数字保护继电节

数字保护继电节第1页，课件共117页，创作于2023年2月教材及参考教材《微机继电保护》陈德树，张哲，尹项根等编著北京：水利电力出版社，1998参考书目《微型机继电保护基础》

杨奇逊编著北京：水利电力出版社，1987《电力系统微机保护培训教材》杨新民杨隽琳编北京：中国电力出版社，2000.9第2页，课件共117页，创作于2023年2月参考书目《新型继电保护与故障测距原理与技术》

葛耀中编著西安：西安交通大学出版社，1996《计算机继电保护原理》陈德树编北京：水利电力出版社，1996《电力系统继电保护原理》贺家李宋从炬编北京：水利电力出版社，1994第3页，课件共117页，创作于2023年2月第一节数字继电保护的发展与特点1数字继电保护的发展与现状

数字继电保护是指基于可编程数字电路技术和实时数字信号处理技术实现的电力系统继电保护。在电力系统继电保护的学术界和工程技术界，数字继电保护又常被称作计算机型继电保护、微型计算机型继电保护、微处理器型继电保护，或简称为微机保护。第4页，课件共117页，创作于2023年2月

机电型、整流型、晶体管型及集成电路型继电保护装置的共同点是其内部电路直接对模拟电量或者模拟信号进行处理，因而被统称为模拟式继电保护装置。

实际上上述关于各类继电保护装置的排序恰好反映了继电保护装置的历史发展过程，历史最长的是机电型继电保护装置，历史最短的和最先进的是数字继电保护装置。继电保护装置按其实现技术可分为:机电型整流型晶体管型集成电路型数字继电保护装置第5页，课件共117页，创作于2023年2月数字继电保护区别于前四类继电保护的本质特征在于它是建立在数字技术基础上的：数字继电保护装置先将各种类型的输入信号转化为数字信号再加以处理，它不仅能够实现其它种类保护装置难以实现的保护原理，还能提供简化调试及整定、自身工作状态监视、事故记录及分析等高级辅助功能，还可以完成电力自动化要求的各种智能化测量、控制、通信及管理等任务。目前上述五类继电保护装置在电力系统中都有使用，但数字继电保护装置已在电力系统中占据主导地位，它也代表了现代继电保护发展的方向。

第6页，课件共117页，创作于2023年2月数字继电保护的历史最早可以追溯到二十世纪60年代中末期，国外起先在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究，当时首先提出了用小型计算机实现继电保护装置的设想。因当时小型计算机在价格、体积、性能方面种种原因而未能使数字继电保护投入实用，但却由此开始了对数字继电保护的算法、实现技术以及工业试验方面的大量研究，为后来数字继电保护的发展奠定了理论基础。

第7页，课件共117页，创作于2023年2月二十世纪70年代微型计算机（微处理器）的出现，极大地推动了数字继电保护的实用化。二十世纪90年代数字继电保护成为了继电保护装置的主要型式。二十世纪80年代数字继电保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟，在世界上很多国家（包括我国）逐步得到推广应用。70年代后半期，出现了比较完善的基于微机的数字继电保护样机，并投入电力系统运行。第8页，课件共117页，创作于2023年2月我国在微机保护方面的研究工作起步较晚，但进展较快，并卓有成效。微机距离保护装置MDP-1型，通过科研鉴定并投入试运行。1987年投入批量生产。特点：采用单CPU总线结构，多路转换式ADC模式第一代1984年华北电力学院（杨奇逊等）CPUPDP-11型16位小型机第9页，课件共117页，创作于2023年2月第二代1990年5月华北电力学院（北京研究生院）典型产品代表：WXH-11，WXB-11特点：采用多CPU并行结构，总线不引出插件，AD采用VFC方式，使保护精度，速度，可靠性均有大幅提高。CPUIntel8031第10页，课件共117页，创作于2023年2月第三代90年代中期华北电大和北京哈得威四方保护与设备控制公司研制的CS系列。典型产品代表：CSL-101系列（线路），CST-200特点：采用不扩展的单片机，总线不引出芯片，具有先进的网络通讯技术（RS-485/422，CANBUS，PROFIBUS等总线接口）支持变电站综合自动化。CPUIntel8031Intel8096第11页，课件共117页，创作于2023年2月第四代90年代后期南瑞公司（沈国荣）典型产品代表：LFP-900系列，RCS-9000系列CPUIntel80196KBDSP特点：采用反映故障分量的保护原理，动作速度快，超高压保护动作30ms，超越动作10-14ms第12页，课件共117页，创作于2023年2月微机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力，具有优良的存储记忆功能，因而可以实现性能完善且复杂的保护原理；微机保护可连续不断地对本身的工作情况进行自检，其工作可靠性很高。此外，微机保护可用同一硬件实现不同的保护原理，这使保护装置的制造大为简化，也容易实行保护装置的标准化。微机保护除了具有保护功能外，还可兼有故障录波、故障测距、事件顺序记录以及网络通信等辅助功能，这对简化保护的调试、事故分析和事故后的处理等都有重大意义。由于微机保护装置的巨大优越性和潜力，因而受到了运行人员的广泛欢迎。可以说微机保护代表着电力系统继电保护的未来。第13页，课件共117页，创作于2023年2月数字继电保护的基本构成继电保护的任务是判断电力系统有关设备是否发生故障而决定是否发出跳闸命令，使发生故障的设备尽量迅速地与电力系统隔离。为此，首先要取得与被保护设备有关的信息，根据这些信息，根据不同的原理，进行综合和逻辑判断，最后作出决断，并付诸执行。继电保护的基本结构大致上可以为三部分：③决断结果的执行。②信息的综合、分析与逻辑加工、决断；①信息获取与初步加工；第14页，课件共117页，创作于2023年2月

信息要通过电压、电流传送，有时还通过一些开关量传递。早期，在机电型继电器中，电流、电压直接加到继电器的测量机构，变换成机械力。然后在机械力的层次上进行比较判别，中间并不需设置其他的变换、隔离等环节。随着电子技术的引入，为了适应电子器件的弱信号的要求，在电流互感器、电压互感器与电子电路之间要求设置一些传变环节，通常使用所谓的电流变换器、电压变换器以至电抗变换器等等。这些环节，可以称为“信息预处理”环节。1）信息预处理第15页，课件共117页，创作于2023年2月“信息预处理”环节通常包括：（1）将一次设备的电流，电压等信号经TA，TV变成二次信号。（9）通过采样算法计算信号 的有效值及故障参量。（2）将二次信号经电流电抗器，电压电抗器进一步变换，满足 电子器件对输入信号的要求。（3）硬件滤波（4）采样保持（5）多路转换（6）AD变换（7）转换结果存入内存（8）软件滤波第16页，课件共117页，创作于2023年2月2）信息的综合、分析与逻辑加工、决断根据不同的保护原理，给出其动作方程，把信息预处理中得到的数据代入动作方程，决断保护的动作行为。3）决断结果的执行通过大功率驱动器件驱动断路器跳闸，通信接口部件竞争总线把故障和状态改变信息迅速通告相关部件。第17页，课件共117页，创作于2023年2月电力系统运行人员信号变换与调理采样及A/D转换

跳闸继电器

打字机扳键及键盘

触点输出计算机系统计算机继电保护的基本构成第18页，课件共117页，创作于2023年2月继电保护的主要任务是操作，控制有关断路器，使发生故障的设备迅速与电力系统其余健全的部分隔离开来，最大限度地减轻故障对电力系统的影响，减轻故障设备的损坏程度。这种操作是通过控制跳闸线圈实现的，也就是给线圈通入电流实现的。电流可以由接点控制，也可以由无触点的半导体器件控制。出于可靠性的考虑，目前，基本上仍是采有触点的小型中间继电器，组成必要的出口逻辑。这个方面，计算机继电保护与模拟式继电保护也是基本一致的。

第19页，课件共117页，创作于2023年2月计算机式继电保护是由“硬件”和“软件”两部分组成的，硬件是实现继电保护功能的基础。而继电保护原理是直接由软件，即由计算程序来实现的，程序的不同可以实现不同的原理。程序的好坏、正确与错误都直接影响着保护的性能优劣、正确或错误。第20页，课件共117页，创作于2023年2月数字继电保护的特点1.改善和提高了继电保护的动作特性和性能l

用数学方程的数字方法构成保护的测量元件，其动作特性可以得到很大的改进，或得到常规保护（模拟式）不易获得的特性。l

用它的很强的记忆功能，更好地实现故障分量保护。l

可引进自动控制和新的数学理论和技术—自适应，状态预测，模糊控制，人工神经网络（ANN），专家系统，粗糙集理论等等。第21页，课件共117页，创作于2023年2月

2.可以方便地扩充其他辅助功能打印故障前后电量波形—故障录波、波形分析打印故障报告：日期、时间，保护动作元件、时间先后，故障类型。随时打印运行中的保护定值。利用线路故障记录数据，进行测距(故障定位)。通过计算机网络、通信系统实现与厂站监控交换信息。远方改变定值或工作模式。第22页，课件共117页，创作于2023年2月3.工艺结构条件优越硬件比较通用，制造容易统一标准。装置体积小，减少盘位数量。功耗低。第23页，课件共117页，创作于2023年2月4.可靠性容易提高数字元件的特性不易受温度变化，电源波动，使用年限的影响，不易受元件更换的影响。自检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件工况及功能软件本身。第24页，课件共117页，创作于2023年2月5.使用方便维护调试方便，缩短维修时间。依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。（专家系统，在线自学习）6.保护的内部动作过程不像模拟式保护 那样直观。第25页，课件共117页，创作于2023年2月第二节 数字继电保护装置的硬件系统1.数字继电保护装置的硬件系统框图

输出通道开关量输出通道等人机接口键盘、显示器及打印机等微机保护主要包括近些年来，随着网络及通讯技术在电力系统广泛应用。通信系统也日益成为微机保护装置必不可少的部分。

进行数据采集的输入通道模拟量输入变换与低通滤波回路、采样保持与多路转换、模数转换系统以及开关量输入通道等进行数据处理及相应判断的数字核心部分CPU、存储器、实时时钟、WATCHDOG等第26页，课件共117页，创作于2023年2月模拟量输入变换前置低通滤波回路多路转换开关A/DCPU保存数据用的RAM存放程序用EPROM/FLASH来自电力系统的电压电流信号存放整定值用EEPROM/FLASHWATCHDOG实时时钟开关量输入信号处理继电器逻辑回路光电隔离手分/手合信号压板投退信号状态信号断路器及重合闸操作机构告警信号数字继电保护装置的硬件系统第27页，课件共117页，创作于2023年2月人机交互接口打印机接口高频通道接口微波通道接口光纤通道接口保护用通讯接口通用数字通讯接口电源本地操作人员打印机高频通道微波通道光纤通道连接到变电站综合自动化系统本地调试用通讯接口GPS授时系统电源回路微机保护的典型硬件结构图第28页，课件共117页，创作于2023年2月2.数据采集与信号调理

微机保护的数据采集系统一般包括：模拟量输入变换回路低通滤波回路采样保持回路多路转换器模数转换（A/D）回路第29页，课件共117页，创作于2023年2月1)模拟量输入变换回路

继电保护装置需要从被保护设备上引入电流、电压量。由电流互感器、电压互感器二次侧得到的电流、电压量由于量值较大等原因，仍不能适用于微机保护的A/D变换回路所要求的范围。一般A/D变换回路的输入电压范围为±2.5V、±5V或±10V。模拟量输入变换回路的主要任务就是将电流、电压互感器二次侧的输出电量进行进一步变换，将二次电量变得更小，并将电流量转化为电压量，满足A/D回路的要求。除此以外，模拟量输入变换回路还起到隔离和屏蔽作用，以减少高压设备对微机系统的干扰。

第30页，课件共117页，创作于2023年2月来自电流互感器电流变换器

CR连接到低通滤波回路电压变换器来自电压互感器C

典型的模拟量输入变换回路变换器原方所跨接的电容主要是为了吸收耦合到输入导线上的干扰信号

电流变换器副方所并电阻的目的是通过电流在电阻上产生的电压来实现电流量到电压量的变换

第31页，课件共117页，创作于2023年2月设计模拟量输入变换回路的基本原则主要有：①要保证各电流变换器之间、电压变换器之间以及电流与电压变换器之间的原副方相位移要保持一致

②变换器的铁芯的磁导率μ要选取恰当，即要整个工作范围内保持线性传变，输入小信号时不失真，输入大信号时不饱和。

③变换器本身的损耗要小，使变换器在传变过程中原副方电量的相角差尽可能的小。

④变换器原、副方之间要加屏蔽层，并接地。第32页，课件共117页，创作于2023年2月由于电力系统发生故障时，电流互感器副方的电流具有很大的动态范围。因此，必须保证经过电流变换器的变换后，小电流信号应具有足够的分辨能力，大电流信号又不至于产生畸变或溢出。

电流变换器的设计尤其需要考虑下面几点：①优先保证在输出为最小工作电流时，对应A/D变换的结果应具有足够的分辨能力。②应适当选择电流变换器副方的负载，使电流变换器在原方出现最大短路电流时不至于出现饱和现象。③应保证在出现最大短路电流时，电流变换器输出的电压不应使A/D转换出现溢出现象。第33页，课件共117页，创作于2023年2月

2）采样保持和低通滤波回路所谓采样，就是将一个在时间上连续变化的模拟信号转换为在时间上离散的模拟量。

采样的过程相当于一个受控理想开关的快速开闭的过程。采样控制信号s(t)可表示为一个以Ts为周期的脉冲序列信号，其中脉冲的宽度为τ（即理想开关每隔Ts秒短暂闭合的时间为τ）。τTs第34页，课件共117页，创作于2023年2月

f(t)为输入连续信号，fs(t)为采样输出的信号。当s(t)=1时,开关闭合，此时fs(t)=f(t)。当s(t)=0时,开关打开，此时fs(t)=0用数学形式可表示为：fs(t)=f(t)×s(t)其中s(t)=0或1。当s(t)=1时，输出fs(t)跟踪输入f(t)的变化。采样脉冲的宽度τ越小，采样输出的脉冲的幅度就越准确反映了输入信号在该离散时刻上的瞬时值。第35页，课件共117页，创作于2023年2月S(t)

采样控制信号fs(t)f(t)采样器图9.4采样过程的示意图S(t)f(t)fs(t)ttttt第36页，课件共117页，创作于2023年2月当输入的信号被记录下来后，为了保证A/D转换的正确进行。这些信号必须在A/D转换过程中保持恒定，保持电路就是为实现这一功能的。

我们把采样和保持电路结合在一起，称为采样保持电路。

第37页，课件共117页，创作于2023年2月采样保持电路由MOS管采样开关T、保持电容Ch和作为跟随器的运放构成。当s(t)=1时，采样开关T导通，输入信号Vi向Ch充电，V0和Vc跟随Vi的变化，即对Vi采样。当s(t)=0时，T截止，在Ch的漏电电阻、跟随器的输入电阻以及MOS管T的截止电阻都足够大，Ch的放电电流可以被忽略的情况下，V0将保持T截止前一刻的电压基本不变，直至下一次采样开关导通，新一轮采样从新开始。

S（t）Vif（t）TVcCh－＋Vofs（t）O采样保持电路原理图采样开关保持电容跟随器第38页，课件共117页，创作于2023年2月为了使采样所得到的信号能准确、真实的反映原始信号，除了上述采样保持电路外，还必须对采样的频率做出一些要求

如输入信号u，如果按“”所示频率采样，基本可以反映u的变化情况。而若按“×”所示频率采样，同样的采样值所对应的波形却不是唯一的，所以根本无法恢复原始波形。××ut采样定理及频率混叠现象示意图×××这种由于采样频率不够高，导致采样值对应多种的可能波形的现象称为频率混叠。

第39页，课件共117页，创作于2023年2月要用采样值准确无误的表示原始输入信号，采样频率必须大于原始信号中最高次频率分量的两倍即:

这就是采样定理。实际应用中所取倍数往往大于4、5倍，才有利于改善测量精度。

第40页，课件共117页，创作于2023年2月典型芯片

LF398

1234

8765+U调零Usr-UUscChGNDSnLF398+U-UChR1R2UscUsrSnGND调零LF398双列直插，8引脚。R1，R2用于内部调零。一般取2kCh外接保持电容，通常Ch取0.01u。第41页，课件共117页，创作于2023年2月低通模拟滤波回路系统故障电压、电流信号中往往包含了许多高频分量的信号。常见的微机保护的原理都是基于工频量的，因主机频率不高且计算量较大，因此在采样频率不太高的情况下，为了防止出现频率混叠现象，要求限制输入信号的高频分量。因此需要在采样之前加上低通滤波回路。第42页，课件共117页，创作于2023年2月理想低通滤波器的频率响应特性曲线如图中曲线a所示，信号频率低于理想低通滤波器的截止频率fc的部分无任何衰减，而高于截止频率fc的信号被完全滤除。

实际低通滤波器的特性曲线如图中曲线b所示，显然，实际低通滤波器截止频率的过渡带远没有理想低通滤波器那么陡。

ba输出信号/输入信号通带阻带

fC低通滤波特性f第43页，课件共117页，创作于2023年2月结构简单，均为无源元件，故可靠性较高，能经受较大的浪涌冲击等优点，因此应用较为广泛。但对于利用高次谐波的非基频分量的保护，由于这种滤波器对谐波分量的衰减比较大，故不宜采用

RC无源滤波器C2C1R1R2第44页，课件共117页，创作于2023年2月很多的微机保护算法往往要利用多个模拟量来实现，由于每个模拟量通道用一个A/D转换器成本太高而且实现电路较复杂，所以一般采用各模拟量通道通过多路转换器共用一个A/D转换器。

3)多路转换器

O

输出OOOO控制信号多路转换器示意图输入多路转换器是一种通过控制逻辑从多路输入模拟信号中选一路作为输出的器件。多路转换器的原理可以用图所示的旋转模拟开关来表示。第45页，课件共117页，创作于2023年2月4)模数转换（A/D）回路

模数转换(A/D)的基本原理

由于微机系统只能对数字量进行计算，而微机保护所能取得的电压、电流信号均为模拟信号，因此必须将采样所得到的模拟量经过模数转换成为数字量。模数转换的过程实质上就是对模拟信号进行量化和编码的过程。

模数转换器是一种编码电路，将输入的模拟量UA相对于模拟参考量UR经一编码电路转换成数字量D输出。D=[UA/UR]第46页，课件共117页，创作于2023年2月所谓量化就是把时间上离散而数值上连续的模拟信号以一定的准确度变为时间上和数字上都离散化、或量级化的等效数值。量级化通常有只舍不入和四舍五入两种方法。显然经过量级化后的结果可能仅是输入模拟信号的近似值。这种由于量化而产生的误差，称为量化误差。量化误差直接影响了A/D转换的精度。这种影响只能减小，不能消除。

编码就是把已经量化的模拟数值用二进制数、BCD码或其它码来表示。

经过量化和编码，就完成了A/D转换的全过程，将各采样点的模拟信号转换成与之一一对应的数字量。

第47页，课件共117页，创作于2023年2月上述种种A/D变换中，以逐次逼近式和V/F转换式在微机保护中应用最广。根据A/D转换的原理和特点的不同，可将A/D转换分为：直接式A/D转换间接式A/D转换将模拟信号直接转换为数字量将模拟信号先变成中间变量，再将这些中间变量变成数字量直接式A/D转换比较式A/D记数式A/D并行转换式A/D间接式A/D转换单积分式A/D双积分式A/DV/F（压频）转换式A/D第48页，课件共117页，创作于2023年2月当出现启动转换脉冲时，输出缓冲锁存器和逐次逼近寄存器均清零，故D/A转换器的输出为零。当第一个时钟脉冲到来时，逐次逼近寄存器的最高位置1，即为100…0，此时D/A转换器将逐次逼近寄存器的数字量转化为模拟电压Vf输出（这里Vf为A/D输入的满刻度值的一半）。然后将Vf与输入信号VI比较，如果Vf<VI,则表示输入量VI值大于满刻度的一半，故将此位保留，否则被置零。接下来将逐次逼近寄存器的次高位置1，再重复刚才的比较，决定是否清零，如此反复直到最低一位完成这一过程。最后把逐次逼近寄存器的值送到输出缓冲寄存器并发出转换结束脉冲。此时输出缓冲寄存器中的二进制数即为A/D转换的最终结果。

比较式A/D－＋逐次逼近寄存器（SAR）时钟控制逻辑三态输出缓冲器数模变换器（DAC）控制端

VIDout逐次逼近式A/D的工作原理Vf难以达到高精度、高分辨率的要求，与CPU的接口复杂，不便于在多CPU系统中使用等

第49页，课件共117页，创作于2023年2月V/F（压频）变换式A/D

V/F变换的基本原理是将输入的电压信号转换为相应频率的脉冲信号，然后在固定时间间隔内对此脉冲信号进行计数。

第50页，课件共117页，创作于2023年2月A1和RC组成积分器，A2为零电压比较器。刚开始时，恒流源IR与模拟开关S作为积分器的放电回路。当单稳定时器受触发而产生一个宽度为t0的脉冲时，模拟开关S接通积分器的放电回路，使积分电容C充入一定量的电荷Qc=IR·t0。O－＋A2Uo1脉冲发生器Uo－＋A1OR1UiR2OOO－UrCS电荷平衡式V/F变换的原理图定时充电，定斜率放电第51页，课件共117页，创作于2023年2月当积分器的输出VINT降为零时，零电压比较器发生跳变，触发单稳定时器产生一个t0宽度的脉冲，使S导通t0时间。由于恒流源IR在设计时就考虑到使IR>Vi(max)/R，故在t0这段时间里，IR使积分器放电，使VINT线性上升到某一正电压。到t0结束的时候，只有正的输入电压Vi作用于积分器，使其充电，此时输出电压VINT沿斜线下降。当VINT下降到0V时，电压比较器翻转，又使单稳定时器产生一个t0宽的脉冲，再次反充电，如此反复。简而言之，整个电路可以看成一个振荡频率受输入电压Vi控制的振荡器。

tt0u-URtu第52页，课件共117页，创作于2023年2月V/F转换器光电隔离输出脉冲计数器保护CPU保护中典型V/F模数转换原理图保护CPU定时读取计数器在若干个采样周期内的计数值。模数转换的结果R相当于输出电压VINT的频率在某一时段内对时间的积分，即：。上式中R相当于从时刻到时刻所读到的计数器的计数值。

V/F模数转换系统精度较高，与CPU接口简单，易于为多CPU共享，抗干扰能力强，现在应用的比较广泛。第53页，课件共117页，创作于2023年2月A/D变换器的主要性能参数分辨率是反映A/D对输入电压信号微小变化的响应能力的一种度量

A/D转换分辨率=（输入信号的满刻度值/2n）。以满刻度为10V的12位A/D转换器为例：10V/212=10V/4096≈0.00244V。

精度是指A/D变换的结果与实际输入的接近程度，也就是准确度

转换时间指的是进行一次A/D变换所需的时间

分辨率精度转换时间第54页，课件共117页，创作于2023年2月5)采样方式通常微机保护在一个工频周期内的采样次数是固定的。例如：每周波12个点（1）单一通道的采样方式根据采样点的位置及采样间隔时间与输入波形在时间上的对应关系，可分为同步和异步采样。a)异步采样采样频率固定为fs

=Nf0(f0为工频50Hz)，当基频f1发生变化而偏移工频时，fs相对于f1不再是整倍数的关系，即采样信号与输入信号在时间位置上发生异步。每个周波虽然均采样N个点，但各采样点相对于输入信号在位置上发生了变化。第55页，课件共117页，创作于2023年2月b)同步采样跟踪采样定位采样跟踪采样使采样频率fs跟踪系统基频f1的变化，始终保持fs

=Nf1，通过硬件或软件测得基频周期的变化来动态调整采样周期，使每个周波的采样点均位于输入波形的某些固定位置。（动态调整采样间隔和采样起点）定位采样在任何情况下，不但要始终保持fs/f1=N为一不变的常数，而且采样点总位于基波中事先确定的固定位置上，发生故障时信号波形突变，相位同步破坏，立刻重新同步定位。同步定位方法：利用硬件或软件方法检测基波和其导数的过零点。第56页，课件共117页，创作于2023年2月（2）多通道的采样方式微机保护中通常要对多个模拟量进行采样（ia，ib，ic，ua，ub，uc，ux

等）a)同时采样DBS/HS/HA/DA/DCPUui1uin采样脉冲启动转换在同一时刻对所有信号同时进行采样，各通道信号之间没有相角差，同时启动A/D转换，各信号的衰减相同，不会造成幅值误差。......第57页，课件共117页，创作于2023年2月a)同时采样S/HS/Hui1uin采样脉冲在同一时刻对所有信号同时进行采样，各通道信号之间没有相角差，通过MPX分时启动A/D转换，由于保持电容的漏电流，可能会造成幅值误差。MPXA/DCPU启动A/D转换......第58页，课件共117页，创作于2023年2月b)顺序采样ui1uin采样脉冲MPXA/DCPU启动A/D转换...S/H结构简单，但由于各输入信号的采样时刻不同，将产生一定的相角差，设单通道采样时间为单通道A/D转换时间为则第一通道与第n通道的角度差为：T1基频周期(ms)第59页，课件共117页，创作于2023年2月c)分组同时采样将所有输入信号分成若干组，组内各通道同时采样，组间人为的增加一段时延再开始采样，在某些算法中需要把其中一些量滞后一个角度，以利于计算。第60页，课件共117页，创作于2023年2月3.中央数据处理系统数字继电保护装置的中央数据处理系统组成尽管多种多样、各不相同，但它们一般由CPU、存储器、定时器/计数器、Watchdog等组成

第61页，课件共117页，创作于2023年2月CPU（中央处理器）

CPU是计算机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的运行依赖于CPU来实现。因此，CPU的性能好坏在很大程度上决定了计算机系统性能的优劣。

第62页，课件共117页，创作于2023年2月当前应用于电力系统中的微机继电保护所采用的CPU多种多样，且多为8位或16位CPU，如Intel公司的8086/8088，8031系列及其兼容产品、8098、8096以及80C196等等。这一类

CPU均是八、九十年代的主流CPU。其中，80C196系列CPU是目前国内微机继电保护装置中最常采用的一种CPU。这一方面是这一系列CPU具有较高的性能价格比，另一方面这一系列CPU指令、结构以及寻址方式等均于早期较流行的8098/8096相似，使早期基于8098/8096的微机继电保护装置可以较顺利地移植到80C196上来。随着微电子技术近几年来突飞猛进的发展，新一代32位的CPU伴随着大规模/超大规模集成电路的广泛应用而被新一代微机继电保护装置中普遍采用。这一类CPU品种较多，如Motorola公司的MC863XX系列就是目前使用较多的一类。另一方面，随着数字信号处理器（DSP）的广泛应用，微机继电保护装置采用DSP来完成保护功能、实现保护算法已成为一种发展趋势第63页，课件共117页，创作于2023年2月计算机利用存储器把程序和数据保存起来，使计算机可以在脱离人的干预下自动地工作，它的存储容量和访问时间直接影响着整个计算机系统的性能

微机保护运行程序和一些固定不变的数据通常保存在EPROM中，这是由于EPROM的可靠性较高，通常只有紫外线长时间照射才可以擦除保存在EPROM中的内容。由于EEPROM可以在运行时在线改写，而且掉电后又可保证内容不丢失，因此，在微机继电保护中通常用来保存整定值。

SRAM主要作用是保存程序运行过程中临时需要暂存的数据。NVRAM和FLASH都是近几年来迅速发展的非易失性存储器，由于它们具有掉电后数据不丢失，而且读写简单方便等优势，在微机继电保护中通常将它们用作保存故障数据，以便事后分析事故时用。

存储器

EPROM（紫外线擦除电可编程只读存储器）EEPROM（电擦除可编程只读存储器）SRAM（静态随机存储器）NVRAM（非易失性随机存储器）第64页，课件共117页，创作于2023年2月定时器/计数器

定时器/计数器在微机保护中十分重要，除计时作用外，它还有两个主要用途，一是用来触发采样信号，引起中断采样。另外，在V/F变换式A/D中，定时器/计数器也是把频率信号转换为数字信号的关键部件。

第65页，课件共117页，创作于2023年2月Watchdog

当微机继电保护装置受到干扰导致运行程序弹飞后，系统可能陷入瘫痪。Watchdog的作用就是监视程序的运行情况，若微机继电保护装置受到干扰而失控，则立即动作以使程序重新开始运行，以避免微机系统失控后产生死机或误动作

第66页，课件共117页，创作于2023年2月CLR定时脉冲发生器

Watchdog原理OUT可被清除的定时脉冲发生器通常由单稳触发器或计数器构成。若无CLR清除脉冲信号，则定时脉冲发生器按一定频率输出脉冲。通常将此输出脉冲引到微机系统的复位端。当程序正常运行时，不断发出CLR清除脉冲信号，使脉冲发生器没有输出。当运行程序受干扰失控后，无法按时发出CLR清除脉冲信号，于是脉冲发生器产生输出，复位微机系统。第67页，课件共117页，创作于2023年2月4.信号与跳闸输出开关量指那些反映“是”或“非”两种状态的逻辑变量，如断路器的“合闸”或“分闸”状态、控制信号的“有”或“无”状态等。继电保护装置常常需要确知开关量的状态才能正确地动作。

第68页，课件共117页，创作于2023年2月1)

开关量输入接口部件外部设备一般通过其辅助继电器接点的“闭合”与“断开”来提供开关量状态信号。开关量输入接口部件的作用是为正确地反映开关量提供输入通道，并在微机保护装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰。由于开关量的状态正好对应二进制数字的“1”或“0”，所以开关量可作为二进制数字量读入，每一路开关量信号占用二进制数字的一位

第69页，课件共117页，创作于2023年2月PA0O并列接口4.7kΩ＋5VK1装置内接点输入回路OOoPA0＋5V＋o－oK1外部触点装置端子装置外接点输入回路光电耦合器件内部由发光二极管和光敏晶体管组成。当外部继电器接点闭合时，电流流过发光二极管使其发光，光敏晶体管受光照射而导通，其输出端呈现低电平“0”；反之，当外部继电器接点断开时，无电流流过发光二极管，光敏晶体管无光照射而截止，其输出端呈现高电平“1”。该“0”、“1”状态可作为数字量由CPU直接读入并依据状态进行处理；也可控制中断控制器发出中断请求，CPU响应中断再进行相应的处理

使用光电耦合器件实现电气隔离第70页，课件共117页，创作于2023年2月2)开关量输出接口部件

微机保护通过开关量输出的状态来控制执行回路、信号回路以及完成其它操作的继电器的动作。开关量输出接口部件的作用是为正确地发出开关量操作命令提供输出通道，并在微机保护装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰

第71页，课件共117页，创作于2023年2月采用光电耦合器件的开关量输出回路B1H1

PB0PB1OO

+5vO&OVCKOOK1－1空接点输出续流二极管继电器绕组当CPU输出为“0”（低电平）时，执行回路的出口继电器常开接点闭合；反之，当CPU输出为“1”（高电平）时，出口继电器常开接点断开。继电器线圈两端并联的二极管称为续流二极管。它在CPU输出由“0”变为“1”，光敏晶体管突然由“导通”变为“截止”时为继电器线圈释放储存的能量提供电流通路，这样一方面加快继电器的返回，另一方面避免电流突变产生较高的反向电压而引起相关元件的损坏和产生强烈的干扰信号。

在重要的开关量输出回路如跳闸回路中，往往采用数字逻辑编码形成开关量输出信号，目的是为了防止因强烈干扰甚至元件损坏在CPU输出回路出现不正常状态改变时，以及因直流工作电源拉合在CPU输出回路出现不确定状态时而导致保护装置发生误动。

第72页，课件共117页，创作于2023年2月oR4&oR3oR6&oR5oR2&oR11o微机保护内部工作电源来自CPU光隔采用逻辑编码的开关量输出回路o启动继电器开放保护第73页，课件共117页，创作于2023年2月5.人机联系与调试接口1)人机对话接口部件

人机对话（也可称为人机联系）接口部件的作用是建立起微机保护装置与使用者之间的信息联系，以便对装置进行人工操作、调试和得到反馈信息。

继电保护的操作主要包括整定值和控制命令的输入等；而反馈信息主要包括被保护的一次设备是否发生故障、何种性质的故障、保护装置是否已发生动作以及保护装置本身是否运行正常等。

微机保护采用智能化人机界面使人机信息交换功能大为丰富、操作更为方便。

第74页，课件共117页，创作于2023年2月微机保护人机对话接口部件通常包括以下几个部分：

⑴键盘输入电路：用来修改整定值和输入控制命令，必要时辅之以切换开关；⑵液晶显示回路：通常采用图形化液晶显示屏（LCD），用来实现汉字、数据及图形的显示,如整定值、控制命令、采样值、测量值、电力系统故障报告（含故障发生的时间、性质、保护动作情况）及保护装置运行状态的报告等；⑶指示灯：通常采用发光二极管（LED），可对一些非常重要的事件，如保护已动作、装置运行正常、装置故障等提供更明显的监视信号；第75页，课件共117页，创作于2023年2月⑺硬件自复位电路：防止人机接口CPU程序出格而装设的。

⑷打印机驱动电路：用来驱动打印机形成文字报告；⑸串行通讯接口电路：与保护CPU的通讯实现人机对话和巡检功能；与系统机的通信，用于向RTU设备或系统机传送数据，并与变电站综合自动化相配套。⑹硬件时钟电路：校对保护CPU的软件时钟，以确保保护的软件时钟的正确性；并可修改时间；在保护装置直流电源掉电时使保护软件时钟不丢失。第76页，课件共117页，创作于2023年2月825580318279MC146818RAMEPROMEEPROM三总线键盘显示至ADC插件单CPU结构保护的人机接口芯片与保护CPU的连接接口CPU就由保护CPU兼任。为减轻保护CPU的负担，可由可编键盘、显示器专用接口芯片8279来完成键盘、显示器与保护CPU的接口任务，时钟校对由MC146818独立完成第77页，课件共117页，创作于2023年2月在多CPU结构的保护中，另设有专用的人机接口CPU插件。接口CPU除了要完成人机接口的任务外，还要完成与各CPU通信管理、巡检及时间校对、程序出格复位等多项任务。

8031硬件自复位EPROMRAMRTU光电隔离至RTU时钟PPI光电隔离呼唤至CPU插件总告警开入外部触点复位各CPU键盘多CPU结构保护的人机接口插件框图BUS至各CPU第78页，课件共117页，创作于2023年2月2）键盘输入电路键输入的接口功能

（1）键开关状态的可靠输入

（2）按键编码

为了识别按键，通常都对每个键进行编码，即给定键值，不同的键盘结构采用不同的编码方法。软件中根据键值安排执行程序的地址，按键值执行不同的功能程序。（3）键盘检测功能

对是否有键按下的监测方式，通常有中断方式和查询两种方式

为了简便操作，单片机键盘不必像PC机那么繁杂，保护装置键盘的数量应尽可能减少。人机接口的面板上键盘只有七个键：上、下、左、右、返回、复位和确认键。复位和确认键用于装置复位和操作确认。

按键或键盘大都是利用机械触点的合断作用来实现。

第79页，课件共117页，创作于2023年2月

3）液晶显示回路

＋5V8256

P2P1CBLS245A0－7

CB

LCDDB0－7

CB液晶显示回路液晶显示器是一种极低功耗的显示器件，在低功耗保护中应用较广

液晶显示接口电路由接口芯片8256的P1、P2端口，驱动芯片74LS245及一块4×16字符的LCD液晶显示器组成。接口芯片8256在接口CPU的控制下输出P2和P1并行端口，分别作为LCD液晶显示器的控制线CB和数据线DB，其DB通过总线驱动芯片74LS245驱动，接至LCD数据端DB0－7。在控制线CB的控制下，选通LCD行、列及其电极。

第80页，课件共117页，创作于2023年2月4）

硬件时钟电路（1）正常运行方式

当接口CPU复位重新开始执行程序初始化工作完成后，从硬件时钟时间值通过CPU串行通信口送到保护CPU插件内部时钟存储单元，去校对保护CPU的软件时钟。此外每隔一定时间，该硬件时钟对保护内部时钟的存储单元同步校正一次，以确保保护的软件时钟的正确性，实现了对各CPU软件时钟的同步校对。

（2）修改时间

运行人员欲修改时间，可在运行方式下按提示的格式输入正确时间，确认后硬件时钟按输入的时间开始运行。

（3）保护装置直流电源掉电时

保护软件时钟丢失，但接口硬件时钟由电池供电继续运行，直流恢复后又重新把接口硬件时钟的时间通过串行通信送入保护内部软件时钟存储单元，确保时钟不间断计时。

第81页，课件共117页，创作于2023年2月6.数字通信接口

1）人机接口与保护CPU之间的串行通信

人机接口与保护CPU之间的串行通信的作用是人机对话和巡检，这个串行通信系统是主从分布式的系统，接口CPU是主机，保护CPU是从机。主机发讯的T端接从机收讯的R端，从机发讯的T端接主机收讯的R端

第82页，课件共117页，创作于2023年2月

8256TRTRTRTRCPU1CPU2CPU3CPU4CPU保护装置的串行通信框图RT接口插件的串行通信回路，由接口CPU的串行接口与各保护插件的串行接口按辐射状相连，每个保护插件都可以同人机接口进行双向的串行通信，而各种插件之间不能互相通信。8256、CPU1、CPU2、CPU3、CPU4分别代表人机串行通信接口的键盘命令或接受保护CPU插件的数据。在运行状态下，用于巡检各保护CPU插件，当系统发生故障后，则能通过串行口向主机传送故障报告，并通过显示器显示出来。第83页，课件共117页，创作于2023年2月正常运行状态，接口插件不断的通过串行口向各CPU插件发出巡检命令，当各CPU均为正常时，分别作出回答。如某一保护CPU插件自检硬件出错，一方面驱动本CPU告警继电器切断跳闸出口继电器。另一方面在收到巡检命令后向接口插件传送故障信息及出错码，接口插件收到出错码后，驱动总告警继电器，并显示或打印出故障信息。

第84页，课件共117页，创作于2023年2月如果接口插件发巡检命令，某一保护CPU未作回答，则接口插件通过外部复位开出，强制该CPU复位，然后再发巡检命令，如果仍得不到回答，则驱动总告警开出，并显示或打印CPU出错信息。

采用先复位后报警是为了防止某一保护插件因干扰造成出格，但并无硬件损坏时，可在复位后使其恢复正常工作，不必告警。

如果人机接口插件发生故障而不能执行循环检测程序时，各保护CPU插件在规定时间内收不到巡检命令，就驱动巡检中断继电器告警。

第85页，课件共117页，创作于2023年2月2）人机接口与系统机的通信电路

人机接口与系统机的通信，用于向RTU设备或系统机传送数据，为设备的集中管理提供了方便，并与变电站综合自动化相配套。由于通信线路较长，因此有必要采用光电隔离，以防干扰。当系统机有通信信息传至保护时，接收端通过光隔连接CPU的INT0端申请串行中断服务，相应中断时接受系统机信息或向系统机传送保护信息。为抗干扰，串行通信的专用电源由保护电源通过逆变器件DC/DC隔离后供电。

第86页，课件共117页，创作于2023年2月7.微机保护装置的可靠性措施

所谓电磁兼容(EMC)，指的是设备或系统在其电磁环境中能不受干扰的正常工作，而且其自身所发出电磁能量也不至于干扰和影响其它设备的正常运行。

简单的说，电磁兼容就是各种设备和系统在共同的电磁环境中互不干扰，并能各自保持正常工作的能力。

第87页，课件共117页，创作于2023年2月1）干扰的形成及其基本要素

干扰产生的原因很多，有的来自于与系统结构无关的外部环境如雷电、磁暴、开关操作以各种及无线电发射等，也有的来自系统内部的问题如系统结构及元器件布局不合理，生产工艺不完善等等。总之，只要发射电磁能量者，就可以成为干扰源，而只要接收到此能量并受其影响，就成为被干扰对象。

干扰的形成

干扰源传播途径被干扰对象

三个基本要素

要将电磁兼容问题解决好，必须围绕这三个基本要素；抑制干扰源、阻断干扰传播通道以及提高设备自身抗干扰能力。

第88页，课件共117页，创作于2023年2月2）电磁干扰的传播途径和耦合方式

电磁干扰的传播途径包括两种：

一种是通过金属导体以及电感、电容、变压器或电抗器等的传导

特点：这些载体在传导电磁干扰信号的同时也消耗干扰源的能量

一种途径是以电磁波的形式在空间中的辐射干扰

特点：干扰源对外辐射能量具有一定的方向性，并且辐射的能量随着距离的增加而逐渐减弱

两种传播途径在传播过程可以相互转换

第89页，课件共117页，创作于2023年2月共阻抗耦合B公共阻抗AIAIB共阻抗性耦合

在两个设备之间存在诸如电源线、数字量I/O以及公共地线等连线的情况下，它们各自的电流均经过一个公共阻抗，并在此公共阻抗上分别产生电压降，从而相互引起电压波动，干扰各自的正常运行。

第90页，课件共117页，创作于2023年2月电感性耦合ABM电感性耦合

当两电路之间存在互感时，任一个电路中的电流发生变化时，通过磁通交链影响到另一电路。这种耦合所导致的干扰，随着干扰源的频率的增加而增加。

第91页，课件共117页，创作于2023年2月R导线1导线2C2GC1GC12电容性耦合

两个导线之间的电位差，使一个导线上的电荷通过他们之间的分布电容C12耦合到另一个导线上，即形成了干扰。这种耦合所导致的干扰随着对地阻抗R和干扰源的频率的的增加而增加。因此，降低对地阻抗，减少线间分布电容，将有利于抑制这种容性耦合所造成的干扰。

第92页，课件共117页，创作于2023年2月电磁耦合

无线电通信、高频电子电路以及电晕放电等等均会向空间中辐射电磁波。而装置的输入信号线，外部电源线以及装置的机壳等只要暴露在电磁场中，都象一个天线，接收外界的电磁信号，形成电磁干扰

第93页，课件共117页，创作于2023年2月3）电磁干扰的常见分类

共模干扰

差模干扰

共模干扰是作用于信号回路和地之间的干扰，通常是由于干扰信号通过信号回路和地之间分布电容的耦合，导致回路和地之间的电位发生突变所引起的。它不但可能造成设备运行异常，甚至有可能由于信号回路和地之间电压过高而导致设备损坏。

抑制和消除共模干扰的措施：

采用浮空隔离、系统一点接地、使用隔离变压器以及光电隔离器件等方法

第94页，课件共117页，创作于2023年2月差模干扰是存在于信号回路之间且与正常信号相串联的一种干扰。

通常由长线传输的互感、分布电容的影响以及50HZ工频干扰等等

抑制和消除差模干扰的措施：

采用在信号回路接入低通滤波器等方法

第95页，课件共117页，创作于2023年2月电力系统中常见的干扰源

（1）隔离开关及断路器操作

隔离开关及断路器的开合操作，必然伴随触头间一系列电弧的熄燃过程，并在母线上引起各种高频的电流和电压脉冲。此时，母线上的干扰信号在通过电流互感器、电压互感器等设备直接耦合到二次设备的同时还向空间辐射电磁波，以电磁耦合的方式干扰处于该暂态电磁场中的二次设备。

第96页，课件共117页，创作于2023年2月（2）雷电

电力系统遭受到雷击通常有两种情况：一种是变电站的防雷系统受到雷击，另一种是雷电直落到或感应到输电线路上。

雷电从避雷针等防雷系统进入变电站接地网并流入大地，一方面将在接地网中产生冲击，导致接地网电位瞬时升高。另一方面将在周围空间中产生强大的暂态电磁场，从而在二次设备中产生暂态过电压。影响二次设备正常运行，甚至导致二次设备损坏

雷电波通过输电线路传到变电站内，在经过一次设备、变电站接地网以及电流互感器、电压互感器等耦合到控制室中的二次设备中，对二次设备造成影响。

第97页，课件共117页，创作于2023年2月（3）运行中的供电设备和用电设备

运行中的电力设备周围存在着干扰微机系统运行的工频电磁场，特别是在系统发生故障时，故障电流产生的工频干扰更为强烈。另外，输电线上的电晕放电、脏污外绝缘表面的局部放电、电力负荷的变化引起电压波动，补偿电容器的投退引起的瞬变干扰等等都是电力系统中常见的干扰源。

第98页，课件共117页，创作于2023年2月（4）无线电波

随着现代无线通信产品的广泛应用，在空间磁场中充斥着各种电磁辐射干扰。尤其是大量用于电力部门的检修现场和其它场所的对讲机，由于其发射功率较大（1～10W）、发射频率较高（100～500MHZ），使与之相距较近的弱电设备的电路中产生高频感应电压，这种感应电压可能干扰设备的正常运行甚至导致保护装置误动作。

第99页，课件共117页，创作于2023年2月（5）静电

静电的起因是由于两种不同物质的物体相互摩擦时，正负极性的电荷分别积蓄在两种物体上形成高压。静电放电属于脉冲式干扰，干扰程度取决于脉冲能量和脉冲宽度。虽然静电放电的能量较小，但由于作用时间极短，其瞬时能量密度可大到干扰装置运行甚至导致设备损坏的程度。

第100页，课件共117页，创作于2023年2月微机保护装置抑制电磁干扰的基本措施

1）硬件措施