微机保护培训教材1-3章

微机继电保护原理

（培训教材）

李永丽贺家李

中国电力培训

本培训教材是在《电力系统继电保护原理，增订版》一书

的基础上编写的，在编写中参考了杨奇逊黄少锋编著的

《微机继电保护基础，第二版》和一些装置的说明书，再此

表示感谢

微机继电保护

（培训教材）

第一章概述

一.微机保护发展的历史回顾

在七十年代初、中期，计算机技术出现了重大突破，随着其价格的大幅度下降和可靠性的提

高，开始了“算机保护的讲究热潮。七I年代中、后期，国外已有少数样机在电力系统中试

运行，微型计算机保护逐浙趋于实用。国内对计算机继电保护的研究从70年代后半期开始,

84年底第一套微机距离保护样机经试运行后通过电力部门的科研鉴定［1］。目前，在我国不

同原理、不同机型的微机线路和主设备保护异彩纷呈，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无人值班的变电站内，微机型继电保

护装置与变电站监控系统已形成一个网络，保护装置可以通过微机监控系统的通信网络，将

其运行状态、动作情况、信号等传送给集控站和调度所，值班员可以在远方投切保护装置、

查看保护状态、修改保护定值。随着对微机保护的不断深入研究，在保护软件算法等方面也

取得了很多新的理论成果。一些人工智能技术也逐渐引入到继电保护中来。在发达国家，微

机保护已占现有保护的7佻以上。实践证明，微机保护无论从动作速度、还是动作性能及可

靠性方面都将超越传统保护。

二.微机保护装置的特点［2］

1.维护调试方便

通常情况下传统继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂原理的保护。例

如超高压线路的高频保护装置，既有保护装置又有高频通道的调试，投运之前的调试时间常

常需要一周甚至更长。微机保护装置则不同，它硬件的主要元件是单片机（单片微型计算机

简称单片机）或数字信号处埋器。新一代的单片机或数字信号处埋器把组成微型计算机的各

功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、输入输出（I/O）接II电

路、定时器和计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，再配以所需的相关外

围芯片即可构成微机保护装置。各种复杂的保护功能是曰相应的软件来实现的。保护装置对

硬件和软件都具有自诊断功能，一旦发现异常就会发出警告。通常只要给上电源后保护自检

通过没有报警，即可认为装置是完好的。所以对微机保护装置而言除了输入和修改定值及检

查外部接线外几乎不用调试，从而大大减轻了运行维护的工作量。

2.可靠性高

微机保护具有在线自检功能八自检的内容既包括装置的硬件也包括程序软件°由此可避免由

于装置硬件的异常引起的保护误动作或电力系统故障时保护的拒动。在保护软件的编程上可

以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止由于采样信号受到干扰

而造成保护误动作。因此微机保护可靠性很高。

3.易于获得附加功能

微机保护装置通常配有通信接口。如果连接打印机或者其它显示设备，可以在系统发生

故障后提供多种信息。例如，保护各部分的动作顺序和动作时间记录，故障类型和相别及故

障前后电压和电流的录波等。还可将保护动作信息上传至故障录波信息系统，实现调度的实

时检测及对保护动作情况的分析。对于线路保护，还可以计算和显示故障点的位置（测距）。

这样有助于事故后的分析及判定保护的动作情况。

4.灵活性大

目前，国内中、低压变电站内不同一次设备的保护装置在硬件设计时，尽可能采用同样

的设计方案。而超高压电力系统保护装置若采用多CPU实现多种保护功能时，每块CPI模块

的硬件设计也倾向于尽量相同。由于保护的原理主要由软件决定，因此，只要改变软件就可

以改变保护的特性和功能，从而可灵活地适应电力系统发展对保护要求的变化，也减少了现

场的维护工作量。

5.保护性能得到很好改善

由于微处埋器的使用，使传统型式的继电保护中存在的很多技术问题，可找到新的解决

方法。人工智能技术或复杂的数学算法可以在保护中得以实现。例如，接地距离保护承受过

渡电阻能力的改善、距离保护如何区分振荡和短路、变压器差动保护如何以别励磁涌流和内

部故障、母线保护如何检测电流互感器饱和等问题都已提出了许多新的原理和解决方法。这

些新方法只有用微机保护才能实现。

6.经济性好

微处理器和集成电路芯片的性能不断提高而价格一直在下降，而电磁型继电器的价格在

同一时期内却不断上升。而且，微机保护装置是一个可编程序的装置，它可基于通用硬件实

现多种保护功能，使硬件种类大大减少。这样，在经济性方面也优于传统保护.

第二章微处理器简介

微机保护装置硬件的核心是微处理器。微处理器的选择遵循以下原则：一是速度，二是

功能，三是通用性，四是工作环境。微处理器的速度选择以能在两个相邻采样间隔内完成必

要的工作为准，并不是在任何情况下速度越高越好。随着大规模集成电路的发展，微史理器

正在向两个方向发展：一方面，往功能强的方向发展（例如数字信号处理的功能）；另一方面,

在同样的集成度下，不集成高功能、快速的微处理器，而是把许多其它功能如模数（A/D）转

换、通信接口、定时器等集成在一个芯片上，往功能全的方向发展。为了便于集成电路硬件

芯片的购买和升级换代，一定要选择大公司的主流芯片。由于继电保护对可靠性、安全性要

求很高，再加上保护装置工作环境恶劣，所以，要尽可能选择工业级的微处理器。目前，国

内外微机保护装置所用的微处理器有两大类：一类是单片机；另一类是数字信号处理器。F

面予以分别介绍。

一.单片机简介

单片微型计算机简称单片一机V它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、

随机存取存储器RAM、只读存储器ROM或可擦除只读存储器EPROM、I/O接口电路、定

时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在•块集成芯片中，构成•个完整的微型计算

机。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫单片微控制器（Single

ChipMicrocontroller乂可称作单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）o

单片机的共有特点是：（1）控制功能强；（2）体枳小；（3）功耗小；（4）成本低。由于上述

优越性，单片机已在工业、民用、军事等工程领域得到了广泛应用。特别是随着数字技术的

发展，在很大程度上改变了传统的设计方法，在软件和扩展接口支持下，单片机可以代替以

往模拟式和数字式电路实现的系统，使原来很多电路设计问题化为方便的程序设计问题。

单片机问世以来，应用日趋广泛，性能不断地改善和提高，在许多应用场合取代了现有的

微型计算机系统，但其性能价格比却更为优越，体积也大为减小。单片机的潜在能力愈来愈为

人们所注意。按照单片机的特点，它的应用可分为单机和多机应用两种。

单机应用

在一个应用系统中，只使用一片单片机，这是目前应用最多的方式，单片机应用的主要

领域有：

（I）测控系统。用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统

等。例如，温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统、

车辆检测系统、机器人轴处理器等。

（2）智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、

多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表及智能电度表

等。通过采用单片机软件编程技术，使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化处理等难题

迎刃而解。

（3）机电一体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能

化，构成新一代的机、电一体化产品。例如，在电传打字机的设计中由于采用了单片机，取代

了近千个机械部件;在数控机床的简易控制机中，采用单片机可提高可靠性及增强功能，降低

控制机成本。

（4）智能接口。在计算机系统，特别是较大型的工业测、控系统中，如果用单片机进行接口

的控制与管理，单片机与主机并行工作，可以大大提高系统的运行速度。例如，在大型数据采

集系统中，用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预处

理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。

多机应用

单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。

（1）功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外闱功能要求而设置的多

机系统。例如，一个加工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外，还要控制对刀系统、

坐标指示、刀库管理、状态监视、伺服驱动等机构。

（2）并行多机控制系统。并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题，以

便构成大型实时工程应用系统。典型的有快速并行数据采集、处理系统，实时图像处理系统。

（3）局部网络系统。单片机网络系统的出现，使单片机应用进入了一个新的水平。目前

单片机构成的网络系统主要是分布式测、控系统。单片机主要用于系统中的通信控制，以及

构成各种测、控用子级系统。

随着单片机应用的进一步深入，单片机技术也在不断发展。除了提高计算速度、指令周

期和效率外，为了用户的需求，中断源、I/O口和定时器得到了充足的扩展，还有可编程的时

钟输出、可编程的计数器阵列、看门狗定时器、12c串行总线接口等。随着单片机自身功能

的不断提高，其适用范围亦更加广泛，表现在：操作电压范围和温度范围的放宽、晶振频率的

提高、封装形式的多样化、片内程序和数据空间的加大，有的芯片片内只读存储器ROM空

间已达64k。有的芯片还带有新型的可擦除非易失性记忆元件-闪存存储器（FLASH）,可以

通过在系统中编程（ISP:in-systemprogramming）或在应用中编程（IAP:in-application

programming）以实现程序加载。有的芯片带有2k字节的电可擦除只读存储器（EEPROM）。R

前，新型单片机采用多流水线结构,CPU位数可达32位，其运算速度比标准单片机高出10倍

以上。因此,8位机和32位机将成为单片机领域中的两个主流［3］。

二.数据信号处理器（DSP）简介

DSP是英文DigitalSigna.Processor的缩写，即数字信号微处理器的意思［4］。DSP芯片专门

用于完成各种实时数字信息处理。6（）年代和70年代是数字信号处理技术的理论研究阶段，在

此阶段最具代表性的著作是美国A.V.Oppenheim（A.V.澳本海姆）和R.W.Scliafer（R.W.沙佛）

写的《DigiialSignalProcessing》，这是数字信号处理的经典著作。80年代初，随着微电子技

术的发展而出现了DSP器件，这些器件的出现使得各种数字信号处理的算法得以实时实现。

实际上，DSP器件不仅使数字信号处理从理论研究发展到实际应用，还从信号处理领域拓宽

到系统控制领域，从而诞生了一大批新型的电子产品。

随着DSP技术的迅速普及，应用DSP器件的电子产品除了为今天的”信息高速公

路”奠定基础外，也迅速地应用到其它领域。下面是DSP的一些典型应用。

（1）通用数字信号处理。数字滤波、卷积算法、相关算法、卡尔曼滤波、FFT、希尔

伯特变换、自适应滤波、窗函数、波形生成；

（2）通信。高速调制解调器、编/解码器、自适应均衡器、传真、峰房网移动电话、数

字留言机、语音信箱、回音消除、电视会议、扩频通信：

（3）声音/语音信号处理。语音信箱、语言识别、语音鉴别、语音合成、文字变声音、

语音矢量编码等；

（4）图形/图象信号处理。三维图形变换处理、机器人视觉、模式识别、图象增强、动

画、电子地图、桌面出版系统；

（5）控制。磁盘/光盘伺服控制、激光打印机伺服控制、机器人控制、发动机控制、电

机调速、无刷直流电机；

（6）仪器。谱分析、函数发生、波形发生、数据采集、暂态分析、模态分析、石油/地

质勘探、飞行器风洞试验等；

面对DSP的巨大的市场和广阔发展前景，世界上最大的几个半导体公司都在DSP开发上开展

竞争。如美国TI公司（TexasInstruments—美国德州仪器公司）、ADI（AnalogDevicesInc.

—美国模拟器件公司）、SiemensSemiconductor等都在全力开发和生产DSP器件。

最新的DSP芯片具有如下的特点：

（1）在单个指令周期内完成乘法/累加运算：指令中有循环寻址、位倒序操作等：

（2）速度达到IO1〜103MlPS（每秒百万指令millioninstructionpersecond）的定点运算和102

MFLOPS数量级的浮点运算；

（3）多个8位I/O口；

（4）数据交换达到每秒数百兆字节的传输速率，主要是受片外存储器速度的限制：

（5）DSP在片上设置仿真模块或仿真调试接口。Motorola的DSP设置

OnCE（On-ChipEmulation）功能坎，用特定的电路和引脚，使用户可以检查片内的寄存器、存

储器及外设，用单步运行、设置断点、跟踪等方式，控制与调试程序。TI公司则在其TMS320

系列芯片上设置了符合IEEE1149标准的JTAG（JointTestActionGroup）标准测试接口及

相应的控制器，不但能控制和观察多微处理器中每一个处理器的运行，测试每一块芯片，还

可以用这个接口来装入程序。在PC机上插入一块调试插板，接通JTAG接口，就可以在PC

上运行一个软件去控制它。

微处理器是数字式保护的核心。实践已经证明，基于高性能单片机，总线不出芯

片的设计思想，是提高装置整体可靠性的有效方法，对微机保护的稳定运行起到了非常重要

的作用。微处理器发展的重要趋势的单片机与DSP芯片的进一步融合。单片机除了保持本身

适用于控制系统的要求外，在计算能力和运算速度方面不断融入DSP技术和功能，如具有DSP

运算指令，高精度浮点运算能力及硬件并行指令处理功能等。而同时专用DSP芯片也在向单

片化发展。这些都为实现总线不出芯片的设计思想，改善保护的特性奠定了坚实的基础。

第三章微机继电保护硬件系统的构成原理

一.传统保护装置硬件系统构成

（1）电力系统发生故障时，相关电气参数将发生变化。例如，电流增大、电压

降低以及电流与电压之间的相位角变化等。利月故障与正常运行时这些基本参数的

差别，就可构成不同原理的继电保护装置，如：

（2）反应电流变化的电流速断保护、定时限过电流保护、反时限过电流保护等；

（3）反应电压变化的低电压、或过电压保护、或电压闭锁电流保护：

（4）既反应电流变化又反应短路功率方向的方向过电流保护；

（5）反应被保护设备两端输入电流与输出电流之差值变化的差动保护；

（6）反应电压与电流比值变化的距离保护；

根据不同原理构成的继电保护装置种类虽然很多，但一般情况下，它们都是

由三个基本部分组成.即测量部分、逻辑部分和执行部分,其原理框图如下所示。

跳闸或

输入故障参数口

图3T传统继电保护装置的原理结构图

各基本部分的作用是：

（1）测量部分是测量与被保护设备工作状态（正常状态、故障状态或不正常工作状态）相关

的电气量，并与给定的整定值比较，从而判断保护是否应该起动。

（2）逻辑部分是根据各测量元件输出量的大小、性质、组合方式、出现的顺序，来判断被保

护设备的工作状态，以决定保护是否应该动作。

（3）执行部分是根据逻辑部分传送的信号，执行保护装置所承担的任务。如故障时动作于跳

闸；不正常运行时发出信号；正常运行时不动作等。

二.微机保护装置硬件系统构成

微机保护装置硬件系统按功能可分为如下五个部分

（1）数据采集单元。包括电压形成和模数转换等功能块，完成将模拟输入量准确地转换

为数字量的功能。

（2）数据处理单元。包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器、定时器以及并行口

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）开关量输入/输出接口。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。

一种典型的保护装置的硬件示意图如下所示⑵

5M

!—弗头量愉人

}—>HTOI

-H并行接口I-

图3-2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.数据采集单元

(1)电流电压变换

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

电气量信息，但这些互感器二次侧数值的变化范围与微机保护装置硬件电路并不匹配，故需

要降低或变换。对于电压变换可采用小的降压变压器，如图3-3(a)所示。对于电流变换则

可采用所谓电抗互感器，即一次圈数很少而二次圈数很多，将电流变成电压如图3-3(b)所

示，或小的电流变换器如图3-3(c)所示。两者各有优缺点。

(a)(b)(c)

图3-3电压、电流变换电路

(1)电抗互感器。电抗互感器的缺点是非周期分量难以传变、高频分量被放大，亦即不

能准确传变一次非正弦电流，对于某些保护，这是不希望的。电抗互感器的优点是线性范围较

大，铁芯不易饱和，有移桎作用；另外，其抑制非周期分量的作用在某些应用中也可能成为优

点。

(2)电流变换器。电流变换器最大优点是，只要铁芯不饱和，则其二次电流及并联电阻上的

二次电压的波形可基本保持与一次电流波形相同且同相，即它的传变可使电流变换不失真。

这点对微机保护是重要的、因为只有在这种条件下作精确的定量分析有意义。需要提取或抑

制某些分量，可以容易地通过软件实现。电流变换器的缺点是，在非周期分量的作用下容易饱

和,线性度较差，动态范围也较小，这在设计和使用中应予以注意。

综合比较电抗互感器和电流变换器的优缺点后，在微机保护中，一般采用电流变换器将电流

信号变换为电压信号，当然也有采用电抗互感器的。采用电流变换器时，连接方式如图3-3(c)

所示，其中Z为模拟低通滤波器和A/D等回路构成的负载阻抗，在工频条件下，该负载阻抗

可达80k(以上：RLH为电流变换器二次侧的并联电阻，数值为几欧姆到十几欧姆，远远小于

Z,因为RLH与Z的数值差别很大，所以由图3-3(c)可得

U2=RLllh=RLH工(3-I)

电

于是，在设计时，应满足下列条件

(3-2)

nLH

式(3-1)和式(3-2)中，为并联电阻；为电流变换渊的变比；为电流变换器一次电

流的最大瞬时值；为A/D的输入范围为±5V,则=5Vo

通常，在中间变换器的一次和二次之间，应绕一个一端悬空,另一端可靠与地网连接的屏

蔽层，川以减小通过一二次绕组间分布电容串入的共模干扰。在存在共模干扰情况下的等效

电路如图3<(a)和(b)所示，其中Cl、C2为变换器两侧与屏蔽层之间的等效电容；ZL为交流

输入传输导线的等效阻抗;Zf为设备对地的等效阻抗;Zg为接地阻抗(一般要求Zg小于0.5()。

由于Zg很小，所以由电路的基本分析可以知道，共模干扰信号对变换器二次侧的影响得到了

极大的抑制。这样，这些中间变换器还起到到屏蔽和隔离共模干扰、提高交流回路可靠性作

用。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。它使得微机保护装置在

电路上与电力系统一次回路隔离。

图3—4屏蔽层作用的示意图

(a)共模干扰及屏蔽层示意(b)屏蔽层作用的等效电路

为克服电磁式互感器的缺点，国内外正在研究和推广应用光电互感器。光电互感器与传

统的电磁型互感器相比有以下主要的优越性。

1）优良的绝缘性能，造价低、体积小、质量轻。电磁式互感器的一次绕组与二次绕组间

通过铁心耦合，它们间绝缘结构复杂，其造价随电压等级升高呈指数关系上升；而光电流互

感器（OCT）和光电压传感器（OPT）绝缘结构简单，信号传输不受电磁干扰影响，其造价一

般随电压等级升高而呈现线性增加。因此，预计OCT和OPT应用于电压等级越高的变电站，其

性能价格比越优越；

2）不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。电磁型7感器在电力系统故障时易泡和,

因而可能导致保护的错误动作。而光电互感器可彻底解决此问题；

3）动态范围大，测量精度高。其额定电流可达几十安至几千安，过电流范围可至匚十万

安；一个OCT可同时满足测量和继电保护需要，避免了CT的重复投资。既减少体积，又节省

投资；

4）频率范围宽。可测量高压线路的高频谐波电流；还可进行电流暂态、高频大电流与直

流电流的测量。为新原理继电保护装置的开发创造了有利条件。

5）抗干扰能力强。

由于光电互感器有很多优越性，因此，近年来，国内外学者对光学互感技术在电力

系统中的应用进行了较多的研究。到80年代，形成研究高潮并取得较好的进展。当然，光

电互感器要代替电磁式的互感器，目前国内已有OCT和用OCT的差动保护在试运行。

（2）采样保持（S/H;电路及采样频率的选择

模拟信号进行数字量转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的时间。在

这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。否则，转换精度没有保证，特别当输入信号频

率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在模数转换开始时将输入

信号的电平保持住，而在转换结束后又能跟踪输入信号的变化。能完成这种功能的器伫叫采

样保持器。

采样保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的电子门电路。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，并在模数转换器进

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10-4说明。

阻

抗

O交

换

器

1

遗辑输入

图3-5采样保持电路原理

它由一个电子开关K,保持电容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，电荷迅速充放

电，使电容两端电压等于该采样时刻的电压值（）。K的闭合时间应满足使电容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，这里头用阻抗变换器1,它在输入端呈现

高阻抗，使信号的功率消耗很小，不影响输入信号的波形。输出端呈现低阻抗，使电容C上

充放电很快，电压能迅速跟踪等于值。K“打开”时,，电容C上保持住K打开瞬间的电压值,

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,它对保

持电容C呈现高阻抗，使电容C上的电压保持较长时间。输入信号的采样保持的过程也可称

为量化1的过程，即将连续信号离散化的过程，如图3-6所示。

箱入

采样

脉冲

工

采样

信号Illi

采样

保持

图3-6采样保持过程示意图

为采样脉冲宽度，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。

采样间隔的倒数称为采样频率。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，要求微处理器的运算速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采

集单元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一个采样间隔时

间内处理完对•组采样值所必须作的各种操作和运算，否则，微处理器将跟不上时钟节拍而

无法正常工作。相反.采样频率过低，将不能真实反映被采样信号的变化情况。

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，也就是说离散信号能否还原成被采样的

连续信号？为此可分析图3-7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，对其进行采样。若每周波采样一点，即=,由图3-7(b)

可见，采样所得到的信号为一个直流量。若=1.5,即两周波采样3个点时，采样得到的是

一个频率比低的低频信号，如图3-7(c)所示。当=2时，如图3-7(c)所示，则采样所

得波形的频率为。即只有＞2,则采样后所得到的信号才有可能

(a)被采样信号；(b)采样频率/,=，；

(c)采样频率＜=1.5力；(d)采样频率£=2，

较为真实地代表输入信号X(Do也就是说，一个高于/2的频率成分在采样后将被错误

地认为是•个低频信号。只有在〉2时，才不会出现这种失真现象，这种失真现象称为频率

混迭［5］。因此若要不去失信息，完好地对输入信号采样，就必须满足＞2这一条件。愈高，

能反应的高频成分愈多失真就愈小。这也就是采样定理对信号采样的要求。

采样定理

如果随时间变化的模拟信号(包括噪声干扰在内)的最高频率为，只要按照采样频2

2进行采样，那么，所给出的采样值系列就足以恢复原信号了。

对50Hz的正弦交流电压、电流来说，理论上只要每个周波采样两点就可以表示其波形特点。

但为了保证计算精度，通常需要更高的采样频率。例如，有的保护原理需要准确反应五次谐波,

则采样频率就要大于500Hz，即每周采样大于10点。

(3)模拟低通滤波器(ALF,AnalogLow-passFilter)b

漉波耀是一种能使有用的频率信号通过，同时抑制元用的频率信号的电路。对微机保护

装置来说，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，为防止频率混迭，

采样率不得不取值很高，但采样频率不能太大，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上

H前大多数的微机保护原理都是反映工频或低频电气量的特征，在这种情况下，可以在采样前

用一个模拟式低通滤波器将高频分量滤掉，这样就可以降低采样率，从而降低对硬件的要

求。

模拟滤波器通常分为两大类。一类是无源滤波器，由RLC元件构成；另一类是有源滤波

器，主要由RC兀件与运算放大器构成。图3-8(a)是常用的二阶RC无源低通滤波器的电路

图。其传递函数(输出量对输入量之比的傅氏变换)由如下公式给出，对应的幅频特性曲线

由图3-8(b)所示。

图3-8无源低通滤波器原理电路及其特性

(a)电路图；(b)幅频特性曲线

通常Rl=R【=R,则

W(5)=-------------------(3-3)

i+3RCS+(RCS)

对于图中的无源低通滤波器，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/2,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，并会带来时间延迟，对快速保

护会有不利影响，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。有源滤波器是基于运算放大器构成的。下面对运算放大器

作一简要介绍。

运算放大器简称运放，是一开环(即无反馈时)放大倍数K趋于8的放大器。设反相输入端

加的电压为UI,电流为il,正相输入端“+”加的电压为U2,电流为i2。输出端电压为

U0,输出电流为iO,各电压都是对参考地而言，则可写成

Uo=K(U2-U1)

由于运放的输入阻抗趋于无穷大8,故，。因放大倍数为8,运放不能像图3-9(a)

那样开环使用。

(a)(b)

(c)

图3-9运算放大器原理(a),放大器(b)和积分器(c)

运算放大器作为电压放大，被放大交流电压经加在”端经R2接地，为反

馈电阻，因运放输入阻抗趋于8,因而从“一”输入的电流为0,则

i，o=kT$Ri+"Rf

因运算放大器输入电流为0,则和“+”的电位相等，都等于地电位0.故

-〃-0-_—牝

R」R

放大倍数K；=&=一々

f凡凡

一般，故可得到一放大倍数很大的反相放大器(即输出和输入电压相位相反)。

用运算放大器可以构成积分器如图3—9(c)所示

因4=T/

R

%”..JW=.J萨〜或

即运放的输出电压正比于输入电压的积分。

图3-1()所示是一种常用的二阶有源低通滤波电路，称为单端正反馈低通滤波器。它的主

要优点为：仅用一个运算放大器，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

K

为R2GG

"(s)=—(3-3)

1

S?+S()H------------------------------

/?,C(R2clR2c2R1R2cle2

式中K=1+RJ4(3-4)

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。

（4）模拟量多路转换开关

保护装置通常需对多个模拟量同时采样，以准确获得各个电气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。为了

降低成本，数据采集系统硬件设计中有时采用多路采样保持通道共用一个模数变换器的方

案。用多路转换开关实现通道切换，轮流由公用的模数转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，只要模数转换器的转换速度足够高,

就能在一个采样间隔内将所有通道的采样值转换完。

多路转换开关的原理如图3-11所示八

通道地址码

EnAOAlA2A3

00000

译弱鹿动

输出，

公共端“

•J

采样值输入

图371多路转换开关原理图

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，多路转换开关通过译码电路选通某一

通道，对应此通道的开关也就接通。

（5）模数转换器（A/D）

在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常需将检测到的随时间连续变

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，才能输入到微处理

器中进行处理。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A/D转换器的原理可将其分成两大类。一类是直接型A/D转换器，另一类是间接型A

/D转换器。在直接型A/D转换器中，输入的模拟电压离散值被直接转换成数字代码，不经

任何中间变换;在间接型A/D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。FI前A/D转换器的种类很多，这里仅就直接型

的逐次逼近式A/D转换器和间接型的电压频率变换式A/D转换器（VFC）为例加以说明。

1）逐次逼近式A/D转换器原理

①由于逐次逼近式模数转换器A/D一般要用数模转换器D/A,同时，在继电保护测试

仪中，也广泛将D/A应用于模拟量输出，因此先介绍一下数模转换器D/A。

②数模转换器D/A

D/A的作用是将数字最D经解码电路变成模拟电压或电流输出。数字最是用代码按数位

的“权”（即每个位代表的数值，例如八位二进制数11111111最末一位代表2=1,倒数

第二位的1代表2=2,最高位的1代表2=128等，这些指数就是权）组合起来表示的，每

一位代码都有一定的权，即代表一个具体数值。因此，为了将数字量转换成模拟量，必须先将

每一位代码按其权的值转爽成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，即可得到与被

转换数字最相当的模拟量，完成数模转换。

图3-12为一个4位数模转换器的原理图，更多位数的情况与此类似。

图中，电子开关K（）~K3分别输入4位数字量B4~B1。在某一位为“0”时，该位对应的

开关合向右侧，即接地。而为“1”时，开关合向左侧，即接至运算放大器A（关于运算放大

器的原理见下面）的反相输入端（虚地）。流向运算放大器反相端的总电流1（反映了4位输入

数字量的大小，它经过带负反馈电阻RF的运算放大器，变换成电压uSC输出.由于运算放大

器A的“+”端接地，而运算放大器的输入电阻趋于8,这样运算放大器A的反相输入端的

电位实际上也是地电位，也是零，称为“虚地”，是没有影响的。在图3-12中，电阻网络有

一个特点，从-UR、a、b、c四点分别向右看，网络的等值阻抗都是R.因而a点电位必定是

l/2UR,b点电位则为l/4UR,c点为1/8UR。

相应的，图3-12中各电流分别为

Il=UR/2R,12=1/211,13=1/411,14=1/811

各电流之间的相对关系正是二进制数每一位之间的“权”的关系，因而，图3-12中，总电流

1（必然正比于数字量D。式（1-4）已给出

_,-2-n

D=B,x2+B2x2+...+B„x2

由图3-12得

L=B&+BJ2+B3I3+BJq

二宜(4x2」+层x2-2+纭x2-3+&x2-*)=*£>

而输出电压为

〃3=4（=等力

可见，输出模拟电压正比于输入的数字量D,比例常数为。

如图3-12所示四位数模转换器电路通常被集成在一块芯片上。由于采用激光技术，集成

电阻值可以制作得相当精确，因而数模转换器的精度主要取决于参考电压或称基准电压UR

精度。芯片中有温度补偿的齐纲二极管稳压回路，将外加给芯片的电源电压经过进•步稳压

后提供，因而精度很高。

③逐次逼近式模数转换器A/D的工作原理

将一待转换的模拟输入信号与一个推测信号相比较，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D/A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,尚未置位的较低各位为0,每置一位时都要进行测试。若模拟输入信号小于

推测信号，则比较器输出为零，同时使计数器该位清零；若模拟输入信号大于等于推测

信号，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，D/A转换器的数字输入即为对应模拟输入信号的数字展。图3T3所

示为逐次逼近式八位A/D转换器工作原理图。

<?uOT<?。加（模拟量输入）

D/A

数

图3T3逐次逼近式八位A/D转换器工作原理图

例如：若转换的模拟量所对应的未知数字量应是D0H,逐次逼近式八位A/D转换过程如下:

首先将位置为1,输出锁存器输出数字是10000000=8011。经D/A转换为模拟量并与相比

较，由于推测信号小于模拟输入信号，所以，比较器输出为0,则位置为lo再将位置

1,锁存器输出为UOOOOOACOH,小于DOH,则位也置为1。再将位置1,锁存器输出为

111000（）0=E0H,大于DOH,则位应置为0。再将位置1,锁存器输出为1101OOOO=DOH,等

于DOH。再将位置1,锁存器输出为11001000=D8H,大于DOH,则位置为0。依次类推，可

得转换结果为UOOOOOODDH。

2）VFC变换式A/D转换器原理

YFC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。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，刈环境适应能力强。

VFC器件的内部电路示意图如图3-14所示,A1为运算放大器，按图示电路连接，其输入

端a点为“虚地”，A1还与Rsr、C共同组成一个积分器。A2为零电压比较指示器,A2实际

设计为Uc稍微偏负一点才动作，但为了方便起见，可以将A2看作零指示器。

VFC器件对电路设计提出了一个要求，即。其中，、为允许输入的最大电压、电

流值；ER为基准电压；Rsr为输入电阻，可以根据需要来设计；RR为a点到基准电压ER之

间的电阻，已设计在VFC器件内部。

图3-14VFC内部电路结构示意图

I.直流输入的工作原理

为了简单明了地理解VFC的工作过程，先假设输入电压为正的直流信号，随后，再推

广到一般的交变信号输入.

（1）当输入电压为0V时，电容器C的电压等于0V,单稳触发器无任何输出，电子

开关AS接到参考地的端子侧。

（2）当输入端刚施加了直流信号时，由于电子开关AS已处于连接到参考地的端子侧,

所以IR=0,有IC=IR-Isr=-hr,于是，造成积分器的输出电压有向负方向变化的趋势，该趋势

很快被零指示器检测到，随即，零指示器的输出发生正跳变，该正跳变脉冲进而触发单稳触

发器，使之在U0端生产一个宽度固定为TO的脉冲。TO的大小由芯片内部参数确定。

为了方便起见，将“积分器的输出电压有向负方向变化的趋势，该趋势很快被零点指示器检

测到”这个过程的延时可以认为是零。实际的小延时并不影响工作过程的分析和最终的结果,

只是推导过程稍彳散免柴一些”

(3)在TO信号期间，电子开关AS切换到负参考电压(-ER)侧，此时，出现了IR电流，使

得电流IC=IR-Isr,因此有

4(，)=万(”/)〃+以。-)

c0

=5(『/)+。35)

由于设计要求Isr<lR,即1R-Isr>o,所以在式(3-4)的积分过程中，随时间变化而上升,

如图3-15中的0~11时间段。在TO信号消失的时亥IJ,上升到最大值，其值为。

(4)当信号消失后，电子开关AS又接到参考地的端子侧，使得等于0,因此，，于是，

有

u()=N(-L3+U(汇)

咱―-35)

Ju)

V.

从式(3-5)可以看出，在此期间是随时间变化而下降，如图3-15中的H~t2时间段。

当下降到0V时，再次被零点指示器检测到，于是重复(2)~(4)项阶段的过程，这个重复

过程一直持续下去。

由于下降到0V时，立即被零点指示器检测出来，促使再次由0V

开始上升，所以，将12和=0代入式(3-5),得到

工一1/)=0(3-6)

V-

综合式(3-4)、式(3-5)可以看出，外加充电电压是直流，故每个重复过程的上升斜率、上

升时间和下降参数都是一样的，所以的波形呈周期性变化，且每个周期的波形都是一样的,

如图3-15所示。于是，可以将式(3-6)中的改写为周期符号T,这样有，即

7=g(3-7)

图3-15VFC电路波形图

因此(3-8)

式中EK----基准电压;

RR——Al负端到E.端之间的电阻;

R“----输入电阻；

T.——VFC芯片固定的时间常数;

——VFC的转换系数，。

由于的变化周期与VFC输出端U0的周期是一致的，且式（3-8）中，、、和均

为固定的常数，即转换常数为常数，因此，可以知道,VFC输出信号U0的频率f与输入电压

成正比。

这样，只要测量到VFC输出端的方波脉冲频率，就可以反映输入电压的大小，用计数器

就是测最脉冲频率的有效方法。计数器实际上是在统计脉冲的“个数”，最后计数器输出的

是数字量，便于计算机读取，从而实现了模拟量到数字量的变换，达到了模数转换的目的。

如果在一个采样间隔内对计数器的计数结果进行读数的话，那么，相当于在这个间隔内

对脉冲的“个数”进行求和计算。由于输入直流电压时，VFC的输出为固定频率f,所以，脉

冲计数的结果与计数的时间有关，计数值为D=f。由定积分定义可以知道，这种求和计算

可用积分代替：。

于是，微机通过计数器读到的数值相当于

D=\fdt=Kv\Usrdt(3-9)

更一般的有

，+八人看

D=jfdt=KvJUsrdt（3-10）

tI

这说明,VFC型模拟转换的输出值与输入电压信号的积分成正比。

2.交流输入的工作原理

在图3-14的A1运算放大器输入端引入一个正偏置电流，即可允许输入信号为正负交变的交

流量。通常取正偏置电流为，对应到输入端的偏置电压为。当然，引入偏置后，一般应在

微型机读取的模数转换值中减去偏置的影响，以便还原为与交变信号的大小、符号相对应的

采样值。

如前所述，单极性输入时，VFC器件的设计要求为，所以在交流信号输入与偏置合成作用

的情况下，交流信号的最大值要求满足

R

(3-11)

于是，合成后的综合输入信号可以表示为