第10章習(xí)題及思考題10.1什么是模擬式繼電保護(hù)裝置？按實(shí)現(xiàn)技術(shù)可以分為幾類?答：模擬式保護(hù)是通過模擬電路直接對(duì)輸入的模擬電量或者模擬信號(hào)進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，因而被稱為模擬式保護(hù)。10.2什么是數(shù)字式繼電保護(hù)裝置？數(shù)字式繼電保護(hù)裝置有什么特點(diǎn)？答：數(shù)字式保護(hù)是將各種類型的輸入信號(hào)（包括模擬量、開關(guān)量、脈沖量等類型的信號(hào)）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過對(duì)這些數(shù)字信號(hào)的處理來實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能。數(shù)字式保護(hù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬式保護(hù)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜保護(hù)原理、提高繼電保護(hù)的性能，而且能夠提供諸如簡化調(diào)試及整定、自身工作狀態(tài)監(jiān)視、事故記錄及分析等高級(jí)輔助功能，還可以完成電力自動(dòng)化要求的各種智能化測(cè)量、控制、通信及管理等任務(wù)，同時(shí)也具有優(yōu)良的性價(jià)比。10.3數(shù)字式繼電保護(hù)裝置和模擬式繼電保護(hù)裝置的主要區(qū)別是什么？答：數(shù)字式保護(hù)裝置主要使用數(shù)字電路芯片完成保護(hù)計(jì)算判別與出口等，模擬式保護(hù)則是通過老式的模擬元器件，體積、速度精度都較數(shù)字式保護(hù)低。10.4數(shù)字式保護(hù)裝置硬件與軟件各有什么特點(diǎn)？答：（1）硬件指模擬和數(shù)字電子電路，硬件作為平臺(tái)供軟件運(yùn)行，并且提供數(shù)字式保護(hù)裝置與外部系統(tǒng)的電氣聯(lián)系；（2）軟件指計(jì)算機(jī)程序，由它按照保護(hù)原理和功能的要求對(duì)硬件進(jìn)行控制，有序地完成數(shù)據(jù)采集、外部信息交換、數(shù)字運(yùn)算和邏輯判斷、動(dòng)作指令執(zhí)行等各項(xiàng)操作。10.5數(shù)字式保護(hù)裝置的硬件主要由哪幾部分組成？各自承擔(dān)何功能？答：數(shù)字式保護(hù)裝置的硬件以微型機(jī)主系統(tǒng)部件為中心，圍繞著數(shù)字核心部件的是各種外圍接口部件。（1）模擬量輸入系統(tǒng)將模擬電量經(jīng)過各種電力傳感器（如電壓互感器TV或電流互感器TA等）轉(zhuǎn)變成二次電信號(hào)，再由引線端子進(jìn)入數(shù)字式保護(hù)裝置；（2）開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)DI接口作用是為開關(guān)量提供輸入通道，并在數(shù)字保護(hù)裝置內(nèi)外部之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減少外部干擾。DO接口的作用是為了正確地發(fā)出開關(guān)量操作命令提供輸出通道，并在數(shù)字式保護(hù)裝置內(nèi)外部之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減少外部干擾。（3）微型機(jī)主系統(tǒng)數(shù)字式保護(hù)裝置的微型機(jī)主系統(tǒng)，完成數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)，指揮各種外圍接口部件運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的原理和各項(xiàng)功能。10.6數(shù)字式保護(hù)裝置的數(shù)字核心部件主要由哪些元器件構(gòu)成？作用如何？答：數(shù)字式保護(hù)裝置的微型機(jī)主系統(tǒng)（又稱數(shù)字核心部件）實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)特別設(shè)計(jì)的專用微型計(jì)算機(jī)，一般由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及控制電路等部分組成，并通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線連成一個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和操作控制。繼電保護(hù)程序在微型機(jī)主系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行，完成數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)，指揮各種外圍接口部件運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的原理和各項(xiàng)功能。10.7數(shù)字式保護(hù)裝置的模擬量輸入（AI）接口主要由哪幾部分組成？答：微機(jī)保護(hù)模數(shù)變換方式主要有兩種：一種是ADC方式，另一種是VFC方式。（1）典型的ADC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（即信號(hào)傳遞順序）主要包括以下各部分：輸入變化及電壓形成回路、前置模擬低通濾波器（ALF）、采樣保持（S/H）電路、模數(shù)變換（A/D）電路。（2）VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括以下各部分：VFC芯片、計(jì)數(shù)器、CPU。10.8數(shù)字式保護(hù)裝置的開關(guān)量輸入（DI）及開關(guān)量輸出（DO）接口如何構(gòu)成？答：（1）一種典型的DI接口電路如圖10.1（a）、（b）所示（僅繪出一路），它使用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)電氣隔離。光電耦合器件內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。目前常用的光電耦合器件為電流型，當(dāng)外部繼電器觸點(diǎn)閉合時(shí)，電流經(jīng)限流電阻R流過發(fā)光二極管使其發(fā)光，光敏晶體管受光照射而導(dǎo)通，其輸出端呈現(xiàn)低電平“0”；反之，當(dāng)外部繼電器觸點(diǎn)斷開時(shí)，無電流流過發(fā)光二極管，光敏晶體管無光照射而截止，其輸出端呈現(xiàn)高電平“1”。該“0”、“1”狀態(tài)可作為數(shù)字量由CPU直接讀入，也可控制中斷控制器向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。（a）裝置內(nèi)部開關(guān)量輸入（b）采用光電耦合器件的開關(guān)量輸入接口電路圖10.1開關(guān)量輸入原理圖（2）一種典型的使用光電耦合器件的DO接口電路如圖10.2所示（在此僅繪出一路）。繼電器線圈兩端并聯(lián)的二極管稱為續(xù)流二極管。它在CPU輸出由“0”變?yōu)椤?”，光敏晶體管突然由“導(dǎo)通”變?yōu)椤敖刂埂睍r(shí)，為繼電器線圈釋放儲(chǔ)存的能量提供電流通路，這樣一方面加快了繼電器的返回，另一方面避免電流突變產(chǎn)生較高的反向電壓而引起相關(guān)元件的損壞和產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾信號(hào)。圖10.2開關(guān)量輸出原理圖用光電耦合器件的開關(guān)量輸出及繼電器控制電路10.10什么是數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)？數(shù)字信號(hào)采集包括哪兩個(gè)基本離散化過程？答：用于將連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)稱為數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)采集包括兩個(gè)子過程，第一步是采樣過程，通過采樣保持器對(duì)時(shí)間進(jìn)行離散化，即把時(shí)間連續(xù)的信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間離散的信號(hào)，或者說在一個(gè)個(gè)等時(shí)間間隔的瞬時(shí)點(diǎn)上抽取信號(hào)的瞬時(shí)值；第二步是模數(shù)變化過程，通過模數(shù)變換器對(duì)采樣信號(hào)幅度進(jìn)行離散化，即把時(shí)間上離散而數(shù)值上連續(xù)的瞬時(shí)值變換為數(shù)字量。10.11前置模擬低通濾波器（ALF）有何作用？通常應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)？答：前置模擬低通濾波器（ALF）是一種簡單的低通濾波器，每一路AI通道都需要配置。ALF的作用僅僅是為了抑制輸入信號(hào)中對(duì)保護(hù)無用的較高頻率成分，以便采樣時(shí)易于滿足采樣定理的要求。10.12模數(shù)變換器（A/D變換器）有哪些主要技術(shù)指標(biāo)？解釋其含義。答：主要技術(shù)指標(biāo)為：A/D變換器分辨率、精度以及速度。（1）分辨率，是指反應(yīng)A/D對(duì)輸入電壓信號(hào)微小變化的區(qū)分能力的一種度量；（2）精度，是指A/D變換的結(jié)果與實(shí)際輸入的接近程度，也就是準(zhǔn)確度，或者說A/D變換器的精度反映變換誤差；（3）速度，通常用完成一次A/D變換的時(shí)間（或變換時(shí)延）來表示，記為。目前數(shù)字保護(hù)裝置中常用A/D變換器的變換時(shí)延僅為數(shù)微妙。10.13什么是數(shù)字式保護(hù)算法，其中包含哪些內(nèi)容？答：數(shù)字式保護(hù)中算法可分為兩大類：一類是特征量算法，用來計(jì)算保護(hù)所需的各種電氣量對(duì)應(yīng)特征參數(shù)，如交流電流和電壓的幅值及相位、功率、阻抗、序分量等；另一類是保護(hù)動(dòng)作判據(jù)（OperationCriterion）或動(dòng)作方程（OperationEquation）算法，與具體的保護(hù)功能密切相關(guān)，并需要利用特征量算法的結(jié)果。最后還需要完成各種邏輯處理以及時(shí)序配合的計(jì)算和處理，才能最終實(shí)現(xiàn)故障判定。10.14歸納理解數(shù)字濾波器的基本概念、特點(diǎn)、數(shù)學(xué)描述及其分類。答：（1）用于去除輸入信號(hào)中各種無效“噪聲”分量的器件稱為數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器特點(diǎn)是不以計(jì)算電氣量特征參數(shù)為目的，而是通過對(duì)采樣序列的數(shù)字運(yùn)算得到一個(gè)新的序列，在這個(gè)新的采樣序列中已濾除了不需要的頻率成分，只保留了需要的頻率成分。（2）設(shè)有一個(gè)第k次諧波的原始正弦輸入信號(hào)，選擇采樣率為每基頻周期N點(diǎn)采樣，經(jīng)采樣可得，其周期可表示為，通過微機(jī)的存儲(chǔ)記憶可將上述信號(hào)延遲。當(dāng)延遲時(shí)間為（即半周期）時(shí)，得到半周期延遲信號(hào)；當(dāng)延遲時(shí)間為（即整周期）時(shí)，得到正周期延遲信號(hào)。如果需要濾除此第k次諧波，則有（1）或（2）即通過上述運(yùn)算消除了第k次諧波（實(shí)際上也消除了第k次諧波的整數(shù)倍諧波），而其他信號(hào)，只要頻率不為頻率的整數(shù)倍信號(hào)，都將不同程度得到保留。（3）常見數(shù)字濾波器為單位系數(shù)數(shù)字濾波器（差分、積分濾波器）、級(jí)聯(lián)數(shù)字濾波器等。10.15什么是數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)？如何求??？答：設(shè)定離散系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)為，則有（3）注意，，均為復(fù)數(shù)，因此式（3）可以化為：（4）若在式（4）中取代入，即獲得該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，記為。于是得到幅頻和相頻特性響應(yīng)分別為（5）（6）在數(shù)字保護(hù)中，只要各通道模擬信號(hào)采用同樣的數(shù)字濾波器，無論相頻特性響應(yīng)如何，都不會(huì)改變各信號(hào)的相對(duì)相位關(guān)系，從而不會(huì)影響相位判別。通常主要關(guān)注幅頻特性響應(yīng)，它真正反映了對(duì)不同頻率信號(hào)的增益（即對(duì)有用信號(hào)的增強(qiáng)，對(duì)無用信號(hào)的衰減程度）。10.16什么是全周傅式算法？它有什么特點(diǎn)？答：全周傅式算法是基于傅里葉級(jí)數(shù)從故障信號(hào)中直接計(jì)算基波及某次諧波特征量的非正弦信號(hào)特征量算法。全周傅里葉級(jí)數(shù)算法可保留基波并完全濾除恒定直流分量及所有整次諧波分量；雖不能完全濾除非整次諧波分量，但有很好的抑制作用，尤其對(duì)高頻分量的濾波能力相當(dāng)強(qiáng)。全周傅里葉級(jí)數(shù)算法的主要缺點(diǎn)是易受衰減的非周期分量的影響。10.17說明數(shù)字式保護(hù)中采用啟動(dòng)元件的主要理由。對(duì)啟動(dòng)元件有哪些基本要求？主要有哪些類型的啟動(dòng)判據(jù)？答：（1）數(shù)字式保護(hù)采用位于中斷服務(wù)程序的啟動(dòng)元件來靈敏、快速地探測(cè)系統(tǒng)故障擾動(dòng)，待判定系統(tǒng)存在故障擾動(dòng)之后才進(jìn)入故障處理程序模塊，由它來完成復(fù)雜的故障處理算法、形成保護(hù)動(dòng)作特性、時(shí)序邏輯處理等保護(hù)功能，最終對(duì)是否區(qū)內(nèi)故障做出判斷和處理。（2）對(duì)啟動(dòng)元件及其算法的主要要求是：在正常負(fù)荷狀態(tài)下不要啟動(dòng)（對(duì)于超高壓線路保護(hù)，通常還希望在發(fā)生系統(tǒng)振蕩而本線路未發(fā)生故障時(shí)不要啟動(dòng)），但在故障發(fā)生瞬間具有較高額啟動(dòng)靈敏度和足夠的響應(yīng)速度。（3）數(shù)字保護(hù)裝置中根據(jù)保護(hù)原理的不同而采用不同的啟動(dòng)量和啟動(dòng)算法。最常見的有反映測(cè)量量大小的穩(wěn)態(tài)量啟動(dòng)元件及算法和反映擾動(dòng)前后變化量（或疊加分量、故障分量）大小的突變量啟動(dòng)元件及算法。10.18數(shù)字式保護(hù)裝置有哪些基本功能要求？其主流程如何構(gòu)成？答：（1）數(shù)字式保護(hù)裝置基本功能要求為：第一，數(shù)字式保護(hù)裝置中軟件的各項(xiàng)功能必須有相應(yīng)的硬件電路支持，并滿足硬件電路技術(shù)要求。第二，數(shù)字式保護(hù)裝置的功能和保護(hù)功能不是等同的概念，而是前者包含后者。（2）數(shù)字式保護(hù)裝置主流程可看作由上電復(fù)位流程及主循環(huán)流程兩部分組成。10.19什么是系統(tǒng)初始化？什么時(shí)候進(jìn)行系統(tǒng)初始化？有哪些基本任務(wù)？答：（1）系統(tǒng)初始化是使得整個(gè)