微機(jī)繼電保護(hù)原理

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(gè)歷史階段：電磁型、晶體管型（又稱(chēng)半導(dǎo)體型或分立元件型）、集成電路型、微型計(jì)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(lái)越廣泛。

繼電保護(hù)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(dòng)作特性和性能；（2）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；（4）可以充分利用CPU的資源，實(shí)現(xiàn)其他測(cè)量、管理、通訊等功能；（5）微機(jī)*的記憶存櫧功能能很好的實(shí)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(yàn)，可以保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行；（7）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(shí)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(kāi)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(hào)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(hào)、告警信號(hào)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(gè)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(hào)，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(shí)將電流量變?yōu)殡妷毫浚赃m合內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的要求。同時(shí)，該變換回路還起著隔離外部干擾的作用。

設(shè)計(jì)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小；④要保證在大短路電流下，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(jì)算機(jī)處理的是離散的時(shí)間信號(hào)，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(shí)，要使采樣值能準(zhǔn)確無(wú)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(hào)中zui高頻率分量的頻率的2倍，這就是采樣定理。否則，采樣信號(hào)將出現(xiàn)頻率混疊，不能真實(shí)反映原始輸入信號(hào)。

系統(tǒng)的故障電流、電壓信號(hào)中一般含有許多高頻分量。而常見(jiàn)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(gè)重要指標(biāo)。

2.2.1.3 A/D轉(zhuǎn)換

由于計(jì)算機(jī)只對(duì)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(guò)程的實(shí)質(zhì)就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行量化和編碼的過(guò)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(lèi)。常見(jiàn)的直接轉(zhuǎn)換有逐次逼近式A/D、計(jì)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(hào)的輸入輸出，主要針對(duì)于微機(jī)保護(hù)器的人機(jī)接口和各種告警信號(hào)、跳閘信號(hào)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(hào)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(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)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(shuō)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(shí)/計(jì)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(gè)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(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)大限度的和應(yīng)用相匹配，從而降低成本和功耗。常見(jiàn)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(hào)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(jí)的必然趨勢(shì)。有代表性的是嵌入式DSP處理器（EDSP）和嵌入式片上系統(tǒng)（ESOC）。