第九章-数字式继电保护技术基础--2015.6.10

第九章数字式继电保护技术基础1一、继电保护的发展史1、20世纪初，继电器开始广泛应用于电力系统（认为是继电保护的开端）2、继电保护原理发展过程（表1）3、构成继电保护装置元件、材料、保护装置结构型式和制造工艺变化，出现不同保护装置的发展过程（表2）序号年代原理11901感应型的过流继电器21908电流差动保护（两端电流）31910方向性41923距离保护（电流和电压比较）41927相差高频和方向高频保护（高频载波电流）51950年微波保护（微波中继通信技术）61950行波保护设想（利用故障点产生的行波）71980利用光纤通道构成继电保护（电流差动）表1序号年代保护装置11950以前机电式继电器（机电式保护装置）21950晶体管式继电保护装置（电子式静态继电保护（1代））（70年代大量应用）3整流型的继电保护41980后期集成电路式静态继电保护（2代）51970中后期微机继电保护装置61984国内第一套微机保护经试运行后鉴定表2•传统保护现代保护新保护暂态保护基于人工智能的保护自适应保护超高速单元（1927）距离（1923）定向（1910）差动（1908）过流（1901）继电保护原理的发展集成保护数字（计算机）式静态继电保护技术的发展微机保护机电式19001930……1970198019902000年二、传统继电保护的优缺点序号保护装置优点缺点1机电式比较可靠体积大、消耗功率大、动作速度慢、转动部分容易磨损、触点容易粘连、调试复杂、不能满足超高压、及大容量要求2晶体管式/整流式体积小、功率消耗小、动作速度快易受外界电磁干扰、可靠性差、维护困难序号保护装置优点缺点3集成电路式体积更小、功率消耗小、动作速度快易受外界电磁干扰、可靠性差、维护困难，装置可靠性取决于芯片三、微机保护的优点序号优点1体积小、可靠性高（软件及硬件可靠双重保证）2调试、维护方便（新一代保护精度可以通过软件实现）3可以实现继电保护的各种动作特性，提高保护的性能指标（变压器器差动保护特性、电动机动作特性、线路保护动作特性等；保护装置定值精度、动作时间（快速保护在20ms内）等）4容易获得附加功能（谐波分析、故障记录、CT极性、开关动作次数等）序号优点5可以很容易实现新的原理6数字元件不易受温度影响、使用年限的影响；7保护装置体积小、具有很强的自检功能，人机交换友好，可以实现远方监控，方便实现无人值班。8经济性好，芯片价格下降。降低变电站综合造价，尤其是面向对象全分散式微机保护，变电站的占地面积可以极大缩小、二次电缆大为减少等。四、微机继电保护发展史1、世界微机保护发展史，（表1）2、中国微机保护发展史，（表2）序号年代世界微机保护160年代提出计算机构成保护装置（主要是理论计算方法和程序结构研究；将模拟量数字化（电流、电压、温度等））270年代在理论研究，主要是算法研究、数字滤波及实验室样机试验等，期间，大规模集成电路技术的飞速发展，微型计算机和微处理器进入实用阶段，价格大幅度下降，可靠性及运算速度大幅度提高。70年代后期，国外有少数微机保护在试运行。表1序号年代世界微机保护380年代微机保护算法基本成熟；290年代微处理器、计算机网络的重大发展，导致硬件集成度更高、运算速度更快、存储容量更大；通信、结构、可靠性整体性能发生质的变化，保护越来越智能化，装置越来越信息化。序号阶段中国微机保护1第一代基本同国外同时起步，设计重点是如何使总线系统更隐蔽，提高抗干扰水平；单CPU，采用单片机，双层板，前插大机箱结构，RS-232通信。2第二代微机保护采用多CPU结构，每块印制板以CPU为中心组成计算机系统，实现总线不出插件。采用单片机，双层板，前插整面机箱结构，RS-CAN/LON/485通信；3第三代采用DSP技术，印制板采用多层板，实现表面贴装，提高抗干扰性能，背插式机箱，工业以太网。表29.1数字式保护装置硬件原理概述传统保护的实现是利用硬件电路，如定时限过电流保护是由电流继电器、时间继电器、信号继电器等组成；而微机保护的实现，要利用微机保护的硬件装置同时还需要软件构成。一、数字式保护装置硬件结构微机保护主要部分是微机，还配有输入、输出接口，有关计算和操作程序、人机联系部分。硬件指模拟和数字电子电路，硬件提供软件运行的平台，并且提供数字式保护装置与外部系统的电气联系；软件指计算机程序，由它按照保护原理和功能的要求对硬件进行控制，有序地完成数据采集、外部信息交换、数字运算和逻辑判断、动作指令执行等各项操作。14数字式保护装置的硬件系统原理图如图所示151、微机系统微型机系统用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后决定是否发出跳闸信号。微型机系统是微机保护装置的核心，一般包括：微处理器(CPU)、只读存储器、随机存取存储器以及定时器、Watchdog等。CPU是微机系统自动工作的指挥中枢。定时器用于触发采样信号，在V/F变换中，是频率信号转换为数字信号的关键部件。16应用于数字保护装置主要有以下几种类型（1）单片微处理器（2）通用微处理器（3）数字信号处理器17存储器是用于保存程序和数据。（1）随机存储器（RAM）。RAM用来暂存需要快速交换的大量临时数据，如数据采集系统提供的数据信息、计算处理过程的中间结果等。RAM中的数据允许高速读取和写入，但在失电后会丢失。（2）只读存储器（ROM）目前使用的是一种紫外线可擦除且电可编程只读存储器（EPROM）用来保存数字式保护的运行程序和一些固定不变的数据，EPRAM中的数据允许高速读取和写入，在失电后会丢失。18（3）电可擦除且可编程存储器（EEPROM）用来保存在使用中有时需要改写的那些控制系数，如继电器的整定值等。EEPROM中的数据允许高速读取和写入，在失电后不会丢失，同时无需专用设备就可以在使用中在线改写，对于修改整定值比较方便。19定时器/计数器在数字保护中也是十分重要的器件，它除了为延时动作的保护提供精确计时外，还可以用来提供定时采样触发信号、形成中断控制等202、模拟量输入系统微机系统只能识别数字量，需要将电流、电压模拟信号转换为相应的微机系统能接受的数字信号。继电保护的基本输入电量是模拟性质的电信号。一次系统的模拟电量可分为交流电量（交流电压和交流电流）、直流电量以及各种非电量。它们经过各种电力传感器（如电压互感器和电流互感器）转变为二次电信号，再由引线端子进入数字式保护装置。模拟电信号还要正确地变换成离散化的数字量。21继电保护的基本输入电量是模拟性质的电信号。一次系统的模拟电量可分为交流电量（交流电压和交流电流）、直流电量以及各种非电量。它们经过各种电力传感器（如电压互感器和电流互感器）转变为二次电信号，再由引线端子进入数字式保护装置。模拟电信号还要正确地变换成离散化的数字量。22这个过程也就是所说的是数据采集，因此模拟量输入接口部件也称为模拟量数据采集部件或数据采集系统，简称为AI接口。23AI接口往往包括多路不同性质的模拟量输入通道，如不同相别的电压和电流、零序电压和电流以及直流电压和电流等，具体情况取决于数字式保护装置的功能要求，但一般都要求由AI接口得到的多路数字信号之间保持在时间上的同时性（对于交流信号相当于保持各通道之间原有相位不变）和同性质的通道之间变换比例一致24交流信号输入变换由输入变换器来实现，接受来自电力互感器二次侧的电压和电流信号。其作用是通过装置内的输入变压器和变流器将二次电压和电流进一步变小，以适应弱电电子元件的要求；同时使二次回路与保护装置内部电路之间实现电气隔离和电磁屏蔽，以保障保护装置内部弱电元件的安全，减少来自高压设备对弱电元件的干扰。25V电压形成的方式与数字式保护装置所采用的电流变换器的形式有关，常用的有以下两种形式：变换器作用：变换电量；隔离电路；用于定值调整；用于电量综合。第一种采用电流变换器。其工作原理与电流互感器相似。电压形成的方式在副方接入一个低阻值电阻。电流变换器，主要是将一次电流转换成与一次电流成正比的二次电压。26第二种采用电抗变换器。可一次形成电流标度变换和电压形成。电抗变换器是一个铁心具有间隙的变压器，它的原方是输入电流而副方输出电压，理想状态下输出电压与原方电流中的微分成正比。变换器共性：无论输入是电流还是电压，输出都为电压。27（2）前置模拟低通滤波器（ALF）是一种简单的低通滤波器，每一路AI通道都需要配置。ALF的作用是仅仅是为了抑制输入信号中对保护无用的较高频率的成分，以便采样时易于满足采样定理的要求。28（3）采样保持电路完成对输入模拟信号的采样。由于微机保护只能对数字量进行运算和判断，所以应将连续模拟量变为离散量。所谓采样保持，指在某时刻获取输入模拟信号在该时刻的瞬时值，并维持适当时间不变，以便模数变换回路将其转换为数字量。如果将固定的时间间隔重复地进行这种采样操作，就可将时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散的模拟信号序列。（4）模数转换器作用:将输入模拟量变为与其相应的数字量,以便进行处理、存储、控制和显示。293、开关量输入接口（DI）系统作用：是为开关量提供输入通道，并在数字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。304、开关量输出接口（DO）系统作用：是为开关量提供输出通道，并在数字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。315、人机对话接口作用是建立起数字保护装置与使用者之间的信息联系，以便对保护装置进行人工操作、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，而反馈信息包括被保护线路的一次设备是否发生动作以及保护装置本身是否运行正常等。包括：打印、显示、键盘及信号灯、音响或语言告警等。6、电源电源是微机保护装置重要组成部分，通常采用逆变稳压电源。327、外部通信接口部件作用是提供与计算机通信网络以及远程通信网络的信息通道。CI可分为两大类：一类为实现特殊保护功能的专用通信接口，另一类为通用计算机网络接口，可与电站计算机局域网以及电力系统远程通信网相联，实现更高一级的信息管理和控制功能。339.2数字式保护的数据采集与数据滤波一、数据采集系统的基本原理通过数字信号采集系统将连续的模拟信号转变为离散的数字信号。离散化过程包含了两个子过程：第一步为采样过程，通过采样保持器对时间进行离散化，即把时间连续的信号变为时间离散的信号，或者说在一个个等时间间隔的瞬时点上抽取信号的瞬时值；第二步为模数变换过程，通过模数变换器对采样信号幅度进行离散化，即把时间上已离散而在数值上仍连续的瞬时值变换为数字量341、采样过程描述及采样定理设输入模拟信号为xA(t)，现在以确定的时间间隔Ts对其采样，得到一组代表在各采样点瞬时值的采样值序列x(n)。可表为x(n)=xA(nTs),n＝1，2，3…设xA(t)＝xmsin(ωt+φ)则x(n)=xA(nTs)＝xmsin(ωnTs+φ)35则x(n)=xA(nTs)＝xmsin(ωnTs+φ)上述确定的相邻采样值之间的间隔称为采样周期。采样周期的倒数称为采样频率采样频率的选择是微机保护中的一个关键问题。361ssfT采样率相对于基波频率的倍数来表示采样速率，称为每基频周期采样点数，或简称为N点采样。3711sssfTNfT采样定理：无论原始输入信号的频率成分多复杂，保证采样后不丢失其中信息的充分必要条件是，采样率应大于输入信号的最高频率的2倍，即38max2sff2、模数变换过程及技术指标模数变换（A/D变换）的基本原理简单地说是用一个微小的标准单位电压（即A/D的分辨率）来度量一个无限精度的待侧量的电压值（即瞬时采样值），从而得到它所对应的一个有限精度的数字值（即待测量的电压值可以被标准电压分为多少份）。39显然，选定的标