淺析微機繼電保護原理

　　關鍵詞： 微機繼電保護

　　1.概述

　　繼電保護是關系著電力系統安全運行的關鍵。繼電保護技術的發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展，微機型繼電保護技術的應用已越來越廣泛。

　　與傳統的繼電保護技術相比，微機繼電保護主要有以下的優點：
　　（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，實現其他測量、管理、通訊等功能；
　　（5）微機特有的記憶存櫧功能能很好的實現故障追憶，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，可以保證生產的連續運行；
　　（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的電壓、電流信號的采集和一次設備的狀態量采集（比如斷路器的運行狀態）；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轉換器等幾個環節構成。

　　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，同時將電流量變為電壓量，以適合內部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要保證在最大短路電流下，變換器的輸出不使A/D發生溢出。

　　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最高頻率分量的頻率的2倍，這就是采樣定理。否則，采樣信號將出現頻率混疊，不能真實反映原始輸入信號。

　　系統的故障電流、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字量。完成這一任務的環節即為A/D轉換器（模/數轉換器）。模數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數字量輸入輸出通道

　　數字信號的輸入輸出，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 微機保護裝置的數字核心

　　微機保護裝置的數字核心一般由CPU、存儲器、定時器/計數器、Wachdog等組成。目前數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。這樣可以使單片機最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展，一些功能更為強大、數字信號處理能力更強的數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（ESOC）。

　　3.微機保護的算法基礎

　　微機保護裝置根據模數轉換器提供的電氣量的采樣值進行分析、運算和邏輯判斷，以實現各種繼電保護功能的方法成為算法。微機算法可分為兩類。一類是由輸入的采樣點得出繼電保護所必需的電氣量的各要素，如正弦量的幅值、頻率和相角；另一類是以方程和邏輯的形式實現繼電保護的動作特性。評價算法優劣的標準是精度和速度。算法的速度包括兩方面：一是算法所要求的采樣點數（數據窗長度），二是算法的工作量。另外，為了保證信號的正確性，相應的數字濾波也是非常必要的。

　　對于求取電氣量的各要素的算法，主要有：①兩點乘積算法；②導數算法；③積分算法；④傅式算法；⑤最小二乘法。其中，以傅式算法應用較為廣泛。該算法的數據窗長度為一個周波，且對于高頻分量的濾波能力較強，但對于非周期分量引起的低頻分量的抑制能力較差。對于偏移度較高的短路故障，可在傅式算法前加一數字濾波（如差分濾波），來減弱非周期分量的影響。

　　4.微機保護裝置的電磁兼容性標準

　　微機保護裝置的電磁兼容性（EMC）關系到裝置動作的可靠性和壽命。下面所列的是目前國內較為通用的電磁兼容性標準，也是微機保護裝置做靜模試驗應遵循的主要標準。