微機繼電保護原理

更新時間：2019-08-09

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繼電保護是關系著電力系統(tǒng)安全運行的關鍵。繼電保護技術的發(fā)展大致分為四個歷史階段：電磁型、晶體管型（又稱半導體型或分立元件型）、集成電路型、微型計算機型。目前，隨著微電子技術的發(fā)展，微機型繼電保護技術的應用已越來越廣泛。

繼電保護與傳統(tǒng)的繼電保護技術相比，微機繼電保護主要有以下的優(yōu)點：

（1）改善和提高繼電保護的動作特性和性能；（2）可靠性大為提高；（3）內部編程軟接線的方式大大降低了電氣二次線路的復雜性；（4）可以充分利用CPU的資源，實現(xiàn)其他測量、管理、通訊等功能；（5）微機*的記憶存櫧功能能很好的實現(xiàn)故障追憶，提高運行管理效率；（6）自檢能力強，可以省去每年花費大量人力物力而必須去做的繼電保護預防性試驗，可以保證生產(chǎn)的連續(xù)運行；（7）擴展能力強。

2.微機型繼電保護裝置的硬件構成

2.1微機繼電保護裝置典型硬件結構

微機型繼電保護裝置是微機控制技術的應用實例之一。它是以微處理器（單片機）為核心，配以輸入、輸出通道，人機接口和通訊接口等。圖2-1給出了微機保護的典型硬件結構圖。

2.2微機保護裝置的輸入輸出通道

微機保護的輸入通道分為模擬量輸入通道和開關量輸入通道，輸出通道主要為繼電器邏輯回路。輸入通道主要完成電力系統(tǒng)的電壓、電流信號的采集和一次設備的狀態(tài)量采集（比如斷路器的運行狀態(tài)）；而輸出通道主要完成保護跳閘信號、告警信號的輸出。

2.2.1模擬量輸入通道

目前，微機保護的模擬量采集均采用交流采樣技術。模擬量輸入通道主要由模擬量輸入變換回路、低通濾波器、采樣和A/D轉換器等幾個環(huán)節(jié)構成。

2.2.1.1模擬量輸入變換回路

由一次回路的CT、PT的二次側輸入至微機保護器的信號，一般數(shù)值較大，不適合內部A/D轉換的電平要求（一般A/D轉換回路的輸入電壓范圍為±2.5V、±5V或±10V）。模擬量輸入變換回路的主要任務就是就是將輸入的電量進一步變換，將二次電量值變得更小，同時將電流量變?yōu)殡妷毫浚赃m合內部A/D轉換的要求。同時，該變換回路還起著隔離外部干擾的作用。

設計模擬量輸入變換回路要注意的幾點：①要保證各電流變換器之間、各電壓變換器之間及電流、電壓變換器之間的一次、二次側相位移保持一致；②變換器的鐵芯磁導率要選取得當，保證工作的線性范圍；③變換器本身的損耗要小；④要保證在大短路電流下，變換器的輸出不使A/D發(fā)生溢出。

2.2.1.2低通濾波器及采樣

由于計算機處理的是離散的時間信號，故輸入的連續(xù)模擬量必須要被采樣為離散的模擬量。同時，要使采樣值能準確無誤的反映輸入的模擬量，采樣頻率必須遵循一定的要求，即采樣頻率必須大于原始輸入信號中zui高頻率分量的頻率的2倍，這就是采樣定理。否則，采樣信號將出現(xiàn)頻率混疊，不能真實反映原始輸入信號。

系統(tǒng)的故障電流、電壓信號中一般含有許多高頻分量。而常見的微機保護原理大多是基于工頻量的。這樣，為了避免不必要的抬高采樣頻率，一般微機保護器中都設置了前置低通濾波器。圖2-2描述了低通濾波器的理想頻率響應。圖中，fc為濾波器的截止頻率，是考察低通濾波器的一個重要指標。

2.2.1.3 A/D轉換

由于計算機只對離散的數(shù)字量進行處理，則采樣得到的離散的模擬量還要進一步轉換為離散的數(shù)字量。完成這一任務的環(huán)節(jié)即為A/D轉換器（模/數(shù)轉換器）。模數(shù)轉換過程的實質就是對模擬信號進行量化和編碼的過程。

根據(jù)A/D轉換的原理和特點的不同，可將A/D轉換分為直接轉換和間接轉換兩大類。常見的直接轉換有逐次逼近式A/D、計數(shù)式A/D等；間接轉換有積分式A/D、V/F式A/D等。至于各種A/D的原理，這里就不在細述。

2.2.2數(shù)字量輸入輸出通道

數(shù)字信號的輸入輸出，主要針對于微機保護器的人機接口和各種告警信號、跳閘信號及電度脈沖等。為防止外部干擾的竄入，一般在輸入輸出回路中均采用光電隔離措施。典型的數(shù)字信號輸入輸出回路如圖2-3所示。

2.3微機保護裝置的數(shù)字核心

微機保護裝置的數(shù)字核心一般由CPU、存儲器、定時器/計數(shù)器、Wachdog等組成。目前數(shù)字核心的主流為嵌入式微控制器（MCU），即通常所說的單片機。MCU一般以某一微處理器內核為核心，芯片內部集成了RAM、ROM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WachDog、I/O、串行口、A/D、D/A等各種必要的功能和外圍設備、電路。一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，它們的微處理器內核都一樣，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機大限度的和應用相匹配，從而降低成本和功耗。常見的MCU有MCS-51、MCS-196/296、C166/167、68300等等。

隨著微電子技術的發(fā)展，一些功能更為強大、數(shù)字信號處理能力更強的數(shù)字核心將成為微機保護裝置升級的必然趨勢。有代表性的是嵌入式DSP處理器（EDSP）和嵌入式片上系統(tǒng)（ESOC）。

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