微机继电保护装置的硬件原理

第第1 1章章 绪论绪论 第一章 微型机保护的硬件原理 一、计算机在继电保护领域中的应用和开展概况60年代末期，提出用计算机构成保护装置的建议。70年代，掀起了研究热潮。公开发表的有关论文200 余篇，提出各种不同的算法原理和分析方法。1979年，曾组织过一次世界性的计算机保护研究。出现微型机，价格大幅度降低，继电器制造商推出了各种定型的商业性微机保护装置产品。1984年国内第一套微机距离保护样机运行，并科研鉴定1986年全国第一台微机高压线路保护装置研制成功。第一章 微型机保护的硬件原理 一、计算机在继电保护领域中的应用和开展概况 *高中压等级继电保护设备几乎为微机保护产品 *微机保护加网络通信等技术 *变电站综合自动化系统、配网自动化系统 保护、测量、控制、录波、监视、通讯、调节、报表和防误操作等多种功能融为一体 *平安、稳定和可靠、经济运行 *变电站实现无人或少人值班 *朝着高可靠性、简便性、开放性、通用性、灵活性和网络化、智能化、模块化、动作过程透明化方向开展。第一章 微型机保护的硬件原理 二、微机继电保护装置的特点1维护调试方便 *硬件是计算机 简单的操作就可以检验微机的硬件是否完好 *各种功能是由相应的软件程序来实现 *大大减轻运行维护的工作量2可靠性高 *自动纠错即自动地识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作 *自诊断能力能够自动检测出本身硬件的异常局部，配合多重化可以有效地防止拒动 第一章 微型机保护的硬件原理 二、微机继电保护装置的特点3易于获得附加功能 配置打印机，或者其它显示设备，或通过网络连接到后台计算机监控系统，可以在电力系统发生故障后提供多种信息。保护动作时间和各局部的动作顺序记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等。对于线路保护，还可以提供故障点的位置测距。有助于运行部门对事故的分析和处理。第一章 微型机保护的硬件原理 二、微机继电保护装置的特点4.灵活性大 特性主要由软件决定不同原理的保护可以采用通用的硬件，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运行方式的变化。5保护性能得到很好改善 很多原有型式的继电保护中存在的技术问题，找到新的解决方法。例如允许过渡电阻的能力，区别振荡和短路，识别励磁涌流和内部故障等问题都已提出了许多新的原理和解决方法。第第1 1章章 微机保护的硬件原理微机保护的硬件原理 第一章 微型机保护的硬件原理 11 概述微型机保护系统的硬件一般包括以下三大局部:1数据采集系统或称模拟量输入系统 电压形成、模拟滤波、采样保持S/H、多路转换MPX以及模数转换A/D 将模拟输入量转换为数字量2微型机主系统 微处理器MPU、只读存储器ROM或闪存内存FLASH、随机存取存储器RAM、定时器、并行接口以及串行接口等。第一章 微型机保护的硬件原理 11 概述 微型机执行编制好的程序，对由数据采集系统输入至RAM 区的原始数据进行分析、处理。完成各种继电保护的测量、逻辑和控制功能。3开关量或数字量输入输出系统 由微型机的并行接口PIA 或PIO、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部触点输入、人机对话及通讯等功能。第一章 微型机保护的硬件原理 11 概述 第一章 微型机保护的硬件原理 11 概述 开展：许多单一芯片将微处理器MPU、只读存储器EPROM、随机存储器RAM、定时器、模数转换器A/D、并行接口适配器PIO、闪存单元FLASH、数字信号处理单元DSP，Digital Signal Processor、通讯接口等多种功能集成于一个芯片内。功能齐全的单片微型机系统，为微机保护的硬件设计提供了更多的选择。芯片对外连线没有数据、地址和控制总线的微型机，即“总线不出芯片，提高微机保护设备的可靠性和抗干扰性能。第一章 微型机保护的硬件原理 12 模拟量输入系统数据采集系统模拟量输入系统数据采集系统一、电压形成回路 模拟量的设置根本准那么：满足保护功能，输入的模拟量能够反响被保护对象的所有故障特征。高压线路保护：具备了全线速动保护如高频保护或光纤电流纵联差动保护、距离保护、零序保护和重合闸的功能。模拟量一般设置为Ia、Ib、Ic、3I0、Ua、Ub、Uc、Ux 共8 个模拟量，其中，Ia、Ib、Ic、3I0、Ua、Ub、Uc 用于构成保护的功能，Ux 为断路器的另一侧电压，用于实现重合闸功能；三卷变压器差动保护：至少应该接入三侧的三相电流，共9 个模拟量。第一章 微型机保护的硬件原理 12 模拟量输入系统数据采集系统模拟量输入系统数据采集系统一、电压形成回路 中间变换器：将电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得信号变换为5V 或10V 的电压信号。电压变换器：变换交流电压信号 电抗变换器或电流变换器：将交流电流信号变换为成比例的电压信号。1电抗变换器具有阻止直流、放大高频分量作用，当一次流过非正弦电流时，二次电压波形将发生严重的畸变，这是所不希望的。电抗变换器的优点是线性范围较大，铁芯不易饱和，有移相作用，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。第一章 微型机保护的硬件原理 12 模拟量输入系统数据采集系统模拟量输入系统数据采集系统2电流变换器：传变信息不失真只要铁芯不饱和 移相、提取某一分量或抑制某些分量等，根据需要可 以通过软件来实现。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。一般采用电流变换器将电流信号变换为电压信号 第一章 微型机保护的硬件原理 12 模拟量输入系统数据采集系统模拟量输入系统数据采集系统 Z 为模拟低通滤波器及A/D 输入端等回路构成的综合阻抗，在工频信号条件下，该综合阻抗的数值可达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 的数值差异很大，所以，第一章 微型机保护的硬件原理 12 模拟量输入系统数据采集系统模拟量输入系统数据采集系统 在设计时，相关参数应满足以下条件：在中间变换器的原副边之间，应设计一个屏蔽层，并将屏蔽层可靠地与地网连接，以便提高交流回路抗共模干扰的能力。第一章 微型机保护的硬件原理 12 模拟量输入系统数据采集系统模拟量输入系统数据采集系统 在共模干扰情况下等效电路如图13 所示 第一章 微型机保护的硬件原理 12 模拟量输入系统数据采集系统模拟量输入系统数据采集系统 第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器 一S/H 电路的作用及原理 S/HSample/Hold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，并在模拟数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。S/H 电路的工作原理可用图14a来说明:第一章 微型机保护的硬件原理 第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器 一S/H 电路的作用及原理 它由一个电子模拟开关AS、保持电容Ch 以及两个阻抗变换器组成。模拟开关AS 受逻辑输入端的电平控制，该逻辑输入就是采样脉冲信号。在逻辑输入为高电平时 AS 闭合，此时，电路处于采样状态。Ch 迅速充电或放电到usr(t)在采样时刻的电压值。AS 的闭合时间应满足使Ch 有足够的充电或放电时间即采样时间，显然希望采样时间越短越好。这里，应用阻抗变换器I 的目的是，它在输入端呈现高阻抗，对输入回路的影响很小；而输出阻抗很低，使充放电回路的时间常数很小，保证Ch 上的电压能迅速跟踪到usr(t)在采样时刻的瞬时值。第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器 一S/H 电路的作用及原理 AS 翻开时，电容Ch 上保持住AS 闭合时刻的电压，电路处于保持状态。为了提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器，它在Ch 侧呈现高阻抗，使Ch 对应充放电回路的时间常数很大，而输出阻抗usc 侧很低，以增强带负载能力。阻抗变换器I 和可由运算放大器构成。TC 称为采样脉冲宽度，TS 称为采样间隔或称采样周期。等间隔的采样脉冲由微型机控制内部的定时器产生。第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器二对采样保持电路的要求1Ch 上电压按一定的精度如误差小于0.1跟踪上Usr 所需要的最小采样宽度Tc或称为截获时间，对快速变化的信号采样时，要求Tc 尽量短，以便可用很窄的采样脉冲，这样才能更准确地反映某一时刻的Usr 值。2保持时间要长。通常用下降率 来表示保持能力。3模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器二对采样保持电路的要求 1和2两个指标一方面决定于阻抗变换器的质量，另一方面也和电容器Ch 的容量有关。就截获时间来说，希望Ch 越小越好，但必须远大于杂散电容；就保持时间而言，Ch 大一些更有利。设计者应根据使用场合的特点，在二者之间权衡后，选择适宜的Ch 值，同时，要求选择漏电流小的Ch 电容。采样保持电路的性能与电容Ch 大小的关系：第一章 微型机保护的硬件原理 第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器二对采样保持电路的要求 Ch 不宜用太小的值，保持能力随Ch 下降而下降(Ch 和采样脉冲输入电路之间不可防止地会通过一定的分布电容产生耦合。)从采样状态转到保持状态的瞬间，采样脉冲由高电平变到低电平，这种电平的跳变可能要通过分布电容的耦合影响Ch 的保持值，由于这种原因造成的误差叫保持跳变误差holdstep。Ch 值越小，保持跳变误差越大图中的曲线2。通常可选用Ch0.0lF，保持下降率约为2mVms，完全可以忽略，而到达0.1的采样跟踪精度所需的最小截获时间约为20S，仅相当于工频的0.36。第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器二对采样保持电路的要求 整个采样保持电路集成在一块芯片上，但其中不包括采样电容Ch需外接，一方面是因为用集成电路构成电容困难，另一方面是为了增加设计的灵活性。可根据不同的应用场合，选用不同容量的电容Ch。LF398 的采样保持电路芯片的原理 第一章 微型机保护的硬件原理 第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器 二对采样保持电路的要求 电路主要由两只高性能的运算放大器 A1、A2 构成的跟随器组成。A2 是典型的跟随器接法，反相端直接与输出端相连。由于运算放大器的开环放大倍数极高，两个输入端之间的电位差实际上为零，所以输出端对地电压能跟踪上输入端对地电压，也就是保持电容Ch 两端的电压。A1 接法和A2 实质相同，在采样状态AS 接通时，A1 的反相输入端从A2 输出端经电阻R 获得负反响，使输出跟踪输入电压。第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器二对采样保持电路的要求 保持阶段，虽然模拟量输入仍在变化，但A2 的输出电压却不再变化，这样，A1 不再能从A2 的输出端获得负反响，为此，在A1 的输出端和反相输入端之间跨接了两个反向并联的二极管，直接从A1的输出端经过二极管获得负反响，以防止A1 进入饱和区，同时，配合电阻R 起到隔离第二级输出与第一级的联系。跟随器的输入阻抗很高达1010，输出阻抗很低最大6，因而A1对输入信号usr来说是高阻，而在采样状态时，对电容Ch 为低阻充放电，故可快速采样。又由于A2 的缓冲和隔离作用，使电路有较好的保持性能。第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器二对采样保持电路的要求 图 l6b中的端子2 用于调零。实际上，零漂一般很小，在要求不是特别高的情况下，可将端子2 开路。AS 为场效应晶体管模拟开关，由运算放大器A3驱动。A3的逻辑输入端S/H 由外部电路通常可由定时器按一定时序控制，进而控制着Ch处于采样或保持状态。符号S/H 表示该端子有双重功能，即S/H“1电平为采样Sample功能，S/H“0电平为保持Hold功能。某个符号上面带一横，表示该功能为低电平有效，这是数字电路的习惯表示法。第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器三采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用 等时间间隔采样Ts=常量完全满足工程的实际要求，因为电网频率的波动较小，这种方法的Ts 控制方式很简单。按照电气角度等间隔的方法设计采样间隔，可进一步提高计算精度。此时，需要跟踪电网的基波周期来调整采样间隔。Ts 的倒数称为采样频率fs。采样频率越高，要求微型机的速度越高。采样频率过低，将不能真实地反映被采样信号的情况。第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器三采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用 由采样定理：f s 2 fmax可以知道，采样频率f s必须大于fmax的二倍。采样频率的设置在满足采样定理后，才能通过一定的计算方法，从采样信号中获取连续时间信号的有关信息。当然，还应考虑采样信号整量化的影响。当f s=fmax时，采样所看到的为一直流成份；当f s略小于fmax时，采样所看到的是一个差拍低频信号“混叠。满足采样定理f s 2 fmax后，将不会出现这种混叠现象。第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器 第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器三采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用 在故障初瞬，电压、电流中可能含有相当高的频率分量例如2kHz 以上，为防止混叠，f s将不得不用得很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但保护原理都是反映工频量的，故可以在采样前用一个低通模拟滤波器LPF，Low Pass Filter将高频分量滤掉，这样就可以降低f s，从而降低对硬件的要求。实际上，可仅用模拟低通滤波器滤掉滤掉f s/2 以上的分量，以消除频率混叠。低于了f s/2 的其他暂态频率分量，可以通过数字滤波来滤除。第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器三采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用 电流互感器、电压互感器对高频分量已有相当大的抑制作用，因此不必对抗混叠的低通模拟滤波器的频率特性提出很严格的要求。例如不定要求很陡的过渡带和阻带有理想的衰耗特性，否那么高阶的模拟滤波器将带来较长的过渡过程，影响保护的快速动作。R=4.3K C=0.1F 第一章 微型机保护的硬件原理 二、采样保持电路和模拟低通滤波器三采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用 采用低通滤波器消除频率混叠问题后，采样频率的选择在很大程度上取决于保护的原理和算法的要求，同时还要考虑硬件的速度问题。例如一种常用的采样频率是使采样间隔fs5/3ms，这正好相当于工频30，因而可以很方便地实现30、60、或90移相，从而构成负序滤过器等。考虑硬件目前实际可到达的速度和保护算法的要求，绝大多数微机保护的采样间隔Ts 都在0.12ms 的范围内。第一章 微型机保护的硬件原理 三、模拟量多路转换开关 对于反映两个量以上的继电保护装置，例如阻抗、功率方向等，都要求对各个模拟量同时采样，以准确地获得各个量之间的相位关系，因而要对每个模拟输入量设置一套电压形成、抗混叠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。但由于模数转换器价格相对较贵，通常不是每个模拟量输入通道设一个A/D，而是公用一个，中间经多路转换开关MPXMultiplex切换，轮流由公用的A/D 转换成数字量输入给微机。多路转换开关包括选择接通路数的二进制译码电路和由它控制的各路电子开关，它们被集成在一个集成电路芯片中。第一章 微型机保护的硬件原理 三、模拟量多路转换开关 以16 路多路转换开关芯片AD7506为例，其内部电路组成框图示于图l9。因为要选择16 路输人量，所以它有A0A3 四个路数选择线，以便由微型机通过并行接口或其他硬件电路给A0A3 赋以不同的二进制码，选通AS1AS16 中相应的一路电子开关AS，从而将被选中的某一路模拟量接通至公共的输出端，供给A/D 转换器。第一章 微型机保护的硬件原理 三、模拟量多路转换开关 ENEnable端为芯片选择线，也称为允许端，只有在EN 端为高电平时多路开关才接通，否那么不管A0A3 在什么状态，AS1AS16 均处于断开状态。设置EN 端是为了便于控制二个或更多个的AD7506，将其输出端并联，以扩充多路转换开关的路数。电子开关AS 是用电子逻辑数字控制模拟信号通、断的一种电路。通常有双极型晶体管BJT、结型场效应晶体管JFET或金属氧化物半导体场效应管MOSFET组成的电子开关。BJT模拟电子开关是用得最早的一种，是一种反接晶体管模拟开关，该电路可直接用TTL 数字逻辑电路控制。第一章 微型机保护的硬件原理 三、模拟量多路转换开关 当控制信号为低电平时，T1、T2 截止，T3 导通。当控制信号为高电平时，T1、T2 导通，T3 截止。这种电路导通误差电压大约为l2mV，精度不高。为了提高精度，还可以采用并联互补、串联补偿等电路。JFET 组成的模拟开关性能更好，导通电阻小，截断时只有极微小的漏电流：第一章 微型机保护的硬件原理 四、模数转换器一ADC 的一般原理 模数转换器A/D 转换器，或简称ADC是将模拟量转变成计算机能够识别的数字量的桥梁。由于计算机只能对数字量进行运算，而电力系统中的电流、电压信号均为模拟量，因此必须采用模数转换器将连续的模拟量转变为离散的数字量。模数转换器可以认为是一个编码电路。它将输入的模拟量Usr 相对于模拟参考量UR经一编码电路转换成数字量D 输出。一个理想的A/D 转换器，其输出与输入的关系式为：第一章 微型机保护的硬件原理 四、模数转换器一ADC 的一般原理 对于单极性的模拟量，小数点在最高位前，即要求输入Usr 必须小于UR。D可表示为：式中 B1 为其最高位，Bn 为最低位，BlBn 均为二进制码，其值只能是“1或“0。因而，上式又可写为：第一章 微型机保护的硬件原理 四、模数转换器 由于编码电路的位数总是有限的，例如式15中有n 位，而实际的模拟量公式UsrUR 却可能为任意值，因而对连续的模拟量用有限长位数的二进制数表示时，不可防止地要舍去比最低位LSB更小的数，从而引入一定的误差。显然，单从数学的角度看，这种量化误差的绝对值最大不会超过和LSB 相当的值。因而模数转换编码的位数越多，即数值分得越细，所引入的量化误差就越小，或称分辨率就越高。量化误差为：第一章 微型机保护的硬件原理 四、模数转换器二数模转换器DAC 或D/A 转换器 由于逐次逼近式模数转换器一般要用到数模转换器，同时，继电保护测试仪中，也广泛将D/A 数模转换器应用于模拟量输出的控制，因此，先介绍一下D/A 数模转换器。第一章 微型机保护的硬件原理 四、模数转换器三逐次逼近法模数转换器的根本原理四A/D 转换器举例 第一章 微型机保护的硬件原理 四、模数转换器五模数转换器件与微型机的接口 第一章 微型机保护的硬件原理 四、模数转换器五模数转换器件与微型机的接口 第一章 微型机保护的硬件原理 四、模数转换器五模数转换器件与微型机的接口 第一章 微型机保护的硬件原理 四、模数转换器五模数转换器件与微型机的接口 第一章 微型机保护的硬件原理 四、模数转换器五模数转换器件与微型机的接口 第一章 微型机保护的硬件原理 五、VFC 型数据采集系统 电压频率转换器 VFCVoltage Frequency Converter 第一章 微型机保护的硬件原理 13 开关量输入及输出回路一、光电耦合器 以光信号为媒介的电信号变换的器件称为光电耦合器。(把发光器件和光敏器件按照适当的方式组合)光电耦合器一般制成管式或双列直插式结构，有利于耐压和绝缘。发光器件和光敏器件被相互绝缘地分别设置在输入和输出两侧回路，故可以实现两侧电路之间的电气隔离。光电耦合器既可以用来传递模拟信号，也可以作为开关器件使用。第一章 微型机保护的硬件原理 13 开关量输入及输出回路一、光电耦合器 在弱电工作的电路中，具备了隔离变压器的信号传递和隔离功能，也具备继电器的控制功能。与隔离变压器相比，光电耦合器的工作频率范围宽，体积小，耦合电容小，输入输出之间的绝缘电阻高，并能实现信号的单方向传递。光电耦合器分类：1光隔离器；2光传感器，主要用于测量物体的有无、个数和移动的距离等；3光敏元件集成的功能块，此类器件主要是将光隔离器与逻辑功能组合在一起，如光隔离器与反相器的组合等。第一章 微型机保护的硬件原理 13 开关量输入及输出回路一、光电耦合器 光隔离器是将发光器件和光敏器件组成一对耦合器件，设置于同一个芯片内，用以完成电信号的耦合和传递，并到达两侧信号在电气上隔离、绝缘的目的。第一章 微型机保护的硬件原理 13 开关量输入及输出回路一、光电耦合器 输入特性就是光器件常用GaAs 发光二极管的特性，输出特性取决于输出侧的器件。应用于逻辑电平控制时，主要采用了两种工作方式：1当发光二极管侧通过的电流较小时，产生的光电流较小，光敏器件侧处于截止状态；2当发光二极管侧通过的电流较大时，产生的光电流较大，光敏器件侧处于导通状态。第一章 微型机保护的硬件原理 13 开关量输入及输出回路二、开关量输入回路 开关量输入 DI接点状态，主要用于识别运行方式、运行条件等，以便控制程序的流程。如重合闸方式、同期方式、收讯状态和定值区号等。1装在装置面板上的接点。主要是指用于人机对话的键盘以及局部切换装置工作方式用的转换开关等。2从装置外部经过端子排引入装置的接点。第一章 微型机保护的硬件原理 第一章 微型机保护的硬件原理 13 开关量输入及输出回路三、开关量输出回路 开关量输出 DO：主要包括保护的跳闸出口、本地和中央信号以及通信接口、打印机接口等。一对于保护的跳闸出口、本地和中央信号等，一般都采用并行接口的输出口来控制有接点继电器干簧或密封小中间继电器的方法。为了进一步提高抗干扰能力，最好也经过一级光电隔离。第一章 微型机保护的硬件原理 13 开关量输入及输出回路 三、开关量输出回路 第一章 微型机保护的硬件原理 第一章 微型机保护的硬件原理 第第1 1章章 微机保护的硬件原理微机保护的硬件原理 第一章 微型机保护的硬件原理 1.1 1.1 概述概述微机继电保护装置的硬件包括以下五个局部：微机继电保护装置的硬件包括以下五个局部：数据采集系统或称模拟量输入系统：包括电压形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、多路开关及模数转换。成、采样保持、多路开关及模数转换。CPUCPU或微处理器主系统：包括微处理器、程序存或微处理器主系统：包括微处理器、程序存储器储器ROMROM、数据存储器、数据存储器RAMRAM、定时器、并串、定时器、并串接口等。接口等。开关量输入输出系统：并行接口、光电耦合器及中间开关量输入输出系统：并行接口、光电耦合器及中间继电器等组成。完成各种保护的出口跳闸、信号警继电器等组成。完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入等功能报、外部接点输入等功能 。人机接口与通信系统：由液晶显示器、键盘、打印机人机接口与通信系统：由液晶显示器、键盘、打印机及通信芯片等组成。完成装置调试、系统状态显示、及通信芯片等组成。完成装置调试、系统状态显示、定值整定及实现与其他设备通信等功能。定值整定及实现与其他设备通信等功能。电源系统：提供整个装置所需要的直流稳压电源。电源系统：提供整个装置所需要的直流稳压电源。图图1 11 1 示出了微机继电保护装置硬件系统结构框图示出了微机继电保护装置硬件系统结构框图 第一章 微型机保护的硬件原理 图11微机继电保护装置硬件系统结构框图 第一章 微型机保护的硬件原理 1.2 1.2 比较式数据采集系统比较式数据采集系统 数据采集系统的作用：为模数转换AD做准备、转换模拟量为数字量数据采集系统的特点：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那么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 微型机保护的硬件原理 1.2 1.2 比较式数据采集系统比较式数据采集系统 微机保护装置中的数据采集系统按模数转换器的类型分为：采用逐次逼近式模数转换的比较式数据采集系统，采用VF变换器VFC实现数据转换的压频转换式数据采集系统。本节将介绍比较式数据采集系统 第一章 微型机保护的硬件原理 1.2.1 1.2.1 电压形成回路电压形成回路 要求要求继电保护所使用的电压、电流都是来自继电保护所使用的电压、电流都是来自于电压互感器于电压互感器100100伏、线间电压和伏、线间电压和电流互感器额定电流电流互感器额定电流5 5安或安或1 1安，短安，短路电流路电流100100安安把把100100伏左右的电压变换为适合伏左右的电压变换为适合ADAD转换需转换需要的正负要的正负2.52.5伏、正负伏、正负5 5伏、正负伏、正负1010伏伏的电压；的电压；把小于把小于1 1安安100100安的电流变换为适合安的电流变换为适合ADAD转换需要的正负转换需要的正负2.52.5伏、正负伏、正负5 5伏、正伏、正负负1010伏的电压伏的电压隔离和屏蔽作用，以减小高压设备对微隔离和屏蔽作用，以减小高压设备对微机保护装置的干扰。机保护装置的干扰。第一章 微型机保护的硬件原理 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。第一章 微型机保护的硬件原理 为了保证电压或电流变换的准确性，通常在设计变换器时，应考虑满足以下原那么：1电压变换器之间、电流变换器之间以及电压变换器与电流变换器之间的原副方相位移要一致。2 变换器的铁芯磁导率要选取适当，在整个工作范围内保持线性传变，输入小信号时不失真，输入大信号时不饱和。3 变换器本身的损耗要小，使变换器在传变过程中一次、二次侧电量的相角差尽可能的小。第一章 微型机保护的硬件原理 在设计电流变换器应考虑以下几点：1 优先保证在输出为最小工作电流时，对应AD变换的结果应具有足够的分辨能力；2 保证在可能出现的最大短路电流条件下，电流变换器输出的电压不应使AD变换出现溢出，从而防止造成数字量紊乱；3 适中选择电流变换器二次侧负载，使电流变换器在一次侧出现最大短路电流时不至于出现饱和现象。第一章 微型机保护的硬件原理 1.2.2 1.2.2 前置模拟低通滤波器前置模拟低通滤波器 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止频率通过的滤波器。路。低通滤波器是只让低于截止频率通过的滤波器。前置模拟低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于各种消费、前置模拟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，滤除高于控制电路中的采样电路前，滤除高于2 2倍采样频率的信号，因此截至频率倍采样频率的信号，因此截至频率被设置为被设置为1/2fs1/2fs。低通滤波器可以采用有源的、也可以采用无源的。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。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！制接近工频分量的谐波信息混进来！第一章 微型机保护的硬件原理 1.无源低通滤波器 在微机保护中常采用的一种二阶RC滤波器如图1-3所示。其传递函数为：第一章 微型机保护的硬件原理 2.有源低通滤波器 有源低通滤波器的设计就是通过选择不同的传递函数去逼近理想低通特性。可用的逼近函数有：Butterworth最平幅度特性Cheybyshev等波汶特性Bessel最平延迟特性当前模拟滤波器的设计较为成熟，有大量的设计成果及专用集成电路如MAX系列可供选择，详细内容可参考相关资料。第一章 微型机保护的硬件原理 1.1.采样保持采样保持S/H,Sampling and HoldingS/H,Sampling and Holding电路根本原理电路根本原理 采样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为在时间上离散的采样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为在时间上离散的模拟量。模拟量。采样过程是将模拟信号首先通过采样保持器，每隔采样过程是将模拟信号首先通过采样保持器，每隔TsTs采样一次采样一次定时采样输入信号的即时幅度，并把它存放在保持电路里，供定时采样输入信号的即时幅度，并把它存放在保持电路里，供A/DA/D换器使用。换器使用。1.2.3 采样保持电路 第一章 微型机保护的硬件原理 组成：它由电子模拟开关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翻开后保持该电压。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。采样电路的工作原理 第一章 微型机保护的硬件原理 图16 采样保持过程 第一章 微型机保护的硬件原理 2.采样方式 1单一通道的采样方式 1)异步采样。异步采样也称定时采样。等间隔采样周期 永远保持固定不变，即 为常数。微机继电保护中的采样频率通常取为电力系统工频的整数倍N，但电力系统运行中，基频可能发生变化而偏离工频，故障状态下偏离甚至很严重。这时采样频率相对于基频不再是整数倍关系，因此这种采样方式会给许多算法带来误差，微机保护中已经不再使用这种方式。2)同步采样。同步采样的主要方式为同步跟踪采样。跟踪采样的采样周期 不再恒定，而是使采样频率 跟踪系统基频 的变化，始终保持 (不变整数)。为了实现这一目的，通常是通过硬件或软件测取基频的变化，然后动态调整采样周期来实现。第一章 微型机保护的硬件原理 2多通道间的采样方式 1同时采样 图1-7 同时采样电路结构原理图a)同时采样，同时AD转换b)同时采样，依次AD转换 第一章 微型机保护的硬件原理 2顺序采样在每一个采样周期内，对上一个通道完成采样及AD转换后，再开始对下一个通道进行采样及转换的方式叫顺序采样.第一章 微型机保护的硬件原理 2.采样频率的选择 采样频率的选择必须满足采样定理的要求，即采样频率必须大于原始信号中最高频率的二倍，否那么将造成频率混叠，采样后的信号不能真实代表原始信号。采样频率的高限受到CPU的速度、被采集的模拟信号的路数、AD转换后的数据与存储器的数据传送方式的制约。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600Hz1.667毫秒、1kHz1毫秒、1.8kHz0.55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。第一章 微型机保护的硬件原理 继电保护需要多的模拟量模数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模数转换器去转换。不同的模拟量通过“分时方式完成模数转换过程。1.2.4 模拟量多路转换开关 第一章 微型机保护的硬件原理 1.2.4 模拟量多路转换开关组成：包括选择接通路数的二进制译码电路和多路电子开关。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待转换的哪一路模拟量作用常用的多路开关有常用的多路开关有8 8通道的通道的AD7501AD7501、CD4501CD4501，1616通道的通道的AD7506AD7506等。等。以以1616路多路转换开关例路多路转换开关例A0A0A3A3是路数选择线是路数选择线接接CPUCPU，控制哪一路选通，控制哪一路选通A1A1A16A16是模拟量入是模拟量入AS1AS1AS16AS16是电子开关是电子开关EnEn是始能端是始能端 第一章 微型机保护的硬件原理 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。它将输入的模拟量相对于模拟参考量模拟基准量进行比较，经过译码电路转换成数字量输出。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.1.2.5 模数转换器 第一章 微型机保护的硬件原理 模数转换器的一般原理模数转换器的一般原理 将输入的模拟量将输入的模拟量U U相对于模拟参考量相对于模拟参考量U UR R经编码电路转换成数字量经编码电路转换成数字量D D输出输出 D D可以表示为可以表示为 B1B1BnBn均为二进制码。均为二进制码。第一章 微型机保护的硬件原理 模数转制器的主要技术指标有：1.分辨率。模数转换时，模数转换器对模拟量的区分能力称为分辨率。分辨率通常用二进制数字量的位数来表示。它说明了模数转换器能对其满量的变化量作出反响。例如12位的模数转换器的满量程为10V，那么有V，如果输入电压的变化量低于0.0024V，那么模数转换器将无法分辨。2.输入模拟量的极性。指模数转换器要求输入的信号是单极性还是双极性的电压。3.量程。指模数转换器输入模拟电压转换的范围，如0+5V，0+10V，-5V+5V等。4.精度。模数转换器的转换精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。通常用数字量的位数来表示绝对精度单位，如精度是最低位的1/2位即1/2LSB；而用百分比来表示满量程的相对误差，如0.05%。5.转换时间与速率。指模数转换器完成一次将模拟量转换为数字量的过程所需要的时间。第一章 微型机保护的硬件原理 微机保护中较常用的AD转换器芯片:MAX125,ADS8364，AD7656 等ADS8364框图 第一章 微型机保护的硬件原理 ADS 8364主要特性:16路全差分输入通道。26个模拟输入端都有一个ADCs保持信号，可实现所有通道的同步采样与转换。3每个通道都有独立的16位ADC，确保无误差的14位转换精度。4同步运行下250kHz的最大采样速度，5OkHz的采样频率下共模抑制比80dB，确保在高噪声环境下的高速可靠运行。5并行数据接口。6模拟与数字逻辑电源均采用单+5V电压供电，而数字接口缓冲电源采用35V，可灵活地与各种电压类型的DSP器件进行接口设计。第一章 微型机保护的硬件原理 微机保护对模数转换器的要求微机保护对模数转换器的要求转换时间转换时间精度要求精度要求微机保护要承受微机保护要承受100A电流，还要正确分辨电流，还要正确分辨10额定电流额定电流精工电流精工电流0.5安培。安培。12位位AD可以满足要求。如采用可以满足要求。如采用16位更好位更好 第一章 微型机保护的硬件原理 1.3 1.3 压频转换式压频转换式VFCVFC数据采集系统数据采集系统VFC-Voltage Frequency Converter,VFC-Voltage Frequency Converter,电压频率转换器电压频率转换器经电压形成回路后，经过经电压形成回路后，经过VFCVFC，将模拟电压变换为脉冲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。就与采样对象的积分值成比例。实现了模数转换。第一章 微型机保护的硬件原理 1.3.1 VFC模数转换根本原理模数转换根本原理 采用电荷平衡原理的VFC模数转换电路如图1-10所示，主要包括输入运算放大器A1、过零检测器A2、受控高精度的单稳触发器和输出驱动电路。第一章 微型机保护的硬件原理 图中运放A1、R、C组成一个积分器，运放A2为过零电压比较器。开关S受单稳态触发器输出控制。当单稳在稳态期间，S翻开；当单稳在暂稳态期间，S闭合。单稳的输出经三极管放大后为脉冲信号输出。整个电路可视为一个振荡频率受输入电压控制的多谐振荡器。第一章 微型机保护的硬件原理 电荷平衡式VFC模数转换波形：设脉冲信号的周期为T，其中低脉冲的宽度为t0，根据电荷平衡原理有如下关系:第一章 微型机保护的硬件原理 输出脉冲信号的频率与输入电压的瞬时值成正比。而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。例如AD654芯片的最高转换频率为500kHz。最高转换频率与输入回路等效电阻和CT的关系如下:第一章 微型机保护的硬件原理 1.3.2 常用常用VFC芯片简介芯片简介 1AD654芯片 AD654是美国模拟器件公司生产的一种低本钱，8脚封装的电压频率(V/F)转换器。它由低漂移输入放大器、精密振荡器系统和输出驱动级组成，使用时只需一个RC网络，即可构成应用电路。其管脚及内部电路如图1-12所示。第一章 微型机保护的硬件原理 AD654芯片主要参数如下：电源电压(Vs)：单端536V；双端(5V 18V)；满刻度输出频率：500kHz；模拟信号输入方式：负端电流输入方式，正或负端电压输入方式；模拟电压信号输入范围：单端供电方式时，0V(+US-4V)；双端供电方式时，-Us(+Us-4V)；最大输入电流：1mA；输入阻抗：250M输出方式及负载能力：开路集电极输出，可驱动12个TTL负载；输出频率与输入电压关系：第一章 微型机保护的硬件原理 2VFCll0芯片 VFCll0电压频率变换芯片是第三代VFC芯片。采用电荷平衡原理实现电压到频率的转换。对10V的输入满刻度输出频率为4MHz。第一章 微型机保护的硬件原理 3.由VFC芯片构成的数据采集系统电路变换器：输入为电压互感器的二次电压或电流互感器的二次电流。浪涌吸收器：由RC网络构成，可吸收高频干扰信号。电压频率变换器：由电荷平衡式VFC芯片实现电压到频率的转化。将模拟信号变为数字信号。光电隔离器；由光电隔离芯片实现模拟系统与数字系统的隔离，具有抗干扰的作用。计数器：由可编程的计数器芯片构成。通常为16值计数器如82C53，82C54等。第一章 微型机保护的硬件原理 由由VFCll0VFCll0芯片构成的数据采集系统电路芯片构成的数据采集系统电路 第一章 微型机保护的硬件原理 逐次逼近式模数转换和压频转换式两种模数转换方逐次逼近式模数转换和压频转换式两种模数转换方式的分析式的分析 1采用逐次逼近A/D芯片构成的数据采集系统经A/D转换的结果可直接用于微机保护中的数字运算，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。2A/D芯片构成的数据采集系统的分辨率决定于A/D芯片的位数。位数越高，分辨率也越高。但硬件一经选定那么分辨率便固定。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。第一章 微型机保护的硬件原理 3A/D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。4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A/D式数据采集系统不便于数据共享和光电隔离。5在设计微机保护系统时，采用A/D式数据采集系统时，至少应设有两个中断，一个是采样中断，另一个是A/D转换结束中断。对于多个模拟信号公用一片A/D芯片时，应考虑数据处理占用采样中断的时间。而VFC式数据采集系统中可只设一个采样中断(不考虑其他功能时)，软件在采样中断中的任务是锁存计数器，并读计数器的值后存到循环存储区。第一章 微型机保护的硬件原理 1.4 微机继电保护装置的微机继电保护装置的CPU主系统主系统 CPU主系统是微机继电保护装置的核心局部，包括中央处理器单元CPU、只读存储器一般用EPROM、随机存取存储器RAM 以及定时器等。中央处理器单元CPU的不同结构，可以分为以下几种形式：第一章 微型机保护的硬件原理 1单CPU结构 单CPU结构是指整套微机保护装置共用一个单片微机，无论是数据采集、数据处理、开关量输入输出及人机接口等均由一个单片微机控制。1984 年我国研制的第一套微机保护装置，就是采用6809单CPU 系统。广泛采用插件式结构 第一章 微型机保护的硬件原理 2多CPU结构 多CPU结构方式就是在一套微机保护装置中，按功能配置多个CPU模块，分别完成不同保护原理的主保护和后备保护及人机接口等功能。第一章 微型机保护的硬件原理 3DSP结构 近年来许多厂家采用DSP及灵活的现场总线技术，构成简洁高性能的数据采集和处理系统，完成变电站的保护、测量、控制、信号、故障录波、谐波分析、电度采集、小电流接地选线和低周减载等功能 第一章 微型机保护的硬件原理 4ARM+DSP结构 采用ARM+DSP 的双CPU 系统中，ARM 处理器作为主CPU 主要用于与变电站级的通信以太网接口。DSP 利用自身运算速度快擅长数字信号处理的优点进行数据采集、计算、逻辑判断，有效地保证了微机保护的选择性、速动性、可靠性，并在发生故障时进行录波，记录故障下的数据以供分析。第一章 微型机保护的硬件原理 WXH820系列微机保护硬件电路板 第一章 微型机保护的硬件原理 1.5 开关量的输入和输出电路开关量的输入和输出电路1.5.1 1.5.1 开关量输入电路开关量输入电路 微机保护装置中开关量输入电路主要包括断路器和隔离开关的辅助接点、保护投退压板、重合闸方式选择开关的接点、操作箱中手合继电器接点以及变压器保护中的瓦斯保护的接点、油温高保护的接点等外部开关接点的输入电路，还包括微机保护面板上的切换开关、按钮、键盘等内部开关接点。第一章 微型机保护的硬件原理 1.5.2 开关量输出电路开关量输出电路在微机保护装置中设有开关量输出电路，用于驱动各种继电器。例如跳闸出口继电器、重合闸出口继电器、装置故障告警继电器等。第一章 微型机保护的硬件原理 具有自检能力的开关量输出电路原理图 第一章 微型机保护的硬件原理 WXH820系列微机保护开关量输出电路板 第一章 微型机保护的硬件原理 1.6 人机接口电路及其他电路人机接口电路及其他电路 1.键盘输入电路1键盘输入的接口要求如下:1按键开关状态的可靠输入 2按键编码 3键盘检测功能 2键盘输入电路 1独立式按键电路 2)行列式按键电路 第一章 微型机保护的硬件原理 图1-24 a)行列式按键电路 第一章 微型机保护的硬件原理 图1-24 b)独立式键盘电路 第一章 微型机保护的硬件原理 2液晶显示 液晶显示器是一种极低功耗的显示器件。液晶显示器的结构如图1-25a所示。在上、下玻璃电极之间封入向列型液晶材料，液晶分子平行排列，上下扭曲90，外部入射光线通过上偏振片后形成偏振光，该偏振光通过平行排列的液晶材料后被旋转90，再通过与上偏振光垂直的下偏振片被反射板反射回来，呈透明状态。当上下电极加上一定的电压后，电极局部的液晶分子转成垂直排列，失去旋光性，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光无法通过下偏振片返回，因而呈黑色。根据需要，将电极做成点阵、数字、图形，就可以获得各种状态显示。第一章 微型机保护的硬件原理 OCMJ型中文液晶模块与单片机89C52的接口电路图 第一章 微型机保护的硬件原理 SR-100系列线路综合保护的显示及键盘 第一章 微型机保护的硬件原理 3通信单元1保护CPU之间的串行通信 2与系统机的串行通信 第一章 微型机保护的硬件原理 4电源当前保护装置电源插件一般均采用逆变开关电源，它提供多组稳压电源。如：+5V用于CPU主板电源 15V用于扩展芯片电源 一组24V用于开出继电器电源 一组24V用于开入电源