《微机保护基础知识》PPT课件.ppt

2019/12/5,微机保护基础知识,1,第8章微机保护基础知识,2019/12/5,微机保护基础知识,2,硬件组成数据采集系统原理基本算法软件结构抗干扰的措施,内容与要求,硬件组成需要了解，最终的目标是要掌握微机保护的接线。基本算法与软件组成是重点内容，是实现继电保护原理的方法。抗干扰措施是微机测控系统的通用方法，具有普遍意义，需要了解。,2019/12/5,微机保护基础知识,3,掌握基本原理用计算机方法实现电流保护，在实践中提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原理结合,学习方法,要分清楚哪些是基本原理。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。,2019/12/5,微机保护基础知识,4,可靠性高；灵活性强；性能改善，功能易于扩充；维护调试方便；有利于实现变电站综合自动化。,微机保护优点,元件少，接线简单，软件一致。投退功能灵活，硬件通用。可以实现复杂继电保护原理，如任意形状阻抗继电器，功能扩充时可以不需要更改硬件。微机保护测试仪的应用，缩短了调试时间。通信与网络功能的加强，可以实现遥控、遥信、遥测、遥调的“四遥”功能。,2019/12/5,微机保护基础知识,5,模拟量输入系统（或称数据采集系统）CPU主系统开关量输入/输出回路人机接口回路通讯回路电源回路,8.1微机保护硬件,将交流模拟量转为CPU能够处理的数字量，并要达到隔离与精度要求。基本通用的微机主系统。接点状态或高低电平的处理。便于操作，如键盘、液晶显示、打印机、信号灯等便于综合自动化。开关电源，要强调抗干扰。,2019/12/5,微机保护基础知识,6,数据采集系统,开关量系统,人机对话,微机保护硬件组成,2019/12/5,微机保护基础知识,7,微处理器CPU存储器并行口串行口定时/计数器等,微机主系统,需要强调的是，存储器包括EPROM用于存放保护程序，即软件RAM用于存放运算的中间结果。EEPROM用于存放保护定值，也可采用FLASH来存放。,2019/12/5,微机保护基础知识,8,基于逐次逼近型A/D转换的采集系统基于电压/频率变换（VFC）原理进行A/D变换的采集系统,8.2数据采集系统,前者包括：电压形成回路、模拟低通滤波器（ALF）、采样保持回路（S/H）、多路转换开关电路（MPX）及模数转换回路（A/D）后者包括：电压形成、VFC回路、计数器两者各有优点，前者便于满足精度，后者不需要滤波与采样保持电路,2019/12/5,微机保护基础知识,9,电压变换、屏蔽和隔离,滤除高频，降低采样频率,逐次逼近A/D转换方式,保证数据的同时性,节约A/D转换器,逐次逼近原理,2019/12/5,微机保护基础知识,10,电压变换、屏蔽和隔离,基于压频变换（VFC）方式,电压转化为频率,对脉冲计数，从而完成对电压的测量,2019/12/5,微机保护基础知识,11,类型电流变换器（UA）电压变换器（UV）电抗变换器（UR）,（1）电压形成回路,作用TA、TV二次侧电流电压较大，变化范围也较大，为适应模数转换器的转换要求将交流模拟量适当值，以满足精度要求。屏蔽和隔离，TA、TV二次侧过电压损坏保护装置。,8.2.1基于逐次逼近式A/D转换的模拟量输入系统,2019/12/5,微机保护基础知识,12,采样：将一个连续时间信号x(t)变成离散时间信号x*(t)。,（2）采样保持（S/H）电路,TS采样周期fS=1/TS采样频率工频每周期采样点数N为：,T工频周期，20msf=1/T工频频率，50HZ,2019/12/5,微机保护基础知识,13,保持：为保证各通道采样的同时性，在等待模数转换的过程中，必须保持采样值不变。,（2）采样保持（S/H）电路,粉红色为理想值，红色为实际值。,2019/12/5,微机保护基础知识,14,要求：1、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；2、保持时间要长；8、模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的泄露电流要小。,（2）采样保持（S/H）电路,采样电子开关,要求1：CH越小越好,要求2：CH越大越好,CH的大小应当如何确定呢？,2019/12/5,微机保护基础知识,15,离散信号怎样才能真实反映被采样的连续信号，若要求不丢失信息，应满足什么条件？,（8）ALF和采样频率,问题,被采样信号x(t)的频率为f0，TS为采样周期，fS为采样频率,混叠,混叠,正确,2019/12/5,微机保护基础知识,16,若要不丢掉信息地对输入信号进行采样，就必须满足fs2f0。,（8）ALF和采样频率,结论,采样定理,若输入信号x(t)含有各种频率成份，其最高频率为fmax，若要对其不失真地采样，或者采样后不产生频率混叠现象，采样频率必须不小于2fmax，即fs2fmax。,采样定理对模拟信号要求（采用模拟低通ALF的原因）,限于CPU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（ALF），滤出fs2以上的频率分量。,2019/12/5,微机保护基础知识,17,目前绝大多数微机保护的采样周期TS为5/6ms或5/8ms，即采样频率为1200HZ或600HZ。,（8）ALF和采样频率,微机保护现状,每周期采样N=24点或12点。,2019/12/5,微机保护基础知识,18,（8）ALF分类与电路,有源ALF无源ALF,由RC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，可以避免采用大电容，有好的特性及快的速度。无源滤波器通常是由RLC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，在微机保护ALF中很少应用。,无源电路,特性,2019/12/5,微机保护基础知识,19,（4）模拟多路转换开关（MPX）,模拟量输入通道公用一个A/D芯片,多路转换开关是电子型的，通道切换受微机控制。,2019/12/5,微机保护基础知识,20,ADC的基本原理,（5）模数转换器（ADC回路）,将输入的离散模拟量u*(t)与基准电压UR进行比较，按照四舍五入的原则，编成二进制代码的数字信号。将数字量D转换成模拟量。,数摸转换器,2019/12/5,微机保护基础知识,21,二分法举例,ADC的基本原理,已知某物品价格在0-64元间（81元），猜一猜该物品价格（精确到1元）。,第1次,第2次,第8次,第4次,第6次,第5次,82,16,24,28,81,80,高,低,低,低,结束,低,64是基准值；最多6次，2664；精度64/261元。,2019/12/5,微机保护基础知识,22,逐次逼近ADC原理,ADC的基本原理,参考电压UR，ADC位数N位，输入电压Ui，则最多需要比较N次，精度为UR/2N。,第1次,第2次,第N次,10000,01000,01101,高，1改0,低，1保持,结束,第8次,01100,低,模数转换器的位数越多即N值越大，则模数转换器分辨率与转换的精度越高。,2019/12/5,微机保护基础知识,23,用于将上述ADC过程中数字量转化为模拟量与输入电压进行比较。,DAC数模转换原理,可见，输出模拟电压正比于输入的数字量D。,2019/12/5,微机保护基础知识,24,模数转换器回路逻辑,较快的二分逼近方法，N位转换器只要比较N次，比较的次数与输入模拟量的值无关。,2019/12/5,微机保护基础知识,25,（1）VFC转换器的基本原理,8.2.2基于VFC转换的数据采集系统,VFC的脉冲输出频率正比于输入电压幅值，对脉冲的计数就完成了对电压幅值的测量。,2019/12/5,微机保护基础知识,26,可见，输入模拟电压uin变换成一串等幅脉冲，而等幅脉冲Uo(f)的频率与输入电压成正比。,2019/12/5,微机保护基础知识,27,根据反充电与充电电荷平衡原理：,输出频率,(81),(82),可见，输出频率fo反应了输入电压Uin的大小。,2019/12/5,微机保护基础知识,28,须注意这里读数与输入电压没有对应关系，不能用于数值计算。,VFC数据采集系统的工作分析,VFC输出至计数器，CPU每隔KTs读数为RD1、RD2RDk。,每隔KTs对输出脉冲的计数，实质上是在此期间内对f的积分。在某段时间内的计数值就是这段时间对频率的积分值。,2019/12/5,微机保护基础知识,29,假设RDk、RDK-N分别为tK和tK-N时刻的读数，则这段时间内的计数值DK为：,可见，两次读数之差即为采样值，可用于计算。采样值DK反应了uin(t)在KTS（K-N）TS的积分面积。,2019/12/5,微机保护基础知识,30,令矩形面积=积分面积,可见，DK反应了时刻的输入电压uin()。于是，1）因uin()在NTs时间段保持不变，故可通过增加数据窗长度NTs，来提高分辨率；2）DK反应了某段时间的积分值，所以具有滤除高频分量的作用。,2019/12/5,微机保护基础知识,31,分辨率举例,相当于10位A/D转换器的分辨率,计数脉冲最高频率为500kHZ，计数时间为2ms则，当输入电压为最大值时，计数值为,2019/12/5,微机保护基础知识,32,分辨率举例,这样就造成比较大的误差,计数脉冲最高频率为500kHZ，要达到12位A/D转换器的分辨率,2019/12/5,微机保护基础知识,33,查询方式,数据采集系统与微机接口,靠CPU查询AD转换是否结束AD转换结束向CPU发出中断请求AD转换结果直接存入内存,中断方式,DMA,2019/12/5,微机保护基础知识,34,开关量输入回路,8.8开关量输入输出回路原理,电平接点直接接入并行口外部接点要采取抗干扰措施，如光耦的隔离,不带电位的接点（QF位置、跳闸等）、逻辑电平（键盘、信号）。,2019/12/5,微机保护基础知识,35,开关量输出回路,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,2019/12/5,微机保护基础知识,36,数字滤波器,8.4微机保护算法,计算精度响应时间运算量,继电器算法,内容,评价指标,2019/12/5,微机保护基础知识,37,8.4.1离散系统及其分析方法,输入输出都是离散时间信号（时间上不连续的一组序列）,该系统具有线性、时不变、稳定、因果等性质。,2019/12/5,微机保护基础知识,38,常用离散时间信号,（1）单位脉冲序列，定义为：,（8-8）,2019/12/5,微机保护基础知识,39,常用离散时间信号,（2）单位阶跃序列U(n),（8）正弦序列x(n),注意,2019/12/5,微机保护基础知识,40,离散系统分析方法,分析线性离散系统常常用Z变换，它可以使差分方程变为简单的代数方程。,（2）Z变换的基本性质,2019/12/5,微机保护基础知识,41,差分数字滤波器的特性,（1）差分方程传递函数H(z),两边取Z变换,整理后有,(89),通过对传递函数的分析，就可以得出差分滤波器的特性。,2019/12/5,微机保护基础知识,42,（2）差分数字滤波器的频率特性,为幅频特性,为相频特性。,就得到数字滤波器的频率特性,为获取有关频率响应的信息，令,其中,M为谐波次数，f为基波频率。,TS为采样周期，N为基波每周期T采样点数。,（810）,欲滤除m次谐波，只需要令,2019/12/5,微机保护基础知识,43,（8）差分数字滤波器分析方法,Z变换求传递函数H（Z）求幅频特性分析滤波效果,传递函数,差分方程为,进行Z变换,令,有,则,要滤除m次谐波，则令,2019/12/5,微机保护基础知识,44,如N=12，K=6或12，差分数字滤波器的幅频特性如下,（8）差分数字滤波器举例,能滤除直流分量；当K=6时，能滤除偶数次谐波；当K=12时，能滤除各次谐波，包括基波；滤波器的延时为KTS。,特点,2019/12/5,微机保护基础知识,45,8.4.2正弦量幅值和相位的基本算法,（1）两点乘积算法,主要计算U、I的有效值和相角及阻抗Z。,如,则,即n2与n1采样相差90度,即,2019/12/5,微机保护基础知识,46,（1）两点乘积算法,电流相量形式,同理，电压,则阻抗Z,1）算法本身无误差，且与采样频率无关；2）有延时；8）运算工作量较大。,特点：,2019/12/5,微机保护基础知识,47,（2）导数算法,导数的求取,则,1）算法本身有误差，且与采样频率有关；2）延时2TS或8TS；8）运算工作量较大。,特点：,导数,导数,或,2019/12/5,微机保护基础知识,48,（8）半波绝对值积分算法,梯形法求取积分S,则,1）算法本身有误差，且与采样频率有关；2）延时10ms；8）运算量小；4）只能求有效值,特点：,积分,2019/12/5,微机保护基础知识,49,（4）富氏算法,周期信号为x(t)，其中的n次谐波用富氏级数表示为：,则有效值,计算Xnr与Xni的方法可以采用全波或半波富氏算法，可以计算任意次谐波，算法本身具有滤波作用。,其中,相位为,相量形式,2019/12/5,微机保护基础知识,50,基波全波富氏算法,连续域,离散域,矩形法求积分,2019/12/5,微机保护基础知识,51,基波半波富氏算法,连续域,离散域,矩形法求积分,2019/12/5,微机保护基础知识,52,富氏算法的特点,从滤波效果来看，全波富立叶算法能完全滤除各次谐波分量和稳定的直流分量；半波富立叶算法不能滤去直流分量和偶次谐波。全波富氏算法延时20ms；半波富氏算法延时10ms；在衰减的非周期分量的影响下，计算误差较大,2019/12/5,微机保护基础知识,53,（5）微分方程算法计算阻抗,求取微分的方法与导数法相同,则,1）算法本身有误差，且与采样频率有关；2）延时小；8）运算量较大；4）只能求阻抗,特点：,图中，电压为,解方程组就可以求出R与X,2019/12/5,微机保护基础知识,54,思考题,1、用各种算法计算式（a）电压基波有效值并分析误差。2、用各种算法计算式（b）电流基波有效值并分析误差。8、用各种算法计算基波阻抗并分析误差。,(a),(b),已知：N12,2019/12/5,微机保护基础知识,55,8.4.8继电器算法,（1）移相算法,主要包括移相、比相、增量元件、滤序器算法等,取用不同时刻的采样值可直接移相，移相的角度为,直接移相,如N12，用u(n-2)替代u(n)，就相当于将电压移相60。,2019/12/5,微机保护基础知识,56,富氏移相,富氏算法可以写成相量形式，X要移相，只需在该相量乘以ej。,2019/12/5,微机保护基础知识,57,（2）相位比较器比较两个相量相位关系,剩下的问题就是只需要知道G与H的实部与虚部，可以采用前述二点乘积法或富氏算法求取。,继电保护常用的比较方式如下,化简后有,余弦型,正弦型,2019/12/5,微机保护基础知识,58,（8）增量元件算法起动元件、突变量方向与阻抗元件,采样频率固定，即,与一周期前数据相减,当系统无故障时，i0；系统有故障时，i0，为故障分量。,如系统频率变化，即,当系统无故障时，i0，引起误差,为防止系统频率变化的影响，算法改为,两次差值受系统频率影响相同，再相减就消除了,2019/12/5,微机保护基础知识,59,故障时刻,2019/12/5,微机保护基础知识,60,（4）序分量滤过器算法正、负、零序分量,基于离散值的滤序器，如每周采样N点,240,120,2019/12/5,微机保护基础知识,61,（4）序分量滤过器算法正、负、零序分量,基于相量值的滤序器,利用二点乘积法或富氏算法得到,又,则,2019/12/5,微机保护基础知识,62,主程序,8.5微机保护的软件构成,中断服务程序,内容,2019/12/5,微机保护基础知识,63,8.5.1主程序,模拟量采集与滤波,开关量的采集,装置硬件自检,TA、TV断线检验,起动判断,2019/12/5,微机保护基础知识,64,8.5.2中断服务程序,正常运行程序,检查开关位置状态异常时发信号,三相无流跳闸位置,QF未投运,有电流跳闸位置,QF异常,交流电压断线延时报警并闭锁相应会误动保护,2019/12/5,微机保护基础知识,65,正常运行程序,交流电流断线延时10S报警并闭锁相应会误动保护,无流合闸位置,TA异常,电压、电流回路零点漂移自动调整装置将自动跟踪零点随温度及环境的漂移，并自动调整采样值。,2019/12/5,微机保护基础知识,66,8.5.2中断服务程序,故障处理程序（各种保护的故障处理程序有所不同）,纵联保护距离保护零序保护电压电流保护重合闸等,2019/12/5,微机保护基础知识,67,硬件抗干扰,8.6提高微机保护可靠性的措施,软件抗干扰,抗干扰措施,硬件与软件的自恢复,微机保护的工作环境具有高电压、大电流等强电装置。电磁辐射、雷电冲击、高频噪声和谐波等电磁干扰将使保护的工作可靠性降低，出现误判、误动等故障状况，甚至致使系统“死机”,电磁兼容(ElectromagneticCompatibilityEMC),2019/12/5,微机保护基础知识,68,硬件抗干扰措施,模拟量部分的输入通过变换器隔离。开关量的输入输出通过光电耦合器进行隔离,（2）电源的抗干扰,（1）隔离和屏蔽,微机保护整机故障有1/81/2来自于电源,宽工作电压范围（AC85265V）且有隔离作用的开关电源，提高系统抗电网电压波动能力。电源输入隔离变压器初级和次级间加入接地的金属屏蔽层，减小因雷击和瞬时过电压引起的地电位升高给微机系统造成的电源干扰的可能。瞬变电压抑制器（TPV）、电源滤波器或串接铁氧体磁环高频干扰信号(增加高频阻抗或吸收),2019/12/5,微机保护基础知识,69,屏蔽电缆，减小外屏蔽直流电阻和增大屏蔽的电感抗电磁耦合屏蔽电缆外屏蔽一端或两端接地抗静电干扰,（4）印制电路板的抗干扰,（8）信号传输线的抗干扰,合理的电路板布线技术（环绕布线、线径选择、分层处理）；电源线、地线的布线尽量加粗和缩短减小阻抗。低频电路部分的接地采用单点并联接地；高频电路采用多点就近接地；在高