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第二章 变电站综合自动化系统的间隔层装置

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第二章

变电站综合自动化系统间隔层装置 第一节 间隔层装置简述

一、间隔层装置配置 间隔层装置在设计和配置方面, 原则上与电气间隔之间存在密切关系。 根据间隔层装置 按电气间隔配置的原则和站内一次设备规模, 可以方便地确定变电站综合自动化系统所需间 隔层装置的数量。 电气间隔是一个强电即一次接线系统的概念, 通常把断路器或电气元件 (如 主变压器、母线等)作为电气间隔划分的依据。一个典型高压变电站内主要包括线路间隔、 母联(分段)间隔、主变压器间隔、电容(电抗)间隔、站用变压器间隔、母线间隔等。其 中,主变压器按其绕组涉及的电压等级可分为高、中、低压间隔和本体间隔。 一般认为,间隔层装置是指按变电站内电气间隔配置,实现对相应电气间隔的测量、 监视、控制、保护及其他一些辅助功能的自动化装置。 间隔层装置直接采集和处理现场的原始数据,通过网络传送给站控级计算机,同时接 收站控层发出的控制操作命令,经过有效性判断、闭锁检测和同步检测后,实现对装置的操 作控制。 间隔层也可独立完成对断路器和隔离开关的控制操作。 间隔层装置通常安装在各继 电器小室,测控装置按电气设备间隔配置,各测控装置相对独立,通过通信网互联。间隔层 装置具有以下优点: 按电气间隔配置的原则使得因间隔层装置故障产生的影响被限定在本间 隔范围内,不会波及其他电气间隔;监控对象由整个变电站缩小为某个电气间隔,单个装置 所需配备的 I/O 点数量较少,减小了装置体积的同时也使装置安装方式更加灵活;间隔层 装置除具备传统的输入输出功能外,还集成了同期合闸、防误联锁等高级功能,保护测控综 合装置更是把监控功能和微机保护功能合而为一,降低了装置成本。 二、间隔层装置分类 间隔层装置分类 在分层分布式变电站综合自动化系统中,间隔层装置(或称为间隔层单元),即前面所 说的 IED,大致可分成以下几类: (1) 保护测控综合装置。也可简称为保护测控装置,一般用于中低压(110Kv以下)系统 中,例如输电线路保护测控装置、变压器后备保护测控装置、站用变压器保护测控装置、电 容器保护测控装置、 电抗器保护测控装置等等, 它们主要用于完成相应的电气间隔中设备的 保护、测量及断路器、隔离开关等的控制以及其它与其对应的电气间隔相关的任务,降低了 装置成本并减少了二次电缆使用数量。 对于 110kV 及以上电压等级的高压和超高压间隔,为避免可能受到的干扰,保证保护 功能的可靠性,目前仍采用保护和测控功能各自独立配置的模式。所以又有以下(2)(3) 、 种类的间隔层装置。 (2) 测控装置。测控装置是变电站自动化系统的必要组成部分,主要完成对某一间隔电气 量(如电压、电流、温度、压力等)的测量、控制(包括断路器、隔离开关、接地开关、有 载调压变压器分接头调节等) 及其它与其对应的电气间隔相关的任务, 它面向的对象主要是 断路器或变压器本体等。 (3) 保护装置。主要完成对某一间隔设备的保护保护任务,如输电线路保护装置、变压器 保护装置、母线保护装置、断路器保护装置、短引线保护装置等。 (4) 公用间隔层装置。在变电站中有一些公共信号及其测量值,如直流系统故障信号、直 流屏交流失压、所用电切换信号、所用电失压、控制电源故障、合闸电源故障、控制母线故 障、合闸母线故障、通讯故障信号、通讯电源故障、火灾报警控制回路故障信号、火灾报警
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动作信号、 保安报警信号等等, 需要一个或几个公共间隔层装置来进行相关信息的采集和处 理。对于这类公共间隔层装置,不同的厂家有着不同的配置,可以集中到一个或几个公共测 控装置处理,也可分散到其他测控装置中完成。 (5) 自动装置。如备用电源自动投入装置、电压无功控制装置等。 (6)操作切换装置以及其他的智能设备和附属设备。 测控装置和微机保护装置实现的功能虽然各不相同,但在输入/输出接口电路和 CPU 逻辑运算模块等硬件回路设计上存在很多共同点,两者的差异更多体现在软件层面。 随着 C PU 运算能力和超大规模集成电路制造水平的不断提高,保护和测控功能相互融合是 大势所趋,随着技术的进步,将来保护测控合一装置也会逐步在高压、超高压电气间隔得到 应用。 三、间隔层装置箱体 间隔层装置箱体 如图 2-1 所示,保护与测控装置采用机箱式结构,每套装置由一个或几个箱体组成。 在变电站综合自动化系统中,有的保护装置除了完成保护功能外,还具有其它功能。例如某 10KV 线路的保护装置具有:10KV 线路的保护功能、重合闸功能、故障录波功能,此外还 兼有遥测、遥信、遥控及用于切除本线路的低周减载等功能。

图 2-1 保护装置或测控装置不同厂家箱体外观 保护与测控装置机箱的正面称为面板,如图 2-2(a)所示;面板上一般设置有:液晶显 示器、信号灯、键盘、插座和信号复归按钮等。其中:液晶显示器可以用来显示装置的提示 菜单、定值清单、事件报告、运行参数、开关状态等信息;信号灯用于运行监视以及发出装 置动作、重合闸动作、告警等信号;键盘可以进行参数设定、控制操作、事件查询等操作; 信号复归按钮用来复归程序、信号等;面板上的插座是一串行通信接口,用来外接计算机。 外接的计算机可以代替本装置的人机对话插件直接同本装置箱体内的各计算机插件通信。 机箱背面设有接线端子排。在装置机箱的背面,设有该装置机箱的接线端子排,用于装 置机箱与外部的连接。在各装置的端子排上一般设有:交流输入端子、直流电源输入端子、 网络接口、跳闸出口、合闸出口、遥信开入、信号输出等端子。 图 2-2(b)为保护装置的内部结构,装置的内部是由一个个印制电路板组成的,印制电 路板上焊接有各种芯片及电子、 电路元器件。 为了便于调试、 检修, 在装置不带电的情况下, 每个印制电路板一般可以插、拔,因此把每个印制电路板也称为一个插件。

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(a) 面板

(b)内部结构 图 2-2 保护与测控装置的面板及内部结构

为保证机械强度,提高电磁屏蔽能力和装置散热效果,保护、测控装置机箱一般都采 用金属材质。由于铝合金具有重量轻、机械强度高、热传导效率高、成本低等优点,因此成 为制造机箱的首选材料。机箱高度通常采用 6 U 或 4 U(1U=44.3mm)标准,机箱宽度由 装置配置插件的数量多少来决定,一般有 1/3、1/2 及 1/1 全宽度(全宽度=19 英寸,即 482.5mm)三种规格。机箱内部通常采用前部插拔组合结构设计,强、弱电回路彼此分开, 其中弱电回路采用背板总线方式,各 CPU 插件通过母线背板总线进行连接和通信,而强电 回路则直接从插件上引出至机箱外部。 这样的设计不仅增强了硬件的可靠性和抗干扰性, 而 且提高了装置功能组合的灵活性。对于分散安装在开关柜面板上的中低压保护测控合一装 置,考虑到一次设备现场运行环境较为恶劣,机箱设计应考虑进一步提高抗振、防尘、耐腐 蚀及电磁屏蔽能力等方面的要求。 四、间隔层装置典型硬件结构 目前,出于可靠性、通用性、经济性和可维护性等诸多因素的考虑,我国厂商生产的 间隔层装置(包括保护装置、测控装置等)一般采用模块化的结构设计,不同的产品由相同 的功能组件按需要组合配置,这样可实现功能模块的标准化,装置内部各插件做成模块化, 相互之间通过内部总线连接,实际应用中可以根据具体应用场合的需要增、减模块。同时软 件功能也可灵活配置。 图 2-3 是保护、测控装置典型硬件模件示意图。从图中可以看出保护、测控装置主要 由主 C PU 模件(含通信接口模件) 、模拟量输入模件、开关量输入模件、开关量输出模件、 人机接口模件(MMI) 、电源模件及机箱模件(图中以母板模件表示)组成。CPU 模件是装 置的核心部分,包含 CPU 系统、实时硬时钟系统和高速通信系统等;通信模件(COM)主要 用于光纤通信及通信扩展,包含光纤收发接口、网络接口、IRIG-B 码对时接入(GPS 对时 的一种同步方式)等;开关量输入/输出模件提供装置的开关量输入及输出,如跳合闸控制、 动作及告警信号输出等功能,并起到电气隔离的作用;人机接口模件(MMI)采用内部通 信方式与 CPU 模块进行数据交换,为用户提供对装置的本地操作接口,包括 LCD 显示屏、 LED 指示灯、 操作按键以及 RS232 调试端口等; 电源模件利用逆变原理将直流 220V 或 110V 输入转换为装置工作所需的直流电压,如+24V、±12V、+5V 等。

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图 2-3 保护、测控装置典型硬件模件示意图 目前,保护、测控装置基本上按模块化设计。不同的功能模块,其硬件结构基本上是 大同小异, 小异主要是指硬件模块化的组合与数量不同, 不同的使用场合按不同的模块化组 合方式构成,所不同的是软件,因为功能是靠软件来实现,不同的功能用不同的软件。一套 保护、测控装置功能模块的典型硬件结构主要包括:模拟量输入/输出回路、微型机系统、 开关量输入/输出回路、人机对话接口回路、通信回路和电源等。如图 2-4 所示。 微型机系统 微处理器(CPU) 存储器 WATCHDOG 定时器 人机对话回路 本地操作人员 打印机 通信接口 至其他微机 系统通信 信息远传 通用数 字接口 调制解调器 + 220V — 人机交 互接口 打印机接口 并行 接口 模拟量输入/输出回路 模/数 变换 数/模 变换 模拟量 输入变换 放大驱动
来自 TA、TV 的电流、电压

开关量输入/输出回路 光 电 隔 离 开关量输入 信号处理 开关量 输出电路
开关量输入

变 电 站 测 控 对 象

去执行元件

硬 件 电 源

+5V +15V +0V —15V +24V

图 2-4

保护、测控装置典型硬件结构图

(一)微型机系统 是保护、 测控装置硬件系统的数字核心部分, 目前电力自动化装置市场上呈现是多种多 样、各不相同,但它们具有一定的共性,一般由 CPU、存储器、定时器/计数器、Watchdog、 外围支持电路、输入输出控制电路组成。主要完成数据采集及计算、数据处理、控制命令的 接收与执行、逻辑闭锁、GPS 对时、MMI 接口通信等。
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1、CPU(中央处理器) CPU 是微机系统自动工作的指挥中枢,计算机程序的运行依赖于 CPU 来实现。因此, CPU 的性能好坏在很大程度上决定了计算机系统性能的优劣。当前应用于电力系统中的自 动化装置所采用的 CPU 多种多样,其中 16 位 CPU 以 80C196 系列使用最为广泛。随着微 电子技术近几年来突飞猛进的发展,新一代 32 位的 CPU 伴随着大规模/超大规模集成电路 的广泛应用而被新一代自动化装置中普遍采用。这一类 CPU 品种较多,如 Motorola 公司的 MC863XX 系列就是目前使用较多的一类。另一方面,随着数字信号处理器(DSP)的广泛 应用,自动化装置采用 DSP 来完成装置功能、实现装置功能算法已成为一种发展趋势,逐 步应用于实际。 2、存储器 计算机利用存储器把程序和数据保存起来,使计算机可以在脱离人的干预下自动地工 作,它的存储容量和访问时间直接影响着整个计算机系统的性能。在自动化装置中,常见的 存储器包括 EPROM(紫外线擦除电可编程只读存储器) 、EEPROM(电擦除可编程只读存 储器) 、SRAM(静态随机存储器) 、FLASH(快擦写存储器)以及 NVRAM(非易失性随机 存储器)等等。自动化装置运行程序和一些固定不变的数据通常保存在 EPROM 中,这是由 于 EPROM 的可靠性较高, 通常只有紫外线长时间照射才可以擦除保存在 EPROM 中的内容。 由于 EEPROM 可以在运行时在线改写,而且掉电后又可以保证内容不丢失,因此在自动化 装置中通常用来保存整定值。SRAM 主要作用是保存程序运行过程中临时需要暂存的数据。 NVRAM 和 FLASH 都是近几年来迅速发展的非易失性存储器,由于它们具有掉电后数据不 丢失,而且读写简单方便等优势,在自动化装置中通常将它们用来保存故障数据,以便事后 分析事故用。还有一些新的自动化装置将 FLASH 替代 EPROM 作为保存运行程序和固定参 数用。随着大规模集成电路和存储技术的长足发展,半导体存储器的集成度成倍地提高,现 在已有不少 CPU 将 SRAM、FLASH、EPROM 等集成在一起,一方面降低了 CPU 外围电路 的复杂性,另一方面也加强了整个系统的抗干扰能力。 3、定时器/计数器 定时器/计数器在自动化装置中十分重要,除计时作用外,它还有两个主要用途:一是 用来触发采样信号,引起中断采样;另一是在 V/F 变换式 A/D 中,定时器/计数器是把频率 信号转换为数字信号的关键部件。 4、Watchdog 我们知道, 电力自动化装置通常运行在强电磁干扰的环境中。 当自动化装置受到干扰导 致微机系统运行程序出轨后,装置可能陷入瘫痪。Watchdog 的作用就是监视微机系统程序 的运行情况,若自动化装置受到干扰而失控,则立即动作以使程序重新开始工作。Watchdog 图中可被清除的定时脉冲发生器通常由单触发器或计数器构成。 的工作原理如图 2-5 所示。 若无 CLR 清除脉冲信号,则定时脉冲发生器按一定频率输出脉冲。通常将此输出脉冲引到 微机系统的复位端。当程序正常运行时,不断发出 CLR 清除脉冲信号,使脉冲发生器没有 输出。当运行程序受到干扰失控后,无法按时发出 CLR 清除脉冲信号,于是脉冲发生器产 生输出,自动复位微机系统,使微机系统重新开始执行程序,进入正常运行轨道。 定时脉冲 发生器

CLR

OUT

图 2-5 Watchdog 原理

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在微型计算机系统中,CPU 微处理器执行放在 EPROM 中的程序,对由数据采集环节 输入至 RAM 区的原始数据进行分析处理,以完成各种相应的功能。 (二) 、模拟量输入/输出回路 来自变电站测控对象的电压、电流信号等是模拟量信号,即随时间连续变化的物理量。 由于微机系统是一种数字电路设备,只能接受数字脉冲信号,识别数字量,所以就需要将这 一类模拟信号转换为相应的微机系统能接受的数字脉冲信号。 同时, 为了实现对变电站的监 控,有时还需要输出模拟信号,去驱动模拟调节执行机构工作,这就需要模拟量输出回路。 (三) 、开关量输入/输出回路 开关量输入/输出回路由并行口、光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成,主要用 于人机接口、发跳闸信号等的告警信号以及闭锁信号等。 (四) 、人机对话接口回路 人机对话接口回路主要包括打印、显示、键盘及信号灯、音响或语言告警等,其主要功 能用于人机对话,如调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。其中, 界面设置的 RS-232 串口主要用于本装置调试过程中的参数配置文件下装、历史/实时信 息数据读取及故障在线诊断等操作。 (五) 、通信回路 保护与测控装置可分为多个子系统,如监控子系统、微机保护子系统、自动控制子系统 等,各子系统之间需要通信,如微机重合闸装置动作跳闸,监控子系统需要知道,即子系统 间自动化装置需要通信。同时,有些子系统的动作情况还要远传给调度(控制)中心。所以 通信回路的功能主要是完成自动化装置间通信及信息远传。 (六) 、电源 供电电源回路提供了整套保护与测控装置中功能模块所需要的直流稳压电源, 一般是利 用交流电源经整流后产生不同电压等级的直流,以保证整个装置的可靠供电。 第二节 模拟量的采集与处理 变电站的模拟量主要有三种类型: ①工频变化的交流电气量, 如交流电压、 交流电流等; ②变化缓慢的直流电气量,如直流系统电压、电流等;③变化缓慢的非电气量,如温度等。 这些模拟量都是随时间连续变化的物理量。由于 CPU 只能识别数字量,因此模拟量信号必 须通过模拟量输入模件转换成相应的数字量信号后才能输入到 CPU 中进行处理。 一、模拟量输入电路原理简述 间隔层装置采集变电站测控对象的电流、电压、有功功率、无功功率、温度等都属于模 拟量。 模拟量的输入电路是自动化装置中很重要的电路, 自动化装置的动作速度和测量精度 等性能都与该电路密切相关。 模拟量输入电路的主要作用是隔离、 规范输入电压及完成模数 变换,以便与 CPU 接口,完成数据采集任务。 根据模数变换原理的不同, 自动化装置中模拟量输入电路有两种方式, 一是基于逐次逼 近型 A/D 转换方式(ADC) ,是直接将模拟量转变为数字量的变换方式;二是利用电压/频 率变换(VFC)原理进行模数变换方式,它是将模拟量电压先转换为频率脉冲量,通过脉冲 计数变换为数字量的一种变换形式。 另外, 计算机输出的信号是以数字的形式给出的, 而有的执行元件要求提供模拟的电流 或电压,故必须采用模拟量输出通道来实现。下面分别说明上述问题。 基于逐次逼近式 二、基于逐次逼近式 A/D 变换的模拟量输入电路 一个模拟量从测控对象的主回路到微机系统的内存, 中间要经过多个转换环节和滤波环 节。典型的模拟量输入电路的结构框图如图 2-6 所示。主要包括电压形成电路、低通滤波 电路、采样保持、多路转换开关及 A/D 变换芯片五部分。下面分别叙述这些部分的工作原

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理及作用。

图 2-6 逐次逼近式模拟量输入电路框图 (一)电压形成电路 自动化装置常从电流互感器(TA)和电压互感器(TV)取得信息,但这些互感器的二 次侧电流或电压量不能适应模数变换器的输入范围要求, 故需对它们进行变换。 其典型原理 图如图 2-7 所示。

图 2-7 模拟量输入电压变换原理图 (a)电压接口原理图 (b)电流接口原理图 一般采用中间变换器将由一次设备电压互感器二次侧引来的电压进一步降低, 将一次设 备电流互感器二次侧引来的电流变成交流电压。 再经低通滤波器及双向限幅电路将经中间变 换器降低或转换后的电压变成后面环节中 A/D 转换芯片所允许的电压。 一般模数转换芯片要求输入信号电压为±5V 或±10V,由此可以决定上述各种中间变 换器的变比。 电压形成电路除了起电量变换作用外, 另一个重要作用是将一次设备的电流互感器 TA、 电压互感器 TV 的二次回路与微机 A/D 转换系统完全隔离,提高抗干扰能力。图 2-7 电路 中的稳压管组成双向限幅, 使后面环节的采样保持器、 A/D 变换芯片的输入电压限制在峰- 峰值±10V(或±5V)以内。 图 2-8 所示为典型的间隔层保护装置电压形成回路三相电流、三相电压、零序电流及 线路抽取电压等的输入。Ux 为重合闸中检无压、检同期元件用的线路侧电压输入。如重合 闸不投或无同期问题时,该电压可以不接。

图 2-8 典型的保护线路保护装置电压形成回路接线

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(二)低通滤波器与采样定理 (1)连续时间信号的采样。大家知道,微机处理的都是数字信号,必须将随时间连续 变化的模拟信号变成数字信号,为达到这一目的,首先要对模拟量进行采样。采样是将一个 连续的时间信号 x(t)变成离散的时间信号 x’(t),采样过程可用图 2-9 所示。

图 2-9 采样过程示意图 采样时间间隔由采样控制脉冲 s(t)来控制, 相邻两个采样时刻的时间间隔称为采样周期, 通常用 Ts 表示。采样仅是每隔 Ts 时间就取一次模拟信号的即时幅值,显然它在各个采样点 上(0,Ts,2Ts,……)的幅值与输入的连续信号 x(t)的幅值是相同的。在自动化装置中, 对电压、电流量的采样是以等采样周期间隔来表示的。采样周期 Ts 的倒数就是采样频率 fs。 即

fs =

1 Ts

(2-1)

输入模拟信号 x(t)经过理想采样变成 x’(t)后可以用下式表示:

x ′( t ) = x( t ) |t = nTs

(2-2)

在自动化装置中,被采样的信号 x(t ) 主要是工频 50Hz 信号,通常以工频每个周期的采 样点数来间接定义采样周期 Ts 或采样频率 f s 。例如若工频每个周期采样点数为 12 次,则 采样周期是 Ts=20/12=5/3(ms) ,采样频率 f s =50×12=600Hz。 (2)采样定理。采样是否成功,主要表现在采样信号 x’(t)能否真实的反映出原始的连 续时间信号中所包含的重要信息,采样定理就是回答这个问题。 我们先观察图 2-10 所示的波形。设被采样的信号 x(t ) 的频率为 f 0 ,其波形如图 2-10 (a)所示。对其进行采样,图 2-10(b)是对 x(t ) 每周采一点,即 f s = f 0 ,采样后所看到 的为一直流量(见虚线) ;图 2-10(c)中,当 f s 略大于 f 0 时(这里 f s =1.5 f 0 ) ,采样后 所看到的是一个差拍低频信号;又由图 2-10(d)可见,当 f s =2 f 0 时,采样所看到的是 频率为 f 0 的信号。不难想象,当 f s >2 f 0 ,采样后所看到的信号更加真实地代表了输入信号
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x(t ) 。由此可见,当 f s <2 f 0 时,频率为 f 0 的输入信号被采样之后,将被错误地认为是一低
频信号,我们把这种现象称为“频率混叠”现象。显然,在 f s ≥2 f 0 后,将不会出现频率混 叠现象。因此,若要不丢掉信息地对输入信号进行采样,就必须满足 f s ≥2 f 0 这一条件。若 输入信号 x(t ) 含有各种频率成分,其最高频率为 f max ,若要对其不失真地采样,或者采样后 不产生频率混叠现象,采样频率必须不小于 2 f max ,即 f s ≥2 f max ,也就是说,为了使信号 被采样后不失真还原, 采样频率必须不小于 2 倍的输入信号的最高频率, 这就是乃奎斯特采 样定理的基本思想。

图 2-10

采样频率选择示意图

举例来说,小电流接地系统检测装置,要采样的信号是 5 倍频的电流信号,即 f 0 =5× 50=250Hz,采样频率至少应选 f s ≥2×250Hz 才能保证采样的 5 倍频电流信号不失真地还 原。 (3)低通滤波器的设置 电力系统在故障的暂态期间, 电压和电流含有较高的频率成分, 如果要对所有的高次谐 波成分均不失真地采样,那么其采样频率就要取得很高,这就对硬件速度提出很高要求,使 成本增高,这是不现实的。实际上,目前大多数自动化装置原理都是反映工频分量的,或者 是反映某种高次谐波(例如 5 次谐波分量) ,故可以在采样之前将最高信号频率分量限制在 一定频带内,即限制输入信号的最高频率,以降低采样频率 f s ,一方面降低了对硬件的速 度要求,另一方面对所需的最高频率信号的采样不至于发生失真。 要限制输入信号的最高频率,只需要在采样前用一个模拟低通滤波器(ALF) ,将 f s /2 以上的频率分量滤去即可。模拟低通滤波器可以做成无源或者有源的。图 2-7 示意的是常 用的 RC 低通滤波器,滤波器的阶数则根据具体的要求来确定。 模拟低通滤波器的幅频特性的最大截止频率,必须根据采样频率 f s 的取值来确定。例 如,当采样频率是 1000Hz 时即交流工频 50Hz 每周期采 20 个点,则要求模拟低通滤波器必 须滤除输入信号大于 500Hz 的高频分量;而采样频率是 600Hz 时,则要求必须滤除输入信 号大于 300Hz 的高频分量。 (三)采样保持器

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连续时间信号的采样及其保持是指在采样时刻上,把输入模拟信号的瞬时值记录下来, 并按所需的要求准确地保持一段时间,供模数转换器 A/D 使用。对于采用逐次比较式模数 转换器 A/D 的数据采集系统,因模数转换器 A/D 的工作需要一定的转换时间,因此,需要 使用采样保持器。 (四)模拟量多路转换开关(MPX) 在实际的数据采集模块中, 被测量往往可能是几路或几十路, 对这些回路的模拟量进行 采样和 A/D 转换时, 为了共用 A/D 转换器而节省硬件, 可以利用多路开关轮流切换各被测量 与 A/D 转换电路的通路, 达到分时转换的目的。 在模拟输入通道中, 其各路开关是 “多选一” , 即其输入是多路待转换的模拟量,每次只选通一路,输出只有一个公共端接至 A/D 转换器。 下面以常用的 16 路多路转换开关芯片 AD7506 为例,说明多路转换开关的工作过程。 AD7506 的内部结构示于图 2-11,其引脚的功能分述如下: A0、A1、A2、A3: 通道数选择,由 CPU 赋值,赋于不同的二进制码可选通 16 路中对 应电子开关 SA,当某一路被选中,此路的 SA 闭合,将此路输入接 通到输出端。

u i0 ………… u i 15 : 输入端共 16 路,可以接入 16 个输入量。
u0
EN
: 输出端。 : 使能端,只有当 E N 为高电位时,AD7506 才能工作。

图 2-11 多路转换开关芯片 AD7506 内部结构 各引脚的配合见表 2-1,其中, “×”表示取任意值。 表 2-1 AD7506 内部结构图 A0 A1 A2 A3 0 0 0 0 0 0 ┇ 1 1 1 1 0 1 选通通道 0 1 ┇ 15 禁示 选中开关 SA0 SA1 ┇ SA15 无 输出 u 0

EN
1 1 ┇ 1 0

u 0 = u i0 u 0 = u i1


u 0 = u i 15
无输出

× × × ×

从功能表可看出,当 CPU 按顺序赋于不同的二进制地址,多路转换开关通过译码电路

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选通相应的地址时,就将相应路径接通,使输出电压 u 0 等于相应路径的输入量 u in 。 在实际中,采用的多路开关有双四选一模拟开关,如美国 RCA 公司的 CD4052、AD 公司 的 AD7052; 有八选一多路开关, CD4051、 如 AD7051、 AD7053 等; 16 路选一路开关如 CD4067 有 和 AD7506 等。 目前已有不少贴片的多路模拟开关芯片, 体积很小, 用于变电站自动化系统可使装置的 体积减小,尤其适合分散式的单元模块。 (五)模/数变换(A/D) 微机型系统只能对数字量进行运算或逻辑判断, 而电力系统中的电流、 电压等信号均为 模拟量。因此,必须用模数变换器(ADC)将连续变化的模拟信号转换为数字信号,以便微 机系统或数字系统进行处理、存储、控制和显示。 由于应用特点和要求的不同,需要采用不同工作原理的 A/D 变换器。A/D 变换器主要有 以下几种类型:逐次逼近型、积分型、计数型、并行比较型等。在选用 A/D 变换器时,主要 应根据使用场合的具体要求,按照转换速度、精度、价格、功能以及接口条件等因素而决定 选用哪种类型。 (1)模数变换器(ADC)的工作原理 在微机监控和微机保护中最常用的是逐次逼近型原理实现的,其原理框图如图 2-12 所示。它主要由逐次逼近寄存器 SAR、D/A 转换器、比较器以及时序和控制逻辑等部分组 成。它的实质是逐次把设定的 SAR 寄存器中的数字量经 D/A 转换后得到的电压 UC 与待转 换的模拟电压 UX 进行比较。比较时,先从 SAR 的最高位开始,逐次确定各位的数码是“1” 还是“0” ,其工作过程如下。

图 2-12 逐次逼近型 A/D 转换器工作原理 (a)原理框图 (b)逐次逼近过程 在进行转换时,先将 SAR 寄存器各位清零。转换开始时,控制逻辑电路先设定 SAR 寄 存器的最高位为“1” ,其余各位为“0” ,此试探值经 D/A 转换成电压 UC,然后将 UC 与模 拟输入电压 UX 比较。如果 UX≥UC,说明 SAR 最高位的“1”应予保留;如果 UX<UC,说 明 SAR 该位应予清零。然后再对 SAR 寄存器的次高位置“1” ,依上述方法进行 D/A 转换 和比较。 如此重复上述过程, 直至确定 SAR 寄存器的最低位为止。 过程结束后, 状态线 EOC 改变状态,表明已完成一次转换。最后,逐次逼近寄存器 SAR 中的内容就是与输入模拟量 UX 相对应的二进制数字量。显然 A/D 转换器的位数 N 决定于 SAR 的位数和 D/A 的位数。 图 2-12(b)表示四位 A/D 转换器的逐次逼近过程。转换结果能否准确逼近模拟信号,主 要取决于 SAR 和 D/A 的位数。 位数越多, 越能准确逼近模拟量, 但转换所需的时间也越长。 逐次逼近 A/D 转换器的主要特点是:

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①转换时间固定,不随输入信号的变化而变化。 ②转换速度较快,一般在 1~100μs 以内。分辨率可以达 18 位,特别适用于工业系统。 ③抗干扰能力相对积分型的差。例如,对模拟信号采样过程中,若在采样时刻有一个干 扰脉冲叠加在模拟信号上,则采样时,包括干扰信号在内,都被采样和转换为数字量,这就 会造成较大的误差,所以有必要采取适当的滤波措施。 (2)A/D 转换器的主要技术性能指标: 1) 分辨率:分辨率反映 A/D 转换器对输入微小变化响应的能力,通常用数字输出最 低位(LSB)所对应的模拟输入的电平值表示。例如,8 位 A/D 转换器能对模拟量输入满量 程的 1/28=1/256 的增量做出反映。N 位 A/D 能反映 1/2n 满量程的模拟量输入电压。由于分 辨率直接与转换器的位数有关,所以一般也简单地用数字量的位数来表示分辨率,即 N 位 二进制数最低位所具有的权值就是它的分辨率。表 2-2 列出了几种位数与分辨率的关系。 表 2-2 位数与分辨率的关系 位数 4 8 10 12 16 分辨率(分数) 1/24=1/16 1/28=1/256 1/210=1/1024 1/212=1/4096 1/216=1/65536

2)精度:精度有绝对精度(Absolute Accuracy)和相对精度(Relative Accuracy)两种 表示方法。 绝对精度以数字量的最小有效位 (LSB) 的分数值来表示绝对精度。 例如±1LSB、
± 1 1 LSB 、 ± LSB 等。绝对误差包括量化误差和其他所有误差;相对精度是指整个转换范围 2 4

内, 任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差, 用模拟电压满量程的百分比表 示。例如:满量程为 10V 的 10 位 A/D 芯片,若其绝对精度为 ± 1 LSB ,则其最小有效位的 2 量化单位ΔE=9.77mV, 其绝对精度为

1 4.88 mV 其相对精度为 ?E =4.88mV, = 0.048% 。 2 10V

值得注意的是,分辨率与精度是两个不同的概念,不要把两者混淆。精度是指转换或所 得结果对于实际值的准确度, 而分辨率是指能对转换结果产生影响的最小输入量。 即使分辨 率很高,也可能由于温度漂移、线性度等原因而使精度不够高。 3)电源灵敏度。电源灵敏度是指 A/D 转换芯片的供电电源的电压发生变化时产生的转 换误差,一般用电源变化 1%时相当的模拟量变化的百分数来表示。 4)转换时间。转换时间是指完成一次 A/D 转换所需的时间,即由发出启动转换命令信 号到转换结果信号开始有效的时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率。例如 AD574 的转 换时间为 25 ?s ,其转换速率为 40kHz。 5) 输出逻辑电平。 多数 A/D 转换器的输出逻辑电平为 5V, TTL 电平兼容, 与 因为 CPU 数据通信总线的电平就是 5V。故在考虑数字量输出与微处理器的数据总线接口时,应注意 是否要三态逻辑输出,是否要对数据进行锁存等。 6)工作温度范围。由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响,故只在 一定的温度范围内才能保证额定精度指标。 一般 A/D 转换器的工作温度范围为 0~70℃, 军 用品的工作温度范围为-55~+125℃。 7)量程。量程是指所能转换的模拟输入电压的范围,分单极性、双极性两种类型。例 如,单极性量程为 0~+5V、0~+10V、0~+20V;双极性量程为-2.5~+2.5V、-5~
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+5V、-10~+10V。 目前,常用的 A/D 转换芯片为 AD574,是快速 12 为逐次比较型 A/D 转换器,由美国 模拟器件公司生产,28 脚双列直插式标准封装,其内部包括快速 12 位 D / A 转换器、高性 能比较器、逐次比较逻辑寄存器、时钟电路、逻辑控制电路及三态输出数据锁存器等。一次 转换时间为 25 ?s ,工作电源为±15V 和+5V。 转换的模拟量输入回路 三、基于 V/F 转换的模拟量输入回路 通过了解逐次逼近式 A/D 变换原理可知,这种 A/D 变换过程中,CPU 要使采样保持、 多路转换开关及 A/D 变换器三个芯片之间协调好,因此接口电路复杂。而且 ADC 芯片结构 较复杂,成本高。目前,许多微机应用系统采用电压—频率变换技术进行 A/D 变换。 (一)VFC 型 A/D 变换简述 电压—频率变换技术(VFC)的原理是将输入的电压模拟量 u i 线性地变换为数字脉冲 式的频率 f 使产生的脉冲频率正比于输入电压的大小,然后在固定的时间内用计数器对脉 冲数目进行计数,使 CPU 读入,其原理图如 2-13 所示。

图 2-13 VFC 型 A/D 变换原理框图 图中 VFC 可采用 AD654 芯片,计数器可采用 8031 或内部计数器,也可采用可编程的 集成电路计数器 8253。CPU 每隔一个采用间隔时间 TS,读取计数器的脉冲计数值,并根据 比例关系算出输入电压 u in 对应的数字量,从而完成了模数转换。 VFC 型的 A/D 变换方式及与 CPU 的接口,要比 ADC 型变换方式简单得多,CPU 几乎 不需对 VFC 芯片进行控制。装置采用 VFC 型的 A/D 变换,建立了一种新的变换方式,为 微机系统带来很多好处,其优点可归纳如下: 1)工作稳定,线性好,电路简单。 2)抗干扰能力强,VFC 是数字脉冲式电路,因此它不受脉冲和随机高频噪音干扰。可 以方便地在 VFC 输出和计数器输入端之间接入光隔元件。 3)与 CPU 接口简单,VFC 的工作不需要 CPU 控制。 4)可以方便地实现多 CPU 共享一套 VFC 变换。 (二)典型的 VFC 芯片 AD654 的结构及工作原理 (1) VFC 芯片 AD654 的结构。 AD654 芯片是一个单片 VFC 变换芯片, 中心频率为 50Hz。 它是由阻抗变换器 A、压控振荡器和驱动输出级回路构成,其内部结构如图 2-14(a)所 示。压控振荡器是一种由外加电压控制振荡频率的电子振荡器件,芯片只需外接一个简单 RC 网络,经阻抗变换器 A 变换输入阻抗可达到 50MΩ。振荡脉冲经驱动级输出可带 12 个 TTL 负载或光电耦合器件。要求光隔器具有高速光隔性能。

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图 2-14 AD654 芯片结构及电路图 (a)结构图 (b)工作电路图 (2)AD654 的工作电路。AD654 芯片的工作方法可有两种方式,即正端输入和负端输 入方式。在装置上大多采用负端输入方式。因此 4 端接地,3 端输入信号,见图 2-14(b) 。 由于 AD654 芯片只能转换单极性信号,所以对于交流电压的信号输入,必须有个负的偏置 电压,它在 3 端输入。此偏置电压为-5V,其压控振荡频率与网络电阻的关系如下式

f out =

? u in 1 ? 5 ? (R R ) + (R1 R ) ? 10CT ? + P1 + P2 ?

(2-3)

式中 u i n 为输入电压,CT 为外接振荡电容。可见输出频率 f out 与输入电压 u i n 呈线性关 系。RP1 用来调整偏置值,使外部输入电压为零时输出频率为 250kHz,从而使交流电压的测 量范围控制在±5V 的峰值内,这也叫零漂调整。各通道的平衡度及刻度比可用电位器 RP2 来调整。R1 和 C1 设计为浪涌吸收回路,不是低通滤波器。VFC 的变换特性与输入交流信号 的变换关系见图 2-15。通常整套微机装置的调整只有 RP1 和 RP2 可调,并在出厂时都已调 好,一般可以不加调整,需要调整时也只要稍做一些微调即可。

图 2-15 VFC 变换关系图 (3)VFC 的工作原理。当输入电压 u in =0 时,由于偏置电压-5V 加在输入端 3 上, 输出信号是频率为 250kHz 的等幅等宽的脉冲波,见图 2-16(a) 。当输入信号是交流信号 时, VFC 变换后输出的信号是被 u in 交变信号调制了的等幅脉冲调频波, 经 见图 2-16 (b) 。 由于 VFC 的工作频率远远高于工频 50Hz,因此就某一瞬间而言,交流信号频率几乎不变, 所以 VFC 在这一瞬间变换输出的波形是一连串频率不变的数字脉冲波, 可见 VFC 的功能是 将输入电压变换成一连串重复频率正比于输入电压的等幅脉冲波。而且,VFC 芯片的中心 频率越高,其转换的精度也就越高。在新型的自动装置中采用 VFC110 芯片,该芯片的中心 频率为 2MHz,是 AD654 的 8 倍,因此变换精度及保护的精工电流都有了较大提高。

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图 2-16

VFC 工作原理和计数采样 (b) u in 为交变信号

(a) u in =0;

(4)采样计数 计数器对 VFC 输出的数字脉冲计数值是脉冲计数的累计值, CPU 每隔一个采样间隔 如 时间 TS 读取计数器的计数值,并计作…Rk-1、Rk、Rk+1、…,则在 tK-NTS 至 tK 的这一段 ,如图 2-16(b)所示。如果每个脉冲数对 时间内计数器计到的脉冲数为 Dk=Rk-R(k-N) 应的电压值(伏)为 Kb 系数,则输入电压 u in 可用下式表示

u in =(Dk-D0)×Kb

(2-4)

式中 D0 为 250kHz 中心频率对应的脉冲常数[见图 2-15 和图 2-16(a)]。 增大 N 值可提高分辨率和精度,但也增加了采样时间。数据采集系统可以根据要求, 用软件自动改变 N 值,以兼顾速度和精度。 在自动化装置的定值整定清单中,式(2-4)中的 Kb 常用 UP 表示电压比例系数,用 IP 表示电流比例系数。这些系数是厂家给定并已调整好的,用户不比整定调整。 值得注意的是,式(2-4)表示的 u in 是在 tk-2TS~tk 极短时间内的瞬时值,并不是有 效值。如果要计算有效值还必须对该交变信号连续采样,然后由软件按一定算法计算。 (三)逐次逼近式和电压—频率变换式两种数据采集系统的特点分析 以上我们介绍了两种数据采集系统的构成及工作原理, 通过分析我们可以看出两者都具 有各自的工作特点,在使用时,应根据需要加以选择。两种数据采集系统的特点,主要体现 在以下几个方面: (1)逐次逼近式数据采集系统的模数转换数字量对应于模拟输入电压信号的瞬时采样 值, 可直接将此数字量用于数字算法; 而电压—频率变换式数据采集系统在每一个采样时刻 读出的计数器数值不能直接使用, 必须采用相隔一定时间间隔的计数器读值之差后才能用于 各种算法, 且此计数器读值之差对应于在一定时间期内模拟输入电信号的积分值。 对于要求 动作速度较快的微机型装置应采用逐次逼近式数据采集系统。 (2)逐次逼近式数据采集系统,一旦转换芯片选定后,其输出数字量的位数不可变化 即分辨率不能再改变。而对于电压—频率变换式 VFC 数据采集系统则可以通过增大计算脉 冲时间间隔来提高其转换精度或分辨率。 (3)对于逐次逼近式数据采集系统,对芯片的转换时间有严格的要求,必须满足在一 个采样时间间隔内,快速完成数据采集,以留给微型机时间去执行软件程序。而对电压— 频率变换式 VFC 数据采集系统则不存在转换速度的问题,它是利用输入计数器的脉冲的计

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数值来获取模拟输入信号在某一时间内的积分值对应的数字量。 在使用时应注意到计数芯片 的输入脉冲频率不能超出极限计数频率。 (4)逐次逼近式数据采集系统中需要由定时器按规定的采样时刻,定时给采样保持芯 片发出采样和保持的脉冲信号, 而电压—频率变换式数据采集系统则只需按采样时刻读出计 数器的数值。 四、模拟量数据的前置处理 计算机采集的模拟量种类繁多,通过 A/D 转换器变换成数字量后送计算机。经过 A/D 转换读入的数据,以不同的通道号代表不同的物理量,存入指定的存储单元。上述数据还要 进行一系列简单处理(即前置处理) ,然后存入数据库保存。数据前置处理流程如图 2-17 所示。

图 2-17 数据前置处理流程 1.标度变换 进入 A/D 的信号一般是电平信号,但其意义却有所不同、例如同样是 5V 电压,可以代 表 90°变压器温度,也可以代表 500A 电流或 110kV 电压等。因此,经 A/D 转换后的同一 数字量所代表的物理意义是很不相同的。 所以要由计算机乘上不同的系数进行标度变换, 把 它们恢复到原来的量值。 2.数据的有效性检验 其目的是判断采入的数据是否有明显的出错或为干扰信号等。 可根据物理量的特性来判 断;例如: (1)变化缓慢的参数,可用同一参数前、后周期的变化量来判断。如后一周期内的量 变化超过一定范围,与规律不符,则可认为该数据是不可信的“坏”数据。 (2) 利用相关参数间的关系互相校核。 例如励磁电压与励磁电流之间有较强的相关性, 可以互相校核。当励磁电压升高时,励磁电流必定按一定关系上升,不符合这种情况的数据 是不可信的。 (3)对于一些重要参数,可以用两个测点或在同一测点上装两台变送器,用它们之间 的差值进行校核。差值超过一定数值的数据是不可信的。对于可疑数据,需进一步判别。 (4)限制判断。各种数据,当超过其可能最大变化范围时,该数据为不可信的。 可见,根据量值的类型,选择合适的判断方法,达到可信目的,是数据有效性检验的任 务。 3.线性化处理 有的变送器的输出信号与被测参数之间可能呈非线性关系, 为了提高测量精度, 可采取 线性拟合措施,以消除传感器或转换过程引起的非线性误差。 4.数字滤波 输入的信号中常混杂有各种频率的干扰信号。因此,在采集的输入端通常加入 RC 低通 滤波器,用于抑制某些干扰信号。RC 滤波器易实现对高频干扰信号的抑制,但欲抑制低频 干扰信号(如频率为 0.01Hz 的干扰信号)要求 C 值太大,不易实现。而数字滤波器可以对 极低频率的干扰信号进行滤波,弥补了 RC 滤波器不足。 数字滤波就是在计算机中用一定的计算方法对输入信号的量化数据进行数学处理, 减少 干扰在有用信号中的比重,提高信号的真实性。这是一种软件方法,对滤波算法的选择、滤

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波系数的调整都有极大的灵活性,因此在模拟量的处理上广泛采用。 五.模拟量数据处理 为保证模拟量数据的准确性、实时性及传输的通畅性,CPU 需对 A/D 采样的模拟量 数据进行以下方面的处理: 1)数据合理性检查。数据合理性检查是剔除个别明显不合理数据的最简单的方法,可以保 )数据合理性检查。 证后续数据处理的有效性。 进行合理性检查的依据是客观事物相互之间的联系规律, 有可能 是较复杂的函数关系,也有可能只是简单的数学或逻辑关系。例如,某台 500kV 主变压器 额定容量为 500MVA,但遥测值却显示主变压器 220kV 侧输出有功功率为 5000MW,显然 该遥测值是错误的。 数据合理性检查主要是通过软件对每个模拟量信号预先设置有效值范围 或与其他信号或定值的函数关系, 如果采样值超出有效值范围或与事先设定的函数关系不匹 配,那么该遥测值就会被作为无效数据而剔除。 2)零漂抑制及越阈值传送。用于抑制零点附近因测量不准确引起的数值波动,以减少 CPU )零漂抑制及越阈值传送。 的计算量及总线和通道数据传输量。 正常情况下, 输入测控装置的大多数遥测量随时间的变 动不大,如母线电压及恒定负载等。重复传送这些变动极小的遥测量不仅意义不大,而且加 重了两端测控装置和主机以及通讯信道的负担。为了提高效率,降低装置运算负荷,压缩需 传送的数据量, 可为遥测量设置一个阈值。 当遥测量的变动未超过规定值时就不再予以发送。 例如,某线路电流遥测量现值为 1000A,其阈值规定为 2A,5s 后测得该遥测量为 999A, 则测控装置仍将该遥测量视为 1000 A,而不向主机发送该遥测刷新数据,主机仍以原有值 1000 A 作为该遥测量值。此后,如测得该遥测量为 997 A,由于 1000-997>2,测控装置 就将该遥测量数据更新为 997,发送给主机,并应以新数据 997 为判断的新标杆值;如测得 该遥测量为 996A,由于 997-996<2,因此数据不刷新、不上送。在实际参数配置文件中 阈值大都以额定值的百分比来表示,阈值也被称为“压缩因子” ,因为采用遥测量越阈值传 送可有效压缩正常情况下的数据传输量,降低装置、主机和通道负荷。 3)越限判断。电力系统的各种运行参数有些因受约束条件的限制不能超过一定的限值。例 )越限判断。 如受到静态稳定极限的约束, 规定某线路的传输功率不能大于某一限值; 又如母线电压不允 许太高和太低, 规定了运行电压的上限值和下限值。 这些被设置了限值的运行参数如超越限 值,测控装置会马上告警,并记录越限发生时间的时标和数值。当遥测量重新恢复正常时也 会记录恢复的时间和数值。 4)越限死区值设定。如果运行参数由于某些原因在限值附近来回波动,就会出现越限和 )越限死区值设定。 复限事件交替产生,频繁告警,这会困扰值班人员。为了缓解这种情况,可设置“越限死区 值” ,当运行参数超过上限,则判为越上限,可发出越限告警信号;只有当运行参数回落到 “死区” 以下时,才判为复限。 越限死区值是一个重要的参数,合理设定该参数不仅可消除某些运行参数在限值附近 波动时频繁告警对值班人员的困扰,而且可有效减少 CPU 的计算量及总线和通道数据传输 量。死区值的大小可根据各遥测量的具体情况而定。

第三节

开关量的输入与输出

在数据采集系统中,除模拟信号外,还有大量的以二进制数字变化为特点的信号,如断 路器、隔离开关的状态,某些数值的限内或越限、断路器的触点以及人机联系的功能键的状 态等。 开关量输入电路的基本功能就是将测控对象需要的状态信号引入微机系统, 如输电线 路断路器状态等。输出电路主要是将 CPU 送出的数字信号或数据进行显示、控制或调节, 如断路器跳闸命令和光字牌、报警信号等。

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一.开关量分类 开关量输入亦称为状态量输入或数字量输入, 其基本原理是将来自被监控对象的各种无 源触点信号经过光电耦合电路隔离后变为二进制信号。 测控装置采集的开关量信息主要分为 以下四种: 1、单位置信号 、单位置信号。主要指被监控对象产生的一些告警信号,如弹簧未储能、断路器 SF6 泄露、变压器瓦斯告警、保护装置和自动装置的动作或告警信号、交直流屏的告警信号等。 2、双位置信号。双位置遥信就是一个遥信量由两个相反的状态信号表示,一个来自动 、双位置信号。 合触点, 另一个来自动断触点, 因此双触点遥信需要用两位二进制代码来表示。 “10” 和 “01” 为有效代码,分别表示合位和分位; 11” 和“00” 为无效代码。采用 2 位比特的双位 “ 置信号比采用 1 位比特的单位置信号多 1 倍的信息量, 增加了信号码元的抗干扰能力, 提高 了状态信号传输过程中的可靠性, 可有效避免单位置信号可能引发的状态信号误判断, 从而 减少遥信误发概率。 目前高压/超高压电气间隔的断路器、 隔离开关、 接地开关的位置信号均采用双位置触 点采集,而在中低压系统中出于成本考虑,除了断路器仍采用双位置信号外,隔离开关和接 地开关可采用单位置信号,以节省测控装置须配备的开入点数量。 3、编码信号 、编码信号。该类信号在变电站使用较少,一般仅用于变压器或消弧线圈挡位信号的 采集。挡位信息多采用 BCD 编码方式。其中,每位 BCD 码用 4 位二进制信号表示。变压 器挡位一般不会超过 19 挡,用 5 个二进制位即可准确表示挡位数,占用 5 个开入量,例 如 6 挡、12 挡、18 挡用 BCD 编码表示分别为 00110、10010、11000。采用编码输入方式, 可有效节省采集挡位信号所需开入点数量,缺点是需进行解码。 4、脉冲量输入 、脉冲量输入。脉冲量输入一般采集统计电能量,用于接收脉冲式电能表的脉冲输出, 并累加后上送至变电站综自的站控层。 就测控装置而言, 脉冲量输入与信号量输入的原理完 全相同, 因此很多型号测控装置并没有将信号输入和脉冲量输入做物理上的区分, 只需通过 参数组态软件把开入量属性改为脉冲量即可。 由于存在脉冲易丢失, 且丢失后须人工置数校 正等诸多缺陷,脉冲量输入方式和脉冲式电能表基本被淘汰,取而代之的是智能型电能表, 通过 RS-4 8 5 串行通信方式读取电度量。 脉冲信号的特殊应用是脉冲校时。校时方式是广播对时+分脉冲(秒脉冲)校准,测 控装置的 CPU 模块配有脉冲校时接口,脉冲的上升沿使 CPU 时钟在毫秒级归零。 二.开关量输入电路配置图

图 2—18

开关量输入电路配置图

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由图 1—18 可知,开关量输入电路由信号调节电路、控制逻辑电路、驱动电路、地址译 码电路、隔离电路等组成。开关量输出电路与输出电路基本一样。 开关量信号都是成组并行输入(出)微型机系统,每组一般为微型机系统的字节,即 8、 16 或 32 位,对于断路器、隔离开关等开关量的状态,体现在开关量信号的每一位上,如断 路器的分、合两种工作状态,可用 0、1 表示。下面我们介绍开关量输入及输出电路的几个 主要问题。 1)滤波消抖电路与信号调节电路 ) 当开关量作为输入信号, 因长线及空间产生干扰信号时, 可能会使状态发生错误。 为此, 需增加滤波消除噪声,图 2—19(a)是电路之一。图 2—19(b)(c)为未采用滤波及采用 、 滤波后的输入输出波形,在加入了滤波电路及施密特触发器后,输出消除了干扰信号。

图 2—19 消抖电路说明 (a) 消噪声电路; (b)未采用消噪电路的输出波形, (c)采用消噪电路的输出波形 2)光电隔离技术的应用 ) 现场开关量与逻辑电路之间要采用电隔离技术。 主要是因为: ①使低压输入电路与大功 率的电源隔离;②外部现场器件与传输线同数字电路隔离,以免计算机受损;③限制地回路 电流与地线的错接而带来的干扰;④多个输入电路之间的隔离。常用方法有以下两种: (1)光电隔离 最常用的是利用光电耦合器作为开关量输入计算机的隔离器件时, 其简单接线原理图如 图 2—20 所示。当有输入信号时,二极管导通,发出光束,使光敏三极管饱和导通,于是输 出端 U0 表现一定电位。在光电耦合器件中,信息的传递介质为光,但输入和输出都是电信 号,由于信息的传递和转换的过程都是在密闭环境下进行,没有电的直接联系,它不受电磁 信号干扰,所以隔离效果比较好。

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图 2—20 光电耦合器原理接线图 (a)输出为高电平 (b)输出为低电平 (2)继电器隔离 对于发电厂、变电站现场的断路器、隔离开关、继电器的辅助触点和主变压器分接开关 位置等开关信号,输入至微机系统时,也可通过继电器隔离,其原理接线图如图 2—21 所示 (示出两路) 。

图 2—21 采用继电器隔离的开关原理接线图 (a)现场开关辅助触点输入电路 (b)继电器触点输出 利用现场断路器或隔离开关的辅助触点 S1、S2 接通,去启动小信号继电器 K1、K2,然后 由 K1、K2 的触点 K1-1、K2-1 等输入至微机系统,这样做可起到很好的隔离作用。输入至 微机系统的继电器触点,可采用与微机系统输入接口板配合的弱电电源 UC。 3) 驱动控制与端口地址译码问题 、驱动控制与端口地址译码问题 ) 、 微处理器在进行系统扩展时,为了正确地进行数据的 I/O 传送,必须解决总线的隔离和 驱动问题。通常总线上连接着多个数据源设备(向总线输入数据)和多个数据负载设备(向 总线输出设备) 。但是,在任一时刻只能进行一个源和一个负载之间的数据传送,此时要求 所有其他设备在电性能上与总线隔离, 这就是总线隔离问题。 此外, 由于微处理器功率有限, 故每个 I/O 引脚的驱动能力亦有限。因此,为了驱动负载,往往采用缓冲器/驱动器。 多数的 CPU 的 I/O 指令可以用 16 位有效地址 AB0~AB15, 可寻址 0~65535 个地址单元, 简称 64KB 的地址范围,例如 MCS—51 系列和 MCS—96 系列单片机都采用 16 位多路复用 地址总线。但 IBM PC 系列机的输入/输出指令只用 AB0~AB9 十位地址来表示输入/输出空 间,因此其输入/输出端口地址仅为 0~1023,即 1KB,其中前 512 个地址(000~1FFH)被 主板上的输入/输出接口使用,其余 000~3FFH 可以为插在插槽中的输入/输出通道使用,其 中又有部分被通用外部设备占用,例如并行打印机、彩色显示适配器都需占用输入/输出端 口。若用户需要扩展专用的输入/输出通道,应从尚未使用的端口地址中选择。 为减少信息传输线的数目, 大多数微机系统中信息输出均采用总线形式, 即凡要传输的

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同类信息都走同一组传输线,且信息是分时传送的。在微机系统中一般有三组总线,即数据 总线、地址总线和控制总线。为防止信息相互干扰,凡挂在总线上的寄存器或存储器等,它 的输出端不仅能呈现 0、1 两个信息状态,而且还应能呈现第三种状态——高阻抗状态(又 称高阻状态) ,即此时好像它们的输出被开关断开,对总线状态不起作用,此时总线可由其 他器件占用。 另外, 微机输出的数据在系统总线上只能存在很短的时间, 接口电路必须及时将数据接 收并保持,因此常用锁存器。所谓锁存器,就是具有记忆功能的置位/复位触发器。上述的 缓冲器,仅在控制端为低电平时,输出与输入同相位,但无记忆功能。锁存器的本质是一种 触发器,具有记忆功能,一经触发就将输入信号锁存输出端,输入端信号再发生变化不影响 输出端状态。锁存器主要应用于 CPU 数据输出接口。CPU 输出数据线性在总线上存在时间 极短, 外设工作速度很慢, 接口电路中的锁存器必须及时将数据记忆保存, 然后再送往外设。 常用的锁存器集成芯片有 74LS273、74LS373、74LS374、74LS377 等,它们都是由 8 个 D 触发器组成的,简称 8D 锁存器。 当微处理器内部各功能部件不能满足应用系统的要求时,在片外连接相应的外围芯 片, 对微处理器的功能扩展以满足应用要求。 微机系统扩展主要有程序存储器、 数据存储器、 并行 I/O 口、串行口及串行总线扩展等。在变电站综合自动化系统中,往往需要扩展输入/ 输出接口电路,因此就存在一个地址译码问题。常用的译码器有 74HC138、74HC139 等。 简单的开关量输入/输出电路 三.简单的开关量输入 输出电路 (一)开关量输入电路 开关量输入电路包括断路器和隔离开关的辅助触点、 跳合闸位置继电器接点、 有载调压 变压器的分接头位置等输入、 外部装置闭锁重合闸触点输入、 装置上连接片位置输入等回路, 这些输入可分成两大类: (1)安装在装置面板上的接点。这类接点包括在装置调试时用的或运行中定期检查装 置用的键盘接点以及切换装置工作方式用的转换开关等。 (2)从装置外部经过端子排引入装置的接点。例如需要由运行人员不打开装置外盖在 运行中切换的各种压板,转换开关以及其他装置和操作继电器等。 对于装在装置面板上的接点,可直接接至微机的并行口,如图 2—22 所示。只要在可初 始化时规定图中可编程的并行口的 PA0 为输入端,则 CPU 就可以通过软件查询,随时知道 图 2—22 外部接点 K1 的状态。

图 2—22 开关量输入电路原理图 (a)装置内接点输入回路 (b)装置外接点输入回路 对于从装置外部引入的接点,如果也按图 2—22(a)接线将给微机引入干扰,故应经 光电隔离如图 2—22(b)所示。图中虚线框内是一个光电耦合器件,集成在一个芯片内。 当外部接点 K1 接通时,有电流通过光电器件的发光二极管回路,使光敏三极管导通。K1 打开时,则光敏三极管截止。因此,三极管的导通与截止完全反映了外部接点的状态,如同 将 K1 接到三极管的位置一样,不同点是将可能带有电磁干扰的外部接线回路和微机的电路

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部分之间无直接电的联系, 而光电耦合芯片的两个互相隔离部分的分布电容几个微微法, 因 此可大大消弱干扰。 (二)开关量输出电路 开关量输出(简称开出)主要包括保护的跳闸出口、本地和中央信号以及通信接口、打 印机接口等,一般都采用并行接口的输出来控制有接点继电器(干簧或密封小中间继电器) 的方法,但为提高抗干扰能力,最好也经过一级光电隔离, 对于通信接口、打印机接口等装置内部的数字信号,可以采取如图 2-23 所示(a)的 接法。由于不是直接控制跳、合闸,实时性和重要性的要求并不是很高,所以可用一个输出 逻辑信号控制输出数字信号。 这里光电耦合器的作用是既实现两侧电气的隔离, 提高抗干扰 能力,又可以实现不同逻辑电平的转换。 对于保护的跳闸出口、本地和中央信号等,微机保护装置通过数字量输出的 “0”或“1” 状态来控制执行回路(如报警信号或跳闸回路继电器触点的“通” 或“断”。开关量输出 ) 接口的作用是为正确地发出开关量操作命令提供输出通道, 并在数字式装置内外部之间实现 电气隔离, 以保证内部弱电电子电路的安全且减少外部干扰。 一种典型的使用光电耦合器件 的开关量输出接口电路如图 2-23 所示(b) 所示(仅绘出一路) 。由软件使并行口输出“0” , 发光二极管导通,光敏三极管导通,出口继电器 KCO 励磁,提供一副空触点输出。 继电器线圈两端并联的二极管称为续流二极管。它在 CPU 输出由“0”变为“1” ,光敏 晶体管突然由“导通”变为“截止”时,为继电器线圈释放储存的能量提供电流通路,这样 一方面加快继电器的返回, 另一方面避免电流突变产生较高的反向电压而引起相关元件的损 坏和产生强烈的干扰信号。

图 2-23 开关量输出电路 (a)数字信号输入/输出接口; (b)使用光电耦合器件的接口电路 为了防止因保护装置上电 (合上电源) 或工作电源不正常通断在输出回路出现不确定状 态时,导致装置发生误动。对控制用的光隔导通回路采用异或逻辑控制,其电路如图 2-24 所示。

图 2—24

装置开关输出回路接线图

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只要通过软件使并行口的 PB0 输出“0” PB1 输出“1” , ,便可使与非门 H1 输出低电 平,光敏三极管导通,继电器 K 被吸合。 在初始化和需要继电器 K 返回时,应使 PB0 输出“1” PB1 输出“0” , 。 设置反相器 B1 及与非门 H1 而不将发光二极管直接同并行口相连,一方面是因为并行 口带负载能力有限, 不足以驱动发光二极管, 另一方面因为采用与非门后要满足两个条件才 能使 K 动作,增加了抗干扰能力。为了防止拉合直流电源的过程中继电器 K 的短时误动, 将 PB0 经一反相器输出,而 PB1 不经反相器输出。因为在拉合直流电源过程中,当 5V 电 源处于某一个临界电压值时, 可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成自动装置误动作, 特别是 自动装置的电源往往接有大量的电容器,所以拉合直流电源时,无论是 5V 电源还是驱动继 电器 K 用的电源 E,都可能相当缓慢的上升或下降,从而完全可能来得及使继电器 K 的接 点短时闭合。由于采用上述接法后,两个反相条件的互相制约,可以可靠地防止误动作。 四.开关量变位的检测 变电站断路器的状态平时一般很少变动。 如果终端装置重复发送内容不变的开关量数据 给变电站层或调度端就没有多大意义,并且占用了信道和装置的工作时间。但是,一旦变电 站故障或其它原因使断路器动作,其状态发生变化,必须及时传向变电站层或调度端,以利 于事故的处理。因此,开关量信息一般可采用无变位时不发送;一旦发生变位,则插入传送 的方式。 开关量信息在采集和处理上有不同的方式: 检查设备状态是否变位, 常采用软件定时扫 查和变位触发。在软件扫查方式中,CPU 不断扫查各断路器的状态,如发现有变位就予以处 理。在硬件变位触发中断方式中,以专用的硬件对断路器位置状态进行监视,如发现变位就 申请中断,由 CPU 进行处理。 1.定时扫查方式 开关量信息不同于模拟量信息, 它不是随时随刻都在变化。 通常情况下状态是不变化的, 而状态的改变往往又是瞬时完成的。因此对开关量采集时,CPU 定时对开关量扫描,所得数 据存入内存的开关量数据区。 检查开关量是否变位就是检查开关现在的状态是否和上一次相 同。因此 CPU 必须不断地对开关量扫描,将开关量数据读入后,还必须和内存中原有的相应 数据进行对比。如两者相同,开关量无变位,则不作处理。如两者不相同,说明有断路器变 位,于是就把内存中相应的开关量数据更新,并对变位开关进行必要的处理。 通常系统对开关量采集有一分辨率的指标,即对同一开关量的前后两次扫查的时间间 隔。 根据分辨率可以设定开关量扫查的时间间隔, 一般将开关量扫查置于实时时钟中断服务 程序中,每一个等时间间隔,如 1~10ms,都要对全部的开关量进行一次扫查,这样构成的 扫查方式为定时扫查方式。 开关量定时扫查模式在每一个定时间隔中都要进行全开关量扫查,如果采集的开关量 大,同时要求分辨率高,则会加重 CPU 的负荷,影响 CPU 对其他中断的响应速度,延长程序 的执行时间,降低了实时性。这些问题的解决通常采用智能开关量采集,即用一 CPU 专门负 责开关量采集,构成多 CPU 系统结构。如果是单 CPU 结构系统,要有高的开关量分辨率,同 时又有整体的实时性,则可以开关量变位触发方式加以实现。 2.变位触发中断方式 用专用硬件来监视断路器变位,其主要特点是反应快,同时也节省了软件扫查方式中 CPU 用于扫查的时间。当断路器变位时,断路器辅助触点位置发生变化,同时向 CPU 提供相 应的断路器跳闸变位信息或申请中断。8279 芯片发现有断路器变位时,就提出中断申请。 CPU 响应这一中断申请后,从传感器中读取断路器状态数据,并与内存中开关量数据区所存 的内容比较以确定发生变位的断路器, 更新内存中开关量数据区的内容, 同时记下断路器变

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位的时间,并对变位开关量作必要的处理。 第四节 人机对话电路

在间隔层装置中,人机对话的主要内容有显示画面与数据、输入数据、人工控制操作和 诊断与维护等。 (1)显示画面与数据:包括时间日期;报警画面与提示信息;装置工况状态显示;装 置整定值;控制系统的配置显示,包括退出运行的装置的显示以及信号流程图表;控制系统 的设定显示等内容。 (2)输入数据:包括运行人员的代码和密码;运行人员密码更改;装置定值的更改; 控制范围及设定的变化;报警界限;告警设置与退出;手动/自动设置;趋势控制等。 (3)人工控制操作:包括断路器及隔离开关操作;开关操作排序;变压器分接头位置 控制; 控制闭锁与允许; 装置的投入和退出; 设备运行/检修的设置; 当地/远方控制的选择; 信号复归等。 (4)诊断与维护:包括故障数据记录显示;统计误差显示;诊断检测功能的启动。 现代的自动化装置普遍采用多微处理器系统来实现其不同的监控功能, 同时还具有与电 力系统自动化网络相联系的微机系统接口。 按功能划分, 人机对话的硬件电路主要有指键盘 响应电路、显示器电路、打印机驱动电路、通信电路等。 一、键盘响应电路 键盘响应电路如图 2—25 所示,该电路采用非编码矩阵式键盘,设有 16 个按键,按照 4 行 4 列构成,在行与列交叉处接入开关式按键。其中按键的行号由并行口 8256 的 P2 口的 P2.4~P2.7 来提供,列号由经过双向数据缓冲器与微处理器数据总线的低四位相连来提供。

图 2—25 键盘响应电路原理图 键盘响应处理包括以下三个内容: (1)落键识别:判断图中 16 个按键是否有按键落下,当有按键落下时,并行口 8256 芯片的 P2 口的四根线 P2.4~P2.7 中有一个为低电位,得到按键的行号,然后,再从双向数 据缓冲器 74LS245 读入按键的列号,从而确定下落按键的位置;当没有按键落下时,D0~ D3 全是“1” 。且并行口 8256 芯片的 P2 口的 P2.4~P2.7 全都是“1” 。利用软件识别可有效 地消除按键下落时的抖动问题。 (2)键号的识别:采用行扫描和列扫描技术可确定出下落按键的位置,并利用查表技 术获得该下落按键所对应的操作指令,通知给人机对话的微处理器执行相应的按键功能命 令。 (3)落键处理:利用软件来实现当按下键释放后,才能接收下一个按键对应的指令。 二、液晶显示电路

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液晶显示器也叫 LCD 显示器。在变电站综合自动化系统装置屏上,基本都含有液晶显 示电路,便于装置的就地操作和控制。 (一)LCD 的基本结构及工作原理 液晶显示器的结构如图 2—26 所示。在上、下玻璃电极之间封入向列型液晶显示材料, 液晶分子平行排列,上下扭曲 90°,外部入射光线通过上下偏振片后形成偏振光,该偏振 光通过平行排列的液晶材料后被旋转 90°,再通过与上偏振光垂直的下偏振片,被反射板 反射回来, 呈透明状态。 当上下电极加上一定的电压后, 电极部分的液晶分子转成垂直排列, 失去旋光性,从上偏振片入射的反射光不被旋转,光无法通过下偏振片返回,因而呈黑色。 根据需要,将电极做成各种文字、数字、图形,就可以获得各种状态显示。

图 2—26 液晶显示回路 (a)液晶显示器 (b)液晶显示回路 (二)LCD 显示电路 液晶显示电路以菜单的形式显示出各个键盘操作及执行的结果, 给使用人员调试和检修 微型机装置提供方便,使人机联系更加直观。液晶显示电路如图 2—27 所示。该电路主要由 多功能异步通信接收发送器芯片的两个并行口控制。 图中并行口 8256 芯片的 P1 口工作在输 出方式,P2.0~P2.7 提供液晶显示器的数据,而 P1 口 P1.4、P1.5、P1.6 三条线,作为液晶 显示器的控制线。

图 2—27 液晶显示模块硬件电路图 点阵式液晶显示器具有体积小,功耗小,接口简单,在许多的电子仪器中得到应用。在 液晶显示屏上可并列排放着若干点阵的字符显示位, 每一位显示一个字符, 根据需要将要输 出的数据或信息转换成显示符代码后,再通过 8256 芯片的 P2 口将需要显示的数据输送给 不同的显示位上。 三、打印机的接口电路 打印机作为一种输出设备,在人机联系构成中发挥着主要的作用。在调试方式下,输入 的键盘操作命令, 微型机装置可以通过打印机将执行结果打印出来, 以便于使用者了解装置 是否正常运行,在运行方式下,电力系统发生故障后,打印机可以将有关故障的信息,动作 行为和采样报告打印输出,为事故分析提供动作信息,如微机型故障录波装置。打印机的选 择可根据需要来选择其型号, 打印机与微处理器的联络主要有两个方面的内容: 一是数据线 之间的联系的接口电路设计; 二时打印机与微处理器之间的应答控制信号之间的接口电路设 计。接口电路原理图见图 2-28 所示。

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图 2-28 打印机接口电路图 微机系统的数据总线 D0~D7 经过 74LS393 锁存后,其输出端经过光电耦合隔离芯片后 与打印机的数据输入线相连接。打印机的选通信号由微处理器上的并行口 P1 口的输出线 P1.2 经过 74LS02 或非门及光电隔离芯片后发出。来自打印机的响应控制信号忙经过一光电 耦合隔离芯片和电源引入至微处理器并行口的输入线。 图中锁存器的选通信号由线和口地址 译码器 74LS139 输出的信号通过 74LS02 或非门后来提供。 当执行向打印机传递数据的命令 时,线和口地址译码器输出信号同时为地电平,选通数据锁存器 74LS393,则数据锁存器将 其锁存的数据送至打印机的数据线上。 第五节 间隔层装置软件常用算法介绍

间隔层装置的硬件系统是软件的工作平台, 装置的功能主要靠软件实现。 本节以微机保 护装置为例描述软件结构及常用算法。 一、 微机保护的程序结构 微机保护软件是微机保护装置的主要组成部分,它涉及到继电保护原理、算法、数字滤 波以及计算机程序结构。典型的微机继电保护程序结构框图如图 2-29 所示。

图 2-29 微机保护程序结构示意图 保护 CPU 程序的整体结构主要包括主程序、采样中断服务程序和故障处理程序。正常 时运行主程序,同时每隔 5/3ms 采样间隔时间(每周期 12 点)执行一次采样中断服务程序, 在采样程序中进行模拟量采集与滤波、开关量的采集、装置硬件自检、交流电流断线判据的 计算,并判断相电流差突变量启动元件是否动作。 如果启动元件不动作,采样中断程序执行完后,正常返回主程序。正常运行时,程序中 进行采样值自动零漂调整及运行状态检查。 运行状态检查包括交流电压断线、 检查开关位置 状态、重合闸充电等,不正常时发报警信号。报警信号分两种,一种是运行异常报警信号, 这时不闭锁保护装置,提醒运行人员进行相应处理;另一种为闭锁报警信号,报警的同时将 保护装置闭锁,保护退出。 如果启动元件动作, 采样中断程序执行完后转入执行故障处理程序, 故障计算程序中进 行各种保护的算法计算、 跳闸逻辑判断以及事件报告、 故障报告及波形的整理。 在此过程中,

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依然每隔 5/3ms 采样间隔时间执行一次采样中断服务程序, 直到保护整组复归, 返回正常运 行的主程序。 微机保护装置程序基本工作原理如图 2—30 所示。图中应用 MATLAB 对故障进行仿 真,得出从正常运行到故障及故障切除的全过程。在图中,对照采样时间序列可以看出正常 和故障处理中程序的基本运行过程。

图 2-30 保护装置程序工作过程示意图 另外,微机保护装置软件系统除实现各种继电保护功能以外,还具有其他功能,这些 功能包括以下几个方面: 1)测量功能:包括相电流、零序电流、线电压、相电压、零序电压、频率、有功和无 功测量以及电能和功率因数测量。 2)控制功能:包括断路器和隔离开关的“就地”和“远方”控制,一次设备的分合控 制,可调节设备的状态控制,自动重合闸功能等。 3)状态监测:包括操作计数、气体压力监测、断路器跳合闸、电气老化监测、断路器 运行时间记录、辅助电压监视等。 4)功能模块:具有独立的输入、输出接口。在参数化时,采用图形化方式进行,简单 有效;具有强大的 PLC 功能;可简化接线要求,是高效的编程工具。 5)事件记录:包括独立的事件生成、用户定义事件、具有事件过滤功能、事件分辨率 为一级,可以记录最近多个事件。 6)故障录波:采集故障前、故障时刻及跳闸后相关的电流、电压,相关的开关量信号、 事件等信息,供继电保护装置事故分析。 7)通信功能:前面板串行通信口(维护口)用于定值整定及参数设置,背板通信口用 于上位机系统通信。 微机监控装置软件和微机保护装置的基本原理类似, 都是把经过电流互感器 TA 和电压 互感器 TV 变换后的电流、 电压等模似信号 (连续变化) 转换为数字信号 (离散的采样序列) , 然后通过数学运算得到所需电流、电压的有效值(或峰值)和相位以及有功功率、无功功率 等量, 或者算出它们的序分量、 线路和元件的阻抗、 某次谐波的大小和相位等。 从理论上讲, 只要采样频率足够高(满足采样定理) ,就可以从采样值中获得原始信号的全部特征。那么 如何从这些采样序列中获取所需的信息呢?这就是算法所要研究的问题。

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二、算法概念 所谓算法,就是计算机将连续型的电压、电流等模拟信号经过离散采样和模数变换成 为可用计算机处理的数字量后,对这些数字量(采样值)进行分析、计算,从而得到所需电 气量参数,并实现各种保护和监控功能的方法。 研究算法的作用主要有两个:第一是提高运算的精确度。运算精度的研究,是微机型 装置理论研究的重点之一, 一个好的算法应该具有良好的一段运算精度, 只有能保证这一点, 才能达到自动化装置的判断和动作的准确性。 即需要动作时自动化装置动作, 不需要动作时, 自动化装置闭锁。 第二是提高运算的速度。 算法的运算速度将影响自动化装置检测量的检测 和自动化装置的动作速度。一个好的算法要求运算速度高,这就是说在运算时,所用的实时 数据窗短,所需采样的点数少,运算工作量少。特别是在计算暂态量时,算法的运算速度则 更为重要。然而在提高运算速度和运算精度两者之间是相互矛盾的。因此,研究算法的实质 是如何在速度与精度之间进行权衡。 保护装置和监控装置对算法的要求不同。 首先, 监控系统需要计算机得到的是反映正常 运行状态的 P、Q、U、I 等物理量,进而计算出 cos ? 、有功电能量和无功电能量。而保护 系统更关心的是反映故障特征的量,所以保护装置中除了会要求计算 U、I、 cos ? 等以外, 有时还要求计算反映信号特征的其他一些量,例如频谱、突变量、负序或零序分量、以及谐 波分量等。其次,监控系统在算法的准确上要求更高一些,希望计算出的结果尽可能准确; 而保护装置则更看重算法的速度和灵敏性,必须在故障后尽快反应,以便快速切除故障。再 者,监控系统算法主要是针对稳态时的信号,而保护系统算法主要针对故障时的信号。相对 于前者, 后者含有更严重的直流分量及衰减的谐波分量等。 信号性质的不同必然要求从算法 上区别对待。 三、保护和监控装置常用算法介绍 1、基于正弦函数模型的算法——半周积分算法 ——半周积分算法 、基于正弦函数模型的算法—— 实际应用中, 由于各种不对称因素及干扰的存在, 电流和电压的波形并不是理想的 50Hz 正弦波形,而是存在高次谐波,尤其是在电力系统故障时,还会产生衰减直流分量。但一些 较为简单的算法,考虑到交流输入回路中设有 R-C 滤波电路,为了减少计算量、加快计算 速度,往往假设电流、电压为理想的正弦波。当然这样会带来误差,但只要误差在某种应用 的允许范围内,也就是许可的。 半周积分算法的依据是一个正弦量在任意半周期的绝对值的积分是一常数 S, 并且积分 值 S 和其相角 α 无关。如图 2-31 所示,积分的起始点无论从 0 或从 α 角开始,积分半周 期的绝对值总是常数,因为图中画斜线的两块面积是相等的。

图 2-31 据此,半周期的面积可写为

半周积分算法原理
T 2

S =∫

T 2

0

2 I sin (ωt + α ) dt = ∫

0

2 I sin ω tdt
(2-5)

I =S×

ω
2 2

在半周期面积 S 求出后,可利用式(2-5)算出交流正弦量 i 的有效值。而半周期面积 S 常数可以通过图 2-32 所示的梯形算法求和算出。

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( N 2 )?1 ?1 ? 1 S = ? i0 + ∑ i k + i N 2 ?TS 2 k =1 ?2 ?

(2-6)

式中 i k 为第 k 次采样值,k=0 时,采样值为 i0 。N 为一个周期的采样点数。

图 2-32 用梯形法近似求解示意图 只要采样点数 N 足够多,用梯形法近似积分的误差可以做到很小。半周期积分算法本 身具有一定的高频分量滤除能力, 因为叠加在基波上的高频分量在半周期积分中其对称的正 负半周互相抵消,剩余的未被抵消部分占的比重就很小了。但这种算法不能抑制直流分量, 可配一个简单的差分滤波器来抑制电流中的非周期分量(直流分量) 。 半周积分算法用求和代替积分,因此必然带来误差。有资料分析结果表明,半周积分算 法误差可达 3.5%。 因此半周积分算法不能满足监控系统测量精度的要求。 但在微机保护中, 利用其运算量少的特点, 可将其作为微机保护的启动算法。 例如距离保护的电流启动元件就 是采用半周积分法计算的。 2、基于周期函数模型的算法——傅氏变换算法 ——傅氏变换算法 、基于周期函数模型的算法—— (1)傅氏变换算法的基本原理 半周积分算法的局限性是要求采样的波形为正弦波。 当被采样的模拟量不是正弦波而是 一个周期性时间函数时,可采用傅氏变换算法。傅氏变换算法来自于傅里叶级数,即一个周 期性函数 i(t)可以用傅里叶级数展开为各次谐波的正弦项和余弦项之和,计算式为

i (t ) = ∑ [a n sin nω1t + bn cos nω1t ]
n=0



(2-7)

式中 n 为自然数,n=0、1、2……表示谐波分量次数。于是电流 i(t)中的基波分量可表 示为:

i1 (t ) = a1 sin ω 1t + b1 cos ω1t
i1 (t ) = 2 I 1 sin (ω1t + α 1 )

(2-8)

基波电流 i1(t)还可以用一般表达式表示为 (2-9)

式中 I1 为基波有效值,α 1 为 t=0 时基波分量初相角。将式(2-9)中 sin(ω1t + α 1 ) 用和 角公式展开,再与式(2-8)比较,可以得到 I1 和 α 1 、a1、b1 的关系式为

a1 = 2 I 1 cos α 1 b1 = 2 I 1 sin α 1

(2-10) (2-11)

显然,式(2-10)和式(2-11)中,I1 和 α 1 是待求数,只要知道 a1 和 b1,就可以算 出 I1 和 α 1 。而 a1 和 b1 可以根据傅氏级数的逆变换求得,即

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2 T i (t )sin ω1tdt T ∫0 2 T b1 = ∫ i(t ) cos ω1tdt T 0 a1 =

(2-12) (2-13)

现在来考虑计算机中怎样用最快最简捷的加法运算来求得 a1 和 b1。计算机中就交流采 样时, 设每周采样 N 点, 采样间隔为 TS, k 次采样时刻写为 t=kTS, 第 而采样周期 T=NTS。 所以 sin ω1t = sin

2π 2π ? t = sin ? k × T N ?

? ? ,这是基波正弦的离散化表达式。于是式(2-12) ?

和式(2-13)用梯形法求和可得出

a1 =
b1 =

1 N

? N ?1 ? 2π ?? ?2∑ i (k )sin ? N k ?? ? ?? ? k =1

(2-14)

1 N

N ?1 ? ? ? 2π ? i(0 ) + 2∑ i (k ) cos? k ? + i ( N )? ? ? N ? k =1 ? ?

(2-15)

式中 i (k ) 为第 k 次采样值, i(0) 和 i( N ) 分别为 k=0 和 N 时的采样值。如果采样点选 N =12,则式(2-14)和式(2-15)化简为

6a1 = i (3) ? i (9 ) +

1 [i(1) + i(5) ? i(7 ) ? i(11)] + 3 [i(2) + i(4) ? i(10)] 2 2

6b1 =

1 [i(0) + i(2) ? i(4) ? i(8) + i(10) + i(12)] + 3 [i(1) ? i(5) ? i(7 ) + i(11)] 2 2

在 6 a1 和 6b1 式中,可将 3 2 改为(1-1/8)误差不大,但计算快得多,因为乘 1/2 和乘 1/8 都可用右移指令来实现。 这也是在微机保护中每周采样点选 12 点, 并采用傅氏算法的原因。 在监控系统中,为了提高计算的精度,采样点选为 16 点或 20 点或 24 点。 在算出 a1 和 b1 后,根据式(2-10)和式(2-11)不难得到基波的有效值和相角为

I1 =

a12 + b12 2

(2-16)

α 1 = arctg (b1 a1 )

(2-17)

(2)傅氏变换算法的滤波特性 傅氏算法的积分运算结果, 能完全滤除各种整次谐波和纯直流分量。 但实际上电流中的 非周期分量不是纯直流而是按指数规律衰减的。 由于它的非周期性, 使得傅氏算法虽然对这 些分量有一定的抑制能力, 但不能完全滤除这种按指数规律衰减的非周期分量包含的低频分 量及非整次高频分量。因此傅氏算法还必须辅以前级差分滤波,才能具有较高的精确度。 富氏算法由于原理简单, 计算精度高, 因此在变电站综合自动化系统中得到了广泛应用。 该算法存在的主要问题是数据窗较长, 需要用到一周期数据才能完成参数计算, 从而降低了 动作速度。实际上,无论采用何种参数计算算法或何种数字滤波器,要提高参数计算的准确 性,都不可避免地需要延长它们的数据窗,两者难以同时兼顾。注意到,就具体应用而言, 对参数计算的准确性和计算速度的要求常常并不是完全一致的。 以线路距离保护为例, 要求 参数计算准确主要是为了保证在保护范围末端附近发生故障时, 能有选择性地切除故障, 在

30

此情况下,对保护速动性的要求可适当降低。而对于近区故障,则要求保护能快速动作,但 可放宽对参数计算精度的要求。有鉴于此,在算法设计中,一种合理、适宜的算法是采用具 有变数据窗特点的参数计算算法或数字滤波器, 通过实时调整算法的数据窗的长度来满足对 参数计算精度和计算速度的不同要求。对于近区故障,可采用短数据窗算法,以加快保护的 动作速度, 而对于保护末端附近的故障, 则通过延长算法的数据窗长度来提高参数计算的准 确性。 总之辅以前级差分滤波的傅氏算法精度很高, 计算量也不大, 因此它是微机保护和监控 常用的一种算法。 (3)基于傅氏变换算法的功率算法 在监控程序中经常需要根据傅氏变换算法求出的电流和电压相量的实部与虚部来计算 有功和无功功率、功率因数等。根据式(2-10)和式(2-11) ,基波分量的实部与虚部与 有效值相差一个 2 系数,如图 2-33 所示。

图 2-33 计算功率的电流、电压相量

P = UI cos ? = UI cos(? u ? ? i ) = UI (cos ? u cos ? i + sin ? u sin ? i )
P= 1 (u b ib + u a ia ) 2
(2-18)

Q = UI (sin ? u cos ? i ? cos ? u sin ? i ) Q= 1 (u a ib ? u b ia ) 2 u b ib + u a i a P = 2 2 2 2 UI 2 u a + u b × ia + ib
(2-19) (2-20)

cos ? =

(4)基于傅氏变换算法的滤序算法 在微机保护系统和监控系统中,除了要计算电流、电压的正序分量外,还要计算出负序 或零序分量。微机保护可利用负序、零序分量的大小来启动保护装置;监控系统可监视系统 不对称程度或不平衡程度。 在利用傅氏变换算法计算出三相电流或电压基波分量的实部与虚部 a1A、b1A、c1A、a1B、 b1B、c1B 后,可以方便地得到负序和零序分量。 1)负序分量计算 例如: 负序电压 式中 a = e
j 2π 3

& & & & 3U 2 = U A + a 2U B + aU C ,



& & & & & 将 U 2 = a 2 + jb2 及 U A = a1 A + jb1 A ,U B = a1B + jb1B ,U C = a1C + jb1C 代入 3U 2 式
后,把其实部与虚部分开,得下式

31

3a 2 = a1 A ?

1 (a1B + a1C ) + 3 (b1B ? b1C ) 2 2

(2-21)

3b2 = b1 A ?
2)零序分量计算 例如:零序电压

1 (b1B + b1C ) ? 3 (a1B ? a1C ) 2 2

(2-22)

& & & & 3U 0 = U A + U B + U C

& & & & 将 U A = a1 A + jb1 A , U B = a1B + jb1B , U C = a1C + jb1C 代入 3U 0 式后,把其实部与
虚部分开,得下式

3a 0 = a1 A + a1B + a1C 3b0 = b1 A + b1B + b1C

(2-23) (2-24)

3、解微分方程算法 、 (1)基本原理 解微分方程算法仅用于计算阻抗。 以应用于线路距离保护为例, 它假设被保护线路的分 布电容可以忽略,因而从故障点到保护安装处的线路阻抗可用一电阻和电感串联电路来表 示。于是在短路时下列微分方程成立

u = R1i + L1

di dt

(2—25)

式中:R1、L1——故障点至保护安装处线路段的正序电阻和电感; u、i——保护安装处的电压、电流。 若用于反映线路相间短路保护,则方程中电压、电流的组合与常规保护相同;若用于反 映线路接地短路保护,则方程中的电压用相电压、电流用相电流加零序补偿电流。 式(3—37)中的 u、i 和 di/dt 都是可以测量、计算的,未知数为 R1、L1。如果在两个 不同时刻 t1 和 t2 分别测量 u、i 和 di/dt,就可得到两个独立的方程,即

u1 = R1i1 + L1 D1 u 2 = R1i2 + L1 D2
式中:D 表示 di/dt,下标“1”和“2”分别表示测量时刻为 t1 和 t2。 联立求解上述两个方程可求得两个未知数 R1 和 L1

L1 =

u 1 i 2 ? u 2 i1 i2 D1 ? i1 D2 u 2 D1 ? u1 D2 i2 D1 ? i1 D2

(2—26)

R1 =

(2—27)

在用微机处理时,电流的导数可用差分来近似计算,最简单的方法是取 t1 和 t2 分别为 两个相邻的采样瞬间的中间值,如图 2—34 所示。

32

图 2—34 用差分近似求导数法 于是近似有

D1 =

i n + 1 ? in Ts in + 2 ? i n + 1 Ts

D2 =

电流、电压取相邻采样的平均值,有

i1 =

in + i n+ 1 2 in +1 + in+ 2 2 u n + u n+1 2 u n+1 + u n+ 2 2

i2 =

u1 =

u2 =

从上述方程可以看出, 解微分方程法实际上解的是二元一次代数方程, 带微分符号的量 D1 和 D2 是测量计算得到的已知数。有的文献称这种方法为 R—L 串联模拟法。 (2)对解微分方程算法的分析和评价 解微分方程算法所依据的微分方程式(2—25)忽略了输电线路的分布电容。由此带来 的误差只要用一个低通滤波器预先滤除电压和电流中的高频分量就可以基本消除。 因为分布 电容的容抗只有对高频分量才是不可忽略的。 以条具有分布参数的输电线路,在短路时保护装置所感受到的阻抗为

Z ( f ) = Z C 1th(rd )
式中: Z C 1 ——输电线路的正序波阻抗;

(2—27)

r——每公里的正序传输常数; d——短路点到保护安装处的距离,km。 从式(2—27)可见,继电器感受的阻抗与短路点不成正比。但在 rd 较小时,有

th(rd ) ≈ rd ,于是式(2—27)简化成 Z ( f ) ≈ (r1 + jωL1 )d = R1 + jωL1
(2—28)
33

这说明只要以上简化条件成立, 则在相当宽的一个频率范围内, 忽略分布电容是容许的。 解微分方程算法可以不必滤除非周期分量, 因而算法时窗较短。 且它不受电网频率变化 的影响。但当将这种算法和低通滤波器配合使用时,它将受信号中噪声影响比较大。 4.突变量电流算法 . 在目前使用的高压输电线路的微型机保护装置中, 使用突变量电流元件来启动微型机继 电保护的故障处理元件, 使保护装置在系统发生故障时, 把保护的工作软件程序转移到故障 处理部分,经过分析和计算来决定微型机继电保护装置是否应动作。 1.启动元件算法 作为继电保护装置的启动元件,应能对系统发生不同类型的故障时,做出正确的反映, 并使启动元件动作, 完成启动继电保护装置的任务。 在高压输电线路的微机型继电保护装置 中采用两相电流差的突变量作为启动元件的。启动元件用 DII 来表示,其算法是:

?I ab = i abk ? iab ( k ? N ) ? i ab ( k ? N ) ? iab ( k ? 2 N ) ?I bc = ibck ? ibc ( k ? N ) ? ibc ( k ? N ) ? ibc ( k ? 2 N ) ?I ca = icak ? ica ( k ? N ) ? ica ( k ? N ) ? ica ( k ? 2 N )
式中: iabk = i ak ? ibk , ibck = ibk ? ick , icak = ick ? iak ; N――工频 50Hz 每周期的采样点数; (2-29)

iak , ibk , ick ――当前时刻电流的采样值;
iab (k ? N ) , ibc ( k ? N ) , ica ( k ? N ) ――前一个周期电流在对应采样时刻的采样值; i ab ( k ? 2 N ) , ibc ( k ? 2 N ) , ica ( k ? 2 N ) ――前两个周期电流在对应采样时刻的采样值。
现在以 ?I ab 为例来说明其动作情况。当系统正常运行时,由于 iabk 与 iab ( k ? N ) 和 i ab ( k ? 2 N ) 的值相等,所以 ?I ab =0,启动元件不动作。当系统正常运行时,若系统频率发生了变化, 偏离 50Hz 时,则 iabk 与 iab (k ? N ) 和 i ab ( k ? 2 N ) 的值将不相等。即此时 iabk 与 iab (k ? N ) 两个采样值 不是相差一个周期的采样值。这样使 iabk 与 iab (k ? N ) 出现差值,同样 iab (k ? N ) 和 i ab ( k ? 2 N ) 也出现 差值,这两个差值的绝对值相差不大,而使 ?I ab 的值很小,启动元件不动作,见图 2-35 所示。

图 2-35

正常运行系统频率变化时电流的采样值

当系统发生故障时,由于故障电流增大,那么 iabk 将增大 ,而此时 iab (k ? N ) 和 i ab ( k ? 2 N )
34

是故障前的负荷电流,但 iabk - iab (k ? N ) 则反映出因故障所产生的突变量电流, iab (k ? N ) -

i ab ( k ? 2 N ) 的值仍很小。所以系统故障时,起动元件根据故障的相别至少有一个将动作。起动
元件反映了故障电流突变量,见图 2-36 所示。

图 2-36 系统故障时电流的采样值 在早期的微机型继电保护装置中, 通常采用相电流的采样值按上述方法实现突变量电流 起动方式。相对比不难看出,利用相电流差即线电流突变量起动方法有以下两种好处: (1)提高了起动元件对于各种相间故障动作的灵敏度。 (2)提高了抗共模干扰的能力。即两相电流差可抵消在两相的模拟量数据采集通道上 的共模干扰。 采用突变量电流起动方式, 在系统刚开始发生故障时, 起动元件动作, 而在故障发生后, 起动元件不一定动作,即不一定满足动作条件。 2.非全相运行时,健全相电流差的突变量算法 在高压输电线路微机型继电保护装置中,称为 DI2 起动元件。它是判断系统非全相运 行时,健全相是否又发生了故障。 在系统输电线路发生单相接地故障时, 为了防止系统解列, 保护装置切除了故障线路的 故障相,此时故障线路非全相运行,针对健全相可能还会出现发展性故障,微机型继电保护 装置采取的再次起动对策是用下面介绍的起动元件即非全相运行, 健全相电流差突变量起动 元件的算法。 若 A 相发生单相接地故障,健全相 B、C 相运行,起动元件为

DI 2 = ibck + ibc ( k ? N / 2 ) ? ibc ( k ? N / 2 ) + ibc (k ? N )
式中:

(2-30)

ibck ――当前时刻的 B、C 两相电流采样值之差; ibc ( k ? N / 2 ) ――与当前采样时刻相差半个周期前 B、C 两相电流采样值之差; ibc ( k ? N ) ――与当前采样时刻相差一个周期前 B、C 两相电流采样值之差。

如图 2-37 所示,当健全相无故障时,那么在当前时刻,半周波前,一周波前,对应时 刻的采样值绝对值接近相等,但符合相反,所以起动元件 DI2 的值接近零,不起动。 如图 2-38 所示,当健全相出现故障时,无论是 B 相,还是 C 相接地,当前时刻,半 周波前, 对应时刻的采样值的绝对值相差较大, 而当前时刻的半个周波采样时刻值与当前时 刻前一个周期采样时刻的采样值的绝对值相差不大,但符合相反,所以在此种情况下,起动 元件 DI2 的值很大,使该起动元件可靠地动作。

35

图 2-37

正常运行时 B、C 相瞬时值关系

图 2-38 故障时 B、C 相瞬时值关系 针对另外两种运行方式,即 B 相发生接地故障,A、C 相健全和 C 相发生单相接地,A、 B 两相健全,所采取的起动对策是

DI 2 = icak + ica ( k ? N / 2 ) ? ica ( k ? N / 2 ) + ica ( k ? N ) DI 2 = i abk + iab ( k ? N / 2 ) ? i ab ( k ? N / 2 ) + i ab ( k ? N )

(2-31)

由此可见,对于输电线路发生单相接地故障,切除故障相后,在非全相运行方式下,利 用健全相电流突变量起动算法,当线路再次发生发展性故障时,起动元件可靠地动作,起动 微机型继电保护的故障处理程序,提高微机型继电保护动作的可靠性、速动性和选择性。 四、数字滤波器及其应用 1、数字滤波器含义 所谓滤波是从含有噪声的信号中提取有用信号的过程。而滤波器就广义来说是一个装 置或系统, 用于对输入信号惊醒进行某种加工处理, 以达到取得信号中的有用信息而去掉无 用成分的目的。 模拟滤波器是应用无源或有源电路元件组成的一个物理装置或系统; 数字滤 波器是将输入的模拟信号经过采样和模数转换变成数字量后, 进行某种数学运算去掉信号中 的无用成分,然后再经过数模转换得到模拟量输出。 在微机保护中,原则上可选择模拟滤波器和数字滤波器。但是微机保护系统都工作在 故障发生后的最初瞬变过程中, 这时的电压和电流由于混有衰减的直流分量和复杂的成分而 发生严重的畸变。 目前大多数微机保护装置的原理建立在反映正弦基波或某些整次谐波基础 之上, 所以滤波器一直是继电保护装置的关键器件。 目前所使用的微机保护几乎毫无例外地 采用了数字滤波器。 2、数字滤波的作用和优点 输电线路的电压和电流经过 TV 和 TA 引至保护装置, 再经过变换器 (小 TV、 TA) 小 变换并转换成电压信号后, 一般要经过一级模拟低通滤波器进行滤波处理, 然后对滤波后的 连续型信号进行采样、 量化和计算, 设置在采样前的模拟低通滤波器主要作用是为了防止频 率混叠,其截止频率一般较高。保护装置对输入信号进行采样保持和 A/D 转换后,一般还 需经过一级数字滤波。数字滤波,则是直接对输入信号的离散采样值进行滤波计算,形成一 组新的采样序列, 然后根据新采样值进行参数计算。 采用数字滤波器可以抑制数据采集系统

36

引人的各种噪声,例如模数转换的量化噪声。中间变换器励磁电流引起的波形失真;另一方 面, 微机保护子系统都工作在故障发生后的最初瞬变过程中, 这时的电压和电流信号由于混 有衰减直流分量和复杂的成分而发生严重的畸变。 目前大多数保护装置的原理是建立在反映 正弦基波或某些整次谐波基础之上,采用数字滤波器可以极大限度地抑制各种非工频分量, 以提高计算精度。实际上,数字滤波器和算法的有机结合可以使微机保护的性能得到提高。 所以微机保护几乎毫无例外地采用了数字滤波器。 数字滤波器与模拟滤波器相比具有如下优点: 1) 因为其不需要物理元件,故不存在着元件特性的差异,一旦程序设计完成,装置的 特性将完全一致。 2) 具有良好的工作可靠性,稳定性好、频率范围宽,不存在元件老化问题,温度变化 对数字滤波器特性没有影响。 3) 具有相当好的工作灵活性,当要改变滤波特性时,只要改变程序中的算法或某些滤 波系数即可实现。 4) 因为其不需要物理元件,其将不存在阻抗匹配的问题。 5) 提高保护的精度。采用数字滤波器可以极大限度的抑制各种非工频分量,数字滤波 器和算法的有机结合可以使继电保护的性能得到提高。 6) 易于实现小型化、集成化、标准化。 3、数字滤波器的构成 如果输入信号是抽样或量化信号 x(n),则对输入信号的频谱进行“数字滤波” ,如图 2 -32 所示。如果输入信号是经编码后的二进制数字信号,此时可以通过数字系统按预定的 逻辑完成如上所述离散系统同样的滤波功能。 当然数字计算机或微处理机是一个通用的数字 处理器,可以根据要求将运算“程序”输入到计算机中去;控制计算机的数字逻辑电路构成 数字滤波器,以完成数字滤波的功能。

图 2-32 数字滤波框图 如果待处理的信号是连续信号, 此时, 我们或者通过抽样把连续信号变成抽样序列 进行处理,或者通过模一数转换器,即 A/D 变换器,对连续信号进行抽样,量化、编码, 变成二进制数字序列, 这时每个样值对应于一定长度的二进制码组, 利用数字电路或数字计 算机进行处理。但是,有些器件所构成的数字滤波器允许直接输入连续信号,它能够对连续 信号进行离散时间处理。 按数字滤波器的构成方式可把它分成两类: (1) 递归式数字滤波器。 该种数字滤波器的输出值不但取决于输入值和过去的输入值, 而且还取决于过去的输出值; (2)非递归式数字滤波器。该种数字滤波器的输出值仅取决于输入值。 4、几种常用的数字滤波器 (1)差分滤波器(减法滤波器) 设 TS 为采样周期,x(nTS)为 t=nTS 时的输入数据(采样值) ,x(nTS-KTS)为前 K 个 TS 时刻(即 t=nTS-KTS 时)的输入数据,y(nTS)为 t=nTS 时的滤波器输出,则差分滤波器的

37

差分方程为

y (nTS ) = x(nTS ) ? x(nTS ? KTS )

(2-32)

,所以可将 x(nTS)、y(nTS)直接写成 x (n) 、 y (n) ,上 由于保护中采样间隔是均匀的(为 TS) 式可写成

y ( n ) = x ( n) ? x ( n ? K )

(2-33)

式(2-33)就是差分滤波器的数学模型,它是一个 K 阶差分方程,其数据窗长度为 K (或 KTS) 。它表明该滤波器与前行输出无关,所以这种滤波器是非递归型数字滤波器。我 们可以用图 2-39 来说明滤波的原理。设输入信号中含有基波,其频率为 f 1 ,也含有 m 次 。输入信号 x (t ) 谐波,其频率为 f m =m f 1 ,如图 3-5 波形所示(图中 m=3,为三次谐波) 为

x(t ) = A1 sin 2 πf 1t + Am sin 2 πmf 1t
当 KTS 刚好等于谐波的周期 Tm =

1 1 ,或者是 的整数倍(如 P 倍,P=1,2,…)时, mf 1 mf 1

则在 t=nTS 及 t=nTS-KTS 两点的采样值中所含该次谐波成分相等,故两点采样值相减后, 恰好将该次谐波滤去,剩下基波分量。此时有 KTS =

P ,故滤去的谐波次数为 mf 1
(2-34)

m=

P KTS f 1

图 2-39 差分滤波器原理说明 由此可见,当 f 1 和 TS 确定时,能滤掉的谐波最低次数是在 P=1 时计算的 m 值,除此之外, 还能滤掉 m 的整倍数的三步。因数据窗越长,其延时越长,通常取 P=1 即可。 差分滤波器有如下特点: 1)因任两点采样值中所含的直流成分相同(不考虑衰减) ,故差分后对应的直流输出为 0,因此,差分滤波器能消除直流分量。 2)由式(3-23)可知,当选择 K 值后,差分滤波器能滤除 m 次及 m 的整倍数次谐波。 当 m=1 时,能消除基波及各次谐波(包括直流) ,若输入信号中含有直流、基波及基波的 整倍数次谐波, 则在稳态输入时, 滤波器的输出为 0。 这一特点在保护中常被用作增量元件。

38

在电力系统正常时或故障进入稳态后,滤波器的输出为 0,在故障后的 KTS 时间内,滤波器 有输出,此时输出的是故障后的参数与故障前的负荷参数之差,这就是故障分量,其输出持 续 20ms(工频一周) 。 3)当采用差分滤波器滤除短路电流中的谐波分量时,必须在短路发生后,经过 KTS 的 时间才开始正确反映短路后的电流,在此之前, x( nTS ? KTS ) 反映的是短路前的状态,因 此,该滤波器有 KTS 的延时,K 值越大(TS 已定) ,延时越长,即数据窗延时越长。故在选 择滤波器时,在保证滤波效果的同时,应尽量减小数据窗长度。 4)差分滤波器只需做减法,因此算法简单,运算工作量小。 在实际应用中,差分滤波器主要用于: 1)抑制故障信号中的衰减直流分量的影响。差分滤波器的突出优点之一是完全滤除输 入信号中的恒定直流分量,同时,对于衰减的直流分量也有良好的抑制作用。为减少算法的 数据窗,加快计算速度,通常 K=1。但需要指出的是,差分滤波器对故障信号中的高频分 量有一定的放大作用。因此,一般不能单独使用,需于其他如富氏算法相配合,以保证在故 障信号中同时含有衰减直流分量和其他高频分量时,仍具有良好的综合滤波效果。 2)提取故障信号中的故障分量。根据上述特点,差分滤波器常用来实现故障的检测元 件、选相元件以及其他利用故障分量原理构成的保护。 差分滤波器的结构非常简单, 计算量很小, 但各自独立使用时, 滤波特性难以满足要求。 为此,在实际应用时,可以把具有不同特性的滤波器进行组合,以进一步提高滤波性能,这 也是数字滤波器设计中常用的方法之一。 (2)加法滤波器 加法滤波器的数学模型就是减法滤波器中的减运算变为加运算,其表达式为

y (nTS ) = x(nTS ) + x(nTS ? KTS )

(2-35)

显然,这种滤波器也是非递归型数字滤波器。加法滤波器的结构与减法滤波器结构相似。加 法滤波器的物理意义也是很明显的。如图 2-40 所示的正弦波,设其频率为 f,在 t=nTS 和 t=(nTS-KTS)两点采样,若此两点相距为该正弦波的 1/2 周期,则此两点采样值正好大 小相等,符合相反,相加后输出为 0,正好消除该次谐波。此时有

KTS =

1 1 1 ? = 2 f 2 mf 1

事实上,KTS 为 ? P ? 于是有

? ?

1? 1 时都可以消除 m 次谐波,其中 P=1,2,…, f 1 为基波频率。 ? 2 ? mf 1

1 P- 2 KTS = mf 1

(2-36)

39

图 2-40

加法滤波器原理示意图

例如要消除三次谐波时,设对于基波每周采样 12 点,即 TS =

1 ,m=3,取 P=1, 12 f 1

则得 K=2,即相隔两个采样点的两个采样值相加就可以消除三次谐波及三的奇数倍数次谐 波。 加法滤波器有如下特点: 1)与差分滤波器比较,数据窗短,为工频周期一半。 2)因是前后两个采样值相加,故不能消除直流分量,这是它的一大缺点。 3)加法滤波器只进行加法运算,故简单,工作量小。 在某些情况下加法滤波器也可以用作增量元件。若输入信号中只有奇次谐波,当取

KTS =

1 时,可以滤除 m = 2 P ? 1 次谐波,即 1,3,5,…次谐波,其中包括基波分量。 2 f1

再配以一个数据窗较短的差分滤波器以滤除直流分量, 就可以使加法滤波器, 在正常运行的 负荷情况下及稳态短路情况下的输出为 0,仅在短路后的半个周期内有输出,此时输出的是 故障分量。 (3)积分滤波器 积分滤波器是任意时刻 nTS 的输出是由此时刻的采样值与前 K 个采样值相加而得,即

y (nTS ) = x(nTS ) + x(nTS ? TS ) + x(nTS ? 2TS ) + L + x(nTS ? KTS ) = ∑ x(nTS ? mTS )
m =0 K

(2-37)

上式就是积分滤波器的数学模型。 为了直观地了解积分滤波器是如何滤波的,我们可对上式两边同乘以 TS 得

TS y (nTS ) = TS ∑ x(nTS ? mTS )
m=0

K

= TS x(nTS ) + TS x(nTS ? TS ) + TS x(nTS ? 2TS ) + L + TS x(nTS ? KTS )
对 于上式的 右边可以 用图 2 - 41 来说 明其物理意 义。它相 当于把区 间 KTS = nTS -

(nTS ? KTS ) 等分成 K 段,而把由 x(t ) 覆盖的面积分成 K 个小面积。而每块小面积可以分

40

别用上式中的各项 TS x( nTS ? KTS ) 来近似代替(K=0,1,…)这就是用小的矩形面积来代 替每段曲线下的面积,其中 TS 就是矩形的宽,而每个采样值 x( nTS ? KTS ) (K=0,1,…) 就是矩形的长(高) 。因两端点都作为计算值,所以上式右边实际上是表示曲线 x (t ) 与横坐 标 ( K + 1)TS 区间所围成的面积,也就是积分。

图 2-41 积分滤波器滤波原理说明 很显然,若积分区间长度正好为某次谐波的周期或周期的整倍数,则在此区间内,该次 谐波积分的结果是正负半波所围成的面积正好抵消,因此,滤波器对应于该次谐波无输出, 即将该次谐波滤去。欲消除 m 次谐波,数据窗长度应取

( K + 1)TS =

P mf 1

(P=1,2,…)

(2-38)

对于某些高频分量,尽管积分区间与其周期不成整倍数关系,但由于在积分区间内,高 频分量的正负面积相互抵消了很多,不能被抵消的部分已经较小了,所以其输出就很小,因 此,积分滤波器具有抑制高频分量的作用。 五、算法的选择标准 算法的选择标准 1、衡量算法优劣的标准 算法是自动化装置研究的重点内容之一。 目前已提出的算法种类很多。 在综合自动化装 置中,装置的各功能模块硬件和输入量一般很相近,不同的功能原理、特性由不同的算法可 以实现。但衡量各种算法的优缺点,主要指标可以归纳为:计算精度、响应时间和运算量。 参数计算的准确性关系到装置的动作行为是否正确。 要消除噪声分量的影响, 提高参数计算 的精度, 主要有两种基本途径。 其一是首先采用性能完善的滤波器对输入信号进行滤波处理, 然后根据滤波后得到的有效信号进行参数计算。 其二是将滤波与参数计算算法相融合, 通过 合理设计,使参数计算算法本身具有良好的滤波性能。在必要的情况下,再辅以其他简单滤 波。算法的计算速度则直接决定着装置的动作速度。算法的计算速度包含有两方面的含义: 一是指算法的数据窗长度, 即需要采用多少个采样数据才能计算出所需的参数值; 二是指算 法的计算量,算法越复杂,运算量也越大,在相同的硬件条件下,计算时间也越长。通常, 算法的计算精度与计算速度之间总是相互矛盾的, 若要计算结果准确, 往往需要利用更多的 采样值,即增大算法的数据窗。因此,从某种意义上来说,如何在算法的计算精度和计算速 度之间取得合理的平衡,是算法研究的关键,也是对算法进行分析、评价和选择时应考虑的 主要因素。 2、算法的选择 微机监控和微机保护中对算法的要求有所不同。 微机监控中不仅需要计算电流、 电压的 有效值,还需要计算有功功率和无功功率等,因此辅以差分滤波器的傅氏算法往往被采用。 对于微机保护则需要根据对象保护类型、电压等级等的不同来选择不同的算法。 、就要求输

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人信号为纯基波分量的一类算法来说, 由于算法本身所需的数据窗很短 (最少只要两三点采 样) 计算量很小, 、 因此常可用于输入信号中暂态分量不丰富或计算精度要求不高的保护中, 例如直接应用于低压网络的电流、 电压后备保护中, 或者将其配备一些简单的差分滤波器以 削弱电流中衰减的直流分量作为电流速断保护,加速出口故障时的切除时间。另外,还可作 为复杂保护的启动元件的算法, 如距离保护的电流启动元件就可采用半周积分算法来粗略地 估算,以判别是否发生故障。但是,如将这类算法用于复杂的保护,则需配以良好的带通滤 波器,这样将使保护总的响应时间加长、计算工作量大。全周傅氏算法、最小二乘法算法和 解微分方程算法都有用于构成高压线路阻抗保护的实例, 各有其特点。 一般在采用傅氏算法 时需考虑衰减直流分量造成的计算误差,以及采取适当的补偿措施。应用最小二乘法算法, 在设计、选择拟合模型时要顾及到精度和速度两方面,否则可能造成精度虽然很高,但响应 速度太慢、 计算量大大等不可取的局面。 解微分方程算法一般不宜单独应用于分布电容不可 忽略的较长线路, 但若将它配以适当的数字滤波器而构成的高压。 超高压长距离输电线的距 离保护,还是能得到满意的效果的。 值得指出的是,解微分方程算法只能用于计算阻抗,因此多用于线路保护中。而全周傅 氏算法、最小二乘法算法还常应用于发电机、变压器的差动保护和 后备电流、电压保护以 及一些相序分量组成的保护中。 第六节 间隔层典型装置实例

间隔层装置一般都采用标准机箱,面板为整面板方式。不同的保护与测控装置机箱,应 间隔层 用的电压等级不同、用途不同、功能不同,生产厂家不同,标准机箱及其插件的构成也并不 完全相同, 但标准机箱及其插件的基本结构是大致相同的。 在保护与测控装置机箱的内部一 般设置有:交流插件、模数转换插件、录波插件、保护插件、继电器插件、电源插件、人机 对话插件 (常以面板的形式出现) 本节以 CSL160B 型系列数字式线路保护装置 等。 (110KV) 为例介绍间隔层装置。

(a)

(b) (c) 图 2-42 某线路保护装置人机界面与插件位置 (a)装置实物图; (b)面板布置图; (c)插件位置布置图

如图 2-42 所示,CSL160B 型数字式线路保护装置最大配置时箱内为六个插件,从左 到右分别为:交流插件(AC) ;模数变换插件(VFC) ;专用故障录波 CPU 插件、保护 CPU 插件、继电器插件(RELAY)及逆变电源插件(POWER) ,另外面板背后还有一个人机对 话用 CPU 板(MMI) 。基本配置为五个插件,专用故障录波插件空缺。专用故障录波插件

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安装在模数变换插件与保护功能插件之间,它是一个选供插件,用户可以根据需要决定是 否选用。装置各插件之间连接关系如图 2-43 所示。

图 2-43

装置插件间联系简图

一.交流插件(AC) 交流插件( ) 交流插件是保护装置的交流电流、交流电压输入插件。 在微机装置中,模数变换回路通常要求输入模拟电压信号的变化范围为±5V 或±10V, 但电压互感器、电流互感器二次侧输出电压、电流却并不适用。因此,在保护装置中设置了 交流插件, 用来将电压互感器输出的二次电压、 电流互感器输出的二次电流的幅值进一步降 低,并转换成模数变换回路所允许的交流电压信号。 另外,交流插件中的电压变换器 TV、电流变换器 TA 的一次绕组与二次绕组之间没有 直接电的联系,通过电压、电流变换器可以将电压互感器、电流互感器的二次回路与保护装 置隔离开,防止电压互感器、电流互感器二次回路对微机型继电保护装置的工作产生干扰。 所以,交流插件用来接收本装置所需的交流电流和交流电压量,引入一次系统电压互感器、 电流互感器二次侧较强电信号, 经交插件内设有的电流变换器、 电压变换器等元器件电量变 换后,变换成保护装置所需的弱电信号,送入模数变换插件。交流插件在保护装置中主要起 电量变换和隔离的作用。交流插件的实物图片如图 2-44 所示。

图 2-44

交流插件实物图片

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线路保护装置交流插件一般设有九个模拟量输入变压器,分别用于三相电压、三相电 流、3U0、3I0(或 Ix)及重合闸检同期用的线路抽取电压 Ux。交流插件电路图如图 2-45 所示。

图 2-45

交流插件原理图

二.模数变换插件(VFC) 模数变换插件( ) 由于,微型机系统 CPU 不认识模拟量,所以模数转换插件的电路板上设有模数变换回 路,用来将交流插件输出的各路模拟量转换成数字量,完成 A/D 变换,以便计算机能对各路 电流、电压信号进行存储、计算和处理。图 2-46 为保护装置的模数转换插件。

图 2-46 装置的模数转换插件 本模数转换插件共有九路电路结构完全相同的电压频率变换器,分别将交流插件输出 的五路电压和四路电流变换成脉冲频率随输入模拟量幅值大小变化的脉冲量, 并经快速光耦 (6N137)光电隔离后送至 CPU 系统中的计数器计数,以实现模数转换(其工作原理及电 路已在本章的第二节讲述) 。

三.故障录波插件 在有些装置中设有可供用户选择的故障录波插件, 它用来记录模拟量的采样值、 有关开
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关量的状态值。 通过专用录波通信网或公用通信网, 可以将录波数据送至公用的专门用于录 波的计算机存盘。录波数据可以以数据或图形的方式送至打印机打印。 采用这种分散记录的方式,可以减少硬件的重复设置,简化二次电缆;分散记录与集 中记录可以互为备用,提高了记录的可靠性。通过整定录波插件的定值清单中的控制字,可 以对录波数据的记录方式、输出方式进行选择。 专用故障录波插件的简化电路图示于图 2-47。 它用单线图清晰易懂地表明了故障录波 插件的硬件配置。

图 2-47 故障录波插件简化原理图 由图可见,本插件主要由单片机扩展系统和网络通讯系统两部分组成,单片机系统用 于实现故障录波,网络通讯系统将录波数据通过 LON 网输出。它还设有开关量输出用于告 警,当自检发现硬件损坏或其它异常情况时,驱动告警输出。录波插件的告警输出对保护 CPU 插件没有任何影响。网络通讯系统通过并口通讯从单片机系统获取数据信息,并向故 障录波网发送,每一个录波插件都可作为录波网上的一个节点。 四.继电保护 CPU 插件 保护插件是保护装置的核心插件, 保护装置的保护功能及其附加功能主要是靠保护插件 实现的。图 2-48 为保护插件实物图片。

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图 2-48

保护插件实物图片

保护插件主要用来完成信息的采集与存储、 信息处理以及信息的传输等任务, 主要由单 片机基本系统、串行通信接口、只读存储器、模拟量输入电路、开关量输入电路、开关量输 出电路等构成。 单片机基本系统是保护插件的指挥系统,它用来执行保护插件的程序,完 成各种数据、 信息的处理。 串行通信接口用来完成保护插件与人机对话插件之间的信息传递。 外置只读存储器用于存放保护插件的定值和参数。 模拟量输入电路用来接收模数变换插件送 来的各路模拟量信息。 开关量输入电路用来接收保护插件所有开关输入量的状态信息。 开关 量输出电路用来驱动保护插件的执行元件。如:起动继电器、跳闸继电器、合闸继电器、信 号继电器、告警继电器、复归继电器等。 本装置继电保护 CPU 插件的简化电路图示于图 2-49。它同随装置提供的实际电路图 的主要差别在于图 2-49 用单线图省略了很多重复的部分,因而清晰易懂。

图 2-49 CPU 插件简化原理图 由图可见, 本插件所用单片机的总线不引出, 片内包括了装置所要求的各种外设功能逻 辑。有一些片内没有或不够的逻辑需要在片外扩展,但也不用总线,而是用 I/O 线连接。例 如:本单片机内无 E2PROM,因而在片外设置了一片串行 E2PROM,利用 CPU 的两根 I/O 线相连,一根做串行数据线(SD) ,另一根做串行时钟线(SC) 。 开关量输出(简称开出)分成两种,一种是用于驱动出口及信号继电器的,此种开出的 +24 伏电源都是经过继电器插件告警继电器常闭接点闭锁的;另一种用于驱动告警继电器, 其+24 伏电源是不经过闭锁的。本装置设有两路告警,称告警Ⅰ和告警Ⅱ,告警Ⅰ用于检 测到必须闭锁本 CPU 开出的致命异常状况时,告警Ⅱ用于不需闭锁开出的情况,详见继电 器插件说明。 由图 2-49 可见,本插件的模拟量输入回路设置了锁存器 374,由 CPU 片内产生的时 钟来锁存经 VFC 插件来的信号。其作用之一是将外部的异步脉冲信号变成同步脉冲信号, 对抗干扰有利,作用之二是起到脉冲整形作用。装置设计时取消了开关量输入插件,而将开 入部分的电路,包括电阻及光隔等,都安排在 CPU 插件上。这是经过抗干扰试验比较后确 定的设计方案,因为试验证明,应尽量避免单片机的任一端于不经隔离直接引出插件。 装置的单片机片内设有两个串行通讯口, 均经过光隔后引出插件, 一个用于同装在面板 上的人机对话 CPU 通讯。另一个则留作备用。

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五.继电器插件(RELAY) 继电器插件( ) 保护装置中都设置有用来作为各出口回路执行元件的各种小型继电器。不同的保护装 置,设置的继电器的多少不同、插件的多少不同、所起的名称也不同。在微机型继电保护装 置中,放置了继电器的插件一般根据其用途不同称为:跳闸插件、信号插件、告警插件、逻 辑插件、继电器插件等,在这里我们把它们统称为继电器插件。图 2-50 为继电器插件实物 图。

图 2-50 继电器插件实物图

图 2-51 继电器插件原理图 装置继电器插件的电路图见图 2-51。在继电器插件中一般设置有:起动继电器、跳闸 继电器、合闸继电器、信号继电器、告警继电器、信号复归继电器、备用继电器等。 (1)起动继电器 )起动继电器。装置设置了两个起动继电器,QDJ1 及 QDJ2,用其常开接点 QDJ1 -l、QDJ2-1 来闭锁跳闸及合闸出口,以防止保护 CPU 插件上驱动跳、合闸出口的光耦或 三极管击穿时造成误动作。QDJ1-2 接点用于启动高频发信,QDJ2-2 常闭接点 CQJ 引出 至端子 15 和 16,相当于重合闸启动继电器的常闭接点,用于同外部压力继电器接点串联后 去闭锁重合闸,从而实现跳闸过程中的暂时压力降低不会误闭锁重合闸。 (2)装置的告警回路 )装置的告警回路。GJ1 继电器由保护 CPU 插件在检测到必须立即闭锁本 CPU 跳 闸回路的严重故障时驱动(告警Ⅰ) ,其常开接点 GJ1-1 用于自保持,而常闭接点 GJ1-2 用于切断保护 CPU 的跳闸出口+24 伏电源。GJ2 备用。 GJ 是 GJ1 和 GJ2 的重动继电器,继电器 GJ 除了由 GJ1 和 GJ2 的接点驱动外,还可以 由任一个 CPU 插件(包括专用故障录波插件和保护功能 CPU 插件)驱动(告警Ⅱ) ,或者

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由 MMI 告警开出驱动,用于检出异常但不必切断+24V 电源的场合,例如 MMI 自检出错, 保护 CPU 插件发现同 MMI 的通讯中断等。 GJ 动作发本地及中央告警信号。装置面板上仅设置一个本地告警信号灯。另外,在电 源插件上还设置了一个失电告警继电器, 其常闭接点与其他告警继电器的常开接点并联后接 中央信号。 继电器 FJ 是告警及信号复归继电器,它可以由面板上的信号复归按钮驱动,也可以由 MMI 驱动。还可以由 13 号端子外部信号复归驱动。FJ 继电器线圈的“+”端分别连至保 护 CPU 插件和专用故障录波插件的一路专用开入,它的功能是:①通知 CPU 告警复位。各 CPU 在告警后进入告警后循环程序,在检测到告警复位开入信号后进行软件复位。②通知 CPU 进行确认操作。当 CPU 感受到开入变位或定值拨轮变位等情况时,为区分运行人员操 作导致压板变位或定值拨轮变位还是由于硬件损坏导致上述变位,CPU 在感受到上述变位 后的 30 秒内监视复位信号开入,在此期间若接收到复位信号开入则认为是运行人员正常操 作导致变位并己按复归按钮通知 CPU 确认并接受上述变位,否则认为是装置硬件损坏而告 警。 合闸出口回路。 (3)跳、合闸出口回路。本装置设计时考虑到应用于综合自动化站,由远方或就地值 ) 班员通过通讯网下达命令, 利用本装置出口继电器进行跳合闸操作的可能, 设置了远方跳闸 和远方合闸输入回路,远方操作不起动本装置的保护动作和重合闸动作信号,而由画板上 LCD 液晶显示远方跳闸或远方合闸字符信息。由开入量手动同期合闸驱动和远方合闸命令 驱动的合闸出口由 29 号手合出口端于单独引出。 除保护正常的跳、合闸出口继电器 TJ,HJ 外,还设置了备用跳闸出口继电器 TJ2,其 常开接点引到装置端子排 31、32 输出。这对接点输出相当于常规的保护动作继电器(BDJ) 输出接点,可根据需要用于实现启动故障录波,启动失灵,闭锁母差等功能要求。 (4)备用开出回路。备用继电器 TX 由保护 CPU 插件驱动,它的功能可由软件编程决 )备用开出回路。 定:①用于高频停信出口(当高频保护投入时,这时双回线相继速动功能应退出) 。②用于 双回线相继速切。③用于其它专门功能输出或备用。 六.电源插件(POWER) 电源插件( ) 电源插件用来给本装置的其它插件提供独立的工作电源。电源插件一般采用逆变稳压 电源,它输出的直流电源电压稳定,不受系统电压波动的影响,并具有较强的抗干扰能力。 电源插件输入的电源电压一般为直流 220V 或 110V(用户任选一种) ;输出的电源电压 一般为保护装置所需的+5V、 ±15V 或±12V、 ±24V 三组直流电压。 其中: +5V 用于 CPU 板,±15V 常用于 A/D 转换各芯片,±24V 常用于开关量的输入及输出。电源插件上一般 设置有失电告警继电器,当电源插件输出的电源中断时,失电告警继电器的常闭触点闭合, 向中央信号回路发“保护失电”告警信号。图 2-52 为电源插件实物图。

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图 2-52 电源插件实物图 电源插件为直流逆变电源插件。直流 220V 和 110V 电压经抗干扰滤波回路输入,利用 逆变原理输出本装置需要的三组直流电压。三组电压均不共地,且采用浮地方式,同外壳不 相,连见图 2-53。

图 2-53

电源插件原理图

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