第一章 微机保护的硬件原理--new.ppt

1、第一章微机保护的硬件原理，第一节简介1 .微机保护的硬件系统包括以下三个部分：数据采集系统(或称天线计程仪输入系统):电压形成、采样保持、多开关和数字模拟转换。 微处理器(或微处理器)的主系统，包括微处理器、计程仪程序存储器(ROM )、数据存储器(RAM )、计时器、残奥串行接口等。 开关量投入产出系统：由微机的残奥轨道接口、光电分离老虎钳、有触点的中间继电器等构成。 发挥保护所需的外部接点网站数据库、出口跳闸、人机对话等功能。 图11是表示微机保护硬件构成分块图、图11的微机保护硬件构成分块图、微机保护的模拟计程仪输入方式：逐次逼近型A/D转换VFC原理A/D转换、2 .微机保护用硬件特征

2、集成微处理器(MPU )、只读存储器(ROM )、随机访问存储器全部总线的单片机不分微机、单片微型计算机、微处理器，第二节数据采集系统为模拟计程仪数字转换(AD )做好准备，将模拟计程仪量转换成数字量电力系统故障信号的特征谱分布较宽：直流、衰减直流、从商用基波分量到各间谐波(最高达数百千赫) 到瞬态信号的动态范围宽的三相电压、线路侧线间电压典型的三绕组电压互感器差动继电器需要：为了各绕组侧的三相电流，微机保护是多天线计程仪输入系统，21电压形成电路继电保护使用的电压、电流都电压互感器(100伏、线间电压) 和电流互感器(额定电流5安培或1安培，短路电流100安培)要求100伏特，将小于1a10

3、0a的电流转换为适合AD转换的正负2.5伏特、正负5伏特、正负10伏特的电压，电压形成电路；(1)输入电压的电压形成电路是一次电压互感器输出的二次额定可以用电压变换器实现。 (2)输入电流的电压形成电路将一次电流互感器输出的二次额定5A/1A电流转换为最大5V模拟计程仪电压信号，使用于模拟计程仪数字转换芯片。 可以使用电流转换器或电抗转换器来实现。 (1)输入电压的电压形成电路通过电压转换器实现，即变压器(但是，应该在一次边和周边之间设置屏蔽层，提高共模干扰作用的强能力)。 电压变换器(TV )、(2)输入电流的电压形成电路是(1)电抗变换器、电抗变换器或者在铁元素中心具有空气隙的电压互感器。

4、 具有铁元素中心不易饱和、线性变换范围宽的优点。 缺点是阻止直流，放大射频波成分，使二次侧电压波形产生大的失真。 (2)电流转换器电流转换器是铁元素心闭合、无空气隙的电压互感器。 在铁元素心饱和的情况下，具有二次电流波形与一次侧相同的优点。 缺点是容易因电流的非周期成分而饱和，线性差。 在微机保护中一般使用电流转换器。 z是模数变换器的输入阻抗二次侧并联电阻，较小。输出电压，每个转换器的操作特性电压转换器是常用电压互感器原理，其用于将初级电压转换为用于微机保护模数转换(AD )的电压。 电流转换器：用于电流的电流电压用于将一次电流变换为微机保护模数变换(AD )用的电压。 一般的电压互感器原理

5、是将电流转换为电流，在其电压互感器的二次侧并联连接小电阻来形成电压。要求这个电压互感器的铁元素心不饱和。 电抗变压器：用于直接取出电压的原理构造、原理图以及等效电路图12所示的图12的电抗变压器的原理构造和等效电路图，其铁元素中心有空气隙，具有3个线圈的变压器。 由于存在空气隙，励磁电抗值小，不能忽略相对大的次级负载阻抗，所以一次电流全部为励磁电流。 在这种情况下，由于相当于整体的效果，所以电抗能够将一次电流的基波分量成比例地变换为二次侧电压。 但是放大了间谐波成分，阻止了直流和次低频成分。 严格来说是应变变换。 电流转换器和电抗电压互感器的比较电流转换器虽然能够不失真地将电流转换为电压，但如

6、果出现非周期成分、衰减直流成分则容易饱和，线性差，动态范围小的电抗电压互感器由于具有阻止直流、放大间谐波的作用，一次波形为非正弦时，二次失真大。 但动态范围宽，铁元素心不易饱和，具有移相作用。 在某些情况下是有用的。22采样保持电路和模拟低通滤波器的采样保持电路的作用和原理定义：采样保持电路(S/H，Sampling and Holding )在极短时间内测量模拟计程仪量在该时刻的瞬时值，在模数变换器转换的期间保持输出一定的电路使用保持电路将阶跃电压波形在保持阶段，随时进行模拟计程仪数字转换，反映采样值。 构成：由电子计程仪开关AS、保持电容器及2个阻抗变换器构成。 Ch的作用是存储AS闭合时

7、的电压，并在AS打开后保持该电压。 阻抗变换器I向Ch端子提供低阻抗，迅速确立Ch电压，向输入端子显示高阻态，尽量减少对输入电路的影响。 阻抗变换器11向Ch侧提供高阻抗，减缓Ch的衰减，提高在后面呈现低阻抗的负载能力。 图13的采样保持电路及动作过程、动作过程：得到微机采样计时器等间隔地产生采样脉冲的抽样信号，采样后的信号在下一采样脉冲到来之前变化，形成稳定的阶梯状采样保持信号，等待A/D转换。采样保持电路的要求Ch上的电压以一定的精度跟踪Usr，跟踪时间尽量短，对应最小采样宽度的要求Tc的保持时间较长，通常保持能力天线计程仪开关的动作延迟、闭合电阻和断开时的漏电流小的前两个指标是阻抗变换器

8、和保持电容的性能越大越好。 一般要求快速捕获，抽样时间短，容量小低速捕获，抽样时间长，容量大，稳定性好，抗杂散电容的影响。 采样保持电路的典型芯片具有步进采样和可变步进采样，诸如采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用，在网格频率的波动较小、采样精度要求不高的情况下，通常在等步进采样或网格频率的波动较大的情况下， 要求进行可变步长采样的fs2fmax的适当保护性采样频率选择性高采样频率要求其电脑CPU处理和运算速度迅速。 低采样频率可能是频率折返，这是因为电力系统故障之后的电压电流较宽的频谱信号。适当的保护采样频率的选择鉴于当前继电保护主要是基于商业频率故障信息配置的，射频波故障信息应能够/消除，

9、这降低了对电脑CPU和采样速率的要求。 目前，微机保护采用600Hz(1.667毫秒)、1kHz(1毫秒)、1.8kHz(0.55毫秒)的采样频率，它们全部能够满足工频故障信息和三次、五次间谐波的采样与识别要求。但是，超过300Hz、500Hz、900Hz的故障信号怎么办？ 前置低通滤镜的设置、电力线路故障初期、电流电压中可能含有相当高的频率成分(例如2 kHZ以上)。 目前，许多微机的保护原理反映了50HZ的商用频率成分。 因此，在采样保持之前利用模拟低通滤波器对射频波成分进行滤波，防止射频波成分与商用频率多重日式榻榻米。 最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤镜。 其中，滤波器为传递有用频率信

10、号并抑制不需要的频率信号的电路。 “低通滤镜”是一种滤波器，只允许低于截止频率的频率通过。 预低通滤镜也称为抗混叠滤波器，为了在广泛应用于各种保护控制电路的采样电路之前，对2倍以上的采样频率的信号进行滤波，将截止频率设定为1/2fs。 低通滤镜可以是主动的也可以是被动的。 无源滤波器结构简单，但电阻和电容电路对信号有衰减作用，导致时间延迟，对速度和性能要求不高的微机保护有源滤波器的耐冲击干扰作用能力差，但滤波器性能好。 性能越好的滤波器延迟时间越长，信号成为不同步骤的可能性越高。 继电保护通常采用普通的一阶(最高二阶有源或无源)滤波器来限制接近商用频率成分的间谐波信息的混合存在第二节数据采集系

11、统，图15的二阶无源低通滤镜，第二节数据采集系统，图16的二阶无源低通滤镜， 23在模拟-计程仪多路复用转换开关继电保护中需要大量的模拟计程仪模数变换器是一种宝贵的零配件电路板希望较少的芯片多路复用转换器，将大量的模拟计程仪量进行网站数据库，并仅将其中一个送至模数变换器进行转换。 不同的模拟计程仪量以“分时”方式完成模拟计程仪数字化转换过程。 配置：包括选择导通数的二进制查询密码电路和多径效应电子开关。 在二进制解查询密码电路中，十六路复用转换开关示例A0A3是电路选择线电脑CPU，其决定哪个电子开关接通要转换的天线计程仪量多路复用电子开关以及切断其他电路，仅接通要转换的天线计程仪量。电路选择

12、A1A16是电子开关En 在模拟计程仪多路选择器开关(MPX )中最重要的部分是电子开关AS，是用数字电子逻辑控制模拟计程仪信号的通、断的电路，通常是双极晶体管(BJT )、结型场效应晶体管(J-FET )或金属氧化物半导体增强型场效应晶体管(MOS-FET )， 24模数变换器定义：实现从模拟计程仪量到数字量转换的硬件电路，也称为A/D转换器。 一座桥梁，可以将电脑识别的数位计程仪量转换成数位量。 将连续的模拟计程仪信号转换为离散的数字信号。 应用范围及其广度：随时间连续变化的天线计程仪量，需要用校准机处理的必须经过这个环节。 电压、电流、温度、压力速度等的分类：直接型：将模拟计程仪量转换为

13、数字编码的间接型：将模拟计程仪量转换为某变量(例如频率)后转换为数字编码输出，模拟计程仪转换器的一般原理是将输入的模拟计程仪量Usr相对于模拟计程仪基准量UR转换为数字量d后输出的B1Bn 另外，该模数变换器的工作原理为将连续的天线计程仪信号转换为离散的数字信号。 以kTs时刻为例进行分析：该时刻的瞬时电压值被转换为数字量，数字模拟转换器的一般原理数字模拟转换器(简称为D/A转换器或DAC )将数字量d转换为模拟计程仪电压或电流输出。 模数变换器一般使用数字模拟转换器。 输入数字量：上图n=4。 与计程仪电压：输入数字量d成正比。逐次逼近式模数变换器的动作原理数字模拟转换器的动作过程：通过残奥

14、轨道接口尝试16二进制位D/A转换器。 对于每发送次数，微机通过读取PA0通讯端口的状态，判断试送的16位相对于模拟计程仪输入量是大还是小。 如果大，则减小尝试进给的16位，直到找到最近的二进制数，并且该16位的二进制数是A/D转换器的输出结果。 启发式文明棍发送数样本逐次逼近的二分搜索法。 双极天线计程仪量的天线计程仪数字化转换、双极天线计程仪量：正、负极性变化的天线计程仪量。 为了实现双极天线计程仪量的模拟计程仪数字转换，需要设置最大允许输入量的一半值的直流偏置量。 以输入双极电压的最大范围为5V的模数变换器为例。 上述A/D转换器的二进制位数为16二进制位。 最高有效位是编码二进制位，并

15、且有效二进制位仅后面的15个二进制位。 一个n二进制位A/D转换器的十进制范围是模拟计程仪数字转换的向上溢出，模数变换器的向上溢出：输入模拟计程仪电压超过了模数变换器的最大允许输入电压。 对模数变换器的向上溢出，(1)扁平掌门人向上溢出，危害小。 (A/D转换结果保持在最大值(11111111) (2)零清除向上溢出，危害很大。 (A/D转换结果保持在最小值00000000 )，并且A/D转换器的例子以模数变换器AD7665为例进行分析。 数字模拟转换器AD7665是逐步逼近型16二进制位高速数字模拟转换器，并且转换率为500 ksps (每秒)即执行一次模拟-计程仪数字转换的时间为1/500

16、K=2uS。 A/D7665模数变换器由Analog Devices公司生产。芯片外观、芯片内部结构图像、A/D转换器和微机接口、模数变换器AD7665的模数转换功能必须由微机执行和控制软件计程仪程序。 模数变换器AD7665和微机的接口如下图所示。 通常，使用数字二进制位的数量表示对微机保护A/D转换器的主要要求(1)转换二进制位的数量(极限分辨率)。 (2)转换时间(转换频率)，A/D转换器执行模拟-计程仪数字转换的时间，以及转换频率。 (1)转换二进制位的数量(分辨率)，即数字量的二进制位的数量。 连续的模拟计程仪量瞬间值用有限位的二进制数字表示的话，舍去小于最低位(LSB )的数并导入

17、一定的误差是免不得的。 对于一个n二进制位A/D转换器，其量化误差是A/D转换器允许的最大输入的正电压。 12二进制位AD可以满足要求。 16二进制位更好，2 )采用转换时间会影响A/D的最高采样频率。25 VFC型数据采集系统、电压频率转换器VFC(Voltage Frequency Converter )将另一模拟计程仪电压量转换成脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成比例。 (1)VFC的工作原理，VFC把输入的交流计程仪电压量转换成脉冲信号输出。 输出脉冲信号的频率与输入电压成正比。 是常数。 VFC的工作原理与电压频率转换器VFC输出的脉冲方形波的频率和输入交流模拟计程仪电压信号的大小成比例，即，在一定时间(采样时间)内对VFC输出的脉冲方形波进行计数(即校正上升沿的个数)，得到数字量d。 在采样时间小且在输入模拟计程仪信号中不存在射频波分量的情况下，可以认为数字电容d与输入模拟计程仪信号之间的关系在采样时间内输入模拟计程仪电压也不变化。 因此，最终输出的数字量d也与输入的模拟计程仪信号成正比。 另外，VFC的极限分辨率与