毕业论文电力变压器的微机保护.doc

毕业论文-电力变压器的微机保护 毕业设计论文题 目电力变压器的微机保护摘 要目前随着超高压特高压输变电技术在全国范围的广泛应用对于确保电网安全运行的继电保护装置也由传统的电磁型向微机型发展而电力变压器作为电业系统中重要的变换电压联络系统传送功率的设备之一作为保护它的装置要求更加的可靠和快速本文在全面介绍和评述电力系统的微机保护原理及其发展的趋势的基础上对电力系变压器的微机保护进行了专门研究以所制定的保护方案为依据提出了以中间模拟转换器和电抗转换器AD转换器等各种微机变压器保护装置的具体实现方法并对保护装置的硬件系统和软件模块设计进行了详细的研究满足了变压器微机保护装置的要求本装置将变压器运行工况监测与继电保护结合体现了新一代微机保护装置的设计思想关键词变压器微机保护继电保护ABSTRACTIt is widely used that transferring electric power in ChinaIn order to make zhe electrified wrie netting running normally that zhe protective relaying equipment advancing with zhe timeIn this paper are introduced comprehensively and electrical system of microcomputer protection principle and development trend of electric power on the basis of the microcomputer protection of the transformer specially research With the protection plan formulated for basis put forward by the middle analog switches and circuit reactance converter AD converter transformer protection device of microcomputer as the concrete realization method For protection device and the hardware and software module design makes a detailed research satisfy the requirements of transformer microcomputer protection device This device will transformer running condition monitoring and relay protection union reflected the new generation of microcomputer protection device design thought Keywords TransformerMicroprocessor-based Protection Reply protection 目 录第一章 绪 论- 1 -第二章 继电保护的基本概述- 2 -21 电力系统的故障和不正常运行状态- 2 -22 继电保护的基本原理保护装置的组成和基本要求- 2 -com 继电保护的基本原理- 2 -com 继电保护装置- 3 -com 继电保护的基本要求- 3 -23 微机保护系统简介- 4 -com护的应用与发展概况- 4 -com 微机保护的基本构成- 5 -com 微机保护的特点与发展前景- 6 -第三章 电力变压器微机保护中各保护的基本原理- 8 -31 瓦斯保护- 8 -32 纵差动保护- 9 -33 过电流保护- 10 -34 温度信号- 10 -第四章 微机保护的基本组成- 11 -41 概述- 11 -com 模拟量输入系统- 11 -com 开关量输入输出系统- 12 -com CPU主系统- 12 -42 微机保护的抗干扰措施- 13 -第五章 微机保护的硬件设计- 14 -51 微机保护系统的基本结构- 14 -52 数据采集系统- 14 -com 模拟量输入变换- 14 -com 前置模拟低通滤波器- 15 -com 采样保持电路- 16 -com 多路转换电路- 19 -com AD转换电路- 21 -53 CPU主系统设计- 23 -com CPU8086- 23 -com 时钟发生器8284电路- 24 -com器及有关电路- 24 -com 外围输入输出器件译码电路- 25 -com 计数计时电路- 25 -com 中断管理电路- 25 -54 开关量输入输出系统- 25 -com 可编程并行IO接口芯片8255A- 26 -com 开关量输入电路- 27 -com输出电路- 28 -com 光电隔离电路- 29 -com 人机接口回路- 29 -第六章 微机保护的软件设计- 32 -61 微机保护软件的基本结构- 32 -62 数字滤波- 32 -63 微机保护的基本算法- 34 -64 微机保护软件流程- 36 -com 软件框图及软件流程图- 36 -com 数据采集- 36 -com 8255并行接口输出- 37 -com 数字滤波- 37 -com 输出部分- 38 -com分- 38 -第七章 结论- 40 -参考文献- 41 -致 谢- 42 -附录A 元件清单- 43 -附录B 程 序 清 单- 44 -附录C电力变压器微机保护硬件原理图- 58 -第一章 绪 论在电力系统微机继电保护研究领域中变压器保护的研究和开发一直受到人们的广泛关注一方面将传统的保护原理比如率制动和二次谐波制动原理应用于微机保护并借助计算机计算机所具有的技术优势重点针对保护原理的具体实现技术进行改进和完善以提高变压器的保护的总体性能另一方面充分利用计算机的数字运算逻辑处理以及长记忆能力不断的探索新的保护原理如采用故障电流实现差动保护采样值差动保护波形对称性原理以及根据变压器磁通变化特性来判断励磁涌流等但这些原理的实际应用无不对微机保护的指挥中心CPU的内核结构高速运算能力以及与实时信号处理相适应的寻址方式等许多方面的特性提出了更高的性能在研制开发矿井35KV主变微机保护的调研时发现当前应用于电力系统微机保护的中所采用的CPU多为8位或16位CPU如INTEL公司的8086MCS51系列及其兼容产品80988086以及80C196等本文主要在全面介绍和评述电力系统的微机保护原理及其发展的趋势的基础上对电力系变压器的微机保护进行了专门研究以所制定的保护方案为依据提出了以中间模拟转换器和电抗转换器AD转换器等各种微机变压器保护装置的具体实现方法并对保护装置的硬件系统和软件模块设计进行了详细的研究满足了变压器微机保护装置的要求本装置将变压器运行工况监测与继电保护结合体现了新一代微机保护装置的设计思想第二章 继电保护的基本概述21 电力系统的故障和不正常运行状态变压器是电力系统中大量使用的重要的电气设备它的安全运行直接关系到电力系统供电的可靠性及运行的稳定性变压器在电力系统的使用数量较多且变压器一旦发生故障其影响范围较大因此为了保证电力系统及变压器的安全并把故障和异常运行状态限制在最小在变压器中必须装设动作可靠的性能良好的继电保护装置电力变压器广泛采用油浸式结构其故障可分为变压器油箱内部故障和油箱外部故障两大类 内部故障由于变压器置身油箱内部因而变压器油箱内部故障应包括有绕组的相间短路匝间短路和中性点接地系统侧的接地短路当变压器油箱内部发生这些故障时短路电流在故障点产生的高温电弧不仅可能烧坏绕组绝缘材料和铁心而且由于绝缘材料和变压器油剧烈气化产生大量气体可能使变压器油箱局部变形严重时甚至引起油箱爆炸因此变压器油箱内部故障是电力系统最危险的故障之一在配置变压器保护时应该注意 外部故障变压器油箱外部故障主要是在电力系统绝缘套管和引出线上发生的相间短路和中性点接地系统侧的接地短路变压器的异常运行状态有多种常见的有外部短路引起的过电流过负荷油箱漏油造成的油面降低或冷却系统系统故障引起的油温升高外部接地短路引起的中性点过电压及系统过电压或频率降低引起的过励磁等22 继电保护的基本原理保护装置的组成和基本要求com 继电保护的基本原理继电保护装置要能正确工作首先必须具备有区分被保护设备正常运行与发生故障和异常运行状态的能力电力系统发生故障时电流电压的大小和相位发生变化还会产生负序零序电流电压分量当突变量达到一定值时起动逻辑控制环节发出相应的跳闸脉冲或信号利用故障中电气量的特征可以构成不同原理的继电保护装置如反应电流增大的过电流保护反应电压降低的低电压保护反应电压和电流的比值即阻抗变化的距离保护等com 继电保护装置供电系统发生故障时会引起电流的增加和电压的降低以及电流电压间相位角的变化因此利用故障时参数与正常运行时的差别就可以构成不同原理和类型的继电保护继电保护的种类很多一般由三大部分组成即测量部分逻辑部分和执行部分其原理结构图如图21所示图21 继电保护装置的原理结构图 测量部分测量被保护元器件分量经过转换和构成后将其与整定值比较据比较结果给出是非大于不大于等于0或1等逻辑信号从而判断保护是否应该起动 逻辑部分根据测量部分各输出量的大小性质输出的逻辑状态出现次序或组合方式确定保护装置是否动作 执行部分根据逻辑部分所做出的判断执行保护装置的任务如发出信号跳闸或不动作等com 继电保护的基本要求电力系统继电保护的基本性能有可靠性选择性快速性灵敏性这些要求之间有的相辅相承有的相互制约针对不同的使用条件侧重点也有所不同 继电保护的可靠性继电保护的可靠性是对电力系统继电保护的最基本性能要求它又分为两个方面即可信赖性与安全性 可信赖性要求继电保护在设计要求它动作的异常或故障状态下能够准确地完成动作安全性要求继电保护在非设计要求它动作的其他所有情况下能够可靠地不动作可信赖性与安全性都是继电保护必备的性能但两者相互矛盾在设计与选用继电保护时需要依据被保护对象的具体情况对这两方面的性能要求适当地予以调解 选择性继电保护的选择性是指在对系统影响可能最小的处所实现短路器的控制操作以终止故障或系统事故的发展电力元件继电保护的选择性除了决定于继电保护装置本身的性能外还要求满足a由电源算起愈靠近故障点的继电保护的故障起动值相对愈小动作时间愈短并在上下级之间留有适当的裕度b要具有后备保护作用如果最靠近故障点的继电保护装置或断路器因故拒绝动作而不能断开故障时能由紧邻的电源侧继电保护动作将故障断开 快速性继电保护的快速性是指继电保护应以允许的可能最快速度动作于断路器跳闸以断开故障或中止异常状态发展继电保护快速动作可以减轻故障元件的损坏程度减小对用户工作的影响提高系统的稳定性因此在发生故障时应力求保护装置能迅速动作切除故障由于快速性与选择性在一般情况下是矛盾的为兼顾两者一般允许带有一定的延时切除故障故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和 灵敏性继电保护的灵敏性是指保护装置对于其保护范围内所发生的各种金属性短路故障应具有足够的反应能力保护装置的灵敏性要求与选择性要求关系密切在电力系统故障时故障设备的保护必须先能够灵敏地反应故障才可能有选择性的切除故障因此能有选择切除故障的保护必须同时具备有灵敏性 保护装置的灵敏性通常用灵敏系数Ksen又称灵敏度的大小来衡量灵敏系数越高表示保护装置对故障的反应能力越强反之则越弱因此过量保护和欠量保护对于灵敏系数的定义是不同在最不利情况下保护装置的灵敏系数应大于1一般为122023 微机保护系统简介com护的应用与发展概况计算机的出现是20世纪最令人瞩目的事件自从世界上公认的第一台电子计算机电子数字积分计算机ENLAC 于1946年在美国诞生以来计算机的发展速度很快特别是微处理器的出现给工业自动化控制带来了深刻的变革广泛而深入地影响着科学技术生产和生活等各个领域以近十年来国内电力系统的迅速发展为例电力系统的现代化运行程度相当高发电厂及电网的控制中心普遍采用了以计算机为核心的自动监测系统可以自动进行数据收集与安全监控自动发电控制与经济调度及安全分析就电力系统安全运行的重要领域继电保护而言计算机保护的出现与广泛应用反映了这一技术发展潮流的一个方面事实上计算机保护装置目前主要是以微处理器为基础的数字电路构成的通常又称为微机保护目前我国无论是输电线路的保护还是电力主设备保护都有一系列成套实用的微机保护装置在220500KV变电所内已形成了基于不同原理的双套微机主保护系列装置在110KV35KV变电所内微机保护装置也得到广泛应用在综合自动化的变电所和电站里微机型继电保护装置与监控系统已综合形成一个网络系统保护装置通过微机监控系统的通信网络将保护的状态动作信号传送给集控站或调度所值班人员可以在远方投切保护装置查看保护状态修改保护定值等微机保护的生产厂家众多产品众多在国内目前较为成熟和用量较大的微机保护产品有 南瑞继电保护公司生产的LFP-900系列微机保护装置含各种电压等级的线路保护变压器成套保护125MVA以下的发电机成套保护母线保护变电端综合自动化微机保护装置及各种辅助设备 北京哈德威四方保护与控制设备有限公司生产的CS系列微机保护装置含CSL系列线路保护CSP系列电容器保护CST系列变压器保护CSI断路器保护等另外该公司还生产CSD系列集中式遥测遥信和遥控装置CSM网络主站CSN系列网络辅助器件及其他微机自动装置 许昌继电器集团和南京自动化设备总厂等国内其他生产厂家生产的WXH B WBE型微机保护装置等 国外产品有美国GE公司生产的DLP型微机距离线路保护美国SET公司生产的SEL-301型微机线路保护ABB公司生产的REL-531微机距离保护德国西门子公司生产的TSA-531型距离保护等com 微机保护的基本构成原有的保护装置是使输入的电流电压信号直接在模拟量之间进行比较和运算处理使模拟量与装置中给定的电气量进行比较和运算处理而计算机保护则由于计算机只能作数字运算或逻辑运算因此首先要求以模拟量输入的电流电压的瞬时值变换为离散的数字量然后才送入计算机的中央处理器按规定的算法程序进行运算且将运算结果随时与给定的数字进行比较最后做出是否跳闸的判断微机保护的基本构成可看成由硬件和软件两部分构成其整套硬件通常是用单独的专用机箱组装包括数据采集系统CPU主系统开关量输入输出系统及外围设备等微机保护的软件由初始化模块数据采集管理模块故障检出模块故障计算模块与自检模块等组成com 微机保护的特点与发展前景 运行灵活 保护定值可保存于具有电可擦性质的EEPROM中由于微机保护的可编程及通信能力该定值可根据系统运行方式的变化灵活地进行修改修改时间短且步骤简单 可靠性高 微机保护可以对硬件和软件进行连续的自检有很强的综合分析和判断能力它能自动检测出硬件故障同时发出报警信号并闭锁其跳闸出口回路同时软件也具有自检功能可以对输入的数据进行校错和纠错即自动的识别和排除干扰 易于获得附加功能由于计算机软件的特点使得微机保护可以做到硬件和软件资源共享在不增加任何硬件的情况下只需增加一些软件即可获得各种附加功能例如在微机保护装置中可以很方便地附加低周减载和自动重合闸故障滤波故障测距等自动装置的功能微机保护装置可以配有打印机显示器等外部设备在系统发生故障后提供多种信息如动作时间记录故障类型和相别电流电压波形记录等这些信息将有助于运行部门对事故的分析和处理微机保护所具有的对外通信功能使之成为该数字化环境不可缺少的一环 动作正确率高微机保护装置能保证在任何时刻均不断迅速地采样计算反复准确地校核在电力系统发生故障的暂态期内就能正确判断故障如果故障发生了变化或进一步发展也能及时做出判断和自纠 调试维护方便微机保护的硬件是一片单片微型计算机及外围设备而各种复杂的功能是由相应的程序实现的微机保护装置本身又具有自诊断功能可以对硬件各部分和存放在EPROM中的程序进行自动检测一旦发现异常就会发出报警通常只要给上电源后没有警报就可以确认装置是完好的故对微机保护装置可以说几乎不用调试大大减轻了调试和运行维护的工作量随着电力系统的高速发展和计算机技术通信技术的不断进步继电保护技术面临着进一步发展的趋势国内外微机继电保护技术的未来发展趋势为计算机化网络化保护控制测量数据通信一体化人工智能化随着计算机硬件的迅猛发展微机保护硬件也在不断的发展电力系统对微机保护的要求也总是在不断提高除了具有保护的基本功能外微机保护还具有大量故障信息和数据的长期存放空间快速的数据处理功能强大的通信能力与其它保护控制装置和调度联网以共享全系统数据信息和网络资源的能力高级语言编程等第三章 电力变压器微机保护中各保护的基本原理电力变压器高低压侧的电压为110KV385KV且变压器的容量为50000KVA为了保证电力系统和变压器的安全运行应装设以下动作可靠性能良好的保护装置31 瓦斯保护瓦斯保护是反应变压器油箱内部气体的数量和流动的速度而动作的保护保护变压器油箱内部各种短路故障特别是对绕组的相间短路和匝间短路由于短路点电弧的作用将使变压器油和其它绝缘材料分解产生气体气体从油箱经连通管流向油枕利用气体的数量及流速构成瓦斯保护瓦斯保护的原理接线如图31所示上面的触点表示轻瓦斯保护动作后经延时发出报警信号下面的触点表示重瓦斯保护动作后起动变压器保护的总出口继电器使断路器跳闸当油箱内部发生严重故障时由于油流的不稳定可能造成干簧触点的抖动此时为使断路器能可靠跳闸应选用电流具有自保持线圈的出口中间继电器KM动作后由断路器的辅助触点来解除出口回路的自保持此外为防止变压器换油或进行试验时引起重 瓦斯保护误动作跳闸可利用切换片KB将跳闸回路切换到信号回路图31 瓦斯保护原理接线图瓦斯保护的主要优点是动作迅速灵敏度高安装接线简单能反应变压器油箱内部发生的各种故障包括轻微的匝间短路故障这时其它变压器保护无法做到的近年来大型变压器为了改善防护冲击过电压的性能广泛采用了新型结构和工艺这导致了匝间短路故障可能性的增加而纵差动保护却往往不能动作只能依靠瓦斯保护来反应此外瓦斯保护还能反应变压器的铁心局部烧损绕组内部断线绝缘逐渐劣化及油面降低等故障瓦斯保护的主要缺点是不能反应变压器套管和引出线的故障因此还需要引入其它主保护在变压器内部发生严重故障时由于瓦斯保护要有一定的油流速度才能动作因而动作速度不够快32 纵差动保护纵差动保护是反应被保护变压器各端流入和流出电流的相量差通过比较变压器各侧电流大小及相位构成保护原理变压器实现差动保护的原理接线如图32所示图32 变压器实现差动保护的原理由于电力变压器高低压侧的额定电流不同因此为了保证纵差动保护的正确工作就必须适当选择两侧电流互感器的变比n这时与送电线路的纵差动保护不同的使得在正常运行和外部故障时两个二次电流相等在保护范围内故障时流入差回路的电流的为短路电流二次值保护动作纵差动保护动作后跳开变压器两侧的断路器在正常运行及保护范围外部短路稳态情况下有稳态不平衡电流流入纵差动保护回路中差动保护的动作电流应大于最大不平衡电流以保证保护范围外部短路时差动保护不动作不平衡电流增大将使保护的灵敏度降低由于变压器两侧电流相位不同而产生不平衡电流变压器常常采用Yd11的接线方式其两侧电流的相位差为30°如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式则二次电流由于相位不同也会有一个差电流流入继电器为了清除这种不平衡电流的影响通常将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形并适当考虑连接方式即可整定由于两侧电流互感器的误差引起的不平衡电流当变压器两侧电流互感器变比的比值等于变压器的变比时由于电流互感器有电流误差I在正常运行及保护范围外部故障时流入差回路中的电流不为零在正常运行时电流互感器的铁心不饱和励磁电流很小不平衡电流也很小当外部故障时短路电流很大使两侧电流互感器迅速饱和励磁阻抗下降励磁电流的差值也增大不平衡电流增大所以在选择互感器时应选带有气隙的D级铁心互感器使之在短路时也不饱和另外选大变比的电流互感器可以降低短路电流的倍数产生不平衡电流的原因很多应选择合适的方法消除或减小不平衡电流对变压器的影响33 过电流保护为了防止外部短路引起变压器线圈的过电流并作为差动保护和瓦斯保护的后备保护变压器还必须装设过电流保护由于变压器的过负荷能力强流过变压器的最大负荷电流大因此变压器过电流保护的动作电流大灵敏度低一般只用在容量较小或者只作为变压器相邻元件的后备保护为实现过电流保护的动作选择性各保护的动作时间一般按阶梯原则进行整定相邻保护的动作时间自负荷向电源方向逐渐增大且每套保护的动作时间是恒定不变的与短路电流的大小无关另外过电流保护的整定值还要考虑继电器的返回系数因为在外部短路时电流继电器可能起动但在外部故障切除后此时电流降到最大负荷电流必须可靠返回否则会出现误跳闸过电流保护应按躲过最大工作电流整定起动值比较大往往不能满足灵敏度的要求为此可以采用低电压闭锁的过电流保护以提高保护的灵敏度34 温度信号变压器油的温度越高劣化速度就越快使用寿命就越短因此变压器运行规程规定变压器正常运行上层油温应控制在6080C°范围内不宜超过85C°不得超过95 C°为此必须对运行中的变压器上层油温进行监视在变压器正常运行时可动指示指针处在两个定位指针之间当变压器上层油温升高时受热器中液体膨胀温度指示表中流体压力计的感应部分所受压力增大指示表指针的位置相应改变当指示表指针到达预先放置的红色限定位指针位置时定位指针的一对触点闭合发出变压器油温高信号并启动相应的冷却系统反之在变压器上层油温下降时指示表指针的位置也作相应的改变当指示表指针到达预先放置的黄色下限定位指针位置时定位指针的触点由闭合变为断开切断相应冷却系统的启动回路可见变压器温度信号装置不仅可实时显示变压器的上层油温还起到了自动控制变压器冷却系统的作用第四章 微机保护的基本组成41 概述微机保护是采用数字逻辑保护的保护的每一种功能主要通过微机系统中程序运行来完成微机保护装置实际上就是一台具有继电保护功能的微机系统是一种依靠微机实现保护功能的工业控制装置因此微机保护的基本构成又可看成由硬件和软件两部分构成其整套硬件通常是用单独的专用机箱组装包括数据采集系统CPU主系统开关量输出输入系统及外围设备等微机保护的软件系统由初始化模块数据采集管理模块故障检出模块故障计算模块与自检模块等组成 com 模拟量输入系统模拟量输入系统又称数据采集单元主要包括电压形成模拟滤波ALF采样保持SH多路转换MPX以及模数转换AD等功能块它的作用是隔离规范输入电压并将模拟输入量准确地转换为所需的数字量以便与CPU接口模拟量输入系统是微机保护装置中很重要的电路保护装置的动作速度和测量精确度等性能都与该电路密切相关目前微机保护产品中数据采集单元一般采用模数变换 ADC 微机保护用的模数转换器绝大多数是应用逐次逼近法的原理实现的其基本原理是转换开始时控制器首先在数码设定器中设置一个最高位数码1例如10000该数码经DA数模变换为模拟电压U0反馈到输入侧的比较器一端与输入电压Ui进行比较如果设定值U0Ui则保留该位原设置的数码1然后由控制器在数码设定器中附加次高位设置数码1形成新的数码如11000经DA数模变换再反馈到输入侧比较器与Ui进行比较如果设定值U0Ui则原设定次高位数码1改为0然后附加下一高位设置数码1如10100重复上述的比较与设置直到所设定的数码总值转换成反馈电压U0尽可能地接近Ui的值若其误差小于所设定数码中可改变的最小值最小量化单位则此时数码设定器中的数码总值即为转换结果逐次比较式AD转换的一个重要指标是转换精度即AD转换分辨率它主要取决于设定数码的最小量化单位AD转换输出的数字量位数越多最小量化单位越小分辨率越高转换出的数字量舍入误差越小AD转换的精度就越高逐次比较式的另一个重要指标是AD转换速度它与AD转换分辨率是有关的通常分辨率越高其转换速度就相对降低 模数变换还可以采用VFC型的变换方式VFC型的模数转换是将电压模拟量Ui线性地变换为数字脉冲式的频率fs然后由计算器对数字脉冲计数供CPU读入 ADC和VFC两种模数转换方式各有其优缺点ADC转换方式的优点是容易实现高速高精度采样但由于难以实现多CPU之间的数据共享抗干扰能力交差成本亦较高一般用于元件保护中VFC转换方式的优点是电路简单抗干扰能力强工作稳定与CPU的接口极其简单易于实现多CPU的数据共享但由于受VFC器的限制难以实现较高采样速率下的高精度数据采集一般用于线路保护中com 开关量输入输出系统开关量输入输出系统主要用于完成各种保护的出口跳闸信号显示打印信号报警外部触点输入及人机对话等功能它由多种输入输出IO接口芯片光电隔离器件及有触点的中间继电器组成开关量输入即接点状态接通或断开的输入可分两类一类是低电平5v开关量输入如微机保护运行调试状态输入一类是高电平220v开关量输入如断路器的状态信号高电平开关量输入必须装有光电隔离以防止外部干扰入侵微机保护装置开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号输出等由并行口经光电隔离电路将开关量输出的电路只要由软件使并行口的PB输出低电平0PB输出高电平1便可使与非门H1输出低电平光敏三极管导通继电器J被吸合com CPU主系统CPU主系统它是由微机和扩展芯片构成的一台小型工业扩展微机系统除了这些硬件之外还有存储在存储器里的软件系统这些硬件和软件构成的整个微机系统主要任务是将数据采集单元输出的数据进行分析处理并完成逻辑运算扩展和记录等任务以实现各种继电保护功能除此之外现代的微机保护还应具有各种远方功能它包括发送保护信息并上传给变电所微机监控系统接收集控站调度所的扩展和管理信息这种微机系统可以是单CPU或多CPU系统一般为了提高保护装置的容错水平目前大多数保护装置已采用多CPU系统尤其较为复杂的保护装置其主保护和后备保护都是相互独立的微机系统它们的CPU是相互独立的任何一个保护CPU或芯片损坏均不影响其它保护除此之外各保护的CPU总线均不引出输入及输出的回路均经光电隔离处理各保护具有自检与互检功能能将故障定位到插件或芯片从而大大地提高了保护装置运行的可靠性但对于比较简单的微机保护由于保护功能较少多数还是采用单CPU主要包括微机处理器CPU只读存储器一般用EPROM随机存取存储器RAM以及定时器等CPU执行存放在EPROM中的程序对数据采集系统输入到RAM中的数据进行分析处理以完成继电保护的功能42 微机保护的抗干扰措施 干扰对微机保护的影响比较大主要有以下几个方面a计算或逻辑错误微机保护中的输出数据计算中间结果和控制标志字都放在RAM中强干扰引起RAM数据发生改变是可能的另外当CPU正在读或写一个数据时数据线或地址线受干扰发生改变就会造成读或写一个坏数据或者对一个错误的地址读或写如果这是一个中间结果或者采样数据就会造成计算错误如果这是一个标志字就会造成逻辑紊乱这都有可能引起装置误动或拒动b程序运行出轨这是由于随机干扰破坏了程序执行的正常顺序而造成程序执行卡死的现象如当CPU正通过地址总线送出一相地址以便从EPROM获取指令操作码如果由于干扰使传送地址出错它将从下一个错误的地址取得一个错误的操作码如果这个误码CPU不认识程序运行将发生中断如果这个误码是可执行码那么在执行了一系列非预期的指令后往往最终碰到一个CPU不认识的指令操作码而停止工作由此看出在程序运行出轨后引起误动作的机会是很小的但会造成CPU停止执行继电保护任务的规定任务在发生系统故障时保护装置将拒动c元件损坏严重的干扰还可能造成元件损坏 硬件设计时应使微机保护和外接端子同微机弱电系统之间没有电的联系系统的正确运行应采取以下抗干扰措施如a交流输入端子采用电压形成回路中的小变压器隔离一次和二次绕组间有屏蔽层b开关量输入端子采用光电耦合器隔离c开关量输出端子采用光电隔离和继电器绕组与接地之间隔离d直流电源端子逆变电源中的高频变压器隔离线圈间有屏蔽层e交直流来线交流电压交流电流直流电源先经抗干扰电容再进装置f将弱电系统的插件远离同外接端子有直接电联系的各插件如电压形成回路开关量输入和开关量输出回路等g装置后底板的配线也应使强电和弱电严格分开h各弱电电源不共地等第五章 微机保护的硬件设计51 微机保护系统的基本结构微机保护装置主要是以微处理器为基础的数字电路构成的它的核心是中央处理单元CPU及其数字逻辑电路和实时处理程序在微机保护中广泛采用插件式结构微机保护装置包括以下印制板插件模拟量输入变换插件前置模拟低通滤波插件采样及AD转换插件CPU及人机对话插件开关量输入输出插件微机保护装置硬件示意框图如图51所示这种硬件模块化体现了微机保护结构的特点图51 微机保护装置硬件示意框图52 数据采集系统com 模拟量输入变换微机保护要从被保护的电力设备的电流互感器和电压互感器上获得信息但这些互感器的二次侧电流或电压不能适应模数变换器的输入范围要求故需要对它们降低和变换在微机保护中通常要求输入信号为±5V和±10V的电压信号具体决定于所用的模数转换器因此一般采用中间变换器来实现以上的变换交流电流的变换一般采用电流中间变换器并在其二次侧并电阻以取得所需变电压的方式此外也有采用电抗变换器的二者各有其优缺点电抗变换器的优点是线性范围较大铁芯不容易饱和有移相作用另外其抑制非周期分量的作用在某些应用中也可能成为优点电流中间变换器的最大优点是只要铁芯不饱和则其二次电流及并联电阻上的二次电压的波形可基本保持与一次电流波形相同且同相即它的传变可使原信息不失真这对微机保护是很重要的因为只有在这种条件下作精确的运算或定量分析才是有意义的至于移相提取某些分量或抑制某些分量等在微机保护系统中根据需要可以容易地通过软件来实现电流中间变换器的缺点是在非周期分量的作用下容易饱和线性度较差动态范围也较小该变换除了起电量变换的作用外还起到隔离的作用它使微机电路在电气上与强电系统相隔离从而在较大程度上减弱了来自高压系统的电磁干扰com 前置模拟低通滤波器模拟低通滤波器的作用是滤掉电压和电流中的高频分量以降低采样频率fs滤波器有有源滤波和无源滤波两种对要求快速动作的保护及控制装置而言为防止无源模拟低通滤波中电阻和电容对信号造成衰减和时间延迟可以采用有源模拟低通滤波器一般情况下采用无源模拟低通滤波器 即可如图52为RC无源低通滤波器只要调整RC的数值就可以改变低通滤波器的截 止频率取f 50工频任取R 227K那么电容的容量为C027F 图52 模拟低通滤波器 51 52 53 54 55 56 57com 采样保持电路1采样保持原理采样保持电路的工作原理如图53所示图53 采样保持电路原理图它由一个电子模拟开关AS 电容Ch及两个阻抗变换器组成阻抗变换器由运算放大器构成的电压跟随器实现的具有输入阻抗高输出阻抗低的特点开关AS受逻辑输入端采样脉冲的电平控制高电平时AS闭合此时电路处于采样状态Ch迅速充电到Ui在采样时刻的电压值As的闭合时间应满足使Ch有足够的充电时间即采样时间为了正确采到Ui在采样时刻的值显然希望采样时间越短越好因而应用阻抗变换器I它在输入端呈现高阻抗而输出阻抗低使Ch上的电压能迅速跟踪到Ui的值AS打开时电容Ch 上保持住AS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应用了另一个阻抗变换器II它对Ch呈现高阻抗而输出阻抗侧U0很低以增强带负载能力2采样保持电路采样保持电路SH有两方面的作用首先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的期间内保持其输出不变其次是由于微机保护系统中要保证各模拟量的相位关系经过采样后保持不变各通道必须同步采样在本系统中采用的是LF398采样保持器来实现采样的图54ab LF398典型连线图和结构框图LF398有8个引脚结构框图和典型连线图2脚接1k电阻用于调节漂移电压7脚和8脚是两个控制端控制开关的关断7脚接参考电压8脚接控制信号参考电压应根据控制信号的电平来选择如7脚接地则8脚接控制信号大于14V时LF398处于采样状态如8脚为低电平 则LF398处于保持状态6脚外接保持电容即可构成完整的采样保持电路它是一种具备放大功能的采样保持电路具有较低的捕捉时间Ch 1000pF采集时间为25s可满足12位AD要求它的选取对采样保持电路的技术性能指标至关重要大电容可使系统得到较高精度但采样时间加长小电容可提高采样频率但精度较低同时电容的选择应综合考虑精度要求和采样频率等因素 aLF398典型连接图 b LF398结构框图图54ab LF398典型连线图和结构框图图55 采样逻辑图3采样频率的选择和ALF的应用采样频率的选择是微机保护硬件设计和软件设计中的一个关键问题这个问题涉及到采样信号是否真实的反映输入的信号采样频率越高要求CPU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频率不断地向CPU输入数据CPU必须要来得及在两个相邻采样间隔时间内处理完每一组采样值所必须做的各种操作和运算否则CPU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地反映被采样信号的情况如果被采样信号中所含最高频率成分频率为则采样频率必须大于的二倍否则将造成频率混叠设被采样信号中含有的最高频率为如图56a所示从图56b中可以看出当时采样所看到的为一直流成分而在图56c中当略大于时采样所看到的是一个差拍低频信号即一个高于的频率成分在采样后将被错误地认为是一个低频信号或称高频信号混叠到了低频段显然当后将不会出现这种混叠现象采样保持电路SH有两方面的作用首先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的期间内保持其输出不变其次是由于微机保护系统中要保证各模拟量的相位关系经过采样后保持不变各通道必须同步采样 图 46 频率混叠示意图对微机保护系统来说在故障初瞬电压电流中可能含有相当高的频