第二章 微机保护原理

继电保护和微机继电保护微机继电保护原理微机保护基础我们熟悉的计算机系统世界公认的第一台通用电子数字计算机：1946年由美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的莫奇利和埃克特领导的科研小组建造的。计算机的发展经历了四代。第一代电子计算机（1946～1958年）

主要特征：采用电子管作为基本逻辑元件。存储器早期采用水银延迟线，后期采用磁鼓或磁芯。第二代电子计算机（1958～1964年）

主要特征：是采用晶体管作为逻辑元件。内存主要采用磁芯存储器，外存开始使用磁盘。第三代电子计算机（1964~1974年）主要特征：采用半导体中小规模集成电路作为逻辑元件，半导体存储器取代了沿用多年的磁芯存储器。第四代电子计算机（1974年以后）主要特征：采用大规模集成电路作为逻辑元件。计算机模型——冯·诺依曼型计算机用来存放计算程序及参与运算的各种数据。可以分为内存储器和外存储器。

用来实现算术、逻辑等各种运算

实现计算程序和原始数据的输入

实现对整个运算过程的有规律的控制

实现计算结果的输出

计算机用于现场工业控制的例子举不胜举250Kb/s,16位,16路高分辨率多功能数据采集卡

能够提供隔离数字量输入通道和隔离数字量输出通道,隔离保护电压可达到2500VDC.它们是要求采取高电压隔离工业应用的理想选择.此外,所有输出通道都提供高电压保护

8通道隔离数字量输入和8通道继电器输出卡

CAN总线接口卡

微机保护与常规保护相比具有以下特点：微机保护可以实现智能化。微机保护可实现在线自检。微机保护可提供附加功能。微机保护具有调试维护方便。微机保护具有完善的网络通信功能。微机保护便于采用一些新原理。微机保护的硬件可标准化。微机保护便于与数字传感器或光CT、光PT接口。继电保护的系统构成1－继电保护装置2－通信设备

微机保护的系统构成微机保护——以微型机、微处理器为核心构成的继电保护。

以数字量为处理对象，为微型机、微处理器为核心的数字保护装置

微机保护的系统构成微机保护的构成

测量部分逻辑部分执行部分定值测量部分是将保护对象的有关电气量经互感器变换输送到继电保护装置，进行测量或计算，并与给定的定值进行比较，得到用于判断保护是否该动作的一个结果，作为逻辑部分的一个输入条件。逻辑部分是将若干个测量部分的结果、出现的时间顺序并考虑其它一些特定的状态按照一定的逻辑关系构成保护是否动作于跳闸或发信号。

执行部分是保护动作跳闸或发信号的执行机构，一般是继电器的空接点输出，接于变电站的直流操作回路，实现对断路器的控制。定值是根据电力系统的结构、参数及运行条件、整定计算的原则计算或根据运行经验给出。对于一个具体的微机保护装置，通常将硬件电路按功能分别布置在几个PCB板上——称为保护的“插件”，各插件安装于一个机箱中，采用总线把各插件联系在一起，构成一套完整的保护装置。从结构上看，一个完整的微机保护包含以下几部分：机箱、插件、面板、总线；

1.微机保护装置的结构微机保护装置构成及其特点微机保护的构成框图DAS保护微机系统（1~n个）开入电源

继电器开出开入管理微机系统GPS按键

LCD打印机逆变稳压电源至通信网

数据采集系统完成把电压互感器和电流互感器二次的电压、电流信号变换为数字信号，供微机系统使用。保护微机系统实现具体的继电保护功能，由不同的软件实现不同的继电保护功能。管理微机系统主要作为人机对话的手段。通常为外部继电器的接点、保护屏上的投退压板、操作把手的接点等，一般是经光电隔离后输入微机系统。保护系统通过开关量输出驱动电路使继电器动作。这些继电器包括跳闸出口继电器、信号继电器、硬件故障的告警继电器。微机保护装置具有一般计算机系统共同的特点1）计算——速度足够快2）计算——精度足够高3）存储——容量足够大4）逻辑判断5）硬件的通用性6）智能化——程序化设计的结果7）通讯——网络接口微机保护与常规保护的比较

1开发与研制方面的不同

1）常规保护是布线逻辑的，保护的功能完全依赖于硬件，而微机保护装置则除硬件外，还必须具备相应的软件，因此微机保护可以实现智能化。

2）利用微机的智能特点，可以采用一些新原理，解决一些常规保护难以解决的问题。例如，采用模糊识别原理判断振荡过程中的故障，利用波形对称原理识别励磁涌流，采用自适应原理改善保护的性能等。

3）对于同一类型的保护对象，微机保护装置可采用相同的硬件结构，不同的保护功能体现在软件上，便于生产和开发新产品。

4）常规保护的开发周期一般比较长，而微机保护时间短。

5）在实验方法上，微机保护较常规保护相比更具有可观察性。2.运行与维护方面的不同

1）常规保护的完好性是依赖于定期检验时发现的，在正常运行时保护装置的隐患不能及时发现，一旦系统发生故障，将产生严重的后果，而微机保护装置可利用程序对其硬件进行在线自检，一旦发现问题，可立即报警。对于软件的异常及干扰的影响，可自动识别并排除。因而，微机保护装置的可靠性大大提高了。

2）与常规保护相比，微机保护具有调试维护方便的特点。例如，晶体管型集成电路型距离保护、高频保护由于其复杂，调试工作量很大，而微机型保护装置由于具备友好的人机界面，依靠软件可在较短的时间内完成调试工作，特别是某些保护具有专用的调试仪器，除交流变换器部分，可自动对保护的功能进行快速检查。3.功能方面的不同

1）常规保护装置的功能单一，仅仅是保护功能，而微机保护装置除了能够作到与常规保护完全相同的功能外，还可以提供一些附加功能，例如距离保护的故障类型判别，故障测距，故障录波，事件记录，零序电流方向保护的开口三角电压的极性判断。电压互感器的二次是否发生断线等信息。

2）用一套微机保护装置所实现的保护功能远比一台常规保护实现的保护功能多。

3）微机保护具有完善的网络通信功能，可适应无人值守或少人值守的自动化变电站。继电保护发展的历史电力系统继电保护所研究内容包括两个方面：一是指实现继电保护的各种原理；其二是指组成继电保护的各种装置。继电保护原理的发展是随着电力系统的发展而不断发展的。由于电力系统规模的扩大及电压等级的提高，为了保证电力系统安全可靠的运行，必须有动作快速，灵敏度高，选择性好的继电保护装置。因而继电保护原理从简单的电流保护逐步发展到复杂的距离保护和高频保护。继电保护装置的发展则依赖于构成保护装置的元器件技术的发展。继电保护装置发展的初期，主要是由电磁型、感应型继电器构成的继电保护装置，60年代由于半导体二极管的出现，出现了整流型继电保护装置，由于半导体技术的进一步发展，70年代出现了晶体管继电保护装置，由于大规模集成电路的出现，80年代又出现了集成电路型保护装置。由于计算机技术和微型计算机的快速发展，到了80年代中期，出现了微机型继电保护装置。1946年诞生了世界上第一台计算机1965年，英国剑桥大学的P.G.Mclaran及其同事就提出用计算机构成电力系统继电保护的设想，并发表了《SamplingTechniquesappliedtoderivationLetter》的文章。1967年澳大利亚新南威尔士大学的I.F.Morrison预测了输电线路计算机控制的前景。1969年美国西屋公司的G.D.Rockefeller发表了《利用数字计算机实现的故障保护》的文章。1972年美国西屋公司与GE公司合作研制成功一套输电线路的计算机保护装置。这是世界上第一套比较完整的用于现场的计算机保护装置，它具备了计算机保护的基本组成部分。该保护装置是用小型计算机实现的。

自70年代初期出现大规模集成电路后，微处理器迅速发展，从简单的4位微处理器发展为8位微处理器，例如英特尔公司的8080芯片，摩托罗拉公司的6800芯片等；

70年代中期出现了单片微型计算机，微处理器和单片机的出现使计算机应用于电力系统继电保护更加现实。1977年日本投入了一套以微处理机为硬件的控制与继电保护装置，全部代替了原有保护，大大减少了控制室的占地面积，并于1980年发表了试运行的结果。

1979年，国际电子电气工程师学会教育委员会组织了一次世界性的计算机继电保护研究班，对70年代以来的计算机保护的研究成果进行了总结和交流。到80年代中期计算机保护在电力系统中获得了初步应用。国内微机保护的发展历史国内自1979年开始微机保护的研究工作，首先在各高等院校和一些科研单位开展了微机保护的研究工作。1984年4月，华北电力大学研究的以MC6809CPU构成的MDP—1型微机线路保护装置在河北某电厂投入运行，这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置。

我国微机保护的发展从硬件上可分为三个阶段：

第一阶段是以单CPU的8位微处理器构成的微机保护装置。其主要特点为：保护采用8位微处理器MC6809构成微机系统，由于MC6908仅仅是一个CPU，因此需要在外部扩展许多硬件电路，所以总线必须引出插件，保护的存储器容量较小，程序和保护的定值均存放在EPROM中，定值的改写十分不方便，保护装置中仅有软件时钟，当直流电源消失后时钟便停止运行，硬件不具备数据远传功能，由于仅有一个CPU，所有的保护功能只能集中由这个CPU处理，可靠性较低。其代表产品为WXB—01微机高压线路保护装置。

第二个阶段是以多个8位单片机组成的多微机系统。其主要特点为：具有多个8位单片机，由于采用了单片机，需要外部扩展的硬件电路较少，因此可以作到总线不引出插件，保护装置的定值存放在EEPROM中，定值的修改十分方便。设有硬件时钟芯片，依靠备用电源的支持，装置直流电源消失后，硬件时钟可继续运行，硬件上设计了数据远传的串行接口，由于硬件由多个单片机系统，因此一条输电线路的多种保护的功能可分散于不同的单片机系统，增加了保护装置的可靠性。其代表产品为WXB-11系列微机保护装置。

第三个阶段是以16位单片机构成的多微机系统。例如以英特尔公司的80C196KB构成的微机系统。有些单片机内部资源丰富，具有较大容量的RAM和EPROM，因而可做到不需在芯片外部扩展存储器，可以做到总线不引出芯片。例如以日本三菱公司的M77芯片构成的微机系统。单片机内部有2—4K的RAM容量，32—120K的EPROM或闪烁存储器和8个定时器，两个串行口，因此不需要用总线扩展外部存储器。保护装置的硬件设计除了有硬件时钟外，装置还具备接受GPS全球定位系统的秒脉冲的接口，具备较完善的通信网络，可应用于变电站综合自动化系统中，其代表产品为CSL系列微机保护装置和LFP-900系列微机保护装置。微机保护装置硬件原理

微机保护的硬件原理

1.微机保护硬件功能结构划分一、微机保护按功能可划分为三大部分：

1.数据采集系统

2.微机主系统

3.输入/输出系统一般智能控制系统构成均包含这几部分数据采集系统微机主系统串行通信输入/输出系统来自电流互感器电压互感器

微机保护硬件功能结构划分将模拟信号转换为数字信号对采集到的数据进行分析处理，以完成各种保护功能完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接点输入及人机对话等功能；二、按照所采用的CPU的多少来划分：1.单CPU微机保护2.多CPU微机保护R-M结构：一个CPU完成所有保护功能、单独设置一管理CPU完成人机交互及通讯等功能。nR-M结构：将一套完整的保护功能分担给多个CPU分别完成、设置一管理CPURR-M结构：由一个CPU完成所有保护功能，设置同样的CPU构成保护的双重化、设置一管理CPURn-M结构：由多个CPU协同工作共同完成保护的功能，设置一管理CPU单CPU微机保护构成示意图数据采集系统微机主系统串行通信I/O系统来自电流互感器电压互感器R-M结构R-M结构：一个CPU完成所有保护功能、单独设置一管理CPU完成人机交互及通讯等功能。nR-M结构nR-M结构：将一套完整的保护功能分担给多个CPU分别完成、设置一管理CPURR-M结构RR-M结构：由一个CPU完成所有保护功能，设置同样的CPU构成保护的双重化、设置一管理CPURn-M结构Rn-M结构：由多个CPU协同工作共同完成保护的功能，设置一管理CPU

单CPU结构

单CPU结构是指整套微机保护装置共用一个单片微机，无论是数据采集、数据处理、开关量输入输出及人机接口等均由一个单片微机控制。

1984年我国研制的第一套微机保护装置，就是采用6809单CPU系统。广泛采用插件式结构

多CPU结构

多CPU结构方式就是在一套微机保护装置中，按功能配置多个CPU模块，分别完成不同保护原理的主保护和后备保护及人机接口等功能。DSP结构

近年来许多厂家采用DSP及灵活的现场总线技术，构成简洁高性能的数据采集和处理系统，完成变电站的保护、测量、控制、信号、故障录波、谐波分析、电度采集、小电流接地选线和低周减载等功能4．ARM+DSP结构

采用ARM+DSP的双CPU系统中，ARM处理器作为主CPU主要用于与变电站级的通信（以太网接口）。DSP利用自身运算速度快擅长数字信号处理的优点进行数据采集、计算、逻辑判断，有效地保证了微机保护的选择性、速动性、可靠性，并在发生故障时进行录波，记录故障下的数据以供分析。一、数据采集系统电压形成电压形成LFLFS/HS/HMPXA/D......

数据采集系统的作用与构成1、作用

将电流、电压的模拟信号转换为数字信号，以便保护分析计算，进而确定保护的动作行为。2、数据采集系统构成的两种方式

1）采用逐次逼近原理的A/D芯片构成的数据采集系统；

2）采用VFC芯片构成的积分式数据采集系统。电压形成电压形成LFLFS/HS/HMPXA/D......一、数据采集系统二、电压变换器

作用：

1）将电压互感器二次的电压变换为适合A/D芯片量程的信号。

2）电磁隔离。原理：和变压器的工作原理相同三、电流变换器

作用：

1）将电流互感器二次的电流变换为适合A/D芯片量程的信号。

2）电磁隔离。原理：类似电流互感器的工作原理采样保持器及其工作原理一、概述

模拟信号进行A/D转换时，有以下实事从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。

在这个转换时间内，模拟信号要保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号输入频率较高时，会造成很大的转换误差。

要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A／D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。

能完成这能完种功能的器件叫采样／保持器。采样／保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。采样保持器工作示意采样保持器器件举例——LF398LF398典型的参数如下：

运算放大器的输出阻抗不大于6欧姆，输入阻抗高达10000兆欧姆电压下降率为2mV/s

电压按误差小于0.1%的精度跟踪输入信号，截获时间约为20微秒。

多路转换开关模数转换器的分类

A/D转换器的性能指标（1）分辨率（2）转换速率与转换时间（3）量化误差（4）线性度（5）量程（6）其他指标

1、逐次逼近型模数转换器2、A/D型模数转换器举例数据采集系统构成的方式常识

在电力系统中，绝大多数的继电保护装置是反应多个模拟信号的。例如：输电线路保护通常需引入模拟量：在有多个模拟量的系统中，每个采样间隔中对所有信号的采样时间如何安排，可有多种方式。二、VFC工作原理及其在微机保护中的应用

基本原理：用待转换的电压V控制计数脉冲的频率，使脉冲频率正比于电压V，而计数间隔不变，则计数结果也代表输入了电压的大小。

这种模数转换称为电压-频率型（V-F型）模数转换，简称VFC。

VFC型数据采集系统结构简图如下所示。可见与普通A/D型的数据采集系统是不一样的。

VFC（电压-频率AD转换）型数据采集系统

VFC型数据采集系统的特点：（1）有低通滤波的作用，可以大大抑制噪声；普通A/D转换器是对模拟量瞬时值进行转换，而VFC型数据采集系统是对模拟量的连续积分，具有低通滤波作用，并可大大抑制噪声。（2）抗干扰能力强，在VFC数据采集系统的输出端和CPU主系统的计数器之间接入光电耦合器；（3）输出数字量D的位数可调；（4）与微型机的接口简单；（5）可实现多微机共享数据采集；（6）易于实现同步采样；（7）但不适用于高频采样。器件举例——AD654微机保护的开关量输入、输出回路1光电耦合器件的作用及应用一、光电耦合器件及其作用光电耦合器也称为光电隔离器或光耦合器，有时简称光耦。这是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输人与输出间电隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。二、光耦器件的特点

隔离性能好，输入端与输出端完全实现了电隔离，其绝缘电阻高，绝缘耐压一般能超过lkV，有的可达10kV以上。光信号单向传输，输出信号对输入端无反馈，可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断他们之间的信号传递。光信号不受电磁干扰，工作稳定可靠。抗共模干扰能力强，能很好地抑制干扰并消除噪音。光发射和光敏器件的光谱匹配十分理想，响应速度快，传输效率高。易与逻辑电路连接。无触点、寿命大、体积小、耐冲击。工作温度范围宽，符合工业和军用温度标准。三、光耦器件在微机保护中的应用

在微机保护中，光耦器件一般均作为具有开关特性的接口器件使用，包括：（1）开关量输入电路（2）开关量输出电路（3）打印机接口电路（4）脉冲接口电路（5）通信接口电路开关量输入电路开关量输出电路4569118124324VVCCP0P1继电器输出电路

数据处理系统

数字处理系统又称为微机保护的主系统——是指除I/O设备外的微机保护系统的核心部分。微机保护的主系统的作用是：进行数字运算、逻辑处理与I/O控制。并行接口处理器EPROM

RAM

FLASHEEPROM时钟译码逻辑定时器串行接口

在微机保护的主系统中，ＥＰＲＯＭ可以用于存放保护的程序；

在微机保护中，ＦＬＡＳＨ可以作为保护程序、波形或事件记录的存储器使用；

在微机保护中，ＲＡＭ可用于存储数据或运行程序；

在微机保护中ＥＥＰＲＯＭ可以用作保护的定值存储器；

1.开关量的输入回路开关量即接点状态信号，接通或断开。对微机保护装置的开关量输入可以分为2类：（1）安装在装置面板上的接点信号输入；如用于人机对话的键盘上的接点信号。这类信号可以直接接至微型机的并行口。（2）从装置外部经过端子排引入的接点信号输入；如保护屏上的各种硬压板、转换开关等。为了抑制干扰，这类接点必须要经过光电耦合器进行电气隔离，然后接至并行口。

三、开关量输入/输出接口2.开关量的输出回路需要输出的开关量（开出量）：保护的跳闸信号、通信接口。可用一个并行口来控制输出数字信号。输出回路中也加光电耦合器，提高抗干扰能力。将并行接口的PA口设置为输出方式；将PB口设置为输入方式。在开关量输出回路中加入光电耦合器，实现两侧电气回路的电气隔离，同时可以进行不同逻辑电平的转换。并行接口侧的电源电压是＋5V，而右侧输入回路中电源电压可以是＋24V或其它电压等级。

三、开关量输入/输出接口微机保护的串行通信1.1串行通信的基本概念一、串行通信与并行通信的对比

二、串行通信的传输制式（1）单工传输方式（2）半双工传输方式（3）全双工传输方式三、串行通信接口常见串行总线

串行通信的格式及约定（如：同步方式、通讯速率、数据块格式、信号电平……等）不同，形成了多种串行通信的协议与接口标准。常见的有：☞通用异步收发器(UART)☞通用串行总线（USB）☞I2C总线☞CAN总线☞SPI总线☞RS-485，RS-232C，RS422A标准……等等示例：利用UART实现微机保护内部多CPU的通信WXB—11型微机保护装置的内部通信电路示例：利用UART实现微机保护内部多CPU的通信LFP-900系列微机保护装置中采用的内部通信电路

微机保护的人机接口电路一、概述微机保护的人机接口电路包括以下几部分：

1）液晶显示接口电路

2）键盘接口电路

3）打印接口电路

4）当地信号指示电路

5）通信接口电路人机接口电路的作用包括：完成微机保护的参数设置、状态检测、查询、调试等功能二、液晶显示电路

液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗低、内藏控制器以及可直接与用户CPU通讯等优点，获得广泛应用。

图文式点阵液晶显示器可以显示图形和文字．规格有128×64、160X128等多种。段式液晶显示器功能简单，可以直观地显示数字等。主要用于仪表制造行业。字符式点阵液晶显示器主要用于既要求显示字符和数字。字符式点阵液晶显示器编程简单，易于实现人机对话。规格有6、20、24、40位和一、二、四行。

液晶显示器可以分为三类：图文式点阵、字符式点阵和段式液晶显示器。三、键盘接口电路

键盘与液晶屏幕配合可完成人机交互的功能。早期的微机保护的键盘数量为25个，现在多数已简化为4至9个键。

早期键盘的接口电路并行口或专用芯片012012VCC现在微机保护键盘数量少，一般直接与并行口直接相连并行口VCC键盘接口电路为不经光电隔离的开关量输入电路早期键盘由于数量比较多，一般采用矩阵形式。四、打印机及其接口电路早期的微机保护是没有液晶显示器的。打印机承担着人机交互和打印动作报告的功能。

针式打印机是一种典型的击打式打印机，按其打印精度（即针数多少）可分为9针打印机和24针打印机、按其输出幅宽可分为宽行打印机和窄行打印机。如LQ—9为窄行打印机，LQ—1600K为宽行打印机。五、信号指