第03章 微机继电保护硬件系统.ppt

微机型继电保护基础第三章 微机继电保护硬件系统的构成与原理 天津大学 §3.1 传统保护装置硬件系统构成 电力系统发生故障时，电流增大、电压降低、电流与电压之间的相位角发生变化等。利用故障与正常运行时的差别，就可构成不同原理的继电保护装置，如： 1）反应电流变化的有过电流保护等。 2）反应电压变化的有低电压、或过电压保护等。 不同原理的继电保护装置一般都由三个基本部分组成，如图所示： 测量部分：测量被保护设备工作状态（正常状态、故障状态或不正常工作状态）的有关的电气量，判断是否发生故障。 方向过电流保护装置示意图 §3.2 微机保护装置硬件系统构成 微机保护装置硬件系统原理上和常规保护一样，但是功能更多。 微机保护装置硬件系统构成详述 （1）数据采集单元:将模拟量转换为数字量。 （2）数据处理单元即微机主系统:微处理器对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。 （3）数字量输入/输出接口。由若干并行接口、光电隔离器及中间继电器等组成，以完成保护的出口跳闸、警报、外部接点输入及人机对话等功能。 （4）通信接口。包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网。 （5）电源。供给微处理器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的电源。 微机保护硬件示意框图 一． 数据采集单元 （2）模拟低通滤波器（ALF） 滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的电路。 对微机保护系统来说，故障初瞬间电压、电流信号中可能含有相当高的频率分量，为防止频率混叠，fs不得不用得很高，对硬件速度提出过高的要求。实际上大多数的微机保护原理都是反映工频量的，在这种情况下,可以在采样前用一个模拟低通滤波器将高频分量滤掉，这样就可以降低fs，从而降低对硬件提出的要求。 由于数字滤波器的作用，通常并不要求低通滤波器滤掉所有的高额分量而仅用它滤掉fs/2以上的分量，以消除频率混叠，防止高频分量混到工频附近来。 （3）采样保持（S／H）电路及采样频率的选择 采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模拟/数字转换器进行转换期内保持其输出不变。即把随时间连续变化的电气量离散化。 它由一个电子模拟开关K，电容C以及两个阻抗变换器组成。开关K受逻辑输入端电平控制。在高电平时K闭合，此时，电路处于采样状态，C迅速充电或放电到电容上电压等于该采样时刻的电压值(Ui)。K的闭合时间应满足采样时间。 为了缩短采样时间，这里采用阻抗变换器l，它在输入端呈现高阻抗，输出端呈现低阻抗，使C上电压能迅速跟踪等于Ui值。K打开时，电容C上保持住K打开瞬间的电压，电路处于保持状态。同样为了提高保持能力，电路中亦采用了另一个阻抗变换器2，它对C呈现高阻抗。 采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs。采样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关键问题。 采样频率越高，要求微处理器的速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样的频率不断地向微处理器输入数据，微处理器必须要来得及在两个相邻采样间隔时间Ts内处理完对每一组采样值所必须作的各种操作和运算。 否则,微处理器将跟不上实时节拍而无法工作。相反，采样频率过低，将不能真实反映被采样信号的情况。 微机保护所反应的电力系统参数是经过采样离散化之后的数字量。那么，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，也就是说这离散信号能否真实地反映被采样的连续信号呢？ 被采样信号X（t）的频率为fo，对其进行采样。若每周采一点，即fs= fo ，由图b可见，采样所得到的为一个直流量。 若每周采1．5点，即fs= 1.5fo时，采样得到的是一个频率比fo低的低频信号, 如图c所示。 当fs= 2fo时，采样所得波形的频率为fo，虽然这时波形已接近原信号波形但仍然有失真现象。 显然，只有fs2fo，则采样后所得到的信号才有可能较为真实地代表输入信号X（t）。也就是说，一个高于fs/2的频率成分在采样后将被错误地认为是一个低频信号。只有在fs2fo后，才不会出现这种失真现象。 乃奎斯特采样定理：fs2fo。fs愈高，能反应的高频成分愈多亦即失真愈小。总之，为了使信号采样后能够不失真地还原，采样频率必须大于信号最高频率两倍以上，这就是乃奎斯特采样定理。 （4）模拟量多路转换开关（MPX） 保护装置通常需对多个模拟量同时采样，以准确获得各个量之间的相位关系并使相位关系经过采样后保持不变，这就要对每个模拟输入量设置一套电压形成、模拟低通滤波和采样保持电路。所有采样保持器的逻辑输入端并联后由定时器同时供给采样脉冲。 由于模数变换器复杂及价格昂贵，通常不宜对各路电压、电流模拟量采用同时A/D转换，而是采用多路S/H共用一个