微机保护构成及数据采集系统.

微机保护装置的基本概念微机保护装置实际上就是1个具有继电保护功能的微机系统,因此，它具有一般微机系统的基本结构，为了实现继电保护功能也有自己的独特之处。

微机保护装置的硬件系统一般包含以下部分:模拟量输入、开入量输入、数据处理单元、开出量输出、人机界面、装置电源及通信接口。

对国内装置来说，大部分还包括断路器的操作回路。

模拟量输入：采集保护对象的电流、电压值，并通过变换，使用微机系统可采集。

采用小型互感器。

开入量输入又称数字量输入、遥信输入。

主要是信号量的输入，用于保护装置的投退及现场信号（0、1）的采集。

采用光耦采集的办法。

数据处理单元：即CPU板。

对采样的模拟量、数字量进行逻辑运算，并得出最终的开出值。

开出量输出：主要指跳闸接点、重合闸接点、信号接点等。

人机界面：用于用户的操作，一般微机保护装置均自带小键盘与液晶。

装置电源：用于提供整个装置的电源系统。

通信接口：微机保护装置与总控单元或后台系统的接口，上传详细的装置信息。

通讯接口主要是为了满足变电站综合自动化的接口。

1.1.1.微机保护的基本结构微机保护装置实际上就是1个具有继电保护功能的微机系统,因此，它具有一般微机系统的基本结构，为了实现继电保护功能也有自己的独特之处。

图1-1示出微机保护装置的硬件系统方框图。

它包含以下四部分：1）数据处理单元，即微机主系统；2）数据采集单元，即模拟量输入系统；3 ）数字量输入/输出接口，即开关量输入/输出系统；4 ）通信接口。

1.1.2.数据处理单元数据处理单元即微机主系统是微机保护装置的核心部分。

图1・2是1个典型的微机保护装置中数据处理单元的方框图。

其中各方框内容简单介绍如下。

存贮器（EPROM、RAM和E2PROM）在微机保护装置中存贮器用来存放程序、采样数据、中间运算结果和定值。

目前是,微机保护尚未完全定型,一般都采用EPROM而用掩膜ROM存放程序。

EPRoM的编程需要12~24V的高电压下进行。

微机保护的硬件构成
各部分结构及功能如下：
1模拟量输入系统（数据采集系统）
微机系统只能识别数字量，保护所反应的电流、电压等模拟信号需转换为相应的微机系统能接受的数字信号。

2数据处理单元(CPU系统 )
CPU主系统——包括微处理器CPU，只读存储器（EPROM）、随机存取存储器（RAM）及定时器（TIMER）等。

CPU执行存放在EPROM中的程序，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理，并与存放于E2PROM 中的定值比较，以完成各种保护功能用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后按照既定的程序动作。

这是微机保护装置的核心，一般包括：微处理器(CPU)、存储器、定时器等。

CPU是微机系统自动工作的指挥中枢；存储器是用于保存程序和数据；定时器用于触发采样信号，在V/F变换中，是频率信号转换为数字信号的关键部件。

3开关量输入/输出系统
由并行口、光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号指示及外部接点输入等工作。

输入系统用于采集有接点的量（如瓦斯保护、温度信号等）作为开关量输入；执行通过开关量输出，起动信号、跳闸继电器等，完成保护各种功能。

4人机对话接口
包括打印、显示、键盘、各种面板开关等，其主要功能用于人机对话，如调试、定值调整等。

用于调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。

包括：打印、显示、键盘及信号灯、音响或语言告警等。

5通讯接口
用于保护之间通讯及远动。

6电源
电源是微机保护装置重要组成部分，通常采用逆变稳压电源。

1护装置的特点（1）计算速度快、精度高（2）维护调试方便（3）可靠性高（4）易于获得附加功能（网络接口）（5）灵活性大（6）保护性能得到很好改善（便于采用新原理）2、微机保护硬件构成：（1）数据采集系统；作用：将电流、电压的模拟信号转换为数字信号，以便保护分析计算，进而确定保护的动作行为。

（2）微机主系统；作用：执行编制好的程序，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析、处理，完成各种继电保护的测量逻辑控制功能。

（3）开关量输入/输出系统；作用：完成各种保护的出口跳闸、信号外部触点的输入、人机对话及通信功能。

3、数据采集系统构成的两种方式：1）采用逐次逼近原理的A/D芯片构成的数据采集系统；2）采用VFC芯片构成的积分式数据采集系统。

4、电压（流）变换器作用：1）将电压互感器二次的电压（流）变换为适合A/D芯片量程的信号。

2）电磁隔离。

5、逐次逼近式各部分构成：（1）模拟低通率滤波电路（2）采样保持器（3）多路转换开关MPX（4）A/D模数转换器6、VFC芯片构成的积分式数据采集系统：（1）各部分构成：电压变换、浪涌吸收、vfc、光电隔离、计数器、微机系统（2）各部分作用：浪涌吸收器：由RC网络构成，可吸收高频干扰信号。

/电压频率变换器：由VFC芯片实现电压到频率的转换。

将模拟信号变为数字信号。

/光电隔离器：由光电隔离芯片实现模拟系统与数字系统的隔离，具有抗干扰的作用。

/计数器：由可编程的计数器芯片构成，通常为16位计数器。

在单片机的干预下，在每次采样中断中，读取计数器的计数值。

（3）特点：利用VFC可以实现对模拟量的数字转换，通过记录一定时间间隔内产生的脉冲数，对应输入信号的大小。

VFC具有低通滤波的作用。

7、A/D型模数转换（逐次逼近型）优缺点：由于逐次逼近型模数转换器在1个时钟周期内只能完成1位转换。

n位转换需要n个时钟周期，故这种模数转换器采样速率不高,输入带宽也较低。

它的优点是原理简单，便于实现-不存在延迟问题，适用于中速率而分辨率要求较高的场合。

（第一部分是考试要点的总结，第二部分是各章考试重点的总结。

）第一部分：1、微机保护的特点：维护调试方便，可靠性高，易于获得附加功能，灵活性高，保护性能得到了很好的改善。

2、采样定理及其要求：采用低通滤波器，可以消除频率混叠问题，从而降低采样频率；次奥出频率混叠后，采样频率的选择基本取决于保护的原理和算法。

f S 》 2 f max3、 模数转换器逐次逼近法原理：并行接口的PB15~PB0用作输出，有微型机通过该口往16为A/D 转换器试探性地送数。

每送一次数，微型机通过读取并行口的PA0（作为输入）的状态（0或1）来观察试送的16位数位相对于模拟输入量是偏大还是偏小。

如果偏大，即D/A 转换器的输出Usc 大于待转换的模拟输入电压，则比较器输出0，否则为1.通过软件的方法如此不断地修正送往D/A 转换器的16位二进制数，直到找到最近的二进制数值，这个二进制数就是A/D 转换器的转换结果。

4、 两点乘积算法：假定原始数据为纯正弦量的理想采样值()()I s s nT I nT i 0sin 2αω+= ()212πω=-s s T n T n ()()II s s I T n I T n i i 10111sin 2sin 2ααω=+==()I I I s s I I T n I T n i i 110122cos 22sin 22sin 2απαπαω=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛++==222122i i I +=211i i tg I =α21122212 2u u tg u u U u =+=α22212221i i u u I U Z ++==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-=--21121111i i tg u u tg I U z αααsr（导数法差不多，看书）5、 零极点法设计数字滤波器例：设Ts=5/3ms(即N=12)，用零点设计法设计出能同时滤除3次和5次谐波分量的数字滤波器传递函数解: (1)滤3次的因子H3(Z)=1+Z-2(2)滤5次的因子H5(Z)=1+ Z-1+Z-2（这个通过书上（2-54）可以推出来，考试不给直接H （z ）的） ()()()4321533231----++++==Z Z Z Z Z H Z H Z H()()()()()()42332213-+-+-+-+=n x n x n x n x n x n y6、 软件上提高保护可靠性的措施1> 抗干扰措施 （1）对输入采样的抗干扰纠错，利用默写输入量之间错在的规律（2）运算过程的校核纠偏：复算，或数据窗移位或复算（3）出口的闭锁：不允许一条指令就出口；中间加入核对程序（4）程序出格的自恢复。

微机继电保护填空1 微机继电保护装置硬件主要包括：数据采集部分、数据处理、逻辑判断及保护算法的核心部分。

2 微机继电保护从功能上分为六个组成部分：数据采集系统、数据处理系统、开关量输入/输出系统、人机接口、通信接口、电源回路。

3 微机保护装置中模拟量输入回路有两种方式：组词逼近原理的A/D转换、电压频率变换原理的A/D转换。

4 在要求真实反映输入信号中的高频分量的场合下，应首选主次逼近原理的A/D转换。

5 采样频率过低将造成频率混叠现象。

6 采样前用一个模拟低通滤波器可将频率高于采样频率一般的信号滤掉。

7 采样保持电路的作用是在一个极短时间内测量一个模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在A/D转换器进行转换的时间内保持其输出不变。

8 A/D转换器的性能指标有：分辨率和转换速度。

9 微机保护装置的模拟转换系统一般采用：逐次逼近式或压-频转换式。

10 VFC不需要加低通滤波器是因为VFC本身含有滤波功能的积分算法。

11 VFC转换器的基本原理：将模拟变压量变换为脉冲信号，该输出脉冲频率与输入电压大小成正比。

12 分析和评价不同算法优劣的标准是精度和速度。

13 数据窗一个算法采用故障点后的多少采样点才能计算出正确结果。

14 全周傅式算法需要的数据窗为一个周波（20ms），半周傅式算法需要的数据窗为半个周波（10ms）。

15 为了减小量化误差，在保护中通常采用的A/D芯片至少是12位的，而减小的舍入误差则要增加字长。

16 微机保护算法往往和数字滤波器联系在一起。

17 正弦函数的半周绝对值积分算法的原理是：一个正弦波信号任意半周期内，其绝对值积分为一常数S。

18 全周波傅式算法可有效滤除恒定直流分量和各整次谐波分量。

19 输入线路R-L模拟算法用于距离保护。

20 目前微机继电保护常用的选相元件有突变量电流选相和对称分量选相。

21 短路初期效果明显的选相元件是突变量电流选相。

22 10/35kv线路一般为小电流接地电网中线路，主要为馈电线路。

§2.1 微机保护系统构成²微机保护是以电压、电流的采样值为输入量，以微机为控制器，以电气设备的断路器为被控对象的一个开环离散控制系统。

²微机保护是将被保护设备输入的模拟量经模数转换器后变为数字量，再送入计算机进行分析和处理的保护装置。

²微机保护由硬件和软件两部分构成。

微机保护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、微型机主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。

²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。

²微机保护的硬件系统包括以下五部分：³1.数据采集系统（或称模拟量输入系统）：包括电压形成、采样保持、多路开关及数模转换。

³2.微型机（或微处理器）主系统：包括微处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器、并串接口等。

³3.开关量输入输出系统：由微型机的并行接口、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。

完成保护需要的外部触点接入、出口跳闸、人机对话等功能。

³4.通信接口。

包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网³5.逆变稳压电源（5V ±15V、±24V）²微机保护硬件构成框图（书）2. 微机保护用硬件特点³集成微处理器（MPU ）、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、定时器、模数转换器(AD)、并行接口(PIO)、闪存单元(FLASH)、数字信号处理器(DSP)、通信接口等多种功能集成在一个芯片内的单片机系统。

³把所有总线连同单片机都集成在一个芯片内的总线不出片技术。

³不区分微机、单片机、微处理器²微机保护的软件包括1.数字滤波器，如减法滤波器、加法滤波器等。

像有些不便于采用模拟滤波器的场合，如傅立叶滤波、小波变换等;2.微机保护算法，像幅值和相位计算、选相算法、滤序算法等;3.保护动作判据，保护基本原理的具体体现;4.逻辑输出，执行跳闸、告警等数字信号输出。

微机保护复习资料A卷一、填空题（每空格1分，共13分）1.微机保护的硬件一般包括数据采集系统、 CPU主系统、开关量输入/输出系统三部分。

2.评价算法优劣的主要标准是速度和精度。

3.微机保护的算法分为基本算法和继电器算法两大类。

4.微机保护中的阻抗元件多采用多边形特性，其优点是抗过渡电阻能力强。

5.微机保护中输入信号的电平变换作用是使输入信号与微机模入通道电平相匹配，同时实现装置内部的电隔离。

二、判断题（每小题1分，共9分）7.微机保护的调试周期比常规保护的调试周期长。

（×）8.微机保护只是实现方式与常规保护不同，不能从根本上改善保护的性能。

（×）9.微机保护中采样频率越高越好。

（×）10.微机保护中采样保持器的保持电容越大越好。

（×）11.在微机保护中，过渡电阻对不同安装地点的保护，其影响是不同的。

（√）12.微机保护的基本算法是构成保护的数学模型。

（√）三、选择题（每小题1分，共14分）16.负序电流整定往往用模拟单相接地短路的方法，因为单相接地短路时负序电流分量为短路电流的（ C ）。

A. 3倍B. 2倍C. 1/3倍D. √3倍17.微机保护一般都记忆故障前的电压，其主要目的是（ B ）.A.事故后分析故障前潮流B.保证方向元件的方向性C.录波功能的需要D.微机保护录波功能的需要18.微机保护中，每周波采样20点，则（ A ）。

A.采样间隔为1ms，采样率为1000HzB.采样间隔为5/3ms，采样率为1000HzC.采样间隔为1ms，采样率为1200HzD.采样间隔为1ms，采样率为2000Hz19.当系统的频率高于额定频率时，方向阻抗继电器最大灵敏角（ A ）。

A. 变大B. 变小C. 不变D. 不确定20.三段式电流保护中，灵敏度最高的是（ A ）。

A. Ⅲ段B. Ⅱ段C. Ⅰ段D. 都一样21.系统频率降低时，可以通过（ CD ）的办法使频率上升。

简述微机保护的基本构成和主要部分的功能1、简述微机保护的基本构成和主要部分的功能答:微机保护是由一台计算机和相应的软件(程序)来实现各种复杂功能的继电保护装置。

微机保护的特性主要是由软件决定的,具有较大的灵活性,不同原理的保护可以采用通用的硬件。

微机保护包括硬件和软件两大部分。

硬件一般包括以下三大部分。

(1) 模拟量输入系统(或称数据采集系统) 包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等功能,完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量。

(2) CPU主系统包括微处理器(MPU)、只读存储器(EPROM)、随机存取存储器(RAM)以及定时器等。

MPU执行存放在EPROM中的程序,对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理,以完成各种继电保护的功能。

(3) 开关量(或数字量)输入/输出系统由若干并行接口适配器、光电隔离器件及有接点的中间继电器等组成,以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入及人机对话等功能。

微机保护软件是根据继电保护的需要而编制的计算机程序。

72、电力变压器的不正常工作状态和可能发生的故障有哪些?一般应装设哪些保护?答:变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。

变压器内部故障系指变压器油箱里面发生的各种故障,其主要类型有:各相绕组之间发生的相间短路,单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路,单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障等。

变压器外部故障系变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障,其主要类型有:绝缘套管闪络或破碎而发生的单相接(通过外壳)短路,引出线之间发生的相间故障等。

变压器的不正常工作状态主要包括:由于外部短路或过负荷引起的过电流、油箱漏油造成的油面降低、变压器中性点电压升高、由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁等。

为了防止变压器在发生各种类型故障和不正常运行时造成不应有的损失,保证电力系统安全连续运行,变压器一般应装设以下继电保护装置: (1)防御变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护。

近三十年来，计算机技术发展很快，计算机的应用已广泛而深入的影响着科学技术、生产、和生活的各个领域。

它给各部门的面貌带来了巨大的并且往往是质的变化。

计算机技术同样影响到继电保护技术的发展。

传统的继电保护基本上已被新型的微机保护所替换。

下面简单介绍一下微机保护。

一、微机保护装置的构成微机保护与传统继电保护的最大区别就在于前者不仅有实现继电保护功能的硬件电路，而且还必须有保护和管理功能的软件———程序；而后者则只有硬件电路。

微机保护装置的硬件构成可分为四部分：数据采集、微型计算机模块、开出开入、人机接口、其它(通讯，电源等)。

（一）数据采集传统保护是把电压互感器（TV）二次侧电压信号及电流互感器（TA）二次电流信号直接引入继电保护装置，或者把二次电压、电流经过变换（信号幅值变化或相位变化）组合后再引入继电保护装置。

因此，无论是电磁型、感应型继电器还是整流型、晶体管型继电保护装置都属于反应模拟信号的保护。

尽管在集成电路保护装置中采用数字逻辑电路，但从保护装置测量元件原理来看，它仍属于反应模拟量的保护。

而微机保护中的微机则是处理数字信号的，即送入微型计算机的信号必须是数字信号。

这就要求必须有一个将模拟信号变换成数字信号的系统，这就是数据采集系统的任务。

（二）微型计算机模块微型计算机是微机保护装置的核心。

数字信号采集进来后对其进行数字虑波，然后通过各种不同的算法对其进行计算处理，逻辑判断，动作出口，事故纪录等等处理。

目前计算机保护的计算机部分都是由微型计算或单片微型计算机构成的，这也是微机保护名称的由来。

由一片微处理器配以程序存贮器、数据存贮器、接口芯片（包括并行接口芯片、串行接口芯片）、定时器、计数器芯片等构成的微机系统称为单微机系统。

而在一套微机型保护装置中有两片或两片以上的微处理器构成的微机系统则称为多微机系统。

由单片微型计算机配以部分接口芯片也可以构成微机系统。

同样地，在一套微机保护装置中仅有一个微处理器称为单微机系统，而在一套保护装置中有两片或两片以上微处理器则称为多微机系统。