清华大学继电保护讲义第二讲微机保护的硬件原理.ppt

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第一章第一章微机保护的硬件原理微机保护的硬件原理第一节第一节概述概述1.1.微机保护的硬件系统包括以下三部分：

微机保护的硬件系统包括以下三部分：

n数据采集系统（或称模拟量输入系统）：

包括电压形成、采样保持、多路开关及数模转换。

n微型机（或微处理器）主系统：

包括微处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器、并串接口等。

n开关量输入输出系统：

由微型机的并行接口、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。

完成保护需要的外部触点接入、出口跳闸、人机对话等功能。

图11示出了微机保护硬件构成框图第一节第一节概述概述图11微机保护硬件构成框图第一节第一节概述概述2.微机保护用硬件特点微机保护用硬件特点n集成微处理器（MPU）、只读存储器（ROM）、随即存取存储器（RAM）、定时器、模数转换器（AD）、并行接口（PIO）、闪存单元（FLASH）、数字信号处理器（DSP）、通信接口等多种功能集成在一个芯片内的单片机系统。

n把所有总线连同单片机都集成在一个芯片内的总线不出片技术。

n不区分微机、单片机、微处理器第二节第二节数据采集系统数据采集系统n为模数转换（为模数转换（ADAD）做准备、转换模拟量为数字做准备、转换模拟量为数字量量n适应电力系统故障信号特点适应电力系统故障信号特点w频谱分布宽广：

从直流、衰减直流、工频基波分量到各频谱分布宽广：

从直流、衰减直流、工频基波分量到各次谐波（最高到数百千赫兹）在内的暂态信号次谐波（最高到数百千赫兹）在内的暂态信号w动态范围宽广：

从正常运行的几十安培到短路状态下的动态范围宽广：

从正常运行的几十安培到短路状态下的几万安培甚至几十万安培几万安培甚至几十万安培第一章第一章微机保护的硬件原理微机保护的硬件原理n适应继电保护特点要求适应继电保护特点要求w模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则w典型的高压线路保护需要：

三相电流、零序电流；三相典型的高压线路保护需要：

三相电流、零序电流；三相电压、线路侧线间电压；电压、线路侧线间电压；w典型的三绕组变压器差动保护需要：

每一绕组侧的三相典型的三绕组变压器差动保护需要：

每一绕组侧的三相电流电流因此，微机保护是一个多模拟量输入系统因此，微机保护是一个多模拟量输入系统第一章第一章微机保护的硬件原理微机保护的硬件原理2211电压形成回路电压形成回路要求要求n继电保护所使用的电压、电流都是来自于电压互继电保护所使用的电压、电流都是来自于电压互感器（感器（100100伏、线间电压）和电流互感器（额定电伏、线间电压）和电流互感器（额定电流流55安或安或11安，短路电流安，短路电流100100安）安）n把把100100伏左右的电压变换为适合伏左右的电压变换为适合ADAD转换需要的正负转换需要的正负2.52.5伏、正负伏、正负55伏、正负伏、正负1010伏的电压；伏的电压；n把小于把小于11安安100100安的电流变换为适合安的电流变换为适合ADAD转换需要转换需要的正负的正负2.52.5伏、正负伏、正负55伏、正负伏、正负1010伏的电压伏的电压第二节第二节数据采集系统数据采集系统变换器变换器n电压变换器电压变换器用于将一次电压变换成微机保护模数转换（用于将一次电压变换成微机保护模数转换（ADAD）用的电用的电压，普通变压器原理。

压，普通变压器原理。

n电流变换器：

电流变换器：

用于电流电流电压用于电流电流电压用于将一次电流变换成微机保护模数转换（用于将一次电流变换成微机保护模数转换（ADAD）用的电用的电压。

普通变压器原理，把电流变换成电流，再把一个小电阻压。

普通变压器原理，把电流变换成电流，再把一个小电阻并联在该变压器的二次侧，形成电压。

并联在该变压器的二次侧，形成电压。

要求该变压器的铁心不饱和。

要求该变压器的铁心不饱和。

第二节第二节数据采集系统数据采集系统第二节第二节数据采集系统数据采集系统n电抗变压器：

电抗变压器：

用于直接获取电压用于直接获取电压它的原理结构、原理图及等值电路如图它的原理结构、原理图及等值电路如图1122所示所示图图1122电抗变压器的原理结构与等值电路图电抗变压器的原理结构与等值电路图第二节第二节数据采集系统数据采集系统它的铁心带有气隙、具有三个绕组的变压器。

由于它的铁心带有气隙、具有三个绕组的变压器。

由于存在气隙，励磁电抗数值很小，相对而言很大的二次存在气隙，励磁电抗数值很小，相对而言很大的二次负载阻抗可忽略不及，故一次电流全部作为励磁电负载阻抗可忽略不及，故一次电流全部作为励磁电流。

此时有以下关系：

流。

此时有以下关系：

总体效果相当于总体效果相当于因此电抗变能够将一次电流的基波分量成比例地转因此电抗变能够将一次电流的基波分量成比例地转换成二次侧电压。

但放大了谐波分量，阻止了直流和换成二次侧电压。

但放大了谐波分量，阻止了直流和低频分量。

严格讲是失真变换。

低频分量。

严格讲是失真变换。

n电流变换器和电抗变压器的比较电流变换器和电抗变压器的比较w电流变换器能够不失真地变换电流成为电压，但是在出电流变换器能够不失真地变换电流成为电压，但是在出现非周期分量、衰减直流分量时，容易饱和，线性度差，现非周期分量、衰减直流分量时，容易饱和，线性度差，动态范围小动态范围小w电抗变压器具有阻止直流、放大谐波的作用，因此当一电抗变压器具有阻止直流、放大谐波的作用，因此当一次波形为非正弦时，二次将发生严重畸变。

但是它的动次波形为非正弦时，二次将发生严重畸变。

但是它的动态范围宽广、铁心不易饱和、具有移相作用。

在某些场态范围宽广、铁心不易饱和、具有移相作用。

在某些场合下还是有用的。

合下还是有用的。

第二节第二节数据采集系统数据采集系统2222采样保持电路和模拟低通滤波采样保持电路和模拟低通滤波器器采样保持电路的作用及原理采样保持电路的作用及原理n定义：

定义：

采样保持电路（采样保持电路（S/H,SamplingandS/H,SamplingandHoldingHolding）是在极短时间内测量模拟量在该时刻的是在极短时间内测量模拟量在该时刻的瞬时值，并在模拟数字转换器进行转换的期间瞬时值，并在模拟数字转换器进行转换的期间保持输出不变的一个电路保持输出不变的一个电路第二节第二节数据采集系统数据采集系统n组成：

组成：

它由电子模拟开关它由电子模拟开关ASAS、保持电容器及两个保持电容器及两个阻抗变换器组成。

阻抗变换器组成。

ChCh的作用是记忆的作用是记忆ASAS闭合时刻的闭合时刻的电压，并在电压，并在ASAS打开后保持该电压。

阻抗变换器打开后保持该电压。

阻抗变换器II在在ChCh端提供低阻抗，使得端提供低阻抗，使得ChCh电压建立迅速，而在输电压建立迅速，而在输入端呈现高阻抗，以尽量减少对输入回路的影响；入端呈现高阻抗，以尽量减少对输入回路的影响；阻抗变换器阻抗变换器1111在在ChCh端提供高阻抗，使得端提供高阻抗，使得ChCh衰减缓衰减缓慢，而在后边呈现低阻抗以提高带负载的能力。

慢，而在后边呈现低阻抗以提高带负载的能力。

第二节第二节数据采集系统数据采集系统第二节第二节数据采集系统数据采集系统图13采样保持电路及工作过程第二节第二节数据采集系统数据采集系统n工作过程：

工作过程：

微机采样定时器等间隔地产生采样脉冲微机采样定时器等间隔地产生采样脉冲进行采样，得到采样信号，采样后信号在下次采样进行采样，得到采样信号，采样后信号在下次采样脉冲到来之前应保持不变，形成稳定的阶梯状采样脉冲到来之前应保持不变，形成稳定的阶梯状采样保持信号，等待保持信号，等待A/DA/D转换。

转换。

第二节第二节数据采集系统数据采集系统对采样保持电路的要求对采样保持电路的要求nChCh上的电压按照一定的精度跟踪上的电压按照一定的精度跟踪UsrUsr，跟踪时间尽跟踪时间尽量短，以适应最小采样宽度要求量短，以适应最小采样宽度要求TcTcn保持时间要长，通常用下降率来表示保持能力保持时间要长，通常用下降率来表示保持能力n模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小要小前两个指标取决于阻抗变换器和保持电容的性能，前两个指标取决于阻抗变换器和保持电容的性能，就捕获而言，越小越好；就保持而言越大越好。

就捕获而言，越小越好；就保持而言越大越好。

一般来讲，要求快速捕获，采样周期短，电容要小一般来讲，要求快速捕获，采样周期短，电容要小一些；一些；慢速捕获，采样周期长，电容大一些，稳定性好，慢速捕获，采样周期长，电容大一些，稳定性好，抗杂散电容影响能力强。

抗杂散电容影响能力强。

第二节第二节数据采集系统数据采集系统图14采样保持电路的性能与电容Ch的关系曲线1保持下降率2保持跳变误差30.1误差的截获时间4充电速率5频带例子：

若取Ch为0.01uf，则保持下降率为2mV/S，微机保护采样速率高于2mS，没问题；而截获时间为20微妙，误差相当于工频0.36度，也没有问题。

但是对于高频采集行波采集就不行了！

需要提醒的是：

Ch经常需要外接第二节第二节数据采集系统数据采集系统采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用n等步长采样和变步长采样等步长采样和变步长采样对于电网频率波动小，采样精度要求不是很高的场合，常采用等对于电网频率波动小，采样精度要求不是很高的场合，常采用等步长采样步长采样对于电网频率波动大，采样精度要求高的场合，需要变步长采对于电网频率波动大，采样精度要求高的场合，需要变步长采样，变步长的采样间隔时间（采样脉冲发出时间）要随时调整样，变步长的采样间隔时间（采样脉冲发出时间）要随时调整n采样定理采样定理被采样信号的频率最高不超过被采样信号的频率最高不超过1/21/2采样频率，否则会造成频谱混采样频率，否则会造成频谱混叠。

叠。

n合适的保护采样频率选择合适的保护采样频率选择高采样频率要求高采样频率要求CPUCPU的处理和运算速度快；低采样频率可能会造的处理和运算速度快；低采样频率可能会造成频率混叠，因为电力系统故障后的电压电流是一个宽频谱信号。

成频率混叠，因为电力系统故障后的电压电流是一个宽频谱信号。

第二节第二节数据采集系统数据采集系统n合适的保护采样频率选择合适的保护采样频率选择如果考虑目前的继电保护主要是基于工频故障信息构成的，那如果考虑目前的继电保护主要是基于工频故障信息构成的，那么，高频故障信息应该么，高频故障信息应该/可以滤除，这样将降低对可以滤除，这样将降低对CPUCPU和采样速率的和采样速率的要求。

目前微机保护普遍采用要求。

目前微机保护普遍采用600Hz600Hz（1.6671.667毫秒）、毫秒）、1kHz1kHz（11毫毫秒）、秒）、1.8kHz1.8kHz（0.550.55毫秒）的采样频率，它们都能够满足工频故障毫秒）的采样频率，它们都能够满足工频故障信息和信息和33次、次、55次谐波的采样和分辨要求。

但是高于次谐波的采样和分辨要求。

但是高于300Hz300Hz、500Hz500Hz、900Hz900Hz的故障信号怎么办呢？

的故障信号怎么办呢？

第二节第二节数据采集系统数据采集系统n前置低通滤波器的设置前置低通滤波器的设置滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时拟制无用频率信号滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时拟制无用频率信号的电路。

低通滤波器是只让低于截至频率通过的滤波器。

的电路。

低通滤波器是只让低于截至频率通过的滤波器。

前置低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于各种消费、前置低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于各种消费、控制电路中的采样电路前，滤除高于控制电路中的采样电路前，滤除高于22倍采样频率的信号，因此截倍采样频率的信号，因此截至频率被设置为至频率被设置为1/2fs1/2fs。

低通滤波器可以采用有源的、也可以采用无源的。

无源滤波器低通滤波器可以采用有源的、也可以采用无源的。

无源滤波器构成简单，但电阻和电容回路对信号有衰减作用，并会带来时间延构成简单，但