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2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,1,第一章 微机保护的硬件原理,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,2,1-1 概述,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,3,1-1 概述（续）,模拟量输入系统（数据采集系统）：电压形成、模拟滤波、采样保持(s/h)、多路转换(mpx)以及模数转换(a/d)，完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量 cpu主系统：微处理器(mpu)、只读存储器(rom)或闪存内存单元(flash)、随机存取存储器(ram)、定时器、并行以及串行接口等。mpu执行编制好的程序，以完成各种继电保护测量、逻辑和控制功能 开关量（数字量）输入/输出系统：并行接口(pia或pio)、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，完成保护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话等功能,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,4,1-2 数据采集系统 （模拟量输入系统）,一、电压形成回路 1. 模拟量选取原则：以满足保护功能为基本准则 2. 作用与方案比较 作用 方案比较 电抗变换器 缺点：二次电压波形将发生畸变 优点：线性范围大、铁芯不易饱和、有移相作用、抑制直流 电流变换器 优点：线性范围内，波形相同且同相 缺点：在非周期分量下容易饱和、线性度较差、动态范围小,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,5,1-2 数据采集系统 （模拟量输入系统）,一、电压形成回路 2. 作用与方案比较 3. 电流互感器应用注意事项 变比的选择 u2=rlhi2=rlhi1/nlh rlhi1max/nlhumax 屏蔽层的作用,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,6,1-2 数据采集系统 （模拟量输入系统）,二、采样保持电路和模拟低通滤波器 （一）s/h电路的作用及原理,s/h电路的作用,s/h电路的工作原理,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,7,1-2 数据采集系统 （模拟量输入系统）,（二）对采样保持电路的要求 使ch上电压按一定精度（例如误差小于0.1%）跟踪上usr所需要的最小采样宽度tc（或称为截获时间），对快速变化的信号采样时，要求tc尽量短 保持时间要长。通常用下降率 来表示保持能力。 模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。 分析讨论ch的选值,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,8,1-2 数据采集系统 （模拟量输入系统）,ch=0.01f,（三）采样保持电路的典型芯片,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,9,1-2 数据采集系统 （模拟量输入系统）,（四）采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用 采样频率的选择 采样频率越高，要求cpu的速度越高 采样频率过低将不能真实地反映被采样信号的情况（采样定理）,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 消除频率混叠问题后，采样频率的选择基本取决于保护的原理和算法。,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,10,1-2 数据采集系统 （模拟量输入系统）,（四）采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用 低通滤波器 r=4.3k, c=0.1f,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,11,1-2 数据采集系统 （模拟量输入系统）,三、模拟量多路转换开关 （一）模拟量多路转换开关的作用,（二）mpx的工作过程,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,12,1-2 数据采集系统 （模拟量输入系统）,四、模数转换器 （一）模数转换的一般原理和分类 一般原理：将输入的模拟量ua相对于模拟参考量ur转换成数字量d输出：,即：,假定数字量d是小于1的数，则：,分类：积分型、逐次逼近比较型、并行和流水线型等,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,13,四、模数转换器,（二）数模转换器（dac或d/a转换器） 作用 工作原理,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,14,四、模数转换器,（二）数模转换器（dac或d/a转换器）,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,15,四、模数转换器,（三）逐次逼近法模数转换器的基本原理,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,16,四、模数转换器,（三）逐次逼近法模数转换器的基本原理 溢出问题,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,17,四、模数转换器,（三）逐次逼近法模数转换器的基本原理 双极性模拟信号的模数转换,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,18,四、模数转换器,（四）a/d转换器举例 ad7665是逐次逼近型的16位快速模数转换器，速度为500ksps 电源 dvdd、dgng ovdd、ognd avdd、agnd ref、refgnd 模拟量输入usr 10v, 5v, 2.5v 0-10v, 0-5v, 0-2.5v,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,19,四、模数转换器,（四）a/d转换器举例 方式选择 ob/2 (output binary/2s complement) warp, impulse ser/ (serial/parallel) byteswap,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,20,四、模数转换器,控制信号 reset (read), (chip select) (start conversion) pd (power down) busy 并行输出方式的数据信号 data15-data0,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,21,四、模数转换器,串行输出方式的接口信号 sync sclk sdout rderror divsclk ext/ invsync insclk rdc/sdin,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,22,四、模数转换器,（五）模数转换器与微型机的接口,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,23,四、模数转换器,（五）模数转换器与微型机的接口 初始化 定时器中断服务程序 控制多路转换开关，将0通道连接到a/d 输入端 启动a/d转换 查询a/d转换是否结束 读取a/d转换结果，并按照一定格式 存入循环寄存器中 修改存数指针为下一个存数单元 判断本次采样时刻的所有模拟量都转换完毕 否则通道号加1 全部转换结束后，判断存数指针是否超出循环寄存器末地址,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,24,四、模数转换器,（六）数据排队与地址指针更新,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,25,四、模数转换器,（七）微机保护对模数转换器的主要要求 转换时间 tsn(tad+tr)+ty a/d转换的位数 要求200倍的精度范围,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,26,1-2 数据采集系统 （模拟量输入系统）,五、vfc型数据采集系统 设一计数器的计数脉冲频率为f，计数时间为t，则在t内加入计数器的脉冲数目为n： n= f t,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,27,五、vfc型数据采集系统,（一）vfc工作原理 1. 直流输入的工作原理,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,28,五、vfc型数据采集系统,（一）vfc工作原理 直流输入的工作原理 当输入电压usr为0v时，电容器c的电压为0，单稳触发器没有输出，电子开关接到参考地的端子侧； 当输入端usr刚施加了正的直流信号时，有ir=0, ic=ir-isr=-isr，使得输出电压向负方向变化，零点指示器检测到该趋势后，触发单稳触发器，在u0端产生一个宽度为t0的脉冲； 在t0信号期间，电子开关as切换到-er侧，所以ic=ir-isr,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,29,五、vfc型数据采集系统,（一）vfc工作原理 直流输入的工作原理 当t0信号消失后，电子开关as又接到参考地的端子侧，所以ic=-isr,uc(t)下降到0v时，立刻被零点指示器检测出来，并开始重复上述过程,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,30,（一）vfc工作原理 直流输入的工作原理 如果在一个采样间隔ts内对计数器的计数结果进行读数，则计数值为d=fts,五、vfc型数据采集系统,vfc型模数转换的输出值与输入电压信号的积分成正比,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,31,五、vfc型数据采集系统,交流输入的工作原理 双极性信号需引入偏置ir/2=er/(2rr),在0t0期间，as切换到-er侧，有,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,32,五、vfc型数据采集系统,当t0消失后，as切换到参考地的端子侧，有,将函数cos(t+)在t0处展开，并整理得：,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,33,五、vfc型数据采集系统,将函数cos(t+)在任意处展开，并整理得：,vfc型模数转换的输出值与输入电压信号的积分成正比,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,34,五、vfc型数据采集系统,（一）vfc工作原理 vfc的分辨率与采样频率的关系 vfc的最高频率fvfc 采样间隔ts和积分间隔nts,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,35,五、vfc型数据采集系统,（二）vfc数据采集系统的特点 低通滤波 抗干扰能力强 位数可调 与微型机接口简单 实现多微机共享 易于实现同时采样 不适用于高频信号的采集,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,36,1-3 开关量输入及输出回路,一、光电耦合器 概念 分类 光隔离器 光传感器 光敏元件集成的功能块 光电耦合器在微机保护中的应用 特性 工作方式,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,37,1-3 开关量输入及输出回路,二、开关量输入回路 安装在装置面板上的接点 人机对话的键盘 部分切换装置工作方式 用的转换开关 从装置外部经过端子排 引入装置的接点 压板、转换开关 其他保护装置和操作 继电器的接点,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,38,三、开关量输出回路 （一）保护的跳闸出口、本地和中央信号,1-3 开关量输入及输出回路,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,39,1-3 开关量输入及输出回路,三、开关量输出回路 （一）保护的跳闸出口、本地和中央信号 装置正常、系统无短路 设备异常 系统发生短路 出口回路自检,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,40,三、开关量输出回路 （一）通信接口、打印机接口,1-3 开关量输入及输出回路,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,41,1-5 网络化硬件电路,一、问题提出 继电保护的种类很多，且由于受被保护对象的容量、模拟量数量、跳闸对象和功能要求不同等因素影响，造成保护配置多种多样。希望采样模块化的思想。 希望微机保护在更新换代后，保护装置对外的连线基本保持不变。 保护功能插件（cpu插件）与开入、开出之间的连线受cpu插件的空间限制，很难做到开入、开出数目的方便扩展。 在变压器、发电机保护中，根据不同容量、不同主接线等情况，保护的一个动作逻辑有可能组成多个出口对象。,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,42,1-5 网络化硬件电路,一、问题提出,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,43,1-5 网络化硬件电路,二、网络化硬件电路 标准模块 cpu插件 开入(di)插件 开出(do)插件 通信网络采用 can总线方式,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,44,1-5 网络化硬件电路,三、can总线特点 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果 采用差分信号的传递方式，有利于提高抗干扰性能 每帧信息都有crc校验和其它纠错措施，保证了数据出错率极低 节点在严重错误的情况下，具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，大大节省了总线冲突仲裁时间 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134微妙内得到传输 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。,2019/2/18,微型机继电保护基础，毕天姝,45,1-5 网络化硬件电路,三、can总线特点 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。 直接通信距离最远可达10公里（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1mbps（此时，通信距离最长为40米） can上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2