淺析微機(jī)繼電保護(hù)原理

　　摘要：本文就繼電保護(hù)領(lǐng)域日益應(yīng)用廣泛的微機(jī)繼電保護(hù)，從硬件、算法、電磁兼容等幾方面作以原理性的淺析。

　　關(guān)鍵詞：? 微機(jī)繼電保護(hù)

　　1.概述

　　繼電保護(hù)是關(guān)系著電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。繼電保護(hù)技術(shù)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(dǎo)體型或分立元件型）、集成電路型、微型計算機(jī)型。目前，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)型繼電保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用已越來越廣泛。

　　與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)技術(shù)相比，微機(jī)繼電保護(hù)主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：
　　（1）改善和提高繼電保護(hù)的動作特性和性能；
　?。?）可靠性大為提高；
　　（3）內(nèi)部編程軟接線的方式大大降低了電氣二次線路的復(fù)雜性；
　?。?）可以充分利用CPU的資源，實現(xiàn)其他測量、管理、通訊等功能；
　?。?）微機(jī)特有的記憶存櫧功能能很好的實現(xiàn)故障追憶，提高運(yùn)行管理效率；
　　（6）自檢能力強(qiáng)，可以省去每年花費(fèi)大量人力物力而必須去做的繼電保護(hù)預(yù)防性試驗，可以保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行；
　?。?）擴(kuò)展能力強(qiáng)。

　　2.微機(jī)型繼電保護(hù)裝置的硬件構(gòu)成

　　2.1微機(jī)繼電保護(hù)裝置典型硬件結(jié)構(gòu)

　　微機(jī)型繼電保護(hù)裝置是微機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用實例之一。它是以微處理器（單片機(jī)）為核心，配以輸入、輸出通道，人機(jī)接口和通訊接口等。圖2-1給出了微機(jī)保護(hù)的典型硬件結(jié)構(gòu)圖。

　　2.2微機(jī)保護(hù)裝置的輸入輸出通道

　　微機(jī)保護(hù)的輸入通道分為模擬量輸入通道和開關(guān)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(shè)備的狀態(tài)量采集（比如斷路器的運(yùn)行狀態(tài)）；而輸出通道主要完成保護(hù)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(jī)保護(hù)的模擬量采集均采用交流采樣技術(shù)。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(zhuǎn)換器等幾個環(huán)節(jié)構(gòu)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(cè)輸入至微機(jī)保護(hù)器的信號，一般數(shù)值較大，不適合內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的電平要求（一般A/D轉(zhuǎn)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(wù)就是就是將輸入的電量進(jìn)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?，以適合內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的要求。同時，該變換回路還起著隔離外部干擾的作用。

　　設(shè)計模擬量輸入變換回路要注意的幾點(diǎn)：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(cè)相位移保持一致；②變換器的鐵芯磁導(dǎo)率要選取得當(dāng)，保證工作的線性范圍；③變換器本身的損耗要??；④要保證在最大短路電流下，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(jī)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(zhǔn)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(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(jī)保護(hù)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(jī)保護(hù)器中都設(shè)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(yīng)。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(biāo)。

　　2.2.1.3 A/D轉(zhuǎn)換

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

　　根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的原理和特點(diǎn)的不同，可將A/D轉(zhuǎn)換分為直接轉(zhuǎn)換和間接轉(zhuǎn)換兩大類。常見的直接轉(zhuǎn)換有逐次逼近式A/D、計數(shù)式A/D等；間接轉(zhuǎn)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(xì)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(jī)保護(hù)器的人機(jī)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(jī)保護(hù)裝置的數(shù)字核心

　　微機(jī)保護(hù)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(jī)。MCU一般以某一微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)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(shè)備、電路。一般一個系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，它們的微處理器內(nèi)核都一樣，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度的和應(yīng)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(shù)的發(fā)展，一些功能更為強(qiáng)大、數(shù)字信號處理能力更強(qiáng)的數(shù)字核心將成為微機(jī)保護(hù)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）。

　　3.微機(jī)保護(hù)的算法基礎(chǔ)

　　微機(jī)保護(hù)裝置根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供的電氣量的采樣值進(jìn)行分析、運(yùn)算和邏輯判斷，以實現(xiàn)各種繼電保護(hù)功能的方法成為算法。微機(jī)算法可分為兩類。一類是由輸入的采樣點(diǎn)得出繼電保護(hù)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(xiàn)繼電保護(hù)的動作特性。評價算法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)數(shù)（數(shù)據(jù)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(yīng)的數(shù)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(diǎn)乘積算法；②導(dǎo)數(shù)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(yīng)用較為廣泛。該算法的數(shù)據(jù)窗長度為一個周波，且對于高頻分量的濾波能力較強(qiáng)，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(shù)字濾波（如差分濾波），來減弱非周期分量的影響。

　　4.微機(jī)保護(hù)裝置的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)

　　微機(jī)保護(hù)裝置的電磁兼容性（EMC）關(guān)系到裝置動作的可靠性和壽命。下面所列的是目前國內(nèi)較為通用的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，也是微機(jī)保護(hù)裝置做靜模試驗應(yīng)遵循的主要標(biāo)準(zhǔn)。