浅析微机继电保护原理

　　摘要：本文就继电保护领域日益应用广泛的微机继电保护，从硬件、算法、电磁兼容等几方面作以原理性的浅析。

　　关键词：  微机继电保护

　　1.概述

　　继电保护是关系着电力系统安全运行的关键。继电保护技术的发展大致分为四个历史阶段：电磁型、晶体管型（又称半导体型或分立元件型）、集成电路型、微型计算机型。目前，随着微电子技术的发展，微机型继电保护技术的应用已越来越广泛。

　　与传统的继电保护技术相比，微机继电保护主要有以下的优点：
　　（1）改善和提高继电保护的动作特性和性能；
　　（2）可靠性大为提高；
　　（3）内部编程软接线的方式大大降低了电气二次线路的复杂性；
　　（4）可以充分利用CPU的资源，实现其他测量、管理、通讯等功能；
　　（5）微机特有的记忆存槠功能能很好的实现故障追忆，提高运行管理效率；
　　（6）自检能力强，可以省去每年花费大量人力物力而必须去做的继电保护预防性试验，可以保证生产的连续运行；
　　（7）扩展能力强。

　　2.微机型继电保护装置的硬件构成

　　2.1微机继电保护装置典型硬件结构

　　微机型继电保护装置是微机控制技术的应用实例之一。它是以微处理器（单片机）为核心，配以输入、输出通道，人机接口和通讯接口等。图2-1给出了微机保护的典型硬件结构图。

　　2.2微机保护装置的输入输出通道

　　微机保护的输入通道分为模拟量输入通道和开关量输入通道，输出通道主要为继电器逻辑回路。输入通道主要完成电力系统的电压、电流信号的采集和一次设备的状态量采集（比如断路器的运行状态）；而输出通道主要完成保护跳闸信号、告警信号的输出。

　　2.2.1模拟量输入通道

　　目前，微机保护的模拟量采集均采用交流采样技术。模拟量输入通道主要由模拟量输入变换回路、低通滤波器、采样和A/D转换器等几个环节构成。

　　2.2.1.1模拟量输入变换回路

　　由一次回路的CT、PT的二次侧输入至微机保护器的信号，一般数值较大，不适合内部A/D转换的电平要求（一般A/D转换回路的输入电压范围为±2.5V、±5V或±10V）。模拟量输入变换回路的主要任务就是就是将输入的电量进一步变换，将二次电量值变得更小，同时将电流量变为电压量，以适合内部A/D转换的要求。同时，该变换回路还起着隔离外部干扰的作用。

　　设计模拟量输入变换回路要注意的几点：①要保证各电流变换器之间、各电压变换器之间及电流、电压变换器之间的一次、二次侧相位移保持一致；②变换器的铁芯磁导率要选取得当，保证工作的线性范围；③变换器本身的损耗要小；④要保证在最大短路电流下，变换器的输出不使A/D发生溢出。

　　2.2.1.2低通滤波器及采样

　　由于计算机处理的是离散的时间信号，故输入的连续模拟量必须要被采样为离散的模拟量。同时，要使采样值能准确无误的反映输入的模拟量，采样频率必须遵循一定的要求，即采样频率必须大于原始输入信号中最高频率分量的频率的2倍，这就是采样定理。否则，采样信号将出现频率混叠，不能真实反映原始输入信号。

　　系统的故障电流、电压信号中一般含有许多高频分量。而常见的微机保护原理大多是基于工频量的。这样，为了避免不必要的抬高采样频率，一般微机保护器中都设置了前置低通滤波器。图2-2描述了低通滤波器的理想频率响应。图中，fc为滤波器的截止频率，是考察低通滤波器的一个重要指标。

　　2.2.1.3 A/D转换

　　由于计算机只对离散的数字量进行处理，则采样得到的离散的模拟量还要进一步转换为离散的数字量。完成这一任务的环节即为A/D转换器（模/数转换器）。模数转换过程的实质就是对模拟信号进行量化和编码的过程。

　　根据A/D转换的原理和特点的不同，可将A/D转换分为直接转换和间接转换两大类。常见的直接转换有逐次逼近式A/D、计数式A/D等；间接转换有积分式A/D、V/F式A/D等。至于各种A/D的原理，这里就不在细述。

　　2.2.2数字量输入输出通道

　　数字信号的输入输出，主要针对于微机保护器的人机接口和各种告警信号、跳闸信号及电度脉冲等。为防止外部干扰的窜入，一般在输入输出回路中均采用光电隔离措施。典型的数字信号输入输出回路如图2-3所示。

　　2.3 微机保护装置的数字核心

　　微机保护装置的数字核心一般由CPU、存储器、定时器/计数器、Wachdog等组成。目前数字核心的主流为嵌入式微控制器（MCU），即通常所说的单片机。MCU一般以某一微处理器内核为核心，芯片内部集成了RAM、ROM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WachDog、I/O、串行口、A/D、D/A等各种必要的功能和外围设备、电路。一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，它们的微处理器内核都一样，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度的和应用相匹配，从而降低成本和功耗。常见的MCU有MCS-51、MCS-196/296、C166/167、68300等等。

　　随着微电子技术的发展，一些功能更为强大、数字信号处理能力更强的数字核心将成为微机保护装置升级的必然趋势。有代表性的是嵌入式DSP处理器（EDSP）和嵌入式片上系统（ESOC）。

　　3.微机保护的算法基础

　　微机保护装置根据模数转换器提供的电气量的采样值进行分析、运算和逻辑判断，以实现各种继电保护功能的方法成为算法。微机算法可分为两类。一类是由输入的采样点得出继电保护所必需的电气量的各要素，如正弦量的幅值、频率和相角；另一类是以方程和逻辑的形式实现继电保护的动作特性。评价算法优劣的标准是精度和速度。算法的速度包括两方面：一是算法所要求的采样点数（数据窗长度），二是算法的工作量。另外，为了保证信号的正确性，相应的数字滤波也是非常必要的。

　　对于求取电气量的各要素的算法，主要有：①两点乘积算法；②导数算法；③积分算法；④傅式算法；⑤最小二乘法。其中，以傅式算法应用较为广泛。该算法的数据窗长度为一个周波，且对于高频分量的滤波能力较强，但对于非周期分量引起的低频分量的抑制能力较差。对于偏移度较高的短路故障，可在傅式算法前加一数字滤波（如差分滤波），来减弱非周期分量的影响。

　　4.微机保护装置的电磁兼容性标准

　　微机保护装置的电磁兼容性（EMC）关系到装置动作的可靠性和寿命。下面所列的是目前国内较为通用的电磁兼容性标准，也是微机保护装置做静模试验应遵循的主要标准。