，畢天姝1-2 數據采集系統（模擬量輸入系統）三、模擬量多路轉換開關（一）模擬量多路轉換開關的作用（二）MPX的工作過程9/3/202231電力系統微機繼電保護，畢天姝1-2

11、數據采集系統（模擬量輸入系統）四、模數轉換器（一）模數轉換的一般原理和分類一般原理：將輸入的模擬量UA相對于模擬參考量UR轉換成數字量D輸出：即： 假定數字量D是小于1的數，則：分類：積分型、逐次逼近比較型、并行和流水線型等9/3/202232電力系統微機繼電保護，畢天姝四、模數轉換器（二）逐次逼近法模數轉換器的基本原理9/3/202233電力系統微機繼電保護，畢天姝四、模數轉換器（二）逐次逼近法模數轉換器的基本原理溢出問題9/3/202234電力系統微機繼電保護，畢天姝四、模數轉換器（二）逐次逼近法模數轉換器的基本原理雙極性模擬信號的模數轉換9/3/202235電力系統微機繼電保護，畢天姝四

12、、模數轉換器（三）A/D轉換器舉例AD7665是逐次逼近型的16位快速模數轉換器，速度為500kSPS電源DVDD、DGNGOVDD、OGNDAVDD、AGNDREF、REFGND模擬量輸入usr10V, 5V, 2.5V0-10V, 0-5V, 0-2.5V9/3/202236電力系統微機繼電保護，畢天姝四、模數轉換器（三）A/D轉換器舉例方式選擇OB/2 (output binary/2s complement)WARP, IMPULSESER/ (Serial/Parallel)BYTESWAP9/3/202237電力系統微機繼電保護，畢天姝四、模數轉換器控制信號RESET (Read)

13、, (Chip Select) (Start Conversion)PD (Power Down)BUSY并行輸出方式的數據信號DATA15-DATA09/3/202238電力系統微機繼電保護，畢天姝四、模數轉換器串行輸出方式的接口信號SYNCSCLKSDOUTRDERRORDIVSCLKEXT/ INVSYNCINSCLKRDC/SDIN9/3/202239電力系統微機繼電保護，畢天姝四、模數轉換器（五）模數轉換器與微型機的接口9/3/202240電力系統微機繼電保護，畢天姝四、模數轉換器（五）模數轉換器與微型機的接口初始化定時器中斷服務程序控制多路轉換開關，將0通道連接到A/D 輸入端啟動

14、A/D轉換查詢A/D轉換是否結束讀取A/D轉換結果，并按照一定格式 存入循環寄存器中修改存數指針為下一個存數單元判斷本次采樣時刻的所有模擬量都轉換完畢 否則通道號加1全部轉換結束后，判斷存數指針是否超出循環 寄存器末地址9/3/202241電力系統微機繼電保護，畢天姝四、模數轉換器（七）微機保護對模數轉換器的主要要求轉換時間 Tsn(tAD+tR)+tYA/D轉換的位數要求200倍的精度范圍9/3/202242電力系統微機繼電保護，畢天姝1-3 開關量輸入及輸出回路一、光電耦合器概念分類光隔離器光傳感器光敏元件集成的功能塊光電耦合器在微機保護中的應用特性工作方式9/3/202243電力系統微機

15、繼電保護，畢天姝1-3 開關量輸入及輸出回路二、開關量輸入回路安裝在裝置面板上的接點人機對話的鍵盤部分切換裝置工作方式 用的轉換開關從裝置外部經過端子排 引入裝置的接點壓板、轉換開關其他保護裝置和操作 繼電器的接點9/3/202244電力系統微機繼電保護，畢天姝三、開關量輸出回路（一）保護的跳閘出口、本地和中央信號1-3 開關量輸入及輸出回路9/3/202245電力系統微機繼電保護，畢天姝1-3 開關量輸入及輸出回路三、開關量輸出回路（一）保護的跳閘出口、本地和中央信號裝置正常、系統無短路設備異常系統發生短路出口回路自檢9/3/202246電力系統微機繼電保護，畢天姝三、開關量輸出回路（一）通

16、信接口、打印機接口1-3 開關量輸入及輸出回路9/3/202247電力系統微機繼電保護，畢天姝1-5 網絡化硬件電路一、問題提出繼電保護的種類很多，且由于受被保護對象的容量、模擬量數量、跳閘對象和功能要求不同等因素影響，造成保護配置多種多樣。希望采用模塊化的思想。希望微機保護在更新換代后，保護裝置對外的連線基本保持不變。保護功能插件（CPU插件）與開入、開出之間的連線受CPU插件的空間限制，很難做到開入、開出數目的方便擴展。在變壓器、發電機保護中，根據不同容量、不同主接線等情況，保護的一個動作邏輯有可能組成多個出口對象。9/3/202248電力系統微機繼電保護，畢天姝1-5 網絡化硬件電路二、

17、網絡化硬件電路標準模塊CPU插件開入(DI)插件開出(DO)插件通信網絡采用 CAN總線方式9/3/202249電力系統微機繼電保護，畢天姝1-5 網絡化硬件電路三、網絡化硬件結構的優點模塊之間的連接簡單、方便可靠性高、抗干擾能力強擴展性好升級方便便于實現出口邏輯的靈活配置降低了對微型機或微控制器并行口的數量要求9/3/202250電力系統微機繼電保護，畢天姝1-6 硬件技術的展望通用硬件技術平臺高可靠性開放性通用性靈活性和可擴展性模塊性與新型互感器接口微機保護硬件網絡化總線不出芯片可以有效提高裝置整體可靠性9/3/202251電力系統微機繼電保護，畢天姝第二章 數字濾波器9/3/202252

18、電力系統微機繼電保護，畢天姝2-1 概 述數字濾波器的定義濾波器就廣義來說是一個裝置或系統，用于對輸入信號進行某種加工和處理，以達到取得信號中的有用信息而去掉無用成分的目的。定義：是一個計算程序或算法，將代表輸入信號的數字時間序列轉換為代表輸出信號的數字時間序列，并在轉換過程中，使信號按照預定的形式變化。9/3/202253電力系統微機繼電保護，畢天姝2-1 概 述例：設一個模擬信號既包含了工頻基波信號，也包含了三次諧波成分，表達式為x(t)=sin(w1t)+0.6sin(3w1t)，試分析經過采樣計算，如何濾去三次諧波解：應用采樣間隔Ts=5/3ms對該信號采樣9/3/202254電力系統

19、微機繼電保護，畢天姝2-1 概 述數字濾波器的優點特性一致性好。一旦程序設計完成，每臺裝置的特性就可以做到完全一致不存在由于溫度變化、元件老化等因素對濾波器特性影響的問題不存在阻抗匹配的問題靈活性好，改變算法或某些系數就可以改變濾波器的性能濾波精度高，加長字長可以很容易提高精度9/3/202255電力系統微機繼電保護，畢天姝2-2 零、極點法設計數字濾波器一、零、極點對系統頻率響應的影響零點極點9/3/202256電力系統微機繼電保護，畢天姝2-2 零、極點法設計數字濾波器一、零、極點對系統頻率響應的影響9/3/202257電力系統微機繼電保護，畢天姝2-2 零、極點法設計數字濾波器二、零點設

20、計法如果希望濾除fk的頻率分量，即|H(f)|fk=0由于離散值計算公式中的濾波系數必須為實數9/3/202258電力系統微機繼電保護，畢天姝2-2 零、極點法設計數字濾波器二、零點設計法例：設Ts=5/3ms(即N=12)，用零點設計法設計出能同時濾除3次和5次諧波分量的數字濾波器傳遞函數解: (1)濾3次的因子H3(Z)=1+Z-2 (2)濾5次的因子H5(Z)=1+ Z-1+Z-29/3/202259電力系統微機繼電保護，畢天姝第三章 微機保護的算法9/3/202260電力系統微機繼電保護，畢天姝3-1 概述定義：微機保護裝置根據模數轉換器提供的輸入電氣量的采樣數據進行分析、運算和判斷，

21、以實現各種繼電保護功能的方法稱為算法分類性能指標精度速度算法所要求的采樣點數（數據窗長度）算法的運算工作量9/3/202261電力系統微機繼電保護，畢天姝3-2 假定輸入為正弦量的算法假定原始數據為純正弦量的理想采樣值一、兩點乘積算法9/3/202262電力系統微機繼電保護，畢天姝3-2 假定輸入為正弦量的算法一、兩點乘積算法9/3/202263電力系統微機繼電保護，畢天姝3-2 假定輸入為正弦量的算法一、兩點乘積算法9/3/202264電力系統微機繼電保護，畢天姝3-2 假定輸入為正弦量的算法二、導數算法9/3/202265電力系統微機繼電保護，畢天姝3-2 假定輸入為正弦量的算法二、導數算

22、法9/3/202266電力系統微機繼電保護，畢天姝3-2 假定輸入為正弦量的算法三、半周積分算法9/3/202267電力系統微機繼電保護，畢天姝3-2 假定輸入為正弦量的算法四、平均值、差分值的誤差分析由平均值求瞬時值9/3/202268電力系統微機繼電保護，畢天姝3-2 假定輸入為正弦量的算法由采樣值求微分值9/3/202269電力系統微機繼電保護，畢天姝3-3 突變量電流算法一、原理9/3/202270電力系統微機繼電保護，畢天姝3-3 突變量電流算法一、原理9/3/202271電力系統微機繼電保護，畢天姝3-3 突變量電流算法一、原理系統正常運行時，計算出來的值等于0；當系統剛發生故障的

23、一周內，求出的是純故障分量；突變量電流算法受頻率偏移的影響。 9/3/202272電力系統微機繼電保護，畢天姝3-3 突變量電流算法二、頻率變化的影響9/3/202273電力系統微機繼電保護，畢天姝3-4 選相方法一、選相方法的必要性實現選相跳閘在阻抗繼電器中僅投入故障特征最明顯的阻抗測量元件二、突變量電流選相元件單相接地故障9/3/202274電力系統微機繼電保護，畢天姝3-4 選相方法兩相不接地短路兩相接地短路三相短路9/3/202275電力系統微機繼電保護，畢天姝3-4 選相方法9/3/202276電力系統微機繼電保護，畢天姝3-5 傅里葉級數算法一、基本原理前提基本原理9/3/2022

24、77電力系統微機繼電保護，畢天姝3-5 傅里葉級數算法一、基本原理（續）說明：積分可以從任意t1時刻開始，改變t1不會改變基波分量的有效值，但基波分量的初相角卻會改變9/3/202278電力系統微機繼電保護，畢天姝3-5 傅里葉級數算法二、傅氏算法的濾波特性分析9/3/202279電力系統微機繼電保護，畢天姝3-5 傅里葉級數算法三、傅氏算法和兩點乘積算法的統一兩點乘積法的實質是為了獲得正弦量中相差90的兩點傅氏算法則是同時利用兩個對基頻信號的相移相差90的數字濾波器。b1(t)相當于兩點乘積法中的第一點i1或u1，a1(t)相當于第二點的i2或u2。傅氏法和兩點乘積法本質是統一的9/3/20

25、2280電力系統微機繼電保護，畢天姝3-6 R-L模型算法一、基本原理基本原理其中：對于相間短路應用u，i；如uab，ia-ib。 對于單相接地短路取相電壓及相電流加零 序補償電流9/3/202281電力系統微機繼電保護，畢天姝3-6 R-L模型算法一、基本原理（續）數據獲取積分形式9/3/202282電力系統微機繼電保護，畢天姝3-6 R-L模型算法二、對R-L模型算法的分析和評價算法的頻域分析9/3/202283電力系統微機繼電保護，畢天姝3-6 R-L模型算法二、對R-L模型算法的分析和評價R-L模型算法不是僅反映基頻分量，而是在相當寬的一個頻段內都能適用 不需要用濾波器濾除非周期分量

26、不受電網頻率變化的影響9/3/202284電力系統微機繼電保護，畢天姝用差分近似求導數引入的誤差分析3-6 R-L模型算法二、對R-L模型算法的分析和評價9/3/202285電力系統微機繼電保護，畢天姝算法的穩定性分析3-6 R-L模型算法二、對R-L模型算法的分析和評價9/3/202286電力系統微機繼電保護，畢天姝3-6 R-L模型算法二、對R-L模型算法的分析和評價電阻分量的誤差比較大實際上，受衰減非周期分量影響，分母可能成為兩個相近數相減，而造成比較大的計算誤差，需監測分母的數值9/3/202287電力系統微機繼電保護，畢天姝評價不必濾除非周期分量，因此算法的總時窗較短不受電網頻率變化

27、的影響受信號的噪聲影響比較大3-6 R-L模型算法二、對R-L模型算法的分析和評價9/3/202288電力系統微機繼電保護，畢天姝3-7 故障分量阻抗繼電器一、工作原理與動作方程9/3/202289電力系統微機繼電保護，畢天姝3-7 故障分量阻抗繼電器9/3/202290電力系統微機繼電保護，畢天姝3-7 故障分量阻抗繼電器一、工作原理與動作方程故障點K在保護范圍內9/3/202291電力系統微機繼電保護，畢天姝3-7 故障分量阻抗繼電器故障點K在保護范圍外9/3/202292電力系統微機繼電保護，畢天姝3-7 故障分量阻抗繼電器故障點K在保護的反方向突變量阻抗繼電器的動作方程為：9/3/20

28、2293電力系統微機繼電保護，畢天姝3-7 故障分量阻抗繼電器為了構成可實現的動作方程，有三種方法可以近似得到 的量值：用短路前保護范圍末端Y點的電壓實測值 代替 用短路前保護安裝處的電壓實測值 代替用額定電壓代替 。突變量阻抗繼電器的實用動作方程為：9/3/202294電力系統微機繼電保護，畢天姝3-11 算法的動態特性3-12 算法的選擇9/3/202295電力系統微機繼電保護，畢天姝第四章 提高微型機保護可靠性的措施9/3/202296電力系統微機繼電保護，畢天姝4-1 概 述微機保護可靠性的含義不誤動不拒動影響微機保護可靠性的因素微機保護的抗干擾問題裝置內部元件出現損壞時的對策9/3/

29、202297電力系統微機繼電保護，畢天姝4-2 干擾來源和竄入微機弱電系統的途徑一、干擾源外部干擾：與系統結構無關而是由使用條件和外部環境因素所決定的干擾由其它物體和設備輻射的電磁波由其它物體和設備產生的強電場或強磁場來自電源的工頻干擾內部干擾：由系統結構、元件布局和生產工藝等所決定的干擾雜散電感和電容的結合引起的不同信號感應長線傳輸造成電磁波的反射多點接地造成的電位差干擾等9/3/202298電力系統微機繼電保護，畢天姝4-2 干擾來源和竄入微機弱電系統的途徑二、干擾形式及耦合途徑差模干擾定義：是串聯于信號源之中的干擾原因長線傳輸的互感分布電容的相互干擾工頻干擾措施：防頻率混疊的模擬低通濾波

30、能很好地吸收差模浪涌9/3/202299電力系統微機繼電保護，畢天姝4-2 干擾來源和竄入微機弱電系統的途徑二、干擾形式及耦合途徑共模干擾定義：是引起回路對地電位發生變化的干擾可能傳播途徑及應對措施裝置對外引線端子和機殼之間的共模干擾硬件設計保證各外接端子同微機弱電系統之間沒有電的聯系電路的分布電容微機保護的結構布局必須謹慎弱電系統的插件遠離同外界端子有直接聯系的各插件裝置后底板的配線也應當使強電和弱電嚴格分開電源線和機殼之間的共模干擾9/3/2022100電力系統微機繼電保護，畢天姝4-2 干擾來源和竄入微機弱電系統的途徑二、干擾形式及耦合途徑電源線和機殼之間的共模干擾電源零線直接接機殼電源

31、零線浮空將印制板周圍都用電源零線或+5V線封閉起來，這樣就可以完全隔離電路板上其他部分同機殼之間的直接耦合9/3/2022101電力系統微機繼電保護，畢天姝4-3 干擾的可能后果“讀”或“寫”出錯，使得計算或邏輯錯誤程序出格元件損壞9/3/2022102電力系統微機繼電保護，畢天姝4-4 抗干擾措施對輸入采樣值的抗干擾糾錯利用某些輸入量之間存在著的可以利用的規律 ia+ib+ic=3i0 ia(k)+ib (k) +ic (k) =3i0 (k) x(k)+x (k-2)/2 =x (k-1)運算過程的校核糾偏復算數據窗移位后復算9/3/2022103電力系統微機繼電保護，畢天姝4-4 抗干擾措施出口的閉鎖不允許一條指令就出口中間加入核對程序程序出格的自恢復9/3/2022104電力系統微機繼電保