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1、,第二章微机、数字化继电保护基础 2.1 微机继电保护的硬件构成原理 1）微型机系统 2）模拟数据采集系统 3）开关量输入和输出系统 4）人机对话微型机系统 5）电源系统：它是装置可靠工作的基础， 应满足精度，谐波系数、可靠性等指标要求。 常用3V, 5V，15V，24V多个电压等级。 硬件构成原理如下图所示。,图2.1微机保护基本硬件 组成原理图,21.1 模拟数据采集系统 A/D转换是模拟数据采集系统的核心，其 理论依据是采样定理。 对连续时间信号x(t)进行采样时，周期采 样频率fs，必须大于被采样原始信号x(t)的最 大截止频率fc的两倍，即 才能从离散的 数字信号 中完全恢复出原始信
2、号x(t) 。 A/D转换有多种方法，以逐次比较式数据 采集系统和以电压/频率变换式（VFC）数据采 集系统最为常用，此处只对前者作较细的讨论。,fs2fc,xs(t),1）逐次比较式数据采集系统模入原理 （1）逐次比较式模拟数据采集系统的单通道采样方式： 异步采样 同步采样 （2）对多个模拟信号的多通道采样方式： 同时采样,图2.2 同时采样硬件原理图, 顺序采样, 分组同时采样,所谓分组同时采样是指将所有的模入信号分成若干组，在同组内的各模拟信号同时 采样，不同组内模拟信号之间用顺序采样。 2） 逐次比较式数据采集系统的组成 （1） 变送器：电平变换和电气隔离。 （2）前置模拟低通滤波器：
3、滤除大于1/2采样频率高次谐波。,（ 3）采样保持器 采样开关、保持器，并依次将采用值送入A/D。,（4）模数转换器（A/D） 模拟量转换为数字量。主要由D/A、比较器等元件组成。D/A的基本原理：,数模转换器输出的模拟电压UO为：,图2.8 4位数模转换器(D/A)的原理电路图,图2,9 8位逐位比较ADC电路原理框图,逐次比较型模数转换器的主要技术指标： a、分辨率 b、输入模拟量的极性。,c、量程 模数转换器输入模拟电压转换的范围。如03V，05V，0+10V，-5+5V，-10+10V等。 d、分辨率 常用A/D转换器的位数表示。 e、精度 f、转换时间 模数转换器完成一次将模拟量转换
4、 为数字量所需要的时间。,g、模拟量的标度变换： 例如某电流的满量程（最大值）为1500A，电流互感器变比为1500/5，A/D转换器输入电压为-5+5V交流电压，转换精度为12位，（其中最高位为符号位）。此时若输入为1500A电流，则经A/D转换的最大值（满量程值）应是 11111111111B=2047。标度变换系数为：,21.2 开关量输入输出电路 1) 输入开关量 内部开关量：反映安装在微型机继电保 护装置内部触点状态的量。 外部开关量：从微机继电保护装置的外 部，通过保护屏接线端子排引入至微型机的状 态信号。 开关量输入电路：,2）输出执行逻辑（开出） 执行接口部分(光隔，出口继电器
5、，功率驱 动）。,可靠性措施： 采用多位编码使每一路开关量输出的 驱动电路都由两根以上并行口输出线来控制， 通过反相器和与非门执行。 采用光电耦合元件，防止干扰窜入微型 机继电保护装置中。 由并行口的P C 0位取入该路开出的工作 状态，以便检查是否可靠出口。 将保护装置总报警继电器(AXIN)的常闭 接点串入出口回路，以保证装置异常时不会误 出口。,2.1.3 人机对话系统硬件原理,(6)继电保护通信系统 继电保护装置与现场设备包括智能设备间的通信常采用现场（过程）总线方式通信，继电保护与站级设备间用工业以太网通信。 1）现场总线 开放性、互动互通、可靠性。 2）工业以太网 以太网泛指各种采
6、用CSMA/CD技术的局域网，工业以太网是在传统以太网的基础上进化而来，解决了网络带宽的制约因素和因冲撞引起的传输延时等缺点，已成为目前有线通信市场的主流。,工业和以太网拓扑结构主要有总线结构、星型结构和环型结构三种基本的网络结构。,图2.19 总线型结构,图2.20 环型结构,图2.21 星型结构,3）工业以太网的改进技术 交换式以太网技术 交换式以太网具有微网段和全双工传输的特性，每个站点都具有独立的冲突域，不再受限于原有的CSMA/CD工作方式，可以随时发送和接收数据，大大改进了以太网的实时性，从而为用于变电站的过程总线提供了技术支持。 虚拟局域网技术(VLAN) VLAN是一种通过将局
7、域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。,同一个VLAN内的各个工作站无须被放置在同一个物理空间里。一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN中，从而有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。,IEEE802.IP排队特性 采用带 IEEE802.IQ优先级标签的数据帧，使得具有高优先级的数据帧获得更快的响应速度。该技术使得变电站过程总线和站级总线有可能合并为同一个物理网络。,快速生成树协议(RSTP) 传统的以太网拓扑中不能出现环路，依靠生成树算法的收敛过程从1 min降低到110 s。在基于以太网的变电站通信网络中可以采
8、用多种冗余链路设计，以保证网络的可靠性。,22 智能变电站数字化保护基本概念与特点 数字化继电保护是随智能电网、智能变电 站建设而诞生，智能变电站具有一次设备智能 化、二次设备网络化、设备信息模型标准化的 特征。 22.1 现场信息采集输入系统 数字化继电保护现场信息输入由电子式互 感器和合并器完成，为适应老站改造的需要， 目前大多数产品都保留了由传统电磁互感器引 入的模拟量通道模块。,图2.22 数字化继电保护现场信息采集输入系统组成原理图,（1）电子式互感器 主要有高、低压耦合隔离，传感头，A/D转换及数字量标准化输出等环节。 电子式是互感器、传感头的主要类型：,图2.24 电子式互感器、
9、传感头的几种主要型式,图2.25 OET700 电子互感器外形结构,（2） 传统电磁式互感器,（3）合并器,图2.27 合并器基本结构框图,图 2.27 合并器的基本输入规模,2.2.2 GOOSE 报文的传送执行,22.2.2 GOOSE 报文的传送执行 当保护装置发现并判断故障出现在保护区内时就应立即动作，与传统保护不同，将跳闸GOOSE命令以数字帧的形式发送到通信网络上，对应的智能一次设备接收到该GOOSE报文命令后执行相应的跳闸操作。 （1）智能断路器 智能断路器是最具代表性的智能一次设备。一类是由电力电子元件、数字化控制装置集成的一次开关设备。另一类智能断路器是传统断路器加智能操作箱
10、。,.,图 2.28智能操作箱的硬件框图,（2）GOOSE的建模和实施规范 1） GOOSE配置 2）GOOSE告警 3）GOOSE发送机制 4）GOOSE接收机制 2.2.3 基于IEC 61850标准的通信网络 IEC61850是IEC TC57技术委员会提出的变电站智能电子装置(IED)间无缝通信的全球标准。旨在以面向对象方法建立变电站IED统一的数据模型和服务模型，实现自动化系统中不同供应商提供的IED之间的数据交换、信息共享。 （1）IEC 61850通信标准的特点,（2）通信网的基本构架 基于IEC 61850标准的变电站通信网络主要由过程层层、网络层和站控层网络组成三层两网的构架
11、。 图2.31 智能变电站通信网络,图2.32 线路保护中的SV网和GOOSE网,图2.33 过程层合并器组网方案,2.2.4 时钟同步系统基本概念 时钟同步技术是智能变电站、数字化继电保护必须解决的重大技术之一。 智能变电站的对时方式主要有以下3种： （1）脉冲对时方式 （2）编码对时方式 （3）网络对时方式,图2.34 主备式时间同步系统的组成,2.3 微机继电保护的基本算法 2.3.1 周期函数模型算法（傅氏算法） 正弦函数模型算法要求输入信号为纯正弦信号,现场输入保护装置的故障信号不能视为正弦模型但可以近似作为周期函数模型处理。 (1) 全周波傅氏算法的基本原理 周期函数x(t)可以进
12、行傅氏分解成直流分量、基波及整数倍谐波分量之和的形式，即： 若令Xn和 分别为X(t)的n次谐波分量的幅值和幅角，则：,x(t)=ansinwnt+bncoswnt=Xnsin(wnt+qn) 式中： (2) 半周波傅氏算法原理 ( 3) 傅氏算法的数字化表述 用矩形法计算积分则有： a全周波傅氏算法时,b半周波傅氏算法时,(4) 递推傅氏算法,全周波傅氏递推算法的表达式： 实部： 虚部： 模： 幅角： (5) 对称分量傅氏算法,对称分量正序 ，负序 和零序 它们之间有如下关系： 某相幅值X的复数形式表达式为： 式中：,当分别算出各相幅值，也只每工频周期的采样点数N，即可求出正序分量、负序分和
13、零序分量。 2.3.2 自适应突变量算法,图2.35 突变量元件原理,减少不平衡电流的影响算法：,突变量：,（1）自适应工频电流突变量启动元件 1）相电流突变量启动元件及其动作方程 是指A、B、C三相中的某相电流； 为突变量固定门槛初值，一般取 , 为线路额定电流，开机后可根据线路长度和运行参数自适应调整（可用实时负荷电流代替额定电流），以保证重负荷时长线路末端短路有足够的灵敏度。 自适应门槛值为： （t-3T）为当前t时刻前三个T时刻的采样瞬时相量值，以此类推。,（3）零序突变量启动元件 （4）短数据窗突变量元件 2.3.3 采样频率跟踪的自适应算法,当 时意味着采样周期大于工频周期，应减小采样周期，减小的值为： 反之其加大值为：,大于工频周期，应减小采样周期，其减小值为,(2) 故障分量提取计算 1）消除负荷分量法 2)故障特征检出法,图2.37 故障分量及其网络的示意图,