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第一章微机保护的硬件原理及设计选择原则1-1概述微机保护出现20年来，得到了快速的发展，现有多个专业厂家生产微机保护装置，其硬件系统各有特点。
华北电力大学、杨奇逊院士：第一代（84-90年）MPD-1、单CPU结构、硬件示意图如下：可靠性差。
第二代：WXH-11（90年代以后）、多CPU结构系统机PRINTER整个系统有五个CPU（8031）。
四个CPU分别用来构成高频、距离、零序保护和综合重合闸，另一个CPU用来构成人机接口，A/D 转换采用VFC型。
每一个CPU系统都是一个独立的微机系统，任何一个损坏，系统仍然工作。
数据总线、控制总线和地址总线均不引出印刷电路板，可靠性较高。
交流输入及跳闸出口部分可靠性较高。
第三代：CSL101A（1994年鉴定，96年推广）多CPU结构，与第二代不同之处在于：（1）C PU采用不扩展的单片机，即构成微机系统所需的微处理器、RAM、EPROM等全部集中在一个芯片内部，总线不出芯片，具有很高的抗干扰能力。
（2）V FC采用第三代VFC芯片VFC110最高震荡频率为4M，相当于A/D精度的14位。
（3）设有高频、距离、零序和录波CPU插件，重合闸不包括在保护之中。
南京电力自动化研究院、南瑞公司 LFP-900系列（沈国荣院士）LFP-900系列包括从35KV~66KV 中低压线路保护220KV~500KV 线路高压超高压线路保护，用于不同电压等级时，保护的配置情况有所不同。
以LFP-901为例，说明配置情况。
采用多CPU 结构，含有三个CPU ，两个用于构成保护，一个用于人机接口CPU 均为Intel 80196KC1CPU ：纵联保护（工频变化量方向、零序功率方向、复合式距离元件）1Z 、零序后备保护2CPU ：距离保护、综合重合闸3CPU ：人机对话、起动、为出口提供？电压1CPU 、2CPU 采用VFC 型A/D 转换，3CPU 采用逐次逼近式A/D转换最近又推出RCS-9000系列保护（单片机加DSP 结构）此外，还有许继电器股份有限公司生产的WXH-800系列微机保护、国家电力公司南京电力自动化设备总厂生产的PSL601（602）数字式高压线路保护的等，都各有特点，不再一一论述。
继电保护基础知识和微机保护原理继电保护是电力系统中重要的安全措施之一，它的作用是在电力系统发生故障时，迅速切除或隔离故障点，保护电力设备和人身安全。
而微机保护利用先进的微机技术，结合各种传感器和控制装置，实现电力系统的准确、灵敏和可靠的保护，提高系统的稳定性和可靠性。
本文将介绍继电保护基础知识和微机保护原理。
一、继电保护基础知识1.继电保护原理继电保护根据电力系统的运行状态和故障特征，通过各种传感器和设备，对电力系统的电压、电流、功率等进行监测和测量，从而判断系统是否发生故障以及故障的位置和类型。
根据保护原理的不同，可以将继电保护分为差动保护、过流保护、间隙保护、距离保护等。
2.继电保护的类型继电保护按照保护范围的不同，可以分为发电机保护、变压器保护、线路保护、母线保护、馈线保护等。
不同的保护对象有着不同的保护特点和保护要求。
3.继电保护的组成继电保护由监测传感器、比较装置、判据装置和动作执行装置等组成。
监测传感器负责将电能转化为可测量的电信号，如电压互感器、电流互感器等；比较装置根据测量信号和设定值进行比较，判断系统的状态；判据装置根据比较装置的输出结果，生成动作指令，控制动作执行装置对保护范围内的设备进行保护动作。
1.微机保护系统结构微机保护系统由数据采集模块、微机主控装置、数据处理模块、监测和操作界面等组成。
数据采集模块负责采集保护对象的电压、电流等信号，并将其转化为数字信号；微机主控装置进行数据的处理和分析，并根据设定条件生成保护动作指令；数据处理模块进行数据的存储和管理，提供故障记录和统计报表等。
2.微机保护的特点微机保护具有以下特点：（1）准确性高：微机保护采用先进的数字信号处理技术，可以实时监测和测量电力系统的各种参数，提高保护的准确性和可靠性。
（2）速度快：微机保护系统的处理速度很快，可以在几十毫秒内完成对电力系统的故障判断和动作指令的生成。
（3）功能强大：微机保护具有丰富的功能，可以实现过流保护、差动保护、距离保护、频率保护等多种保护方式。
微型机继电保护原理第一章 绪论一. 计算机继电保护的发展概况用计算机构成继电保护装置的设想始于60年代中期，70年代，计算机保护的研究工作主要是作理论探索（特别是算法研究、数据适配、数字滤波）及在实验室作样机试验。
限于当时计算机硬件的制造水平以及昂贵的价格，早期的研究工作是以小型计算机为基础的。
人们企图用一台小型计算机实现多种保护功能或保护多个电气设备，这就使得计算机保护的可靠性难以保证，一旦该计算机出现了故障，所有的被保护设备都将失去保护。
到了70年代末期，出现了一批功能强足够强的微型计算机，价格也大幅度降低，这时无论在技术上，还是在经济上，已具备一台微型计算机来完成一个电气设备保护功能的条件。
有时为了提高可靠性，还设置多重化的硬件，用几台微机互为备用地构成一个电气设备的保护装置。
到70年代后期，国外已有少数样机在电力系统中试运行，微机保护逐渐进入实用阶段。
国内计算机保护方面的研究工作起步较晚（始于70年代后半期），但进展很快，1984年上半年，华北电力学院研制的第一套距离保护样机投入试运行，年底在华中理工大学召开了我国第一次计算机继电保护学术会议，推动了我国微机保护的开发运用进入一个新的阶段。
经过20多年的研究、应用、推广与实践，现在新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品，继电保护领域的研究部门和制造部门和制造厂家已经完全转向进行微机保护的研究与制造。
将微机保护和网络通信技术结合后，变电站自动化系统、配网自动化系统也已经在全国电力系统中得到了广泛的应用，将保护、测量、控制、录波、监视、通信、调节、报表和防误操作等多种功能融为一体，进一步提高了电力系统的安全性和经济运行水平，也为变电站实现无人或少人值班创造了条件。
预计在未来的几年内，微机保护将朝着更可靠、更简便、更灵活和网络化、智能化、动作过程透明化的方向展开，并可以方便地与电子式互感器、光学互感器实现连接。
要跳出传统“继电器”的概念，充分利用计算机的计算速度、数据处理能力、通信能力以及硬件集成度不断提高等各方面的优势，结合模糊理论、自适应原理、行波原理、小波变化等方法，设计出性能更优良、维护工作量更少的微机保护装置。
分享微机继电保护装置基础知识1. 继电保护基本概念1.1 继电保护在电力系统中的作用地理分散的发电厂通过输电线路、变压器和变电所等相互连接形成电力系统，它包括发电、输电、配电、用电等4个环节。
电力系统输配电网络分几个电压等级，在传输距离和传输容量一定的条件下，选用的电压等级越高，则线路电流越小，相应线路的功率损耗和电压损耗也越小，但相应的绝缘要求也越高，造价也越高。
一般来说，传输功率越大、传输距离越远，所选用的电压等级也越高。
现阶段我国电力系统主要电压等级有750KV、500KV、330KV、220KV、110KV、35KV等。
电力系统输电是三相制的，分别称为A相、B相和C相，相与相、相与地之间是绝缘的。
正常运行时电力系统A相、B相和C相的电流、电压是50HZ正序交流量，即三相幅值相等，相位是A相超前B相120度，B相超前C相120度，C相超前A相120度。
电力系统出现最多的故障形式就是短路，所谓短路就是一相或多相载流导体接地或相接触，是绝缘损坏造成的。
短路对电力系统的影响主要有以下几个方面：u 短路电流可能达到该回路额定电流的几倍到几十倍甚至上百倍。
当巨大的短路电流流经导体时，将使导体严重发热，造成导体溶化和绝缘损坏。
同时巨大短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。
u 短路时往往同时有电弧产生，高温电弧不仅可能烧毁故障元件本身，也可能烧毁周围设备。
u 短路造成网络电压降低，巨大的短路电流流经电力系统网络造成电压损失增大，越靠近短路点电压降低越多。
当供电地区电压降至额定电压的60％时，如不能快速切除故障就可能造成电压崩溃，引起大面积停电。
u 短路还可能会引起并列运行的发电机稳定性破坏，即使短路切除后，系统也可能振荡。
导致大量甩负荷。
u 不对称短路还将产生负序电流、电压，可能损伤发电机或电动机。
电力系统在运行中，可能发生各种类型的故障运行状态。
最常见同时也是最危险的故障是各种形式的短路，它严重危及设备安全和系统可靠运行。
第一章微机保护的硬件原理及设计选择原则1-1概述微机保护出现20年来，得到了快速的发展，现有多个专业厂家生产微机保护装置，其硬件系统各有特点。
华北电力大学、杨奇逊院士：第一代（84-90年）MPD-1、单CPU结构、硬件示意图如下：可靠性差。
第二代：WXH-11（90年代以后）、多CPU结构系统机PRINTER整个系统有五个CPU（8031）。
四个CPU分别用来构成高频、距离、零序保护和综合重合闸，另一个CPU用来构成人机接口，A/D 转换采用VFC型。
每一个CPU系统都是一个独立的微机系统，任何一个损坏，系统仍然工作。
数据总线、控制总线和地址总线均不引出印刷电路板，可靠性较高。
交流输入及跳闸出口部分可靠性较高。
第三代：CSL101A（1994年鉴定，96年推广）多CPU结构，与第二代不同之处在于：（1）C PU采用不扩展的单片机，即构成微机系统所需的微处理器、RAM、EPROM等全部集中在一个芯片内部，总线不出芯片，具有很高的抗干扰能力。
（2）V FC采用第三代VFC芯片VFC110最高震荡频率为4M，相当于A/D精度的14位。
（3）设有高频、距离、零序和录波CPU插件，重合闸不包括在保护之中。
南京电力自动化研究院、南瑞公司 LFP-900系列（沈国荣院士）LFP-900系列包括从35KV~66KV 中低压线路保护220KV~500KV 线路高压超高压线路保护，用于不同电压等级时，保护的配置情况有所不同。
以LFP-901为例，说明配置情况。
采用多CPU 结构，含有三个CPU ，两个用于构成保护，一个用于人机接口CPU 均为Intel 80196KC1CPU ：纵联保护（工频变化量方向、零序功率方向、复合式距离元件）1Z 、零序后备保护2CPU ：距离保护、综合重合闸3CPU ：人机对话、起动、为出口提供？电压1CPU 、2CPU 采用VFC 型A/D 转换，3CPU 采用逐次逼近式A/D转换最近又推出RCS-9000系列保护（单片机加DSP 结构） 此外，还有许继电器股份有限公司生产的WXH-800系列微机保护、国家电力公司南京电力自动化设备总厂生产的PSL601（602）数字式高压线路保护的等，都各有特点，不再一一论述。
各种微机保护硬件虽各不相同但一般均包括以下三大部分：（1）.模拟量输入系统（数据采集系统）作用：TA输出电流（计算机能辨识TV输出电压处理的数字量）构成：型：电压形成、ALF、S/H、MPX、A/D型：电压形成、VFC、光隔、计数器（2）.CPU主系统作用：对采集系统采集到的数据分析计算、完成各种继电保护功能。
构成：CPU、EPROM、RAM、PROME2目前的保护都有多个CPU（3）.开关量输入输出系统开关量输入：断路器位置等作用：开关量输出：继电器输出（4）人机接口（5）通讯接口1-2 模拟量输入系统（数据采集系统）1-2-1 A/D型模拟量输入系统一﹑基本框图：总线二﹑电压形成回路TV ：二次额定电压为100V 。
正常运行时输出100V 左右，系统故障时，输出在0—100V 之间变化TA ：输出正比于一次电流。
额定输出1A 或5A。
正常一般小于额定值。
系统故障时其二次电流可在1—20倍额定范围内变化。
ALF ﹑S/H ﹑MPX 及A/D 等电子回路允许的输入信号的范围一般为-5V —+5V 或-10V — +10V （也有0—5V ，0—10V 者）因而需要变换。
电压：100V25V 或210V实现 ： （1）电压变换器25或210V（2）电流变换器或210V电流（10—20）I n 25A 或210A实现： （1 ）电流变换器25或210V（2）电抗变换器25或210V各变换器除具有电平变换作用外，还具有隔离的作用，使TA ﹑TV 二次回路与微电子电路之间没有电的联系。
三﹑采样保持电路（S/H ）和模拟低通滤波器ALF（一）S/H 电路的作用和原理。
作用：在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模数转换器转换期间保持其输出不变。
原理：U sc U阻抗变换器：实际是电压跟随器（运放型），有很大的输入阻抗和很小的输出阻抗。
AS ：受控电子开关，逻辑输入高电平，AS 接通。
逻辑输入低电平，AS 断开。
c h：保持电容，AS 接通时，c h 快速充放电，使u u u sr ch sc == 称为采样或跟踪。
AS 断开时，c h 放电回路电阻很大，短时间内可认为不变。
u u usr cn sc≠=AS 在处于接通和断开交替的状态，则整个电路不断工作在采样﹑保持状态。
采样过程的示意图如下：书上P4页图1-3为理想化情况，实际情况下，采样脉冲必须有一定的宽度，使c h 有足够的时间跟踪u sr 的变化。
信号u sr逻辑输入（采样脉冲）T c u sc T s（二）对采样保持电路的要求1） 采样时间t c 应尽量小 2） 保持时间尽量长3） 模拟开关动作时间延时小，R on 小，R off 大。
（三）采样频率的选择和ALF 的应用单位时间内采样的点数，称为采样频率，它等于采样间隔（周期）T s 的倒数，既Tfss1=优：可以准确的还原波形采样频率的选择：T T fs s s↓↑)1(时间内完成所有计算困难。
（2）同样的输入，采样得数据量多，运算复杂，占内存多。
↑↓T f s s数据量减小，运算时间充裕。
f s太低，将无法由采样数据还原出原波形。
要求：fs必须大于被采样信号中存含最高频率成分fmax的两倍，既ffsmax2>否则会产生叠影现象。
见P7,图1-6 （a ）.被采信号（b ）.max f f s =,还原为直流信号 （c ）.书上图c 对应s f <m ax fm ax f <s f <2m ax f ,还原为一个低频信号。
只有s f >2m ax f 时，才能换远处被采信号系统短路，u,I 中既包含工频量，还含有高频信号，即m ax f 较大，而这些高频信号为无用信号，为防叠频 增大s f ，使s f >2m ax f ,往往导致s f 太大ALF ，将高频信号滤掉，即减小m ax f ，使s f >2m ax f目前一般均采用方法（2），即ALF 法，当前A/D 快，DSP 快，也可增大s f 法，ALF 的具体电路一般可以为无源RC 或有源滤波，此处不在细论。
四、模拟多路开关许多继电保护装置，需要输入多个电气量可有三种方式： （1）.同时采样，同时A/D 转换优点：控制简单，同时性好，对A/D 速度要求不高 价格高 功耗大 缺点：需多片A/D 体积大 接口复杂（2）.同时采样，依次A/D 转换同时采样，由MPX 依次切换至A/D 分别转换 优点：只用一片A/D缺点：控制复杂，要求A/D 速度高（3）顺序采样总线缺点：不能同时采样，各通道出现相位差 在（2）（3）两种方式下，均需使用MPX MPX ：受控多转1的电子开关 2转1 4转18转1 16转1 16转1多路开关芯片AD7506的逻辑框图如下： E n Ao A1 A2 A3 +15V-15V⎩⎨⎧=决定由—所有开关均断—30~10A A EN 要求：时间快、Ron 小、Roff 大 五﹑A/D 转换器作用：将S/H 离散化的模拟信号变换为离散化的数字信号，既对模拟信号大小编码。
两者之间的关系为：UU RA D =UR参考电压，一般U U A R <所以D 〈1，既为小数，可表示为2222211n n B B B D ---+⋅⋅⋅++=n 为数据编码位数，也就是A/D 转换位数，它是A/D 的一个重要指标。
n 有限，D 必须为舍去比LSB 更小的数，带来误差，成为量化误差，n 增加量化误差减小。
一般n=8﹑10﹑12﹑14﹑16等。
常用的A/D 转换器有逐次比较式和并联比较式两种，此处只讨论逐次比较式：（设n=8）（1） A /D 转换启动后，数码设定为10000000由D/A 输出一个对应的模拟电压U 0（2） 比较U A 与U 0 U A 〉U 0：保留最高位1，下一位设为1U A 〈U 0：最高位变零，下一位设为1D/A 输出一个与新编码对应的模拟量U 1 （3）比较U A 与U 1U A 〉U 1：保留次高位1，设第三位为1 U A 〈U 1：次高位取0，设第三位为1。
经n 次比较后，最终可以确定出与U 对应的数字编码。
AD574简介 （1） 基本指标：精度：12位 转换时间：25微秒 （2） 电源电压：AGND v15± AGNDv 5± 模拟地 数字地 （3） 模拟输入：+20V ： 0—20V-10V—+10V+10V 0—+10V-5V—+5V（4）数据量输出：12位8位机，分两次读16位机，一次读。
（5）控制状态线控制：CE—控制时钟CS_____—片选输入，来自译码器R/C__—1，读转换结果0，启动转换CE=0 CE=1启动转换：CS_____=0 读结果：CS_____=0R/C__=0 R/C__=1 CS_____来自译码电路，反映了A/D在微机系统中的地址。
8__/128__/12=116位CPU时一次读取12位结果A0A0=08__/12=08位CPU 0，高8位读A0= 1，读低4位状态输出端：STS= 0，不忙1，忙六：数据采集系统与微机的接口（1）程序查询方式硬件接口图见P16图1—18硬件包括：电压形成，ALF﹑S/H﹑MPX﹑A/D﹑并行口﹑数据线﹑定时器。
软件包括：并行口初始化。
采样数据寄存器地址指针初始化。
定时器初始化。
开放中断。
定时器中断时，执行中断服务程序。
中断服务程序包括以下内容：1）清中断请求，准备下一次中断。
2）命令AD574开始转换，读STS 状态STS=0，已换完，读结果，存入RAMSTS=1，未转换完，等待。
3）更新地址指针的指向。
每读一个结果，地址加2，判是否到达存储区末端，如果不到，顺序下存，如果到，则将地址指针指向初地址，循环存取，初地址末地址4）控制MPX，指向下一个通道，A/D转换……共16个通道（最多），最好一个通道转换完后，重新切回0通道5）执行中断服务程序中的其他内容。
6）中断返回要求：整个中断服务程序必须在两个采样时间间隔内完成。
特点：每次启动A/D后，CPU就开始不断查询STS的状态，耗时较多，要求A/D快。
T sT i确保T i〈T s，对硬件要求较高。
（二）中断方式启动A/D后，CPU无须等待，转去处理其它事件，A/D转换结束后，发出中断，读取转换结果，更新地址指针，更新通道，启动下通道A/D转换，从A/D转换中断返回，再去处理其它程序。
A/D转换结束中断嵌套在定时器中断之中，要求其优先级高于定时器中断。
