微机继电保护硬件部分设计.doc

华北水利水电学院继续教育学院毕业设计分类号 编 号 华北水利水电学院继续教育学院 North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power 毕 业 设 计题目 微机继电保护硬件部分设计 专 业 层 次 姓 名 靳能轩 学 号 指导教师 徐 健 年 月 日目 录摘要.2绪论.41 微机保护装置工作原理. . . 81.1 微机保护装置硬件系统. .81.2 数据采集单元. .91.3 数据处理单元. .141.4 数字量输入输出接口. .231.5 通信接口. .251.6 电源. .272 微机继电保护硬件可靠性分析. . . .293 DPC-611型微机式馈线监控保护装置. . .323.1 保护装置概述. .323.2 保护装置原理和功能. .323.3 保护装置主要技术数据. .333.4 保护和自动装置的配置和原理. .383.5 保护装置定值和说明. .423.6 保护装置辅助功能. .443.7 保护装置测控功能. .46结 束 语.51参考文献.52附 件（DPC-611原理图和工程设计图）摘 要本次设计任务是对微机继电保护工作原理的设计。首先根据任务书上所微机保护原理基础知识，主要包括硬件结构、数据采集、数字滤波、特征量和保护动作判据的算法及微机保护的发展趋势等的内容。然后举出实例微机式馈线监控保护装置DPC-611，并对DPC-611进行分析，该装置为具有监控、保护、远动、通讯功能的分布式一体化装置，适用于610KV馈电线路或要求相当功能的电气设备，适用于交流、直流操作电源。DPC-611馈线监控保护装置以高性能的单片机为核心。配置复杂可编程逻辑芯片CPLD，大容量FLASH存储器等先进的外国芯片和先进技术，处理能力强，测量精度高。采用进口的高性能继电器、接插件，精心的抗电磁干扰设计，表贴工艺，多层PCB，装置可靠性高，装置具有完善的信号系统，保护动作文件记录、SOE记录、装置运行记录、故障录波和故障定位功能，加之全汉化菜单和友好的人机界面，装置的运行、调试维护、事故分析非常方便。关键词：微机继电保护原理，DPC-611馈线监控保护装置AbstractThe design task is to relay the protection of the principle of computer design. the books according to the task of the basic protection principles of microcomputer, mainly including hardware construction, data collection, filtering, characteristic actions, and protected according to the microcomputer algorithm for the protection and the trend of the contents. then cite examples of microcomputer in feeding the line of control protection device dpc -611, and the dpc -611 analysis, the device to monitor, and further, communication function is distributed integration of device, Applies to 6 10kv feeders lines or requires a function of electric equipment, apply to exchange and operation of the current. a direct.DPC-611 line of control protection device giving a performance at the core monolithic integrated circuits. the configuration complex programmable cpld logic functions, the capacity for advanced foreign flash memory chip and advanced technology and skill and precision measurement. Use of high-powered relays, a connector, the protests of the electromagnetic interference designed to watch processes on a pcb. a device for high reliability, and complete system of signals, protection of the soe move files, records, equipment, with a wave of run and change the location, the menu and friendly man-machine interface devices run, debug, and analysis of the accident is very convenient.Key Words：Microcomputers relay protection principles ，DPC-611Feeding line of control protection device0 绪 论0.1微机继电保护的发展史微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。它起源于20世纪60年代中后期，是在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。60年代中期，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是由于当时计算机的价格昂贵，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础。计算机技术在70年代初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。价格的大幅度下降，可靠性、运算速度的大幅度提高，促使计算机继电保护的研究出现了高潮。在70年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。80年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，并已在一些国家推广应用。90年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代，它是继电保护技术发展历史过程中的第四代。我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。经过10年左右的奋斗，到了80年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的作用。从70年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机变压器组保护也相继于1989年、1994年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993年、1996年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。因此到了90年代，我国继电保护进入了微机时代。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中。0.2 研究背景电力系统继电保护是指继电保护技术和由继电保护装置组成的继电保护系统。继电保护装置在电力系统中承担重要的保护任务，在系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证其它部分恢复正常运行；在系统出现不正常工作状态时，可动作于发出信号、减负荷或跳闸。继电保护在技术上一般应满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性的基本要求。微机继电保护装置自20世纪80年代在我国首次投入运行以来，越来越受到继电保护工作者的青睐和关注，并在电力系统中得到了广泛应用。由于微机继电保护装置具有比常规的继电保护装置不可比拟的优越性，从而大大提高了电力系统供电的安全性和可靠性，促进了电力系统自动化的发展。伴随着集成电路、通讯技术、计算机技术、信息技术、人工智能的迅速发展，微机继电保护的结构更加合理，性能更加完善，功能更加全面，有效地承担起了确保电网安全可靠的重任。0.3 研究微机继电保护的目的和意义0.3.1 微机继电保护与传统装置的对比分析继电保护的任务是判断电力系统有关电气设备是否发生故障而决定是否发出跳闸命令，使发生故障的电气设备尽量迅速地与电力系统隔离。为此，首先要取得与被保护电气设备有关的信息，根据这些信息，按不同的原理，进行综合和逻辑判断，最后做出抉择，并付诸执行。 所以，继电保护的基本结构大致上可以分为三部分：信息获取与初步加工；信息的综合、分析与逻辑加工、抉断；抉断结果的执行。信息要通过电压、电流传送，有时还通过一些开关量传递。早期，在机电型继电器中，电流电压直接加到继电器的测量机构， 变换成机械力， 然后在机械力的层次上进行比较判别，中间并不需设置其他的变换、隔离等环节。随着电子技术的引入，为了适应电子器件的弱信号的要求，在电流互感器、电压互感器与电子电路之间要求设置一些传变环节。通常使用所谓的电流变换器、电压变换器以及电抗变换器等等。在晶体管型继电保护、整流型继电保护以及集成电路型继电保护中都采用类似的变换环节，其间并没有本质的差别，这些环节，可以称为“信息预处理”环节。由于计算机是数字电路，其工作电平比集成电路的工作电平还低，因此，计算机继电保护同样也需要设置信息预处理环节，需要隔离屏蔽、变换电平等等处理。在这个问题上计算机保护与原来的模拟式保护是一致的。换言之，在这个问题上，模拟式保护的一些经验也是适用于计算机保护的。继电保护的主要任务是操作、控制与被保护电气设备有关断路器，使发生故障的电气设备迅速与电力系统分隔离开来，最大限度地减轻故障对电力系统的影响，减轻故障设备的损坏程度。这种操作是通过控制跳闸线圈实现的，也就是给线圈通入电流实现的。电流可以由接点控制， 也可以由无接点的半导体器件控制。出于可靠性的考虑，目前基本上仍是采用有接点的小型中间继电器，组成必要的出口逻辑。这个方面计算机继电保护与传统继电保护也是基本一致的。计算机继电保护与传统继电保护的根本区别是在中间部分，即信息的综合、分析与逻辑加工、判断环节。区别主要是在于实现上述功能的手段不同。传统继电保护是靠模拟电路（或继电器元件）的构成来实现的，即用模拟电路实现各种电量的加、减、乘、除和延时与逻辑组合需求。而计算机保护，即数字式继电保护却是用数字技术进行数值（包括逻辑）运算来实现上述功能的。计算机上的数字和逻辑运算是通过软件进行的，即这些运算要通过预先按一定的规则(语言制定的计算程序进行的。这是与模拟式继电保护截然不同的工作模式。也就是说，计算机式继电保护是由“硬件”和“软件”两部分组成的，硬件是实现继电保护功能的基础，而继电保护原理是直接由软件，即由计算机程序实现的，程序的不同可以实现不同的原理，程序的好坏、正确与错误都直接影响继电保护性能的优劣、正确或错误。因此，计算机式继电保护，也称微机保护，其实质就是以微型机、微控制器等器件作为核心部件构成的具有继电保护功能的自动化安全装置。0.3.2 微机保护的主要特点研究和实践证明，与传统的继电保护相比较，微机保护有许多优点4，其主要特点如下：1、改善和提高继电保护的动作特征和性能，动作正确率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护；可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率很高也已在运行实践中得到证明。2、可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。3、工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小，减少了盘位数量；功耗低。4、可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。 5、使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。6、可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。0.4 继电保护新技术继电保护技术发展趋势向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展5。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引人注目的新趋势。0.4.1 自适应控制技术在继电保护中的应用自适应继电保护的概念始于20世纪80年代，它可定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的新型继电保护。自适应继电保护的基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能。这种新型保护原理的出现引起了人们的极大关注和兴趣6。自适应继电保护具有改善系统的响应、增强可靠性和提高经济效益等优点，在输电线路的距离保护、变压器保护、发电机保护、自动重合闸等领域内有着广泛的应用前景。针对电力系统频率变化的影响、单相接地短路时过渡电阻的影响、电力系统振荡的影响以及故障发展问题，文献7提出了自适应对策，从理论和实践两方面探讨了实现自适应式微机距离保护的可行性。文献8对自适应原理在输电线路继电保护的应用作了全面的分类描述，使自适应继电保护的原理得到了进一步的发展和完善。文献9研究了将自适应继电保护的原理应用于距离保护中，根据系统运行工况的变化，调整距离保护的动作特性，从而提高了距离保护的性能。0.4.2 人工神经网络在继电保护中的应用进入20世纪90年代以来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，电力系统保护领域内的一些研究工作也转向人工智能的研究10。专家系统、人工神经网络（ANN）和模糊控制理论逐步应用于电力系统继电保护中，为继电保护的发展注入了活力。基于生物神经系统的人工神经网络具有分布式存储信息、并行处理、自组织、自学习等特点，其应用研究发展十分迅速，目前主要集中在人工智能、信息处理、自动控制和非线性优化等问题。近几年来，电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网络来实现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。1微机保护装置硬件系统原理1.1 微机保护装置硬件系统1.1.1 微机保护装置硬件系统包含以下五个部分：1、数据采集单元即模拟量输入系统。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块，完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量的功能。2、数据处理单元即微机主系统。包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器以及定时器等微处理器执行存放在只读存储器中的程序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。3、数字量输入/输出接口即开关量输入输出系统。由若干并行接口、光电隔离器及中间继电器等组成，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。4、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。5、 电源。供给微处理器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的电源。保护装置的硬件示意图如下所示 ：图2 微机保护硬件示意框图下面分别介绍各子系统的电路构成原理。1.2数据采集单元1.2.1电压变换 微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得信息，但这些互感器的二次数值的输入范围对微机保护装置硬件电路并不适用，故需要降低和变换。在微机保护中通常要求输入信号为5V或10V的电压信号，具体取决于所用的模数转换器。因此，一般采用中间变换器来实现以上的变换。例如电流变换器和电压变换器。交流电流的变换一般采用电流变换器，在其二次侧并联电阻取得所需电压。改变电阻值就可以改变输入电流范围的大小。例如，当图3中R和R2阻值相等，若R2断开时电流允许输入范围为050A，则R2并联接入后，电流的输入范围为0100A。电流变换器最大的优点是，只要铁芯不饱和，其二次电流及并联电阻上电压的波形就可基本与一次电流成比例且同相，即可以做到不失真变换。这一点对微机保护是很重要的。因为只有在这种条件下作精确的运算与定量分析才是有意义的。电流变换器的缺点是在非周期分量的作用下容易饱和，线性度差，动态范围也小。但只要妥善设计是可以克服这个缺点的。 电流电压变换回路除了起电量变换作用外，还起到隔离作用。它使微机电路在电气上与电力系统隔离，在初级和次级绕组之间应有接地的屏蔽绕组以防止来自高压系统的电磁干扰.1.2.2采样保持（SH）电路及采样频率的选择 采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模拟/数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。即把随时间连续变化的电气量离散化。采样保持电路的工作原理可用图4说明。 图4 采样保持电路原理它由一个电子模拟开关K，电容C以及两个阻抗变换器组成。开关K受逻辑输入端电平控制。在高电平时K闭合，此时，电路处于采样状态，C迅速充电或放电到电容上电压等于该采样时刻的电压值(Ui)。K的闭合时间应满足使C有足够的充电或放电时间即采样时间。为了缩短采样时间，这里采用阻抗变换器l，它在输入端呈现高阻抗，输出端呈现低阻抗，使C上电压能迅速跟踪等于Ui值。K打开时，电容C上保持住K打开瞬间的电压，电路处于保持状态。同样为了提高保持能力，电路中亦采用了另一个阻抗变换器2，它对C呈现高阻抗。采样保持的过程如图5所示。图5 采样保持过程示意图Tc为采样脉冲宽度，Ts为采样周期（或称采样间隔）。可见，采样保持输出信号已经是离散化的模拟量，再经A/D转换后就成为离散化的数字量。 图5所示采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs。采样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关键问题。采样频率越高，要求微处理器的速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样的频率不断地向微处理器输入数据，微处理器必须要来得及在两个相邻采样间隔时间Ts内处理完对每一组采样值所必须作的各种操作和运算，否则,微处理器将跟不上实时节拍而无法工作。相反，采样频率过低，将不能真实反映被采样信号的情况采样定理： 如果被采样信号中的最高频率分量为fmax，则采样频率应大于fmax的二倍，否则信号失真。 即 fs2fmax图6 采样频率选择示意图（a）被采样信号；（b）采样频率fs= fo（c）采样频率fs= 1.5fo；（d）采样频率fs= 2fo 微机保护所反应的电力系统参数是经过采样离散化之后的数字量。那么，连续时间信号经采样离散化成为离散时间信号后是否会丢失一些信息，也就是说这离散信号能否真实地反映被采样的连续信号呢？为此可分析图6所示的采样频率选择的示意图。设被采样信号X（t）的频率为fo，对其进行采样。若每周采一点，即fs= fo ，由图6b可见，采样所得到的为一个直流量。若每周采15点，即fs= 1.5fo时，采样得到的是一个频率比fo低的低频信号, 如图6c所示。当fs= 2fo时，采样所得波形的频率为fo，虽然这时波形已接近原信号波形但仍然有失真现象。显然，只有fs2fo，则采样后所得到的信号才有可能较为真实地代表输入信号X（t）。也就是说，一个高于fs/2的频率成分在采样后将被错误地认为是一个低频信号。只有在fs2fo后，才不会出现这种失真现象。因此若要不丢失信息，完好地对输入信号采样，就必须满足fs2fo这一条件。fs愈高，能反应的高频成分愈多亦即失真愈小。总之，为了使信号采样后能够不失真地还原，采样频率必须大于信号最高频率两倍以上，这就是乃奎斯特采样定理。 1.2.3 模拟低通滤波器（ALF） 滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的电路。随着数字信号处理技术的发展，除了模拟滤波器之外，还出现了数字滤波器。对微机保护系统来说，在故障初瞬间，电压、电流信号中可能含有相当高的频率分量，为防止频率混叠，fs不得不用得很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上目前大多数的微机保护原理都是反映工频量的，在这种情况下,可以在采样前用一个模拟低通滤波器将高频分量滤掉，这样就可以降低fs，从而降低对硬件提出的要求。以后我们将介绍，由于数字滤波器的作用，通常并不要求低通滤波器滤掉所有的高额分量而仅用它滤掉fs2以上的分量，以消除频率混叠，防止高频分量混到工频附近来。低于fs2的其它暂态频率分量，可以通过数字滤波来滤除。 图7无源低通滤波器原理电路及其特性 (a)电路图；(b)特性曲线 模拟低通滤波器分无源和有源两种。图7是常用的无源低通滤波器原理及特性图。图中无源低通滤波器由两级RC滤波电路构成。只要调整RC数值就可改变低通滤波器的截止频率。此时截止频率可设计为fs2，以限制输入信号的最高频率。这种滤波器接线简单，但电阻与电容回路对信号有衰减作用，并会带来延迟，对快速保护不利，仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护。对于要求高性能又快速的保护，必须采用有源的低通滤波器。有源低通滤波器通常由上述无源滤波器加上运算放大器构成，此时电容可取较小的数值，从而加快了保护动作速度。 1.2.4 模拟量多路转换开关（MPX） 保护装置通常需对多个模拟量同时采样，以准确获得各个量之间的相位关系并使相位关系经过采样后保持不变，这就要对每个模拟输入量设置一套电压形成、模拟低通滤波和采样保持电路。所有采样保持器的逻辑输入端并联后由定时器同时供给采样脉冲。由于模数变换器复杂及价格昂贵，通常不宜对各路电压、电流模拟量采用同时A/D转换，而是采用多路S/H共用一个A/D变换器，中间经多路转换开关切换，轮流由公用的A/D变换器将模拟量转换成数字量。由于保护装置所需同时采样的电流和电压模拟量不会很多，只要A/D变换器的转换速度足够高，上述同时采样的要求是能够满足的。图8 多路转换开关原理图多路转换开关的原理图如图8所示。这里的多路开关（1 n）是电子型的，通道切换受微机控制。它把多个模拟量通道按顺序赋与不同的二进制地址在微机输出地址信号后，MPX通过译码电路选通某一通道时，对应于S/H的这一通道开关也就接通。1.2.5模数转换器（AD）在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常需将检测到的连续变化的模拟量如：电压、电流、温度、压力、速度等转化成离散的数字量，才能输入到单片微机中进行处理。实现模拟量变换成数字量的硬件芯片称为模数转换器。也称为A/D转换器。根据AD转换器的原理可将其分成两大类。一类是直接型AD转换器，另一类是间接型AD转换器。在直接型AD转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量；在间接型AD转换器中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（频率），然后再把这个中间变量转换成数字代码输出。目前AD转换器的种类很多。这里仅就直接型的逐次逼近式AD转换器和间接型的 VFC变换式 AD转换器为例加以介绍。 （i）逐次逼近式AD转换器原理 对其工作原理为：将一待转换的模拟输入信号Uin与一个推测信号Ui相比较，根据推测信号大于还是小于输入信号来决定增大还是减小该推测信号，以便向模拟输入信号逼近。推测信号由DA转换器的输出获得。其推测值的取值方法如下：使二进制计数器中（输出锁存器）的每一位从最高位起依次置1，每置一位时都要进行测试若模拟输入信号Uin小于推测信号Ui，则比较器输出为零，同时使计数器该位清零；若模拟输入信号Uin大于推测信号Ui，比较器输出为1，并使计数器该位保持为1。无论哪种情况，均应继续比较下一位，直到最末位为止。此时，DA转换器的数字输入即为对应模拟输入信号的数字量。对微机保护来说，选择AD转换芯片时要考虑的两个主要指标是：AD转换的分辩率和转换速率。 图 9 逐次逼近式 A D转换器工作原理图分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。转换器的分辨率定义为满刻度电压与2*之比。其中 n为 A/D的位数。具有 12位分辨率的A/D能够分辨出满刻度的1/2*12或满刻度的0.0245。例如，一个10V满刻度的12位A/D能够分辨输入电压变化的最小值为2.4mV。A/D转换器输出的数字量位数越多，分辨率越高，转换出的数字量的舍入误差越小。A/D的转换速率是指重复进行数据转换的速度。即每秒转换的次数。而完成一次A/D转换所需的时间，就是转换速率的倒数。图10 VFC输入输出关系图VFC转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，其输出为一个等幅脉冲串，重复频率随时正比于输入电压瞬时值，如图10所示。它有良好的精度、线性度此外，它的应用电路简单，对外围元件性能要求不高，对环境适应能力强。 将模拟电压转换成频率的方法很多，这里只介绍一种简单的电荷平衡式V/F转换电路的工作原理。图11中，A1和RC构成一个积分器，A2是零电压比较器，恒流源和模拟开关S构成积分器反充电回路。当模拟开关S处于2位置即与运放A1输出端接通时，积分器处于充电过程，积分器输出电压不断下降，当积分器输出电压下降至零伏时，A2发生跳变触发单稳定时器，使其产生一个脉宽为tos的脉冲，此脉冲使模拟开关S接通至1位置与运放A1的反相输入端导通tos时间，对C进行反充电，使VOLTS上升。到tos结束时又使模拟开关S处于2位置，C再次进入充电阶段，VOLTS下降，当VOLTS下降至零伏又使单稳定时器产生一个tos 脉冲。如此反复形成频率输出，波形如图12所示。 图11 电荷平衡式VFC电路结构图 图12 电荷平衡式VFC波形图 VFC输出的脉冲信号频率与电路中电阻的关系为由上式可见，输出频率fout与输入电压Uin呈线性关系。 VFC从原理上不能反映输入电压的极性。而保护装置的电压信号都是双极性的。因而用于双极性输入时都要设置个偏置电压，使双极性信号变成单极性。例如，某一VFC芯片，采用负极性接线时，其直流偏置电压为-5V，保证了输入电压可以有5伏峰峰值的线性测量范围。如图13所示。 图13 VFC外部接线图Rp1用来调整偏置值，使无外部输入电压时输出频率为250kHZ，从而使输入交流电压的测量范围控制在5V的峰值内，这也叫做零源调整。各通道的平衡度及刻度比可用电位器Rp2来调整。R1和C1为浪涌吸收回路。VFC的变换特性与输入交流信号的变换关系如图14所示。图14 VFC变换关系图当输入电压Uin =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，如图15-(a)所示。当输入信号是交变信号时，经VFC变换后输出的信号是被Uin交变信号调制了的等幅脉冲调频波，如图15-（b）所示。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。VFC芯片的中心频率越高，其转换的精度也就越高。在四方公司新型的第三代微机保护中采用的VFC芯片其中心频率为2MHZ，因此变换精度有了较大提高。 图15 VFC工作原理和计数采样 （a）Uin =0；（b）Uin交流电压；计算间隔NTs的选择，用VFC转换器实现A/D转换需要与频率计数器配合使用，电路原理如图16所示。 图16 VFC型A/D转换器原理图设Ck为tk时刻读得计数器的数值，Ck-N 为tk-N时刻读得的计数器的数值，则有：DK = CK-N CK式中Dk为在NTs期间内计数器计到的脉冲个数。此脉冲数对应于NTs期间模拟信号的积分。 式中：INT表示取整数。因为计数器的计数值只能是整数，而不可能有小于1的值。Kf是VFC芯片的转换常数。u（t）为输入VFC芯片的模拟电压信号。图17 H（t）与H（f）的对应函数图像当K变化时，Dk是对输入电压的移动积分，每一次积分相当于一个宽度为NTs高度为1的矩形函数H（t）与输入电压u（t）进行卷积分。由数字信号处理的知识可以知道，时间函数H（t）的频谱H（f）如图17（b）所示。 由此看来，它具有低通滤波器的特性，其截止频率为1/ NTs 。由以上分析可知，尽管VFC式数据采集系统中没有象直接型A/D数据采集系统中那样设置低通滤波器，但频率记数的效果相当于有一个等效低通滤波器。根据采样定理，低通滤波器的截止频率应小于等于采样频率的一半。即：可见N应选取大于等于2的值。即为使VFC数据采集系统得到的数字信号不失真地代表模拟信号，在用于各种算法时，至少要用2Ts期间的脉冲数计算。VFC式数据采集系统的分辨率 微机继电保护对模数变换器的主要要求是分辨率。直接型A/D芯片以其输出的数字信号的位数来衡量分辨率。例如某一芯片，输出数字量为12位，去除符号位，其表示的数的范围是2048，显然位数越多测量范围越大，量化误差相对越小。 VFC式数据采集系统的分辨率决定于两个因素，其一是VFC芯片输出的最高频率，二是计算间隔NTs的大小。在NTs期间计数的最大值为：DK = Fmax* NTs 若Ts=5/3ms, Fmax=500kHz, 考虑符号后为250kHz，则Fmax Ts=416, 当N=2时, Dk=833, 相当于常规10.5位的A/D芯片. 当N=4时, Dk=1666, 相当于常规A/D芯片的位数为11.5位。 可见，欲提高VFC式数据采集系统的分辨率，一是选择最高转换频率高的芯片，这要增加硬件成本；二是增大计算间隔NTs 的值。这只需要在软件中改变即可实现，但代价是增加了保护的延时。实际上任何控制系统中速度和精度总是一对矛盾。实际中可以根据故障的严重程度实时改变计算间隔。 光隔处理 由于经VFC变换后摸拟电压信号变成数字脉冲，因此就使得其抗干扰光隔处理变得十分容易。 光隔芯片由发光二极管和光敏三极管组成（见图16）。VFC输出的频率信号是数字脉冲量。该数字脉冲输入光隔芯片的快速发光二极管时，对应每一个脉冲发出一个光脉冲，当光脉冲照射在光隔芯片内输出放大器的快速光敏三极管时，三极管导通使输出放大器输出一个同相脉冲。由于发光二极管及光敏三极管均具有快速响应特性，因此能适应VFC输出的高频脉冲要求，所以光隔芯片的输入与输出波形完全相同并几乎没有延迟。光隔电路实际上是光电耦合电路，其输入与输出既无电的联系，也无磁的联系，起到了极好的抗干扰及隔离作用。 以上我们介绍了两种数据采集系统的结构并分析了它们的工作原理，通过上述分析，可知两种数据采集系统都可用于微机继电保护装置中实现模数转换任务。但在以下几方面两种数据采集系统有所区别。（1）A/D式数据采集系统中，A/D转换结果可直接用于保护的有关算法。而VFC式数据采集系统属于计数式V/F转换芯片。单片机每隔一定时间读得的计数器的记数值不能直接用于算法，必须取相隔NTs的计数值相减后才能用于各种算法。（2）A/D芯片一经选定，其数字输出位数不可改变，即分辨率不可能变化。而 VFC系统中，可通过增大计算间隔提高分辨率。 （3）对 A/D式数据采集系统，A/D芯片的转换时间必须小于中断时间。而 VFC数据采集系统是对输入脉冲不断计数，不存在转换速度问题。但应注意输入到VFC芯片的脉冲频率不能超过其极限计数频率。（4）A/D式数据采集系统中需由定时器按规定的采样间隔给采样/保持芯片发出采样脉冲，而VFC式数据采集系统只需按采样间隔读计数器的值就可以。 （5）采用VFC与计数器之间的光电耦合器，使数据采集系统与CPU系统在电气上完全隔离。抗干扰能力强。 （6）VFC的工作根本不需CPU控制，多个CPU可以共享一套VFC，且接口简单。 1.3 数据处理单元 如前所述，一般的单片机都有一定的内部寄存器、存贮器和输入、输出口。但当单片机用于实现保护功能时，首先遇到的问题就是存储器的扩展。单片机内部虽然设置了一定容量的存储器，但这种存储器一般容量较小，远远满足不了实际需要，因此需要从外部进行扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。为了满足继电保护定值设置的需求，还配置了电可擦除的可编程只读存储器。程序常驻于只读存储器（EPROM）中，计算过程和故障数据记录所需要的临时存储是由随机读写存储器（RAM）实现。设定值或其它重要信息则放在电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）中。它可在5V电源下反复读写，无需特殊读写电路，写入成功后即使断电也不会丢失数据。处理器通过其数据线、地址线、控制线及译码器来与存储器部件进行通讯。根据不同保护功能的要求，一般还要扩展一些并行口等。1.4数字量输入输出接口1.4.1开关量输入回路 微机保护装置的开关量输入即接点状态（接通或断开）的输入电路见图18。包括断路器和隔离开关的辅助接点或跳合闸位置继电器接点，外部装置闭锁接点，气体继电器接点。还包括某些装置上压板位置输入等。 图18 开关量输入电路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，P点电位为0电位。K1打开时，则光敏三极管截止，P点电位为+5V。因此三极管的导通和截止完全反映了外部接点的状态。光电耦合芯片的两个互相隔离部分间的分布电容仅仅是几个微微法，因此可大大削弱干扰。由于一般光电耦合芯片发光二极管的反向击穿电压较低，为防止开关量输入回路电源极性接反时损坏光电耦合器，图中二极管V对光隔芯片起保护作用。1.4.2开关量输出回路开关量输出主要包括保护的跳闸出口信号以及本地和中央信号等。一般都采用并行接口的输出口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如图19所示。只要由软件使并行口的PB0输出“0”，PB1输出“1”，便可使与非门输出低电平，光敏三极管导通。继电器K被吸合。 图19 开关量 输出回路 接线图 在初始化和需要继电器K返还时，应使PBO输出“l”， PB1输出“0”。设置反相器B及与非门H而不是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，不足以驱动发光二级管，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。最后应当注意图19中的PB0经一反相器，而PB1却不经反相器，这样设计可防止拉合直流电源的过程中继电器K的短时误动。因为在拉合直流电源过程中，当5V电源处在中间某一临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成保护误动作，特别是保护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，采用图19的接法后，由于两个相反的条件的互相制约，可以可靠的防止继电器的误动作。 1.4.3打印机并行接口回路 打印机作为微机保护装置的输出设备，在调试状态下，输入相应的键盘命令，微机保护装置可将执行结果通过打印机打印出来，以了解装置是否正常。在运行状态下，系统发生故障后，可将有关故障信息，保护动作行为及采样报告打印出来，为分析事故提供依据。由于继电保护对可靠性要求特别高，而它的工作环境电磁干扰比较严重，打印机引线可引入干扰，因此，微机保护装置与打印机数据线连接均经光电隔离。 是人机对话接口回路 人机对话接口回路主要包括以下两部分内容：1、对显示器和键盘的控制，为调试、整定与运行提供简易的人机对话功能。2、由硬件时钟芯