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1、第一章 微机保护的硬件原理,西安理工大学水利水电学院 梁振锋 (),1-1概述,1-1概述,数据采集系统（或称为模拟量输入系统）： 由电压形成、模拟低通滤波（LPF）、采样/保持 （S/H）、多路转换开关（MPX）及模数转换器 （ADC）等组成。,作用：完成将模拟输入量准确地转换为微型机能 够识别的数字量。,1-1概述,微型机主系统： 由微处理器（MPU）、只读存储器（ROM）或 闪存内存单元（FLASH）、随机存取存储器（R AM）、定时器、并行接口以及串行接口等组成。,作用：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
2、。,1-1概述,存储器： EPROM（紫外线擦除可编程只读存储器）：可靠性较高，存储运行程序和一些固定不变的数据； EEPROM（电擦除可编程只读存储器）：可以在运行时在线该写，而且掉电后又可以保证内容不丢失，通常用来保存整定值； SRAM（静态随机存储器）：保存程序运行过程中需要临时暂存的数据； FLASH（快擦写存储器）和NVRAM（非易失性随机存储器）：都是近几年来发展起来的非易失性存储器，由于它们具有掉电后数据不丢失，而且读写简单方便等优势，通常用来保存故障数据，以便事故后分析。,1-1概述,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
3、点的中间继电器等组成。,作用：完成各种保护的出口跳闸、信号、外部触 点输入、人机对话及通信等功能。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,微机保护模拟量的设置应以满足保护功能为基本 准则。,一电压形成回路,如：高压线路保护 功能：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、零序保护和重合闸功 能。 模拟量：三相电流、零序电流、三相电压、断路 器另一侧电压，共8个模拟量。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,微机保护模拟量的设置应以满足保护功能为基本 准则。,一电压形成回路,如：三绕组变压器的差动保护 功能：差动保护。 模拟量：三侧的三相电流，共9个模拟量。,1-2数据采集系
4、统（模拟量输入系统）,电压互感器二次侧额定电压：100V电流互感器二次侧额定电流：1A或5A。,一电压形成回路,微机保护中，模数转换器输入信号的范围：5V 或10V。,中间变换器,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,交流电压信号交流电流信号,中间变换器,电压变换器,电抗变换器或电流变换器,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,电抗变换器：具有阻止直流、放大高频分量的作用；线性范围较大，铁芯不易饱和，有移相作用。,电抗变换器和电流变换器,电流变换器：只要铁芯不饱和，则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。在非周期分量的作用下易饱和，线性度差，动态范围也较小。,
5、1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,电流变换器,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,在设计时，相关参数应满足下列条件,电抗变换器和电流变换器,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（一）采样保持电路的作用及原理,二采样保持电路和模拟低通滤波器,采样保持电路（S/H电路；SampleHold电路） 作用：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。（可以方便地对多个模拟量 实现同时采样）。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（一）采样保持电路的作用及原理,电子模拟开关,保持电容,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（一）采样保持电
6、路的作用及原理,采样状态：逻辑输入为高电平，AS闭合；保持电 容迅速充电或放电到输入电压在采样时刻的电压 值。,AS的闭合时间应满足是保持电容有足够的充电或 放电时间（即采样时间）。,阻抗变换器I：输入端呈现高阻抗，对输入回路 的影响小；输出阻抗很低，使充放电回路的时间 常数很小，保证保持电容上的电压能迅速跟踪到 在采用时刻的瞬时值。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（一）采样保持电路的作用及原理,保持状态：逻辑输入为低电平，AS打开。,阻抗变换器II：在保持电容侧呈现高阻抗，使保 持电容对应充放电回路的时间常数大；输出阻抗 很低，以增强带负载能力。,采样脉冲宽度,采样周期（采样间隔）,
7、理想采样： 采样脉冲宽度趋 向于0。,采样频率的选择： 硬件的速度问题（微机保护是实时系统，不能太高）； 保护原理和算法的要求； 频率混叠问题。,采样定理,模拟低通滤波器,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（二）采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用：,采样方式的选择： a单一通道的采样方式 （1）定时采样 等间隔采样：采样周期为常数。 缺点：基频偏离工频时，给算法带来误差。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,TS控制方式简单，保护中采用。,采样方式的选择： a单一通道的采样方式 （2）按电气角度等间隔采样：异步采样 跟踪采样； 定位采样。,TS不再恒定，fs随f1的变化而变化，保持fs
8、f1N。,不但保持fsf1N，而且采样点总位于基波中事先确定的固定位置上。定位依靠过零点。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,采样方式的选择： B多通道的采样方式 多通道采样就是在每一个TS内对多个通道的量全 部采样。按对各通道采样的相互关系可分为： 同时采样； 顺序采样； 分组同时采样。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,同时采样，同时AD转换,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,同时采样，依次AD转换,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,顺序采样：适合于采样及AD转换速度高，且同时性要求不高的场合。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,分组同时采样：会带来额外延时，但能大幅度
9、减少计算量和简化软件结构。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（三）模拟多路转换开关,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 可认为是一个编码电路。,模拟参考量（基准电压）。,一般为小于1的二进制数。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 对于单极性的模拟量。,最高位（MSB）。,最低位（LSB）。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 量化误差 数模转换编码的位数越多，即数值分得越细，所 引起的量化误差就越小（分辨率越高）。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,1
10、-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 1数模转换器（DAC或D/A转换器）,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 1数模转换器（DAC或D/A转换器）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 1数模转换器（DAC或D/A转换器） DAC的精度主要取决于 基准电压的精度和纹波的情况； 与电路的线路布置也有关。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 2逐次逼近法模数转换器的基本原理,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器
11、（ADC或A/D转换器） 二分搜索法,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 二分搜索法：是一种最快的逼近方法，n位转换 器只要比较n次即可，比较次数与输入模拟量大 小无关。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器）,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 3模数转换器与微型机的接口 接口：AD7665与微型机的并行接口、串行接口 和菊花链方式。 读取数据方式：查询方式或中断方式。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（A
12、DC或A/D转换器） 3模数转换器与微型机的接口 初始化程序中：PA口（PA0PA15）和PB7设置 为输入方式；将PB0PB5设置为输出方式，设 计定时器采样间隔和采样脉冲信号；将存数指针 （POINT）设置为等于采样值存储区的首地址。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 4微机保护对模数转换器的主要要求 主要指标： 转换时间； 数字输出的位数。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 转换时间；影响着模数转换的最高采样频率。 一方面： 另一方面：采样间隔时间还应考虑中断
13、服务程序 的执行时间。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 数字输出的位数；决定了量化误差的大小。 如：距离保护的测量元件（阻抗继电器）的精确工作电流。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（五）VFC型数据采集系统 VFC（Voltage Frequency Converter）工作原理：将模拟电压量变换为脉冲信号，该脉冲信号的频率与输入电压成正比，经快速光电耦合隔离后，由计数器对脉冲进行计数。微型机在采样间隔时间内读取的计数值就与输入模拟量在采样间隔时间内的积分成正比，达到了模数转换的目的。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,（一）VFC工
14、作原理,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,基准电压,零电压比较器（零点指示器）,输入电阻,运算放大器,（一）VFC工作原理 VFC器件对电路设计提出了一个要求：,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,1直流输入的工作原理 假设输入电压为正的直流电压。 （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，电子开关接到参考地的端子侧。 （2）当输入端刚施加了正的直流信号时,零点指示器的输出发生正跳变，触发单稳触发器，使之产生一个宽度固定为T0的脉冲。,（3）在T0信号期间，电子开关切换到负参考电压侧,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,1直流输入的工作原理 （3）在T0信
15、号期间，电子开关切换到负参考电压侧,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,1直流输入的工作原理 （4）在T0信号消失后，电子开关又切换到参考地的端子侧,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,1直流输入的工作原理,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,1直流输入的工作原理 在t2时刻，UC为0。,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,1直流输入的工作原理,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,VFC的转换系数,结论：VFC输出信号的频率f与输入电压成正比。,1直流输入的工作原理 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Ts有关。,1-2数据采集系统（模拟量输
16、入系统）,VFC型模数转换的输出值与输入电压的积分成正比。,2交流输入的工作原理,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,2交流输入的工作原理 允许输入信号为正负交变的电流量。（正偏置电流） 令,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,2交流输入的工作原理 允许输入信号为正负交变的电流量。（正偏置电流）,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,2交流输入的工作原理 交流信号的最大值要求：,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,2交流输入的工作原理 正弦信号,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,2交流输入的工作原理 （1）在0T0期间，模拟开关切换到负参考电压侧积分大于0,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,2交流输入的工作原理 （2）T0信号消失后，模拟开关切换到参考地,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,2交流输入的工作原理 （2）T0信号消失后，模拟开关切换到参考地,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,2交流输入的工作原理,1-2数据采集系统（模拟量输入系统）,2交流输入的工作原理 当 时，对应时刻仍设为T。,
