电力系统继电保护原理(第四版)-2(最详细版)

第二章继电保护的硬件构成

第一节继电器的类别和发展历程

继电器

能反应一个弱信号(电、磁、声、光、热)的变化而突然动作，闭合或断开其接点以控制一个较大功率的电路或设备的器件。继电器的分类 按输入信号性质分：非电量继电器和电量继电器 按功能分

量度继电器 在继电保护和自动装置中作为主要元件，与辅助元件有或无继电器配套 电流、电压、频率、功率继电器等有或无继电器 在保护装置中作为辅助元件 中间、时间、信号继电器等

电磁式继电器衔铁弹簧电磁铁工作回路电磁继电器触点

信号电源

一、电磁型继电器(Relay)

继电特性：无论起动和返回，继电器的动作都是明确干脆的，它不可能停留在某一个中间位置动作电流：使继电器动作的最小电流值<最小短路电流返回电流：使继电器返回原位的最大电流值>最大负荷电流返回系数(恒小于1) I K re= K re= 0.85~ 0.9 I K act触发特性曲线返回动作

旋转衔铁式电流继电器结构

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二、感应型继电器

用电磁铁在一铝制圆盘中或圆筒中感应产生电流，电流产生转矩使圆盘或圆筒转动，使接点闭合的继电器。四极感应圆筒式感应继电器 工作原理与鼠笼式感应电机相似

相当于两相式的电动机，垂直方向两磁极的线圈和水平两级的绕组磁通在空间上相差900,如果两磁通在时间上也相差900则可产生最大的旋转磁场 圆筒上的转矩： M= KΦ1Φ 2 sinθ

动作条件：电流大于定值(转矩大于弹簧反作用转矩),且θ为正(900时转矩最大)可反应两个电气量，如电压、电流，可实现方向继电器、阻抗继电器、差动继电器等

电磁式电流继电器

侧面正面

电磁式中间继电器

正面

侧面

五、微机保护

将反应故障量变化的数字式元件和保护中需要的逻辑元件、时间元件、执行元件等和在一起用一个微机实现，成为微机保护，是继电器发展的最高形式。 20世纪70年代初、中期开始了微机保护研究的热潮源于计算机技术重大突破：价格大幅度下降、可靠性提高 70年代中后期，国外已有少量样机试运行。

我国的微机保护发展始于上世纪70年代后半期 1984年华北电力学院研制的第一套微机距离保护样机投入试运行 目前，在我国不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护异彩纷呈，各具特色，为电力系统提供一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置

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名词解释——元件

电网中的元件是指一次设备，如线路、变压器、发电机等；在保护装置

内部有提到元件，指保护装置的某环节，如电压元件、电流元件、启动元件、方向元件等；继电保护有二大研究方面：线路保护和元件保护，这里的元件指发电机、变压器、电容器等的主设备。

第二节微处理器简介

微机保护装置硬件的核心是微处理器其选择原则 速度、功能、通用性和工作环境

国内外微机保护装置所用的微处理器 单片机 数字信号处理器(DSP) 多核芯片：一个物理IC芯片上同时集结了多个中央微

控制器和外围控制器，并实现多个控制器的并行处理

第三节微机继电保护硬件系统的构成

微机保护是用微机实现继电保护功能 难点在于电气量测量和执行部分，判据比较和逻辑

部分是微机的强项 电气量测量的关键：模拟信号

转变

数字信号离散时间信号的数字化表示

输入信号

测量部分整定值

逻辑部分

执行部分

输出信号

16

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

数值上的数字化:每个数值必须转变为二进制的微机能够读懂的数字量

时间上的离散化1 0.8 0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

1001010101001101

-0.8

-1

0

5

10

15

20

25

1

微机保护装置硬件系统构成

按功能可分为五个部分 数据采集单元：包括电压形成和模数转换等模块，完成将

模拟输入量准确地转换为数字量的功能。 数据处理单元：包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器、定时器以及并行口等。微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序，对数据采集系统输入至随机存储器中的数据进行分析处理，以完成保护功能。 开关量输入/输出接口：由若干并行接口、光电隔离器及中间继电器组成，完成保护出口跳闸、信号报警、外部接地输入及人机对话等功能。 通信接口：包括通信接口电路及接口实现多机通信和联网。 电源：供给微处理器、各集成电路及继电器等所需电源。

微机保护装置硬件系统构成

按功能可分为五个部分数据采集系统：将模拟输入量准确地转换为数字量的功能。

数据处理单元：执行程序存储器中的保护程序，对数据采集系统输入的数据分析处理，以完成保护功能通信接口：实现多机通信和联网

开关量输入/输出接口：完成保护出口跳闸、信号报警及人机对话等功能

电源

(一)数据采集单元1.电压变换 微机保护要从被保护元件的电流互感

器、电压互感器等取得电气量信息. 但这些互感器二次侧数值的变化范围与微机保护装置硬件电路对输入信号的承受水平并不匹配，故需要降低或变换 电压变换器:类似与小电压互

感器 电流变换器：通过电流变换器二次侧

电压变换回路

并联电阻的方式取得微机保护装置硬件芯片所需的电位信号 电流、电压变换回路除了起电气量变换作用外，还起隔离作用电流变换回路

2.采样保持电路及采样频率的选择

采样保持电路原理 模拟信号进行数字量转换时，从起动转换到转换结束输出

数字量，需要一定的时间。为了防止转换误差，必须使模拟信号在转换过程中基本保持不变。 采样保持器的作用：把随时间连续变化的电气量离散化

在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值并在模数转换器进行转换的期间保持其输出不变

z

工作原理： 开关S受逻辑输入端电平控制 采样状态：高电平时S闭合，电容迅速充电，使电容两端电压等于采样时刻的电压值 保持状态：S打开，则电容C上保持住K打开瞬间的电压值

输入信号的采样保持过程如图2-9所示 TC为采样脉冲宽度，TS为采样周期 采样保持电路输出的信号已经是离散化的模拟量

采样周期TS的倒数称为采样频率fS,其选择是微机保护硬件设计的一个关键问题 采样频率应该选多少？ 采样频率越高，精度越高，但

要求微处理器的运算速度越高

微机保护为实时系统，数据采集单元以采样频率所决定的时间向微处理器输入数据微处理器必须在一个采样周期内完成所需的各种运算和操作

采样频率过低，将不能真实反

映被采样信号的变化情况

采样频率的选择

连续时间信号经采样离散化成为离散时间信号后是否会丢失一些信息？以下图为例进行分析，设信号的频率为f0 每周采样一个点，即fS= f0:采样所得到的是一直流量

f0,即每两周采样 3个点，采样得到的是一个频率低于f0的低频信号 当fS=2f0时，采样所得到的波形的频率为f0

fS=1.5

只有fS>2fmax时，采样后所得到的信号才有可能较为真实地代表输入信号，否则会出现频率混叠现象，造成信号失真——香农采样定理

3.模拟低通滤波器

对于微机保护而言 大多数的保护原理都是基于工频或低频电气量

——所要求的采样频率不需要很高 但是在系统故障瞬间，电压、电流信号中都可能含有相当高的频率分量

为了满足采样定理，防止频率混叠，必须限制输入信号的最高频率——前置低通滤波器的作用 一种使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号

的电路

无源滤波器有源滤波器，RC元件与运算放大器构成

无源滤波器RLC元件构成 常用的二阶无源低通滤波器的电路图及对应的幅频特性

二阶无源低通滤波

器

其传递函数为

H (s)=

1 1+ 3 RCS+ ( RCS ) 2

( R1= R2= R )

调整RC数值可以改变滤波器的截止频率，一般取为fs/2接线简单，但对信号有衰减作用，且会带来延时

幅频特性曲线

有源低通滤波器 频率特性更理想 是主要采用的方式

4.模拟量多路转换开关

继电保护原理绝大多数基于多个输入信号，因此保护装置必需对多个模拟量同时采样 每一通道都设置A/D转换器，同时采样后同时进行

A/D转换——经济上不划算 全部通道合用一个A/D转换器，同时采样，依次 A/D转换——需要多路转换开关通道1通道2采样保持器1采样保持器2采样保持器n A/D转换器1 A/D转换器2 A/D转换器n通道1数据总线通道2采样保持器1采样保持器2采样保持器n多路转换器 A/ D转换器

数据总线

通道n

通道n

同时采样同时A/D转换

同时采样依次A/D转换

多路转换开关——实现通道切换，轮流由公用的模数转换器将模拟量转换成数字量二进制通道地址， 基本原理

由微机控制

把多个模拟量通道按顺序赋予不同的二进制地址在微机输出地址信号后，多路转换开关通过译码电路选通某一通道(开关接通)多路转换器 A/ D转换器数据总线

通道1通道2

采样保持器1采样保持器2采样保持器n

通道n

接A/D芯片接模拟量通道

同时采样依次A/D转换

5.模数转换器(A/D)

微处理器只能对数字信号进行分析运算，所以检测到的随时间连续变化的电压、电流等模拟量必须转化成离散的数字量 实现模拟量变换成数字量的硬件芯片——模数转换器直接型：输入的模拟电压离散值被直接转换成数字代码，不经任何中间变换——逐次逼近式A/D转换器原理 间接型：先把输入的模拟电压转换成某种中间变量，然后再把这个中间变量转换成数字代码输出——电压频率变换式(VFC)

逐次逼近式A/D转换器将一待转换的模拟输入信号Uin与一个推测信号Ui相比较，根据推测信号大于还是小于输入信号来决定增大还是减小该推测信号，以便向模拟信号逼近 推测信号由D/A转换器的输出获得

推测值的取值方法使二进制计数器中的每一位从最高位其依次置1,尚未置位的较低各位为0; 若模拟输入信号小于推测信号，则比较器输出为零，计数器该位清零 若模拟输入信号大于推测信号，则比较器输出为1,计数器该位保持1 不断比较，直到最末一位 数据输出位即对应模拟输入信号的数字量

例子：输入的模拟量为191

二进制计数器的最高位D7置1,即10000000,对应十进制为128,因此有191>128,所以最

高位的1保留下来接着是次高位D6置1,即为11000000,对应十进制为192,有191<192,于是次高位应该清零然后是比较第三位，将其置1,即为10100000,对应十进制为160,有191>160,于是该位的1保持下来如此依次比较，最后可得模拟量的数字转换结果为10111111

A/D转换器的主要技术指标(一)

分辨率：A/D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。即数字输出最低位1所对应的模拟量大小。 设A/D转换器位数为n,满量程电压为FSR,则定义为

FSR 2n举例：一个满量程为10V的12位A/D,分辨率为2.44mV; 16位A/D则为0.15mV A/D转换器的分辨率的高低取决于位数的多少

分辨率=

量程：A/D转换器所能转换模拟信号的电压范围。

0V~5V、-5V~5V、-10V~10V等

精度 绝对精度：输出数码的模拟电压与实际模拟电压之差绝对精度×100 相对精度：绝对精度与FSR之比的百分数， FSR 精度和分辨率是两个不同的概念。

A/D转换器的主要技术指标(二)

转换时间和转换速率 转换时间：按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号

并输出所需要的时间，一般用微秒表示。 转换速率：能够重复进行数据转换的速度，用每秒转换的次数表示。 实际应用中，至少要求所有通道轮流转换所需要的时间总和小于采样间隔

(二)数据处理单元

数据处理单元包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器、定时器以及并行口等，核心是微处理器。微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序，对数据采集系统输入至随机存储器中的数据进行分析处理，以完成保护功能微处理器内部设置有一定容量的存储器，但一般不能满足实际需求，需要从外部进行扩展，配置外部存储器 程序常驻于只读存储器(EPROM) 计算过程和数据记录所需要的临时存储由随机读写存储

器(RAM)实现 保护定值等信息则放在电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM) 微处理器通过其数据总线、地址总线、控制总线及译码器与存储器进行数据交换

(三)开关量输入/输出接口

微机保护所采集的信息通常可分为模拟量和开关量，这些量在微机保护中都是以二进制的形式存在存储器中 断路器和隔离开关、继电器的节点、按钮和普通

的开关、刀闸等都具有分、合两种工作状态，可以用0、1表示

对它们工作状态的输入和控制命令的输出都可以表示为数字量的输入和输出 开关量输入回路 开关量输出回路

1.开关量输入回路

开关量输入回路是为了读入外部接点的状态： 包括断路器和隔离开关的辅助接点或跳合闸位置继电器

接点、外部装

置闭锁接点、瓦斯继电器接点、压力继电器接点等等

开关量输入电路 外部接点K接通时，有电流流过光电耦合器发光二极管，

使光敏三极管导通，使PAB的电位近似为零 外部接点K打开，光敏三极管截止，PAB的电位为+5V PAB可以是微处理器的I/O口，或外扩并行口 光电耦合器使输入和输出在电气上完全隔离，使其具有较高的抗干扰能力

2.开关量输出回路

开关量输出主要包括保护的跳闸出口信号以及反应保护工作情况的本地和中央信号等 一般都采用并行接口的输出口去控制有无继电器，但

为了提高抗干扰能力，一般也经过一级光电隔离 工作原理

由软件指令使并行口PB0输出“0”,而PB1输出“1”,则“与非门”H将输出低电平，光敏三极管导通，继电器K接点合上，信号输出 可靠性更高：信号输出回路防止拉合电源时装置的误动。

3.打印机、人机对话接口回路

打印机 微机保护的输出设备

打印故障信息、保护动作行为及采样报告等 需光电隔离

人机对话 对显示器和键盘的控制

为调试、整定与运行提供简易的人机对话功能。 通过人机对话可以显示一次回路的连接情况、查阅和修改定值、查阅存储器内数据等

由硬件时钟芯片提供日历与计时，可实现从毫

秒到年月的自动计时

(四)通信接口

随着微处理器和通信技术的发展，其应用已从单机逐渐转向多机或联网。而多机应用的关键在于微机之间的相互通信。在微机中，CPU与外部通信的基本方式有两种 并行通信：数据各位同时传送

优点：速率快，微处理器与外扩存储器之间的数据传送大多采用并行通信方式缺点：数据有多少位就要多少根传送线。优点：分时使用同一传输线，节省传输线，当数据位数很多和传送距离长时，优势更明显缺点：传送的速度要比并行通信慢

串行通信：数据一位一位顺序传送

(五)电源

微机保护装置对电源要求较高，通常采用逆变电源 逆变电源：将直流逆变为交流，再把交流整流

为保护装置需要的直流电压把变电所强电系统的直流电源与微机保护装置的弱电系统电源完全隔离开 通过逆变后直流电源具有很强的抗干扰能力，可以大大消除来自变电站中因断路器跳合闸等原因产生的强干扰

新型的工作电源允许输入的电压范围较宽，而

且也可以输入交流电源电压

小结

目前微机保护装置均按模块化设计 对于各种线路保护、元件保护，无论用于何种电

压等级，都是由上述五个部分的模块化电路组成：

数据采集、数据处理、开关量输入/

输出、通信和电源。

所不同的是软件程序及硬件模块化的组合与数量

不同不同的保护原理用不同的软件程序来实现 不同的使用场合按不同的模块化组合方式构成

第四节微机保护软件构成