微机保护原理

1、一、微机继电保护装置的特点1可靠性高微机保护的软件设计，考虑到电力系统中各种复杂的故障，具有很强的综合分析和判断能力，几乎就是一个专家智能系统。而常规保护装置，由于是各种器件组成的，不可能做得很复杂，否则硬件越多，越复杂，本身出故障的概率就越大，可靠性当然就降低了。另外微机保护装置的自检与巡检功能也大大提高了其可靠性。2动作正确率高鉴于计算机软件计算的实时性特点，微机保护装置能保证在任何时刻均不断迅速地采样计算，反复准确地校核。在电力系统发生故障的暂态时期内，就能正确判断故障，如果故障发生了变化或进一步发展也能及时做出判断和自纠。如在保护延时动作或重合间延时的过程中都能监视系统故障的变化，因此

2、微机保护的动作正确率很高，运行实践已证明了这点。3易于获得各种附加功能由于计算机软件的特点，使得微机保护可以做到硬件和软件资源共享，在不增加任何硬件的情况下，只需增加一些软件就可以获得各种附加功能。例如在微机保护装置中，可以很方便地附加了低周减载和自动重合闸等自动装置的功能。4保护性能容易得到改善由于计算机软件可方便改写的特点，保护的性能可以通过研究许多新的保护原理来得到改善。而且许多现代新原理的算法，在常规保护中是很难或根本不可能用硬件来实现的。5使用灵活、方便目前微机保护装置的人机界面做得越来越好，也越来越简单方便。例如汉化界面、微机保护的查询、整定更改及运行方式变化等等都十分灵活方便，受

3、到现场继电保护工作入员的普遍欢迎。6具有远方监控特性微机保护装置都具有串行通信功能，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的特点并将微机保护纳入变电所综合自动化系统。三、微机保护的学习方法微机保护专业基础是单片微机原理和电力系统继电保护原理，显然要学好微机保护就得掌握一定的单片微机原理和电力系统继电保护原理。对于专业入员的培训学习，目前主要的困难还在于单片微机的基本知识。为了提高培训学习的效率，对于单片微机原理应该抓住单片微机的实质，而不应以单片微机电路的细节为主，要防止钻进去而跳不出来，在具体细节上纠缠不清的现象。学习单片微机基本原理就要以方框图为主，对于保护输入和输出的电路则

4、要较具体地搞清楚它们的来龙去脉。对于微机保护的软件，主要是在电力系统继电保护原理基础上掌握微机保护程序逻辑框图的原理，特别是理解各个（元件）模块的保护原理，这对于今后分析系统事故及设备故障、保护动作的正确性均有好处，继电保护的专业入员在学习单片微机基本原理时，可以学些汇编语言基本知识，这对学习保护程序逻辑框图会很有帮助，对继电保护专业入员主要是以正确理解为主，而电力系统运行入员则以基本了解为宜学习微机保护还必须注意结合具体保护装置，这样可以避免理论脱离实践。第一章微机保护装置的硬件原理第一节微机保护装置的硬件结构一、微机保护装置的典型结构微机型保护装置实质上是一种依靠单片微机智能地实现保护功能

5、的工业控制装置。一般典型的微机保护结构是由五个部分构成的，即信号输入电路、单片微机系统、人机接口部分、输出通道回路及电源部分如图1l所示。（一）信号输入电路微机保护装置输入信号主要有两类，即开关量和模拟量信号。信号输入电路部分就是妥善处理这二类信号，完成单片微机系统输入信号接口功能。通常输入的开关量信号不能满足单片微机的输入电平要求，因此需要信号电平转换。为了提高保护装置的抗干扰性能，通常还需要经整形、延时、光电隔离等处理。输入的电压和电流信号，是模拟量信号。由于计算机是一种数字电路设备，只能接受数字脉冲信号，所以就需要将这一类模拟信号转换为计算机能接受的数字脉冲信号。完成模拟量至数字脉冲的变

6、换称为模数变换，输入模拟量信号的模数变换电路也称作输入信号调理电路。（二）单片微机系统微机保护装置的核心是单片微机系统，它是由单片微机和扩展芯片构成的一台小型工业控制微机系统，除了这些硬件之外，还有存储在存储器里的软件系统。这些硬件和软件构成的整个单片微机系统主要任务是完成数值测量、计算、逻辑运算及控制和记录等智能化任务。除此之外，现代的微机保护应具有各种远方功能，它包括发送保护信息并上传给变电所微机监控系统，接收集控站、调度所的控制和管理信息。关于单片机的结构和原理详见附录A。在附录A里简单扼要地概括了MCS51系列单片机的构造和原理。这种单片微机系统可以是单CPU或多CPU系统。一般为了提

7、高保护装置的容错水平，目前大多数保护装置已采用多CPU系统。尤其是较复杂的保护装置，其主保护和后备保护都是相互独立的微机保护系统。它们的CPU是相互独立的，任何一个保护CPU或芯片损坏均不影响其他保护。除此之外，各保护的CPU总线均不引出，输入及输出的回路均经光隔处理，各保护具有自检与互检功能，能将故障定位到插件或芯片，从而大大地提高了保护装置运行的可靠性。但是对于比较简单的微机保护，由于保护功能较少，为了简化保护结构，多数还是采用单CPU系统。（三）人机接口部分在许多情况下，单片微机系统必须接受操作人员的干预，例如整定值的输入，工作方式的变更，对单片微机系统状态的检查等都需要人机对话。这部分

8、工作在CPU控制之下完成，通常可以通过键盘、汉化液晶显示、打印及信号灯、音响或语言告警等来实现人机对话。（四）输出通道部分输出通道部分是对控制对象（例如断路器）实现控制操作的出口通道。通常这种通道主要任务是将小信号转换为大功率输出，满足驱动输出的功率要求。在出口通道里还要防止控制对象对微机系统的反馈干扰，因此出口通道也需要光隔离。总的说来输出通道仍然是一种被控对象与微机系统之间的接口电路。（五）电源部分最后一部分是电源。微机保护系统对电源要求较高，通常这种电源是逆变电源，即将直流逆变为交流再把交流整流为微机系统所需的直流电压。它把变电所的强电系统的直流电源与微机的弱电系统电源完全隔离开。通过逆

9、变后的直流电源具有极强的抗干扰水平，对来自变电所中因断路器跳合闸等原因产生的强干扰可以完全消除掉。目前，微机保护装置均按模块化设计，也就是说对于成套的微机保护、各种线路和元件的保护，都是用上述五个部分的模块化电路组成的。所不同的是软件系统及硬件模块化的组合与数量不同。不同的保护用不同的软件来实现，不同的使用场合按不同的模块化组合方式构成。这样的成套微机保护装置，对于设计、运行及维护、调试人员都带来了极大方便。二、微机保护的结构框图原理在实际应用中，微机保护装置分为单CPU和多CPU的结构方式。在中、低压变电所中多数简单的保护装置采用单CPU结构，而在高压及超高压变电所中复杂保护装置广泛采用多C

10、PU的结构方式。（一）单CPU的结构原理单CPU的微机保护装置是指整套微机保护共用一个单片微机，无论是数据采集处理，开关量采集，人机接口及出口信号等均由一个单片微机控制。如图12所示。该图是WBZ01型第一代微机变压器保护装置的硬件方框图，其他单CPU的微机保护结构与WBZ0的结构相类似。从图12可见，模拟量输入回路部分由隔离与电压形成、低通滤波回路、多路开关及模数变换组成；单片微机系统是由CPU、EPROM、RAM、E2PROM组成；开关量输入由光隔输入组成；人机接口部分由键盘和显示器、实时时钟、打印电路组成；开关量输出通道由I/O、信号和出口回路组成。、全套装置由逆变稳压电源供电。从图12

11、还可以看出，模拟量输入回路、单片微机系统、开关量输入、人机接口和开关量输出各插件均通过总线（BUS）联系在一起，由CPU通过BUS实现信息数据传输和控制的、该总线（BUS）称为三总线：AB地址总线，DB数据总线，CB控制总线。CPU通过AB地址总线选通各功能芯片，通过CB控制总线控制各功能芯片的工作方式、最终由DB数据总线传送信息和数据、图1-2单CTU结构的槪机保护硬件框图单CPU结构的微机保护的基本原理如下：各交流量分别经信号输入回路、模拟低通滤波器送到CPU控制的多路开关，经模数转换后，由DB数据总线送到数据存储器（RAM）、CPU通过调用程序存储器（EPROM）内的程序对采集的数据进行

12、计算，其计算结果与存放在电可擦存储器（E2PROM）中的整定值进行比较，作出相应判断、再通过输入输出端口（I/O）将处理信号送到相应外设（信号与出口）发出报警信号，或执行跳闸、键盘、显示器、打印机用于人机对话，以便对整个保护系统进行调试、整定、监视、开关量输入电路用于将高压断路器或隔离开关的辅助触点引入，对于变压器保护还需将瓦斯、温度等触点引入，以便CPU检测，作出相应控制、硬件自检电路用来检测CPU程序工作是否正常，一旦CPU工作不正常即闭锁保护并发出报警信号、单CPU结构的微机保护虽然结构简单，但其容错能力不高，一旦CPU或其中某个插件工作不正常就影响到整套保护装置、由于后备保护与主保护共

13、用同一个CPU，因此主保护不能正常工作时往往也影响到后备保护，其可靠性必然下降、（二）多CPU微机保护装置的结构原理为了提高微机保护的可靠性，目前高压及超高压变电所微机保护都已采用多CPU的结构方式、所谓多CPU的结构方式就是在一套微机保护装置中，按功能配置有多个CPU模块，分别完成不同保护原理的多重主保护和后备保护及人机接口等功能、显然这种多CPU结构方式的保护装置中，如有任何一个模块损坏均不影响其他模块保护的正常工作，有效地提高了保护装置的容错水平，防止了一般性硬件损坏而闭锁整套保护、多CPU结构的保护装置还提供了采用三取二保护启动方式的可能性，大大提高了保护装置启动的可靠性。多CPU结构

14、的保护装置硬件框图如图13所示，这是我国第二代微机保护装置WXH11和WXB11的典型结构框图。该套保护装置由四个硬件完全相同的保护CPU模块构成，分别完成高频保护、距离保护、零序电流保护以及综合重合闸等保护功能。另外还配置了一块带CPU的接口模板（MONITOR）,完成对保护（CPU）模块巡检、人机对话和与监控系统通信联络等功能。外部触直开人开入图名CFU給构的保护装管碘件椎图从框图可见，整套保护装置仍然由模拟量输入、单片微机系统、人机接口及开入开出回路、电源等组成。模拟量输入回路包括有交流输入、模数变换、组成；单片微机系统即保护CPU模块由高频、距离、零序电流、综合重合闸等保护组成；人机接

15、口模块由接口和打印机构成；开关量输入由、组成，开关量输出通道由逻辑、跳闸（、信号（13）、告警（14）组成。此外还有逆变电源（15）。多CPU结构中某一种保护的工作原理同单CPU结构的保护基本相同。在图12和图l3中都有模拟量输入部分，所不同的仅仅是数据采样的方式区别。这里的模拟量输入部分的作用同样是完成模拟量信号的强弱电变换、隔离、VFC模数变换等任务。输入的交流信号是三相电压和三相电流，3U。、3Io及重合闸鉴定同期的线路抽取电压Ul等九个模拟量的输入。单片微机保护部分由四个独立的保护CPU模块组成，其中高频保护和综合重合闸保护共用号模数变换插件板，距离保护和零序电流保护共用号模数变换插件

16、板。这样的接线方式增加了保护的冗余量，从而进一步高了保护的可靠性，但相对增加了保护的复杂性。多CPU结构的保护装置中，每个保护CPU插件都可以独立工作。各保护之间不存在依赖关系。例如高频保护是由高频距离和高频零序方向二个主保护组成，其中距离元件和零序方向元件都是独立的，不依赖于距离保护CPU和零序保护CPU插件中的距离元件及零序方向元件。保护CPU的完整性和独立性又大大提高了保护可靠性。人机接口的媒介是键盘、液晶（数码管）显示器、打印机、信号灯。工作入员通过命令和数值键入，完成对各保护插件定值的输入、控制方式字的输入及对系统各部分的检查；计算机将系统自检结果及各部分运行状况数据通过液晶（数码管

17、）显示器或打印机输出，完成人机对话。人机接口部分的任务还包括对各CPU保护插件的集中管理、巡检等。多CPU结构的保护装置，实质上是主从分布式的微机工控系统，人机接口部分是主机，完成集中管理及人机对话的任务。而单片机保护部分是四个智能从机，它们分别独立完成部分智能保护任务。四种保护综合完成一条高压输电线路的全部保护，即输电线路各类相间和接地故障的主保护和后备保护，并能各自独立完成综合重合闸功能。（三）第三代微机保护装置的硬件结构1.硬件框图第三代微机保护以CS系列保护装置为代表，其结构框国如图14所示。该图是CST200系列变压器保护的硬件框图。1虫电中央估号图ITCWT吃如系列变压關嗦护捅件礎

18、件框图机合闸出抒中央信号变压器至萍信号輪入斗地嵋号-至高数据通常网UARTcUARTl人机接口CPU斗2模拟量输入部分第三代微机保护装置的结构仍与图11所示的典型微机保护系统框图相类似。模拟量输入回路由交流插件AC和模数变换插件VFC构成。VFC采用第三代模数变换技术，分辨率高达14位，提高了保护的精度。3单片机系统CS系列变压器保护的单片机系统包括信号锁存、开关量输入和输出、主保护CPU1、高压侧后备保护CPU2、低压侧后备保护CPU3（图14中未画出CPU2和CPU3，其框图与CPU1相同），显然它仍然是多CPU系统。第三代微机保护的CPU芯片，总线不引出芯片，是一种不扩展的单片机，因此抗

19、干扰能力很强，调试也简单。在CPU芯片内集成了微处理器、RAM、EPROM。但E2PROM未集成在芯片内，采用串行E2PROM可避免总线引出芯片，因此它仅需要两根I/O线与CPU芯片相连，一根作串行数据线（SD）,另一根作串行时钟线（SC）。在CPU插件上设置了锁存器，在CPU的控制下锁存经VFC插件来的信号，可以使外部异步脉冲信号变成同步脉冲信号，对抗干扰有利，同时还起了脉冲整形的作用。为了进一步提高抗干扰能力，避免单片机的任一端子不经隔离直接引出插件，开关量输入和输出的光隔电路均安装在CPU插件上，而不另外设置开关量输入和输出插件。4输出通道（继电器插件）开关量输出通道有启动、闭锁、跳闸及

20、信号继电器，此外还有告警和复位继电器。5.人机接口（MM1）部分人机接口部分硬件包括单片机（CPU4）、键盘、液晶显示器、串行硬时钟及与保护CPU和PC机的串行通信。CS系列人机接口的最大特点是单片机芯片内集成了很强的计算机网络功能，可以通过在片外的网络驱动器直接连至高速数据通信网，与变电所内监控网络相连。人机接口的串行通信口，可以与PC机及保护CPU的UART0串口通信。当保护CPU发讯时，PC机和MM1都能收到，通过键盘命令可切换PC机或MMI对保护CPU的发讯。MMI还设有开入及开出量，开入量用于监视启动继电器的状态，开出量用于驱动告警（MM1本身出错）、复位、启动。启动继电器动作时发绿

21、色闪光信号及控制液晶显示背景光。MMI还设置了一个时钟芯片，并带有充电干电池，保证装置停电时，时钟不停。6结语第三代微机保护装置的硬件采用了当前世界上超大规模集成电路（VLSI）技术的最新成就；具备了总线不引出芯片的不扩展单片机高抗干扰的特性；采用了高分辨率的VFC模数变换技术，提高了保护的精度和速度；具有直接连网的高速数据通信接口，大大提高了保护的通信速度和可靠性；可以方便地利用PC机对保护调试及离线分析系统故障的录波记录；主要芯片均采用先进的表面安装技术，主要插件采用多层电路板。总之，这些主要特点使CS系列保护装置的硬件达到了国际先进水平。第二节微机保护的数据采集系统一、模拟五输入电路概述

22、模拟量输入电路是微机保护装置中很重要的电路。保护装置的动作速度和测量精确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。因此这部分电路又称数据采集电路。微机保护的模数变换方式主要有二种，即ADC和VFC的变换方式。这二种A/D变换从原理到结构均不相同。ADC是直接将模拟量转变为数字量的变换方式，而VFC是将模拟量电压先转变为频率脉冲量，通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式。对于中低压变电所保护装置，这两种变换方式都经常使用。对于要求动作速度快、测量精度较高的高压或超高压的保护装置，目前我国多数采用VFC式模数变换方式

23、。二、ADC式数据采集系统采用模数变换芯片，直接将模拟量变换为数字量的模数变换方式称为ADC型的模数变换方式。采用该种变换方式的数据采集系统，称为ADC式数据采集系统。目前有许多保护装置采用8031单片微机芯片，而8031片内不带模数变换器，因此需要扩展模数变换功能。随着微电子技术的迅速发展，单片微机芯片中常含有模数变换器。例如8098单片微机芯片中具有4路10位模数变换。但它只能满足一般35kV和10kV馈线保护的模数变换的需求。对于复杂的保护装置，4路的模数变换是不能满足保护的要求，还需要扩展模数变换芯片。因此保护的ADC数据采集就分为二种模式：一种是不带扩展模数变换的模式；另一种是带扩展

24、模数变换的模式。但无论哪种ADC变换模式都有电压形成回路、模拟低通滤波器（ALF）、采样保持电路（S/H）、模数变换器及模拟量多路转换开关MPX）五个部分，如图15所示。一）电压形成回路微机保护要从电流互感器和电压互感器取得信息，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。一般采用各种中间变换器来实现变换，例如电流变换器（TA）,电压变换器（TV）和电抗变压器（TL）等，如图16所示。一般模数变换器要求输入信号电压力士5V或士10V，由此可以决定上述各种中间变换器的变比。交流电流的变换一般采用电流变换器，并在其二次侧并联电阻以取得所需电压（改变电阻值就

25、可以改变输出范围的大小)。电流变换器最大一的优点是，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保持与一次电流波形相同且同相，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。但是电流变换器在非周期分量的作用下容易饱和，线性度差，动态范围也小。电抗变换器铁芯带有气隙而不易饱和，线性范围大，且具有移相作用。但它会抑制直流分量，放大高频分量，因此二次侧的电压波形在系统暂态过程时将发生畸变。至于移相作用在微机保护内可以很容易地通过软件来完成，因此移相作用意义不是很大。在微机保护中电抗变换器的使用范围并不多，但有时在暂态时需变换输入波

26、形就要采用电抗变换器的特性，例如变压器保护等(详见第五章第五节)。电压形成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强电系统相隔离，从而在较大程度上减弱了来自高压系统的电磁干扰WXH11型保护装置的交流输入模件(AI)如附图1所示，其中电压变换器二次侧设有抽头，用以改变输入变比，用以适应不同的输入电压需要。电流变换器二次侧负载电阻可以改变，用以改变电流变比。采样保持电路(S/H)和模拟低通滤波器(ALF)1采样保持电路(S/H)(1)采样保持原理。S/H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，并在模数变换器进行转换期间内保持其输出不变，它的工作原理可

27、用图17来说明。它由一个电子模拟开关AS,电容Ch及两个阻抗变换器组成。开关AS受逻辑输入端采样脉冲的电平控制。在高电平时AS闭合，此时电路处于采样状态。Ch迅速充电到在采样时刻的电压值U；。在低图1-7采样探持S/H)原理框图阻抗査换器u阻抗变换isI电平时，AS打开，电容Ch上保持住AS打开瞬间的电压，电路处于保持状态。AS的闭合时间应满足Ch有足够的充电时间，即采样时间。显然采样时间越短越好，因此采用了阻抗变换器I,它在输入端呈现高阻抗，而输出阻抗很低，使Ch上电压能够迅速跟踪到Ui值。同样，为了提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器II,它对Ch呈现高阻抗，而输出端阻抗(U。侧)很

28、低，以增强带负载能力。阻抗变换器可由运算放大器构成跟随器电路。(2)采样保持分析。采样保持过程如图18所示。TC为采样脉冲宽度，TS为采样周期(或称采样间隔)。当采样脉冲为高电平时，AS接通，电容Ch充电值为采样信号口；如图18(C)。采样脉冲为低电平时，AS断开，电容Ch处于采样保持阶段，供模数变换器输入电压，在这个保持阶段阻抗变换器皿输出不变。最终的输出的采样保持信号如图18(d)所示。可见采样保持输出的信号已经是离散化的模拟量。再经模数转换后，就成为离散化的数字量。采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs,采样频率的正确选择是微机保护硬件和软件设计中的一个关键问题。这个问题涉及到采样信号是否真

29、实反映输入的信号。采样脉冲采#宿号微机保护所反应的电力系统参数是经过采样离散化的数字量。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19所示的采样频率选择的示意图。设被采样信号x(t)的频率为入，对其进行采样，若每周采一点，即fs=fo,由图19(b)可见,采样所得到的为一个直流量。若每周采1.5点，即fs=1.5fo时，采样得到的是一个频率比入低的低频信号。当fs=2f时，采样所得波形的频率为被采样信号的频率入,见图19(d)所示。虽然这时波形仍然有失真现象。显然，若;2f，则采样后所得到的信号才有可能较

30、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f2fo后，才可能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f2fo这一条件。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。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fo=5X50=250HZ，采样频率至少应选fs25OOHZ才能保让采样的五倍频电流信号不失真地还原。3.低通滤波器(ALF)L1-9乘样频率途择示蕙图佃J襯采样信暂I4】采样叛率亢n/oP(e)棗样电力系统在

31、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，目前大多数微机保护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之内，即限制输入信号的最高频率，以降低入，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。只需在采样前用个模拟低通滤波器(ALF)，将fs/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110是常用的无源低通滤过

32、器原理及特性图。这种无源低通滤过器由二级C滤波器构成，在整流滤波电流中，二级RC滤波器的RC时间常数选择较大时，可滤除全部交流成分，而只剩下直流成分。显然只要恰当调整RC时间常数，二级RC滤波器就可成为低通滤过器。此时截止频率可设计为fs/2.RR2(b)用-10无册低通谑过襁原理电跑朋共特性电翻1(b)特性图毀以限制输入信号的最高频率，而较其低的频率信号就能顺利地通过。这种滤过器接线简单，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，仅适用于要求不高的微机保护。对于要求有较好特性又快速的保护，必须采用有源的低通滤过器。有源低通滤过器通常由上述无源滤过器加上运算放大器构成，此时

33、电容可取较小的数值，从而加快了保护动作速度。采用了ALF消除频率失真现象后，采样频率在很大程度上取决于保护原理和算法的要求，同时还要考虑硬件速度。目前绝大多数微机保护的采样间隔Ts都在0.81.8ms之间，基本上能满足硬件速度及对最高频率的不失真采样的要求。（三）模拟量多路转换开关（MPX）由于数模变换器接口复杂及价格昂贵，通常不宜对各路电压、电流模拟量同时采用模数转换，而是采用多路S/H共用一个模数变换器，中间经多路转换开关切换，按顺序由公用的模数变换器转换成数字量，详见图15。对于反映两个量以上的继电保护（如方向、阻抗等），要求对各个模拟量同时采样，以准确地获得各个EmAOAlA3A3(+

34、J5V)量之间的相位关系。为此，把所有采样保持器的逻辑输入端并联后由一个定时器同时供给采样脉冲，从而保证了同时采样和依次模数变换的要求。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，只要模数变换器的转换速度足够高，在一个采样周期的保持时间内上述各种模拟量依次模数变换的要求是能够满足的。,多路采样转换的方框图如图111所示。这里的多路开：.-vl圈1-11多潜转换幵关方框庫理團关（1n）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于不同的二进制地址，在微机输出地址信号后，MPX通过译码电路选通n地址时，对应于S/H的n号通道开关也就接通，此时输出电压uo=uino（四）模数变

35、换（A/D）1模数变换器（ADC）原理微机保护用的模数变换器绝大多数是应用逐次逼近法的原理实现的，如图112所示。为了简单起见，直接举例说明如下：转换开始时，控制器首先在数码设定器中设置一个最高位数码“1（例如100-00），该数码经D/A数模变换为模拟电压Uo,反馈到输入侧的比较器一端，与输入电压Ui；相比较。如果设定值UoVUi,贝9保留该位原设置的数码“1”，然后由控制器在数码设定器中附加次高位设置数码T,形成新的数码（如110-00），经D/A模数变换，再反馈到输入侧比较器与Ui；比较。若设定值UU；,则原设定次高位数码“1”改为“0”，然后附加下一高位设置数码“1”（如101-00）

36、重复上述的比较与设置，直到所设定的数码总值转换成反馈电压Uo尽可能地接近Ui值。若其误差小于所设定数码中可改变的最小值（最小量化单位），贝此时数码设定器中的数码总值即为转换结果。逐次比较式A/D转换的一个重要指标是转换精度，即A/D转换分辨率，它主要取决于设定数码的最小量化单位，A/D转换输出的数字量位数越多，最小量化单位越小，分辨率越高，转换出的数字量舍入误差越小，A/D转换的精度就越高。逐次比较式A/D转换的另一个重要指标是A/D转换速度，它与A/D转换分辨率是有关的，通常分辨率越高，其转换速度就相对降低。若要求这两项指标都较高，贝其芯片成本就十分昂贵。微机保粒人电压芒图t-比逐岚出较式？

37、VD转换原理图护采样的量较多，保护动作速度快，因此要求转换速率较高。通常每次转换时间不低于25Ps，而数字量位数为1012位。2.数模变换器（DAC）原理由ADC原理分析可知，为了实现模数变换（ADC）,在A/D变换中必须具备有用于反馈比较的数模转换器（DAC）。数模转换器原理图见图113。图113中带虚线框的部分是一种电阻网络电路。运算放大器A和电子开关S1S4组成电路加法器,即流入A的输入电流为压。图中电子开关S1S4分别受控于输入的二进制数码B1B4。其数码就是数码设定器的输出。当B1B4某位为“0”时，其对应开关接地；为“1”时对应开关接至运算放大器A的反相端。但是无论电子开关S接到哪

38、一侧，其电阻网络的电流分配都是相同的，因为该运算放大器的反相端是虚地点，形同接地。该电阻网络电路还有一个重要特点，在图113中，从电源uR端及a，b，c各端向右看过去，电路的等值阻抗都是R。因此1uXR2R214R418RR-16R当用二进制数表示上述电流之和Iz时I=BI+BI+BI+BITOC o 1-5 h zS11223344u HYPERLINK l bookmark21 o Current Document =(B2-1+B2-2+B2-3+B2-4)r1234Ru=rD HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 式中DB2-1+B2-2+

39、B-2-3+B2-4（1）1234B1B4就是输入的四位二进制数，根据运算放大器原理，输出电压Uo可表示为uRD HYPERLINK l bookmark25 o Current Document uIRRF（2）0工FR可见输出模拟电压正比于输入的数字量D,从而完成了数模转换。三、VFC式数据采集系统(一)VFC型的A/D变换概述一般来说在A/D的变换过程中，CPU要使S/H、MPX、A/D三个芯片之间控制协调好，因此接口电路复杂。而且ADC芯片结构较复杂，成本高。在要求转换速度快、精度高，同时采样的模拟量较多的场合，ADC变换方式就不很适用。模数变换还可以使用VFC型的变换方式，VFC型的

40、模数转换是将电压模拟量U；线性地变换为数字脉冲式的频率f,然后由计数器对数字脉冲计数，供CPU读入。其原理框图见图114所示。图中VFC可采用AD654芯片，计数器可采用8031或8098内部计数器，也可采用可编程的集成电路计数器8253。CPU每隔一个采样间隔时间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；电压114VFCA/DS换原座衽图二进K对应的数字量，从而完成了模数变换。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。保护装置采用VFC型的A/D变换，建立了一种新的变换方式，为微机型保护带来了很多好处，其优点

41、可归纳如下：1)工作稳定，线性好，精度高，而电路十分简单。(2)抗干扰能力强。VFC是数字脉冲式的电路，不是模拟电路，因此它不怕脉冲干扰和随机高频噪声。可以方便地在VFC输出和计数器输入端之间接入光隔元件，从而大大地提高抗干扰能力，这对继电保护装置是十分可贵的特点。(3)同CPU接口简单，VFC的工作可以不需CPU控制。(4)可以很方便地实现多CPU共享一套VFC变换。详见多CPU结构方式框图13。二)VFC芯片结构及其工作原理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250kHZ。它是由阻抗变换器A、压控振荡器和一个驱动输出级回路构成，其内部结构见图11

42、5(a入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，该芯片只需外接一个简单的RC网络，经阻抗变换器A变换输入阻抗可达250MQ。振荡脉冲波经驱动级输出可带12个TTL负载或光电耦合器件。由于中心频率较高，光隔器件要求具有高速光隔性能。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。在保护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115(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。此偏置电压为一5V,其压控振荡频率与网络电阻的关系如下式式中T；为输入电压，CT为外接

43、振荡电容。可见输出频率入匚讥与输入电压Ui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,从而使输入交流电压的测量范围控制在士5V的峰值内，这也叫做零漂调整。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，不是低通滤过器。VFC的变换特性与输入交流信号的变换关系见图116。通常整套微机保护装置的调整只有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。R：ri-%njCtTAnmrcom（-）r-15V3VFC的工作原理当输入电压U；n0时，由于偏置电压一5V加在输入端3上，输出信号是频率为25

44、0kHz的等幅等宽的脉冲波，见图117(a)。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，见图117(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。在新型的第三代微机保护中采用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。E1-1?FC工作原理和讣数采样

45、G=0t%.为瓷耀檢号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，如CPU每隔一个采样间隔时间Ts读取计数器的计数值，并记作Rk-1、Rk、Rk+1、，则在tk一NTs至tk这一段时间内计数器计到的脉冲数为Dk=Rk一R(kN)，如图117(b)所示。如果每个脉冲数对应的电压值(伏)为Kb系数，则输入电压Uin可用下式表示Uin=(DkD)XKb式中Do为250kHz中心频率对应的脉冲常数见图116和图17(a)。增大N值可以提高分辨率和精度，但也增加了采样时间。微机保护可以根据要求，用软件自动改变N值，以兼顾速度和精度。对于1段内故障取N=2以加快保护动作速度为主，111

46、11段内故障取N=4,以精度为主。在保护装置的定值整定清单中，式（14）中的Kb常用Up表示电压比例系数，用Ip表示电流比例系数，如附表21所示。这些系数是厂家给定并已调整好的，用户不必整定调整。例如WXH11的电流变换器并联一个电阻，精确工作电流范围为0.IIN20In时（额定电流为5A）,IBL=0.178,并联二个电阻时（详见附图1）IP=0.356。电压比例系数UBL=0.125。值得注意的是，式（14）表示的Uin是在tk=2Tstk极短时间内的瞬时值，并不是有效值。如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（详见第二章软件算法）计算。最后还要指出，VFC的AD变

47、换不适合于不失真地反映输入信号中的高频分量场合，因为这种场合不允许取较大的NTs值，因而精度难以满足要求。（三）光隔处理由于经VFC变换后是数字脉冲波，因此就使其抗干扰光隔处理变得十分容易。1.光隔电路VFC变换后的数字脉冲信号经6N137快速光隔芯片送至计数器计数。6N137芯片结构见图118。在该图中，它既把信号隔离了，还将输入电路的电源与输出电路的电源完全隔离。它们不共用电源，也不共地。从而将VFC的士15V电源与计数器，CPU的电源士SV相隔离，有效地杜绝了电源引起的共模干扰。2.光隔原理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

48、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基极时，三极管的基极电流突然增大，三极管立即导通，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几乎没有相位移动。光隔电路实际上是光电耦合电路，在这电路上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。樹6N137Z片结构阳WXH11型保护装置的模数变换插件原理图如附图2所示，ICll即VFC芯片，IC12是快速光耦6N137。在土15V电源之间设置了稳压电路和滤波电路，其他电路与图115（b）均相同。R14为限流电

49、阻，R16为负载电阻，R15可以调整光耦灵敏度。C1316均为抗干扰电容。（四）计数器及其电路VFC模数变换的最后一个环节是计数器。计数器对VFC变换后的数字脉冲计数，计数方式是实时累计，并暂存在计数器内部的缓冲器。由CPU通过总线来读取累计值，因此计数器实质上是CPU与VFC之间的接口器件，通常选8253芯片作计数器。8253计数电路如图119所示。实际保护电路详见附图3保护插件原理图（1）。CLK0PTTfUICCLK3通常保护装置需采样9路模拟量变换后的脉冲计数，而8253芯片内含有三个16位计数器，因此保护装置须安排有三个8253计数器。在8253计数器电路中，CPU通过片选13选择三

50、个8253计数器中的一个，当片选线为“0”态电平时，某8253被选中。每片8253上还有AO、AI两条用作片内三个计数器的选线。CPU就是通过片选线及AO、AI选通九个计数器中的某一个。被选通的计数器在CPU的控制下将采样的脉冲累计值通过数据总线存入RAM指定区域。GATEO2是计数方式控制线，当为“1”态电平时，计数器工作在连续计数方式。第三节保护CPU模块工作原理一、具有VFC接口的保护CPU模块框留原理保护CPU模块是保护装置智能核心部分，具体的任务是完成数据的采集、保护逻辑判断、保护故障巡检、开关量输入与输出及人机接口的串行通信等任务。目前我国微机保护装置的CPU大多采用16位的809

51、8单片微机，也有的采用8位的8031芯片。虽然8098和8031片内除了没有EPROM存储器之外，其他各种功能都比较齐全，但是限于容量较小等原因,8098和8031单片微机都还必须扩展其功能来构成保护的CPU插件。保护的CPU插件，是利用单片微机具有较强的外部扩展功能，通过标准的扩展电路来构成保护的单片微机系统。由8031单片微机构成的保护CPU插件的原理框图，如图120所示。该图是具有VFC变换接口的保护CPU模块框图。VFC变换接口芯片仍为8253。由于8031单片微机片内无ROM只读存储器，因此在扩展插件中必须扩展有紫外线可擦除的只读存储器EPROM（27256）,用以存储保护装置的程序

52、。关于8031单片机扩展原理详见附录A。作为保护装置的整定值（数值型定值）和保护功能投入退出控制字（开关型定值，即软压板）应能更改以满足各种运行方式的需要。因此这些数值型和开关型必须存放在电可擦除的存储器E2PROM内。在保护的CPU插件上扩展有2864E中ROM芯片，它就是用来专门存放这些定值并可供调度入员远方整定或继保检修入员就地调整修改。由于8031芯片内RAM的容量仅128字节，因此在保护的CPU插件上扩展有高速静态存储器6264RAM芯片。该芯片容量达8KX8,用于存放数值计算及逻辑运算过程的中间数据及其结果。8031芯片具有并行互/O功能端口，但输入和输出的开关量必须先经光隔处理后

53、才能进入保护的CPU插件。从图120中可看出8031芯片有6根线引至开入开出插件，其中4根是开关量输入线；2根是开关量输出线。但是保护装置所需的开关量输入与输出较多，8031CPU芯片的并行I/O端口不能满足要求，必须扩展并行I/O端口。8255是可编程并行接口芯片，用于该保护插件I周口扩展，完成内外联系。作为开入量（开关量输入）的接收及开出量（开关量输出）跳闸、信号、告警的驱动口，并对保护的拨轮开关的10套定值区提供4条编码线。例如拨轮开关拨至9，该4条编码线输入为1001。二、具有ADC变换接口的保护CPU模块原理对于ADC模数变换方式的保护CPU模块，当保护的单片微机内不含A/D功能或A

54、/D通道数不够用时，均应扩展ADC功能。一般A/D模数芯片与ALF低通滤过器、S/H采样保持芯片及多路转换开关均安排在同一个ADC插件上，因此在保护CPU模块上就不配置A/D变换芯片。为了防止干扰，保护CPU的总线不得引出插件板，为此可在保护CPU模块上设置8255并行扩展芯片，利用8255扩展的并行接口与ADC变换插件的A/D芯片相连。此类保护CPU模块框图见图121。该框图中CPU是采用8098芯片，而8098片内已含有四个A/D模数转换通道，如果这四个通道保护不够用则利用8255扩展并行口与ADC变换插件板相接。框图中模拟量输入是指8098四个A/D通道的模拟量输入电路。如果CPU是采用

55、8031芯片，则必须采用8255扩展并行口作为ADC变换插件板的接口。该框图是单CPU保护模块框图，所以总线上还挂有时钟芯片MC146818和人机接口扩展芯片8279。三、定值固化与定值拨轮电路定值固化电路由一片EPROM芯片2817和相应的控制电路构成，如图122所示。在片选信号有效时，该EPROM被选中，地址总线AB（A0A10）就指向EPROM里某个存储单元。在RD或WR控制线有效时CPU通过数据总线（DOD7）DB,对AB指定存储单元内的内容进行读或写操作。详细电路见附图3保护插件原理图（2）。AoAlOJft址显线片規需号一E!FROMQ(aaiTA)DE-肆一愿DY/BUSY寸优幘

56、止开知iBiSSPCl（一）定值固化CPU来的写信号WR与团化开关S组成与门&1电路控制固化，只有固化开关打在允许位置（接通）和WR写控制线低电平时，与门&1电路才输出低电平，允许对2817A进行改写。在改写过程中，由BUSY（忙）端给出一个低电平，通知CPU还没有改写完，以免造成数据改写出错。（二）读操作当继保工作入员需要检查团化的定值时，通过人机接口面板的键盘，下发查询命令，在RD读信号有效时（RD低电平），软件将根据定值区号，查E2PROM中对应的定值表，它通过数据总线DOD7传送,把所读定值在液晶显示器上显示出来。（三）定值拔轮电路对于旁路保护或需要根据运行方式切换保护定值的保护装置可

57、使用定值拨轮改变定值。在2817EPROM中分设10个定值区，每个定值区存放了一套定值。在CPU插件的面板上设有一组拨轮开关，从0到9分别对应10个不同的定值区，定值区的编码由拨轮开关输出四根引线形成BCD码送至8255并行扩展口。保护CPU通过8255并行口查询拨轮开关的四位BCD码，从而确定了定值区号。再根据定值区号就能从E2PROM中读出当前使用的保护整定值。定值拨轮电路图如图123所示。实际电路详见附图3保护插件原理图（2）。45676421OOM定值拨轮开关定值拨轮开关内部结构是一种机械式的编码电路。当值班入员通过拨轮开关改变定值区号时，其内部的机械转换开关就输出一组对应的BCD码。

58、四、其他电路其他电路包括复位电路、工作方式开关及信号灯，这些元件均装于面板上，开入、开出端口引自CPU芯片，如图124所示。当工作方式开关拨至上方，开关接通，CPU的PI.3端为“0”态，即工作方式为投入运行；拨至下方，即投入调试。由软件检测CPU的PI.3端口的输入电平，如是低电平，则由CPU的PI.7输出低电平，“运行”灯亮。如果保护装置有故障或保护动作有信息需报告工作入员，CPU的PI.4端口输出低电平，“有报告”灯亮。面板上装有复位按钮。上电复位前电容C处于放电状态，复位按钮打开，电容器两端未充有电压。上电复位时由于电容器两端电位不能突变，呈短路状态。CPU的RST端瞬间获得一个正阶跃

59、的“1”态电平,保护CPU立即复位，程序从头开始执行。正常运行时，电容器已充满了电，RST端呈零电平。复位按钮按下时，电容器通过按钮立即放电，R3和R4对十SV分压，在RST端瞬间获得一个正阶跃的“1”态电平,保护CPU立即复位。由于保护CPU插件的复位按钮的RST端均引至人机接口插件的复位按龈，因此在接至遥控复位继电器，通过遥控复位。国1-24夏位、工作方式型信号电關人机接口插件复位按钮按下时，所有的保护CPU插件全部同时复位。保护CPU复位端RST，还可WXH11型保护CPU插件电路图见附图3(1)和3(2)，图中计数器8253电路部分与图119基本相同。锁存器74LS373锁存低位地址和

60、数据；译码器74LS139用于选通计数器8253及其内部计数器，详细原理请查阅附录A：单片微机工作原理。附图3中示出固化电路、复位电路、方式开关及其信号电路的实际接线图。告警闭锁及巡检中断均见第四节分析。附图3(1)和3(2)的工作原理应与图120相对照分析。第四节开关量输入输出回路原理、开关且输入回路开关量输入回路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入，外部装置闭锁重合问触点输入，轻、重瓦斯继电器接点输入，还包括装置上连接片位置输入等回路。对微机保护装置的开关量输入，即接点状态的输入可以分为以下两类。一类是本装置上的接点，例如面板上切换开关或本装置的继电器接点；另一类是装置