電力系統繼電保護原理主講教師：劉青電自教研室繼電保護的硬件構成2.1繼電器1、繼電器的分類☆按照動作原理分為：電磁型、感應型、整流型、電子型和數字型等；☆按照反應的物理量可分為：電流繼電器、電壓繼電器、功率方向繼電器、阻抗繼電器和氣體（瓦斯）繼電器等；☆按照繼電器在保護回路中所起的作用分為：啟動繼電器、量度繼電器、時間繼電器、中間繼電器、信號繼電器和出口繼電器等；2、對繼電器的基本要求：工作可靠，動作過程具有“繼電特性”。3、繼電器的繼電特性：I返回動作繼電器的動作明確干脆不可能停留在某一中間位置，這種特性稱為“繼電特性”。＊繼電器的動作電流：使繼電器動作的最小電流；＊繼電器的返回電流：使繼電器返回的最大電流；返回系數：(0.85~0.9)＊電磁型電流繼電器3個力矩：電磁力矩Mdc；彈簧力矩Mth；摩擦力矩Mm；動作條件：返回條件：2.2微機繼電保護簡介計算機用于現場工業控制的例子舉不勝舉250Kb/s,16位,16路高分辨率多功能數據采集卡

能夠提供隔離數字量輸入通道和隔離數字量輸出通道,隔離保護電壓可達到2500VDC.它們是要求采取高電壓隔離工業應用的理想選擇.此外,所有輸出通道都提供高電壓保護

8通道隔離數字量輸入和8通道繼電器輸出卡

CAN總線接口卡

計算機控制系統(ComputerControlSystem，簡稱CCS)是應用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯系，以獲得一定控制目的而構成的系統。輔助部件：輸入輸出接口、檢測裝置和執行裝置等。與被控對象的聯系和部件間的聯系：可以是有線方式，如通過電纜的模擬信號或數字信號進行聯系；也可以是無線方式，如用紅外線、微波、無線電波、光波等進行聯系。控制目的：可以是使被控對象的狀態或運動過程達到某種要求，也可以是達到某種最優化目標。

對于一個具體的微機保護裝置，通常將硬件電路按功能分別布置在幾個PCB板上——稱為保護的“插件”，各插件安裝于一個機箱中，采用總線把各插件聯系在一起，構成一套完整的保護裝置。從結構上看，一個完整的微機保護包含以下幾部分：機箱、插件、面板、總線1.1.2微機保護裝置的結構0.1.3微機保護裝置構成及其特點微機保護的構成框圖DAS保護微機系統（1~n個）開入電源

繼電器開出開入管理微機系統GPS按鍵

LCD打印機逆變穩壓電源至通信網

數據采集系統完成把電壓互感器和電流互感器二次的電壓、電流信號變換為數字信號，供微機系統使用。保護微機系統實現具體的繼電保護功能，由不同的軟件實現不同的繼電保護功能。管理微機系統主要作為人機對話的手段。通常為外部繼電器的接點、保護屏上的投退壓板、操作把手的接點等，一般是經光電隔離后輸入微機系統。保護系統通過開關量輸出驅動電路使繼電器動作。這些繼電器包括跳閘出口繼電器、信號繼電器、硬件故障的告警繼電器。微機保護裝置具有一般計算機系統共同的特點1）計算——速度足夠快2）計算——精度足夠高3）存儲——容量足夠大4）邏輯判斷5）硬件的通用性6）智能化——程序化設計的結果7）通訊——網絡接口現場應用的微機保護發電廠值班人員監視機組生產2.3微機繼電保護硬件系統的構成數據采集系統微機主系統串行通信輸入/輸出系統來自電流互感器電壓互感器2.3.1微機保護硬件功能結構劃分將模擬信號轉換為數字信號對采集到的數據進行分析處理，以完成各種保護功能完成各種保護的出口跳閘、信號報警、外部接點輸入及人機對話等功能；一、數據采集系統電壓形成電壓形成LFLFS/HS/HMPXA/D......1.電壓形成一、常識1.微機保護輸入的電氣量

1）交流電流：來自TA的二次側，額定電流為5A或1A2）交流電壓：來自TV的二次側，額定線電壓為100V3）直流電壓：發電機的勵磁電壓400-600V2.電力系統短路故障后電氣量的變化

1）電流升高，最大一次電流倍數可通過故障計算得出。

2）相電壓降低，最低可達到0V3）零序電壓在發生不對稱接地短路時有輸出。3.數據采集系統處理的一般都是電壓信號，根據采用的模數轉換器件不同，其輸入信號范圍不同，如0~5V,0~10V,-2.5V~+2.5v,-5V~+5V,-10V~+10V等。

4.變換器的作用和分類

1）按變換的信號電流變換器；電壓互感器；電流電壓雙用互感器

2）按用途分類測量用電流、電壓變換器；錄波用電流、電壓變換器；保護用電流、電壓變換器；作用：電流、電壓變換器除了電量變換作用外，還起隔離作用，使微機保護裝置在電路上與電力系統二次回路隔離。

舉例：保護用電壓變換器規格輸入電壓

額定值（V）輸出電壓

額定值（V）輸入電壓

過載倍數非線性度空載電流（mA）工頻耐壓（V）比差

（±%）角差

（±分）57.7V/3.53V57.73.531.2＜0.1≤10＜0.5＞2500100V/2.88V1002.881.5＜0.1≤10＜0.5＞2500100V/3.53V1003.531.5＜0.1≤10＜0.5＞2500電流變換器規格輸入電流額定值(A)輸出電壓額定值(V)最大過載電流(A)最大過載時輸出電壓（V）非線性度功率消耗(VA)工頻耐壓(V)比差(±%)角差(±分)20A/3.53V10.1765203.53＜0.1≤10＜0.1＞250020A/7.07V10.3535207.07＜0.1≤10＜0.1＞250050A/4V50.4504＜0.1≤10＜0.1＞2500100A/3.53V50.17651003.53＜0.1≤10＜0.1＞25002.采樣保持（S/H）電路及采樣頻率的選擇一、概述

模擬信號進行A/D轉換時，有以下實事

從啟動轉換到轉換結束輸出數字量，需要一定的轉換時間。

在這個轉換時間內，模擬信號要保持不變。否則轉換精度沒有保證，特別當輸入信號輸入頻率較高時，會造成很大的轉換誤差。

要防止這種誤差的產生，必須在A/D轉換開始時將輸入信號的電平保持住，而在A/D轉換結束后又能跟蹤輸入信號的變化。

能完成這能完種功能的器件叫采樣／保持器。采樣／保持器在保持階段相當于一個“模擬信號存儲器”。采樣保持器工作示意在數據采集系統中，采樣／保持器主要起以下兩種作用：

(1)“穩定”快速變化的輸入信號，以利于模/數轉換器把模擬信號轉換成數字信號，減小采樣誤差。

(2)用來儲存多路模擬信號，這樣可使用多路開關和一個AD實現多路信號的同步采集。

對采樣保持電路的要求

a）截獲時間（Tc）盡量短，以便采用很短采樣脈沖。

b）保持時間長，在保持期間輸出電壓變化小。

c）模擬開關的動作延時、閉合電阻和開斷時的漏電流要小。采樣保持器器件舉例——LF398LF398典型的參數如下：

運算放大器的輸出阻抗不大于6歐姆，輸入阻抗高達10000兆歐姆電壓下降率為2mV/s

電壓按誤差小于0.1%的精度跟蹤輸入信號，截獲時間約為20微秒。

3.模擬低通濾波器ALF一、常識1）電力系統故障后的暫態信號的頻率成分

目前大多數保護原理是基于工頻分量的保護2）采樣頻率3）硬件能力采樣頻率的高低受到CPU的速度、被采集的模擬信號的路數、A/D轉換后的數據與存儲器的數據傳送方式的制約。要求在一個采樣間隔內完成對所有采樣信號的處理，否則會造成數據的錯誤。

——采樣頻率——所含信號的最高頻率

短路瞬間電流、電壓中含有高頻率信號，為了防止混疊誤差，要求采樣頻率很高，勢必增加對硬件的要求。實際上目前大多數微機保護原理是反映工頻量的，或反映某些高次諧波，故可以在采樣之前將最高信號波頻率分量限制在一定頻帶內。

一般在采樣前用一個低通濾波器（ALF）將高頻分量濾掉。以降低采樣頻率，從而降低對硬件的要求。RC無源低通濾波器電路二階RC模擬低通濾波器4.模擬量多路轉換開關(1).模數轉換器的分類5.模數轉換器（Ａ/D）(2).A/D型模數轉換的一般原理

模數轉換包括采樣、保持、量化和編碼四個過程。模數轉換器可以認為是一種編碼電路。它可以實現將模擬的輸入量相對于參考電壓經過一個編碼電路轉換成數字量D。用二進制數表示為：

式中：為二進制數的0或1。其中D是一個小于1的數，。從而，模擬信號可表示為：

工作原理a.逐次逼近型電路結構框圖

1個時鐘周期內只能完成1位轉換。n位轉換需要n個時鐘周期，故采樣速率不高,輸入帶寬也較低。優點是原理簡單，便于實現，適用于中速率而分辨率要求較高的場合第一次設定數碼：1000UR>UOUR<UO第二次設定數碼：11000100

第三次設定數碼：UR>UOUR<UOUR>U0UR<UO1110101001100010

><><><><第四次設定數碼11111101101110010111010100110001A/D型模數轉換器舉例1）AD574Complete12-BitA/DConverterwithReferenceandClock8-and16-BitMicroprocessorBusInterface35μsMaximumConversionTimeAD7665與微型機的接口AD7665是一種逐次逼近型的16位數模轉換器，轉換速率是500kSPS（SamplesPerSecond），即進行一次模數轉換的時間為1/500K=2uS。b.VFC式A/D型模數轉換

換一種思路，用待轉換的電壓V控制計數脈沖的頻率，使脈沖頻率正比于電壓V，而計數間隔不變，則計數結果也代表輸入了電壓的大小。

這種模數轉換稱為電壓-頻率型（V-F型）模數轉換，簡稱VFC。

電壓頻率轉換器VFC（VoltageFrequencyConverter）是另一種實現模數轉換功能的器件，將模擬電壓量變換為脈沖信號，該輸出脈沖信號的頻率與輸入電壓的大小成正比。VFC工作原理輸出波形輸入電壓V為一負電壓，在其作用下，電容器C充電，當積分器的輸出電壓上升至零時，過零比較器發生跳變。觸發單穩電路，使之產生一個寬度為to的脈沖，此脈沖控制開關S，使其與+Vs電源接通to時間，C反充電，當to結束時，S斷開，在負的輸入電壓作用下，電容器C又充電，如此反復進行下去，振蕩不止。于是可將輸入的模擬電壓變換為一串等幅脈沖輸出。顯然，其它參數不變時，當輸入電壓越大，積分電容充電越快，從而使輸出脈沖的頻率越高。反之，輸入電壓越小輸出脈沖的頻率越低。

單穩觸發器的輸出脈沖信號的寬度受RT和CT兩個參數的影響。在RT固定時，改變用戶接入的CT大小，可改變單穩觸發器輸出脈沖信號的寬度。微機保護中VFC型數據采集系統的構成浪涌吸收器：由RC網絡構成，可吸收高頻干擾信號。電壓頻率變換器：由VFC芯片實現電壓到頻率的轉換。將模擬信號變為數字信號。光電隔離器：由光電隔離芯片實現模擬系統與數字系統的隔離，具有抗干擾的作用。計數器：由可編程的計數器芯片構成，通常為16位計數器。在單片機的干預下，在每次采樣中斷中，讀取計數器的計數值。VFC型數據采集系統結構簡圖如下所示。可見與普通A/D型的數據采集系統是不一樣的。VFC型數據采集系統的特點：

（1）有低通濾波的作用，可以大大抑制噪聲；普通A/D轉換器是對模擬量瞬時值進行轉換，而VFC型數據采集系統是對模擬量的連續積分，具有低通濾波作用，并可大大抑制噪聲。（2）抗干擾能力強，在VFC數據采集系統的輸出端和CPU主系統的計數器之間接入光電耦合器；（3）輸出數字量D的位數可調；（4）與微型機的接口簡單；（5）可實現多微機共享數據采集；（6）易于實現同步采樣；（7）但不適用于高頻采樣。器件舉例——AD654二、數據處理系統數字處理系統又稱為微機保護的主系統——是指除I/O設備外的微機保護系統的核心部分。微機保護的主系統的作用是：進行數字運算、邏輯處理與I/O控制。并行接口

處理器EPROMRAMFLASHEEPROM

時鐘

譯碼邏輯

定時器串行接口

在微機保護的主系統中，ＥＰＲＯＭ可以用于存放保護的程序；

在微機保護中，ＦＬＡＳＨ可以作為保護程序、波形或事件記錄的存儲器使用；

在微機保護中，ＲＡＭ可用于存儲數據或運行程序；

在微機保護中ＥＥＰＲＯＭ可以用作保護的定值存儲器；1.開關量的輸入回路開關量即接點狀態信號，接通或斷開（識別外部條件）。對微機保護裝置的開關量輸入可以分為2類：

（1）安裝在裝置面板上的接點信號輸入；如用于人機對話的鍵盤上的接點信號。這類信號可以直接接至微型機的并行口。（2）從裝置外部經過端子排引入的接點信號輸入；如保護屏上的各種硬壓板、轉換開關等。為了抑制干擾，這類接點必須要經過光電耦合器進行電氣隔離，然后接至并行口。

三、開關量輸入/輸出接口開關量輸入電路需要輸出的開關量（開出量）：保護的跳閘信號、通信接口。（一）通信接口（包括打印機接口）可用一個并行口來控制輸出數字信號。輸出回路中也加光電耦合器，提高抗干擾能力。

將并行接口的PA口設置為輸出方式；將PB口設置為輸入方式。在開關量輸出回路中加入光電耦合器，實現兩側電氣回路的電氣隔離，同時可以進行不同邏輯電平的轉換。并行接口側的電源電壓是＋5V，而右側輸入回路中電源電壓可以是＋24V或其它電壓等級。開關量輸出電路需要輸出的開關量（開出量）：保護的跳閘信號、通信接口。（一）通信接口（包括打印機接口）可用一個并行口來控制輸出數字信號。輸出回路中也加光電耦合器，提高抗干擾能力。

將并行接口的PA口設置為輸出方式；將PB口設置為輸入方式。在開關量輸出回路中加入光電耦合器，實現兩側電氣回路的電氣隔離，同時可以進行不同邏輯電平的轉換。并行接口側的電源電壓是＋5V，而右側輸入回路中電源電壓可以是＋24V或其它電壓等級。小結1、掌握微機保護構成的三大部分及其作用2、掌握數據采集系統的構成原理3、掌握保護主系統構成所需要的資源4、掌握開關量輸入輸出系統的工作原理思考與練習1.1微機保護的構成包含那幾部分？1.2數據采集系統、微機主系統和輸入輸出系統的作用是什么？1.3以三段式電流保護為例，設計一套微機保護的硬件構成方案，并給出簡要說明。裝置正面布置圖：液晶顯示器LCD光字燈LED確認鍵SET退出鍵QUIT信號復歸鍵RST上下左右選擇鍵串行接口ISO插件及其功能：2.4微機保護軟件算法一、微機保護軟件結構主程序：對硬件初始化，自檢(定值自檢、程序自檢、開出檢查、開入量監視等)。采樣中斷程序：采樣，起動元件判別等。故障處理程序：實現保護功能。

微機保護把經過數據采集系統量化的數字信號經過適當的算法，計算出交流信號的有效值、相位以及多個信號的組合量如：阻抗、相位等。

常規保護把被測信號引入保護繼電器，繼電器按照電磁、感應、比幅、比相等原理作出動作與否的判斷。

算法——是研究由若干個采樣數據求取保護原理所需要的故障特征量的方法。IΦ二、微機保護的算法1）直接由采樣值經過某種運算，求出被測信號的實際值再與定值比較。2）依據繼電器的動作方程，將采樣值或由它們計算出的中間變量代入動作方程，轉換為運算式的判斷。

一是算法的計算精度——關系到保護能否正確做出判斷；二是算法所用的數據窗——關系到保護動作速度的快慢。算法所研究的主要問題微機保護裝置中采用的算法可分為兩類二、微機保護的算法1.基于正弦函數模型的算法1.1最大絕對值算法ΔUmaxu算法誤差數據窗平均半個周波10ms

算法依據——一個正弦信號在任意半周內，其絕對值積分（求面積）的結果正比于信號的有效值。1.2半周絕對值積分算法設積分的結果為S，則：

從而可求出有效值：算法：us1s2s3s4s5s6u0u1u2u3u4u5u6例如：N=12對于正弦信號數據窗半個周期1971年,澳大利亞的兩位學者Mann和Morrison提出了利用正弦函數的導數為余弦函數的特點,可求出交流信號的有效值的一階導數算法。設：1.3一階導數算法(Mann_Morrison算法)微機保護中求導數的方法——差分求導數

1971年，美國西屋公司研究出一套用小型計算機實現的輸電線路計算機保護系統，安裝在太平洋煤氣和電氣公司的變電站中試運行。在該保護裝置中采用了二階導數算法。又稱Prodar—70算法。設：1.4二階導數算法（Prodar-70算法）在微機保護中計算一階導數和二階導數的方法：1）兩采樣值積算法設：式中：1.5采樣值乘積算法

利用三個連續的等時間間隔的采樣值中兩兩相乘，通過適當組合求出信號幅值的方法。設：2）三采樣值積算法2.基于周期函數模型的算法2.1.周期函數的傅立葉級數及各次諧波的關系設有一個周期函數，其周期為T。且該周期函數滿足狄里赫利條件，則該函數可表示為：、為基波角頻率。為諧波次數，對于基波分量，取

式中：

正弦基波信號表示的另一種形式：

2.2傅立葉算法在微機保護中的應用

設是與連續函數對應的離散序列,

每基波周期采樣的點數為N,提取基波分量的算法：假設一個正弦基波電壓信號為：

用向量表示為：

所以：

結論：采用傅里葉算法提取的是一個向量函數的實部和虛部。全周傅氏算法——實部——虛部1）全周傅氏算法計算結果是一個向量的實部和虛部。2）傅氏算法既是一種算法，本身具有很好的濾波作用——能夠濾除直流及各整次諧波分量。3）全周傅氏算法需要一個周期的數據窗，時間是20毫秒。全周傅氏算法小結4）采用傅氏算法可以提取任何整次諧波分量，一般的計算方法為：5）傅氏算法受衰減直流分量的影響會產生計算誤差，可采取適當措施減小其影響。半周傅氏算法

半周波傅氏算法用半周波的數據計算信號的幅值和相角。提取n次諧波分量的算法如下：對于基波分量其中：同樣可以分析其幅頻特性幅頻特性|H(f)|f/f00123456

半周傅氏算法在故障后10MS即可進行計算，因而使保護的動作速度減少了半個周期。半周傅氏算法不能濾除恒定直流分分量和偶次，因此，半周傅氏算法的計算誤差較大。3微機線路保護的基本元件及算法3.1概述

線路保護基本上是按電壓等級劃分的，不同電壓等級的線路配置的保護原理不盡相同。35kV及以下等級的輸電線路保護配置：反應相間短路的三段式電流保護接線的功率方向元件（可選）三相重合閘（動作次數可設定）特殊場合可以配置反映相間短路的距離保護保護動作跳三相110kV電壓等級的輸電線路的保護配置：反應相間短路的三段式距離保護反應接地短路的三段式距離保護反應不對稱接地短路的三段或四段式零序電流保護（帶或不帶零序功率方向——可選）三相一次重合閘保護動作跳閘跳三相220kV及以上電壓等級的線路保護配置：電流差動保護方向縱聯保護距離縱聯保護