微机保护构成及数据采集系统.ppt

第二章 微机保护的数据采集系统,2.1 微机保护系统构成 微机保护是以电压、电流的采样值为输入量，以微机为控制器，以电气设备的断路器为被控对象的一个开环离散控制系统。 微机保护是将被保护设备输入的模拟量经模数转换器后变为数字量，再送入计算机进行分析和处理的保护装置。 微机保护由硬件和软件两部分构成。微机保护整套硬件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统、CPU主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。 微机保护的软件由初始化模块、数据采集管理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。,微机保护的硬件系统包括以下五部分： 1.数据采集系统（或称模拟量输入系统）：包括电压形成、采样保持、多路开关及数模转换。 2.微型机（或微处理器）主系统：包括微处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器、并串接口等。 3.开关量输入输出系统：由微型机的并行接口、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。完成保护需要的外部触点接入、出口跳闸、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.逆变稳压电源（5V 15V、24V）,微机保护硬件构成框图（书）,2. 微机保护用硬件特点 集成微处理器（MPU）、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、定时器、模数转换器(AD)、并行接口(PIO)、闪存单元(FLASH)、数字信号处理器(DSP)、通信接口等多种功能集成在一个芯片内的单片机系统。 把所有总线连同单片机都集成在一个芯片内的总线不出片技术。 不区分微机、单片机、微处理器,微机保护的软件包括 数字滤波器，如减法滤波器、加法滤波器等。像有些不便于采用模拟滤波器的场合，如傅立叶滤波、小波变换等; 微机保护算法，像幅值和相位计算、选相算法、滤序算法等; 保护动作判据，保护基本原理的具体体现; 逻辑输出，执行跳闸、告警等数字信号输出。,2.2 数据采集系统,为模数转换（AD）做准备、转换模拟量为数字量 适应电力系统故障信号特点 频谱分布宽广：从直流、衰减直流、工频基波分量到各次谐波（最高到数百千赫兹）在内的暂态信号 动态范围宽广：从正常运行的几十安培到短路状态下的几万安培甚至几十万安培 微机保护常用的数据采集系统有两种： 一是采用逐次逼近原理的A/D芯片构成的数据采集系统； 另一种是采用VFC芯片构成的压频变换式数据采集系统,对于中低压电力系统这两种方式都在使用，而高压或超高压的保护装置我国大都采用VFC变换方式。 ADC方式是将模拟量直接转变为数字量的方法； VFC方式是将模拟量先转变为频变脉冲量，再通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方法。,适应继电保护特点要求 模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则 典型的高压线路保护需要：三相电流、零序电流；三相电压、线路侧线间电压； 典型的三绕组变压器差动保护需要：每一绕组侧的三相电流 因此，微机保护是一个多模拟量输入系统,包括电压形成电路、模拟低通滤波器、采样保持、多路开关、A/D转换等部分,采集量的选择,以高压线路保护和三绕组变压器差动保护为例，由于高压线路保护一般具备全线速动保护（如高频保护或光纤电流纵差保护）、距离保护、零序保护和重合闸功能。所以模拟量一般设置为以下8个量,前7个量用于构成保护功能，最后的量为断路器的另一侧电压，用于实现重合闸功能； 对于三绕组变压器的的差动保护，至少应该接入三侧的三相电流，共9个模拟量。,继电保护所使用的电压、电流都是来自于电压互感器（100V、线间电压）和电流互感器（额定电流5安或1A，短路电流100A） 电流(电压)变换器再将TA(TV)二次侧电流(电压)均变换为适合AD转换需要的2.5V、 5V、 10V的电压；,1. 电压形成回路,电压、电流变换器,电流变换器（TA）、电压变换器（TV）和电抗变换器（TX）。 作用：变换、隔离。在原副边可加一屏蔽层，有利于抗干扰。 电抗变换器具有阻止直流、放大高频分量的作用，优点是线性范围大，铁芯不易饱和，有移相作用。,电流变换器特点,优点：只要铁芯不饱和，其二次电流及并联电阻上的二次电压波形基本保持与一次电流波形相同且同相。 缺点：再非周期分量的作用下容易饱和，线性度较差，动态范围较小。 电流变换器二次测的并联电阻数值为几欧到十几欧姆。,前置低通滤波器的设置, 滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时拟制无用频率信号的电路。低通滤波器是只让低于截至频率通过的滤波器。 前置低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于采样电路前，滤除高于采样频率一半的信号，因此截至频率被设置为1/2fs。 低通滤波器可以采用有源的、也可以采用无源的。 无源滤波器由RLC元件构成；有源的由运放和RC元件构成；,模拟低通滤波器(ALF),ALF(Analog Low-pass Filter) 无源特点：无源滤波器构成简单，频率特性单调衰减的，不能做到通带平坦和过渡带陡峭，可用于反映基波分量的保护；且电阻和电容回路对信号有衰减作用，并会带来时间延迟，仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护。 有源特点：滤波性能好且阶数越高，它的频率响应越具有十分平坦的通带和陡峭的过渡带，但会增加装置的复杂性和时延，故阶数不宜过高。但抗冲击干扰能力差。,二阶无源低通滤波器 原理电路与幅频特性曲线,通常R1=R2=R，则,二阶有源低通滤波器,仅使用一个运算放大器，结构简单，RC元件少。缺点是元件参数的变化对滤波器滤波效果影响较大。该滤波器的传递函数为,式中K=1+R4/R3 通过参数的合理选择，有源滤波器可以得到更理想的频率特性。,截止频率,模拟低通滤波器常常采用普通的一阶（最高二阶的有源或无源）RC阻容滤波器来限制接近工频分量的谐波信号混进来！ 模拟滤波器的幅频特性的最大截止频率，必须根据采样频率的取值来确定，当fs1000Hz时，即交流工频50Hz每个周期采样20个点，则要求滤除模拟输入信号中大于500Hz的高频分量。,采样频率的选择,1. 必须满足采样定理，即采样频率必须大于原始信号中最高频率的二倍。 2. 采样频率的选择与保护原理和采样的算法有关； 3. 采样频率还与模拟量的数量，数据传送方式有关 工程中一般取fs(2.53) fmax 采样周期Ts：相邻两个采样时刻的时间间隔称为采样周期采样周期的倒数称为采样频率，记为fs。,采样频率的选择,高采样频率要求CPU的处理和运算速度快；低采样频率可能会造成频率混叠，因为电力系统故障后的电压电流是一个宽频谱信号。 目前的继电保护主要是基于工频故障信息构成的，那么，高频故障信息应该可以滤除，这样将降低对CPU和采样速率的要求。 目前微机保护普遍采用600Hz（1.667毫秒）、1kHz（1毫秒）、1.8kHz（0.55毫秒）的采样频率，它们都能够满足工频故障信息和3次、5次谐波的采样和分辨要求。但是高于300Hz、500Hz、900Hz的故障信号怎么办呢？,多个模拟通道的采样方式,等间隔采样和不等间隔采样。微机保护大多数采用等间隔采样方式。 跟踪采样和定位采样。跟踪采样是不等间隔采样方式，需要测频方法。 多通道同时采样、顺序采样、分组顺序采样。 输电线路保护通常需引入9个模拟量： 微机保护中广泛采用多通道同时采样方式。,对于电网频率波动小，采样精度要求不是很高的场合，常采用等步长采样； 对于电网频率波动大，采样精度要求高的场合，需要变步长采样，变步长的采样间隔时间（采样脉冲发出时间）要随时调整。,多通道同时采样方式的硬件电路,采样定理,从信号处理的角度看，采样可看成是采样序列s(t)与原始信号f(t)相乘后得到的新信号。 用矩形脉冲对原始信号进行采样时，可表示为： 用冲激序列对原始信号进行采样时，可表示为：,采样后信号的频谱分析,根据频域卷积定理，两个时域函数乘积的傅立叶变换等于他们各自的傅立叶变换的卷积。 式中 分别是 采样信号、原始信号、门函数序列、冲激函数序列的傅立叶变换。,采样保持电路作用及原理,定义：采样保持电路（S/H,Sampling and Holding）是在极短时间内测量模拟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保持输出不变的一个电路。 目前，采样保持电路大多集成在单一芯片中，但芯片内不设保持电容，需用户外设，常选0.01F左右。常用的采样保持芯片有LF198、LF298、LF398等。,采样保持电路组成,组成：由电子模拟开关AS、保持电容器Ch及两个阻抗变换器组成。,Ch的作用是记忆AS闭合时刻的电压，并在AS打开后保持该电压。阻抗变换器I在Ch端提供低阻抗，使得Ch电压建立迅速，而在输入端呈现高阻抗，以尽量减少对输入回路的影响； 阻抗变换器II在Ch端提供高阻抗，使得Ch衰减缓慢，而在后边呈现低阻抗以提高带负载的能力。,采样保持电路及工作过程,采样保持过程示意图,微机采样定时器等间隔地产生采样脉冲进行采样，得到采样信号，采样后信号在下次采样脉冲到来之前应保持不变，形成稳定的阶梯状采样保持信号，等待A/D转换。,采样保持工作过程,对采样保持电路的要求,Ch上的电压按照一定的精度跟踪Usr，跟踪时间尽量短，以适应最小采样宽度Tc 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。 前两个指标取决于阻抗变换器和保持电容的性能，就捕获而言，越小越好；就保持而言越大越好。 一般来讲，要求快速捕获，采样周期短，电容要小一些； 慢速捕获，采样周期长，电容大一些，稳定性好，抗杂散电容影响能力强。,采样保持电路的性能与电容的关系曲线,1保持下降率 2保持跳变误差 30.1误差的截获时间 4充电速率 5频带 例子：若取Ch为0.01uf，则保持下降率为2mV/S，微机保护采样速率高于2mS，没问题；而截获时间为20微妙，误差相当于工频0.36度，也没有问题。 但是对于高频采集行波采集就不行了！ 需要提醒的是：Ch经常需要外接。,模拟量多路转换开关,继电保护需要多的模拟量 数模转换器是贵重的元器件 电路布板希望少的芯片 多路转换器是一个理想的、经常采用的芯片 定义：是一个开关电路；接入很多模拟量；仅仅把其中的一路送给数模转换器去转换。 不同的模拟量通过“分时”方式完成模数转换过程。,多路转换开关,组成：包括选择接通路数的二进制译码电路和多路电子开关。 二进制译码电路决定哪个电子开关接通接入相应的待转换模拟量 多路电子开关起分断其它回路而仅仅接通待转换的哪一路模拟量作用 16路多路转换开关例(AD7506) A0A3是路数选择线 接CPU，控制哪一路选通 A1A16是模拟量入 AS1AS16是电子开关 En是始能端,2.3 A/D式逐次逼近型数据采集系统,A/D转换器定义：是一个硬件电路，用于实现模拟量到数字量的转换，也称为A/D转换器。它是把模拟量变成能让计算机识别的数字量的桥梁。 应用范围及其宽广：随时间连续变化的模拟量、需要计算机来处理的都必须经过这个环节。像电压、电流、温度、压力、速度等。 分类： 直接型：直接把模拟量转换成数字代码（逐次逼近型） 间接型：首先把模拟量转换成某种变量（比如频率），再转换成数字代码输出（VFC压频变换式）,模数转换器的一般原理,将输入的模拟量Usr相对于模拟参考量UR经编码电 路转换成数字量D输出 D可以表示为 B1Bn均为二进制码。,数模转换器，D/A转换器,数模转换器的作用是将数字量经解码电路变成模拟 电压或电流输出。每位数字量都有一定的权，不同的权 就代表一个具体的数值。,4位数模转换器说明图,ADC转换举例,若待转换的模拟量所对应的未知数字量应是DOH，逐次逼近式8位A/D转换器转换过程如下：首先将D7置为1，输出锁存器输出数字是10000000= 80H。经D/A转换为模拟量并与Uin相比较，由于推测信号小于模拟输入信号，所以，比较器输出为1，则D7保持为1。再将D6置1，锁存器输出为11000000= C0H，小于D0H，则D6也保持为1。再将D5置1，锁存器输出为11100000=E0H，大于D0H，则D5应置为0。再将D4置1，锁存器输出为11010000=D0H，D4保持为1。再将D3置1，锁存器输出为11001000=D8H，大于D0H则D3位置为0。依次类推直至D0位，可得转换结果为11000000=D0H。,电子开关K0K3分别受4位输入数字量B1B4控制。 在某位为零时，开关合向左侧，即接地；为1时，合向右侧，即接运放反相输入端。 流向运算放大器反相输入端的总电流反映了4位输入数字量的大小，经带有负反馈电阻的放大器放大后变换成电压输出。 图中的特殊网络结构和参数选择使得各个电子开关所接通的回路具有不同的“权”值。 所以，运放输入电流为,将一待转换的模拟输入信号Uin与一推测信号Ui相比较，根据推测信号大于还是小于输入信号来决定是增大还是减小该推测信号，直至逼近输入信号为止。推测信号由D/A转换器的输出获得。,逐次逼近式模数转换器原理,偏置结果变成单极性,转换时间 精度要求 微机保护要承受100A电流，还要正确分辨10额定电流（精工电流）0.5安培。 12位AD可以满足要求。如采用16位更好。,微机保护对模数转换器的要求,A/D转换器的主要技术指标,AD变换器的主要技术指标是分辨率、精度和变换速度。 分辨率是反映AD对输入电压信号微小变化的响应能力。AD变换器分辨率的计算公式为： AD满量程电压值2n (V) 式中，AD满量程电压值为变换器最大允许的输入信号电压范围，n为变换器最大可输出数字量对应的二进制位数。 以满量程电压值为土5V、最大可输出数字量对应的二进制位数n12的AD变换器为例，其分辨率为：10212V104096V000244V,通常又用AD变换器的二进制位数来表示其分辨率在微机型保护中多使用12位、14位或16位的AD变换器。如12位AD7847芯片、16位的AD7665。 AD变换器的精度是指AD变换的结果与实际输入的接近程度，也就是准确度精度通常用最低有效位(LSB)来表征，即当AD变换结果用二进制数来表示时，其低位端最大可能有几位是不准确的。 AD变换器的变换时间指的是进行一次AD变换所需的时间，目前微机型保护中常用的AD变换器的转换时间为几微秒至十几微秒,2.4 VFC型数据采集系统,VFC（Voltage Frequency Converter），电压频率转换器 。 电压、电流信号经电压形成回路后，均变换成与输入信号成比例的电压量，经过VFC，将模拟电压变换为脉冲信号，该脉冲信号的频率与输入电压成正比，经快速光电耦合器隔离后，由计数器进行计数。随后，微型机在采样间隔Ts内读取的计数值就与输入模拟量在Ts内的积分成正比，达到了将模拟量转换为数字量的目的，实现了数据采集系统的功能。,信息共享,VFC转换器,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，其频率随时间正比于输入电压瞬时值。它有良好的精度和线性度。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。,VFC工作原理,由输入运放A1、过零检测器A2、受控单稳触发器、电子开关及电阻电容组成。,VFC模数转换,VFC工作原理,A1是一个积分运算放大器，它具有反馈电容Cint和输入电阻Rin。积分器的输出电压与存储在Cint的电荷成正比。当输入为电压信号时，这个电压通过Rin产生一个电流，对Cint进行充电，从而在输出端产生一个负的斜坡电压，当输出电压为零时，过零检测器A2翻转，其输出端触发单稳触发器，单稳触发器产生一个单脉冲信号。脉冲信号的宽度为Tos。 该脉冲信号一方面通过输出驱动电路在Fout端产生一个脉冲信号，另一方面控制电子开关K。在Tos期间，电子开关K闭合，于是通过这个开关的电流IR对电容器反充电，积分器的输出电压变为正，直到Tos结束，电子开关断开，输入电压又对电容器充电，运算放大器A1的输出电压再次从正变为零，过零检测器再次触发单稳，单稳触发器又产生一个脉冲信号，这个过程不断重复，在输出端产生一个脉冲序列。,当输入电压变高时，由于充电电流增大，充电速度快，A1输出端的电压下降也变快，于是脉冲信号的频率增加，可见，该脉冲信号的频率与输入电压的瞬时值成正比。从而将输入电压转换成一系列等幅脉冲信号，计数器记录一定的时间间隔内的脉冲数，从而实现了模拟信号到数字信号的转换。 单稳触发器的输出脉冲信号的宽度受RT和CT两个参数的影响。通常在生产 VFC芯片时将RT固定，而CT由用户外接，通过改变CT的大小，可改变输出脉冲的宽度。当输入电压为最大值时，如果脉冲信号的宽度太 大，会使脉冲信号无法分辨，因而，每一种VFC芯片都有一个最高转换频率。例如 VFCAD654芯片的最高转换频率为500kHz。,VFC数据采集系统特点,VFC数据采集系统特点 低通滤波 抗干扰能力强 位数可调 与微机接口简单 多微机共享 不适于高速采样,ADC式与VFC式数据采集系统比较,采用逐次逼近AD芯片构成的数据采集系统经AD转换的结果可直接用于微机保护中的数字运算，而采用VFC芯片构成的数据采集系统中，由于计数器采用了减法计数器，所以每次采样中断从计数器读出的计数值与模拟信号没有对应关系。必须将相邻几次读出的计数值相减后才能用于数字运算。 AD式芯片构成的数据采集系统的分辨率决定于AD芯片的位数。位数越高，分辨率也越高。但硬件一经选定则分辨率便固定。而由VFC芯片构成的数据采集系统的分辨率不仅与VFC芯片的最高转换频率有关，而且还与软件计算时所选取的计算间隔有关。计算间隔越长，分辨率越高。, AD式芯片构成的数据采集系统对瞬时的高频干扰信号敏感，而VFC芯片构成的数据采集系统具有平滑高频干扰的作用。采样间隔越大，这种平滑作用越明显。因此，在需要提取高次谐波时，如果采用VFC式数据采集系统，采样频率不应过低。 在硬件设计上，VFC式数据采集系统便于实现模拟系统与数字系统的隔离。便于 实现多个单片机共享同一路转换结果。而AD式数据采集系统不便于数据共享和光电隔离。 在设计微机保护系统时，采用AD式数据采集系统时，至少应设有两个中断，即采样中断和AD转换结束中断。对于多个模拟信号公用一片AD芯片时， 应考虑数据处理占用采样中断的时间。而VFC式可只设一个采样中断 (不考虑其他功能时)，软件