浅析微机继电保护原理

　　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