微机保护的硬件原理

第一章微机保护的硬件原理第一节概述

1.微机保护的硬件系统包括以下三部分：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。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。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。

图1－1示出了微机保护硬件构成框图1可编辑ppt第一章微机保护的硬件原理第一节概述1可编辑ppt第一节概述图1－1微机保护硬件构成框图2可编辑ppt第一节概述2可编辑ppt第一节概述2.微机保护用硬件特点集成微处理器（MPU）、只读存储器(ROM)、随即存取存储器(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3可编辑ppt第一节概述2.微机保护用硬件特点3可编辑ppt第二节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第一章微机保护的硬件原理4可编辑ppt第二节数据采集系统第一章微机保护的硬件原理4可编辑ppt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第一章微机保护的硬件原理5可编辑ppt适应继电保护特点要求第一章微机保护的硬件原理5可编辑ppt2－1电压形成回路要求继电保护所使用的电压、电流都是来自于电压互感器（100伏、线间电压）和电流互感器（额定电流5安或1安，短路电流100安）把100伏左右的电压变换为适合AD转换需要的正负2.5伏、正负5伏、正负10伏的电压；把小于1安～100安的电流变换为适合AD转换需要的正负2.5伏、正负5伏、正负10伏的电压第二节数据采集系统6可编辑ppt2－1电压形成回路第二节数据采集系统6可编辑ppt变换器电压变换器用于将一次电压变换成微机保护模数转换（AD）用的电压，普通变压器原理。电流变换器：用于电流－电流－电压用于将一次电流变换成微机保护模数转换（AD）用的电压。普通变压器原理，把电流变换成电流，再把一个小电阻并联在该变压器的二次侧，形成电压。要求该变压器的铁心不饱和。第二节数据采集系统7可编辑ppt变换器第二节数据采集系统7可编辑ppt第二节数据采集系统电抗变压器：用于直接获取电压

它的原理结构、原理图及等值电路如图1－2所示

图1－2电抗变压器的原理结构与等值电路图8可编辑ppt第二节数据采集系统电抗变压器：用于直接获取电压8可编辑pp第二节数据采集系统

它的铁心带有气隙、具有三个绕组的变压器。由于存在气隙，励磁电抗数值很小，相对而言很大的二次负载阻抗可忽略不及，故一次电流全部作为励磁电流。此时有以下关系：总体效果相当于9可编辑ppt第二节数据采集系统它的铁心带有气隙、具有三个绕组的变压

因此电抗变能够将一次电流的基波分量成比例地转换成二次侧电压。但放大了谐波分量，阻止了直流和低频分量。严格讲是失真变换。电流变换器和电抗变压器的比较电流变换器能够不失真地变换电流成为电压，但是在出现非周期分量、衰减直流分量时，容易饱和，线性度差，动态范围小电抗变压器具有阻止直流、放大谐波的作用，因此当一次波形为非正弦时，二次将发生严重畸变。但是它的动态范围宽广、铁心不易饱和、具有移相作用。在某些场合下还是有用的。第二节数据采集系统10可编辑ppt因此电抗变能够将一次电流的基波分量成比例地转第二节数据2－2采样保持电路和模拟低通滤波器采样保持电路的作用及原理定义：采样保持电路（S/H,SamplingandHolding）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第二节数据采集系统11可编辑ppt2－2采样保持电路和模拟低通滤波器第二节数据采集系统11组成：它由电子模拟开关AS、保持电容器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11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。第二节数据采集系统12可编辑ppt第二节数据采集系统12可编辑ppt第二节数据采集系统图1－3采样保持电路及工作过程13可编辑ppt第二节数据采集系统图1－3采样保持电路及工作过程13可编第二节数据采集系统工作过程：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。14可编辑ppt第二节数据采集系统工作过程：微机采样定时器等间隔地产生采样第二节数据采集系统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要求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。15可编辑ppt第二节数据采集系统对采样保持电路的要求15可编辑ppt第二节数据采集系统图1－4采样保持电路的性能与电容Ch的关系曲线1－保持下降率2－保持跳变误差3－0.1％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16可编辑ppt第二节数据采集系统图1－4采样保持电路的性能与电容Ch的关第二节数据采集系统采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用等步长采样和变步长采样

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）要随时调整采样定理

被采样信号的频率最高不超过1/2采样频率，否则会造成频谱混叠。合适的保护采样频率选择

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。17可编辑ppt第二节数据采集系统采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用17第二节数据采集系统合适的保护采样频率选择

如果考虑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？18可编辑ppt第二节数据采集系统合适的保护采样频率选择18可编辑ppt第二节数据采集系统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，广泛应用于各种消费、控制电路中的采样电路前，滤除高于2倍采样频率的信号，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。无源滤波器构成简单，但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滤波器抗冲击干扰能力差，但滤波性能好。性能越好的滤波器延时越长，造成信号不同步的可能性越大。继电保护常常采用普通的一阶（最高二阶的有源或无源）滤波器来限制接近工频分量的谐波信息混进来！19可编辑ppt第二节数据采集系统前置低通滤波器的设置19可编辑ppt第二节数据采集系统图1－5二阶无源低通滤波器20可编辑ppt第二节数据采集系统图1－5二阶无源低通滤波器20可编辑p第二节数据采集系统图1－6二阶无源低通滤波器21可编辑ppt第二节数据采集系统图1－6二阶无源低通滤波器21可编辑p2－3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。第二节数据采集系统22可编辑ppt2－3模拟量多路转换开关第二节数据采集系统22可编辑pp第二节数据采集系统组成：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A0～A3是路数选择线接CPU，控制哪一路选通A1～A16是模拟量入AS1～AS16是电子开关En是始能端图1－716路多路转换开关23可编辑ppt第二节数据采集系统组成：包括选择接通路数的二进制译码电路和2－4模数转换器定义：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第二节数据采集系统24可编辑ppt2－4模数转换器第二节数据采集系统24可编辑ppt第二节数据采集系统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

B1～Bn均为二进制码。25可编辑ppt第二节数据采集系统模数转换器的一般原理25可编辑ppt第二节数据采集系统数模转换器，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。

图1－84位数模转换器说明图26可编辑ppt第二节数据采集系统数模转换器，D/A转换器图1－84位第二节数据采集系统

电子开关K0～K3分别受4位输入数字量B1～B4的控制。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27可编辑ppt第二节数据采集系统电子开关K0～K3分别受4位输入第二节数据采集系统逐次逼近式模数转换器原理

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。

图1－9模数转换器原理说明图28可编辑ppt第二节数据采集系统逐次逼近式模数转换器原理图1－9模数第二节数据采集系统逐次逼近式模数转换器原理

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。

图1－9模数转换器原理说明图说明图29可编辑ppt第二节数据采集系统逐次逼近式模数转换器原理图1－9模数第二节数据采集系统二分法：测试最大可能值，为1，DA偏小，有效；为0，偏大，置0。继续AD的双极性连接－抬起来，加偏置30可编辑ppt第二节数据采集系统二分法：测试最大可能值，为1，DA偏小，第一章微机保护硬件原理小结简介了微机保护基本硬件组成介绍了电压形成回路介绍了采样保持电路介绍了多路转换开关介绍了逐次逼近式模数转换器原理习题写出逐次逼近式模数转换器工作原理和过程

31可编辑ppt第一章微机保护硬件原理小结31可编辑ppt第二节数据采集系统偏置结果－变成单极性32可编辑ppt第二节数据采集系统32可编辑ppt第二节数据采集系统波形溢出33可编辑ppt第二节数据采集系统33可编辑ppt第二节数据采集系统微机保护对模数转换器的要求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34可编辑ppt第二节数据采集系统微机保护对模数转换器的要求34可编辑pp第二节数据采集系统2－5VFC型数据采集系统VFC-VoltageFrequencyConverter,电压频率转换器经电压形成回路后，经过VFC，将模拟电压变换为脉冲信号，由计数器进行计数。这样在采样间隔内的计数值就与采样对象的积分值成比例。实现了模数转换。35可编辑ppt第二节数据采集系统2－5VFC型数据采集系统35可编辑p第二节数据采集系统VFC工作原理它是一个电路，由一个运放、一个零电压比较器、一个单稳触发器、一个电子开关及电阻电容组成。36可编辑ppt第二节数据采集系统VFC工作原理36可编辑ppt第二节数据采集系统前提37可编辑ppt第二节数据采集系统前提37可编辑ppt直流输入信号工作原理输入为0，电容器电压为0，单稳为0，电子开关接地正直流信号时，IR＝0，Ic＝-Isr，Uc有变负的趋势，这个变化被检测，单稳输出正跳变并保持T0.电子开关切换到-ER在T0期间，RR上有电流，电容电流发生了变化

Ic＝IR-Isr第二节数据采集系统38可编辑ppt直流输入信号工作原理第二节数据采集系统38可编辑ppt第二节数据采集系统39可编辑ppt第二节数据采集系统39可编辑ppt第二节数据采集系统在To消失时刻Uc达最大值To消失后，电子开关接回地。电容放电，放电电压为到0时，再次被零电压监测器发现，单稳状态翻转过零时对应的时刻是t2周而复始，Uc

呈周期性变化，周期T是t2。40可编辑ppt第二节数据采集系统在To消失时刻40可编辑ppt第二节数据采集系统

因此，电压和频率成正比，对脉冲个数计数得到电压求和（积分）41可编辑ppt第二节数据采集系统41可编辑ppt第二节数据采集系统

42可编辑ppt第二节数据采集系统42可编辑ppt第二节数据采集系统交流输入信号工作原理首先增加一个正偏置，把信号变为单极性。正偏置电流取为I偏＝ IR/2＝ER/2RR,这时最大交流输入变为43可编辑ppt第二节数据采集系统交流输入信号工作原理43可编辑ppt第二节数据采集系统综合输入信号为（1）在0～To期间是一上升的曲线44可编辑ppt第二节数据采集系统综合输入信号为（1）在0～To期间是一上第二节数据采集系统（2）当To消失后，电子开关接回地45可编辑ppt第二节数据采集系统（2）当To消失后，电子开关接回地45可第二节数据采集系统46可编辑ppt第二节数据采集系统46可编辑ppt第二节数据采集系统47可编辑ppt第二节数据采集系统47可编辑ppt48可编辑ppt48可编辑ppt第二节数据采集系统49可编辑ppt第二节数据采集系统49可编辑pptVFC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第二节数据采集系统50可编辑pptVFC数据采集系统特点第二节数据采集系统50可编辑ppt第三节开关量输入及输出回路光电耦合器把发光器件（发光二极管）和光敏器件（受光导通）组合，可以实现光媒介的电信号传变，这种器件被称为光电耦合器光隔离器光传感器光敏集成块常见光隔离器，二极管型、三极管型、达林顿型晶闸管型，驱动功率大小区分51可编辑ppt第三节开关量输入及输出回路光电耦合器51可编辑ppt第三节开关量输入及输出回路开关量输入回路装在面板上的接点－5伏系统装在端子排上的接点－24伏、48伏、220伏等，需要光电隔离52可编辑ppt第三节开关量输入及输出回路开关量输入回路52可编辑ppt第三节开关量输入及输出回路开关量输出回路保护的跳闸出口、本地信号和中央信号一般由并行输出口、逻辑与非门、光电隔离器、有接点的继电器组成53可编辑ppt第三节开关量输入及输出回路开关量输出回路53可编辑ppt典型微机保护出口控制回路54可编辑ppt典54可编辑ppt第三节开关量输入及输出回路K1为常闭接点（线圈不带电状况下闭合），是一个闭锁告警信号K2、K3、K4、KN为常开接点（线圈不带电状况下打开）K2是故障启动信号K3、K4是跳闸出口接点V1～V5是光隔出口接点出口条件1）无告警信号2）启动继电器动作出口继电器所在光隔导通－计算机输出跳闸信号55可编辑ppt第三节开关量输入及输出回路K1为常闭接点（线圈不带电状况下小结多路转换开关逐次逼近式模数转换VFC开关量输入输出作业

1图1－37中K1的作用是什么？2VFC电路中单稳态触发器的作用是什么？56可编辑ppt小结多路转换开关56可编辑ppt第四节DSP技术的应用DSP－数字信号处理器（Digitalsignalprocessor）是专用数字信号处理器芯片。特别用于执行快速运算内部采用哈佛结构，存储空间分为两个：数据存储器和程序存储器。允许同