牵引供电系统微机保护系统原理的设计

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1、目录1. 毕业设计方案流程图 12. 微机保护 22.1微机保护装置的优越性 22.2微机保护装置存在的不足 22.3对微机保护装置的要求 23. 微机保护的硬件构成 43.1模拟量输入单元 43.2模拟量输出单元 83.3 保护 CPU 单元 113.4 人机接口与通讯接口 13总结 16参 考 文 献 171. 毕业设计方案流程图本设计题目为牵引供电系统微机保护系统原理的设计，文中首先对牵引供电系统微机保护系统进行了介绍，然后介绍了微机保护的硬件结构。如下图所示。2. 微机保护随着当前电子信息技术和互联网技术的不断发展和壮大，牵引供电系统的供电 保护系统功能逐渐得到完善并且突破传统电器保护

2、的基本形式，继电保护形式基于 微处理器逐渐显现，微机保护也可称为由微机微处理器和其他设备组成的继电保护。 2.1微机保护装置的优越性（1）灵活性强。（2）综合判断能力强。（3）性能稳定，可靠性高（4）微处理器的保护功能主要是借助微型计算机技术的存储功能，来实现并在逐 步提高其保护性能，以此来不断提高相关设备装置的灵敏性。（5）借助计算机的智能化，微机保护可以自动检查故障并对其进行诊断、锁定和 修复，这是传统继电保护装置不能实现的功能。（6）相对于传统继电保护装置来说危机保护装置的体积相对较小且其功能相对 齐全且具有智能化。（7）微机保护装置更加方便的可以和远程监控系统进行连接实现远程控制。2.

3、2微机保护装置存在的不足（1）传统继电保护装置的工作原理相对新型装置更为直观，容易掌握，而内部 复杂的微机保护硬件电路和软件原理只有专业设计人员才能了解；（2）微机保护虽然具有很高的可靠性，可一旦出现故障，只有专业人员才能维 护；（3）硬件更新换代快，容易过时；（4）由于微机保护是电子产品，更新换代较快，更增加用户掌握其原理的难度。2.3 对微机保护装置的要求（1）致使其保护工作不受到其他监控系统或其他系统的影响，正是由于这个微机 保护装置的选择性和快速性及其可靠性以及灵敏度等特点，要求相关保护系统软件 结构及其硬件结构要具备自身独立且完整的保护功能以此来实现对系统内部各个单 位的保护功能。(

4、2) 具有故障记录功能。一旦受保护对象出现意外事故时，保护系统就会自动进 行故障记录并对记录前后的故障信息进行统计和分析，其主要包括对短路电流以及 故障发生时间以及保护退出的时间等进行记录，以便于工作人员更加快速的分析故 障所在位置及其原因。(3) 微机保护装置还具有统一钟对时的功能，其可以帮助系统更加快速准确的对 故障发生动作以及保护动作的时间进行记录。(4) 存储多种保护整定值。(5) 通信功能。微机保护系统在与外界通信之前无法与高端系统保护装置进行通 信。(6) 故障自诊断、自闭锁和自恢复功能。各保护单元应具有完整的故障自诊断功 能，能查找内部故障，并且自动发出警报。3. 微机保护的硬件

5、构成目前微机保护装置通常采用 CPU 结构，一个相对复杂的保护装置可以使用多个CPU来实现保护功能以及测算功能和控制功能的，一个CPU完成人机接口和通信功 能。多个CPU微机保护装置的硬件构成如下图所示，其硬件构成主要包括下述四部 分内容：图 1 微机保护装置硬件构成示意图3.1模拟量输入单元数据采集模块（模拟量输入单元）的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模/ 数转换，用来与CPU互联，完成数据采集，实现对牵引变电站设备运行状态的监视、 测量和保护等功能。模拟量输入单元主要包括电压形成和模拟量低通滤波、采样保持和多路转换开 关以及模数转换等功能，在其实际转换过程中主要是借助于应用软件程序和外

6、围控 制电路的控制来实现的，完成模拟输入量转换给计算机识别的数字量。图 6 显示了 模拟量输入硬件设施的设计原理图。图 2 模拟量输入通道3.1.1 电压形成回路电压形成的回路又被称之为是隔离转换电路，其主要功能就是为了实现模拟输 入信号和电平之间的隔离及转换功能。100 V5A或也一慣侧 rV乡徹型机更艇器 (TV)图 3 电压形成回路综合性自动化装置主要从PT以及CT及相关的变换器二次侧来获取相关数据信 息，就要求互感器或变换器输出的量及二次数值范围与装置电路相适应，否则信号 会产生严重的失真。一般是采用中间继电器将由一次设备PT二次侧引来的电压进一 步降低，将一次设备CT二次侧引来的电流

7、变成交流电压。LPF和双向限幅电路按照 以下步骤将由中间变换器减少或转换后的电压转换为模数转换芯片的允许电压。微机保护装置从被对象的TA、TV或其他变换器上取得A、V等信息。但是，典 型的微型计算机电路不适用于互感器的二次值和输入范围，需要再次进行转换或降 低。运用中间变换器通常用于将变压器的输入信号转换为5v或土 10v范围内的电 压信号。电压变换器将交流电流信号变换成比例的电压信号。电压形成回路一个是起到电量变换的作用，另一个重要作用是将TA、TV的二次 回路与模数转换及微机系统完全隔高，提高抗于扰能力。3.1.2采样保持电路采样基本原理 采样保持电路的主要功能就是模拟输出量在该时刻瞬间值

8、能在相当短的时间内 测量，并在模数转换器进行转化期间保持输出量的不变。S/H电路的工作原理可以 用图4来说明，其主要是由AS和C两个阻抗变换器构成的，AS受到逻辑输入端电 h 平控制，该逻辑输入就是采样脉冲信号。当输入高电平时，AS自动闭合，电路采样，此时电容则会迅速充电或者是迅速 放点到U s r在采样时刻的电压值。每个Ts电子模拟开关AS将闭合一次，输入信 号采样。如果每次关闭开关的时间为Tc，则输出将是一系列重复周期为Ts,宽度为 Tc的脉冲。脉冲宽度是Tc，并且脉冲幅度在Tc内重复信号幅度，必须满足AS关 闭时间，以便C有充足的时间来充电或放置点数。即使采样的时间足够多但采样的 h 时

9、间越短越好。应用阻抗变换器的目的是在输入端呈现高阻抗，这对输入回路的影 响很小，输出阻抗非常低，导致电容充电和放电时间的回路时间常数很小，保证Ch 上的电压可以在采样时迅速的跟踪U s r。ITiU4图4 采样保持电路工作原理图及其采样保持过程示意图注：U s r输入电压U s c输出电压采样保持电路输出波形是阶梯电压波形当AS接通时，AS开路时刻的电压保持在电容器C上，并且电路处于保持状态。h为了提高保持的能力，电路中使用了另外一个阻抗器II,它在ch对应的充放电回路 的时间常数很大，而输入阻抗很低，以增强带负载能力。运算放大器构成了阻抗变 换器I和II。3.1.3模拟量滤波回路模拟量滤波回

10、路的功能是对电流和电压信号中的高频分量进行滤波（高频分量 在发生故障时通常超过2000Hz）,可以同时减少微机保护装置的采样频率，减小微 机保护装置的硬件要求。通常有两类的模拟滤波器，一类是由R、C等器件构成的无源滤波器，另一类是 由集成运算放大器和R、C等器件构成的有源滤波器。目前，大多数基于微处理器的保护原理反映了工作的频率。在这种情况下，为 了降低f s,高频分量可以在采样前通过LPF滤除，从而减少对硬件的要求。由于 数字过滤器的优点，通常不会要求图5中的LPF将所有的高频进行分量。为消除频 率混叠滤掉f s /2以上的分量，并避免工频周围混叠高频分量。低于f s/ 2的其 他暂态频率分

11、量可以通过数字滤波器滤除，实际上TA以及TV对高频分量有很大的 抑制作用，因此不需要对抗混叠LPF的频率特性有很高的要求。最简单的RC低通滤波器如下图所示。图5 RC低通滤波器在使用低通滤波器消除频率混叠的问题后，采样频率的大部分选择取决于保护 装置的原理和算法的要求，另外还要考虑到硬件的速度。3.1.4模数转换回路模拟信号和数字信号转换回路的主要功能是将模拟量信号转换成数字信号，根 据模数转换器的原理，模数转换器主要包括基于逐次逼近原理的模数转换器和基于 电压和频率转换的模数转换器。模数转换器有很多不同类型，从转换过程来分，可以将其分为两种类型，一个 是直接转化器；一个是间接转换器。在直接转

12、换器中输入模拟信号不需要其他中间选项就可以直接将其转换成相对应的数字信号并及时输出，在间接转换器中，输入模拟信号首先会将其转换成某种中间变量，然后将中间变量转换成数字，其相对较低的工作速度但其精准性和抗干扰性较高，其常常是在测试仅表中使用频率最多。图 6 模拟量输入硬件设施的设计原理图3.2 模拟量输出单元在综合性自动化系统中，电子计算的输出是以数字形式完成的，一些执行元件需要模拟电流或模拟电压，因此，需要一个模拟量输出通道来实现其电流和电压的输出。模拟量输出通道的功能是将数字量转换为模拟量输出以驱动模拟调节和执行 机构。模拟量输出通道包括接口电路，数据锁存器，数模转换器和放大驱动电路，模 拟

13、量输出主要包括数字-模拟量转换器来实现，由于该转换器在数字信号和模拟信号 之间的转换需要一定的时间，因此，在转换过程中要转换的数字量输入保持不变， 数据总线上微机系统数据的输出稳定时间相对较短，因此微机系统和转换器之间要 通过锁存器来实现数字量的稳定性。通过转换器获得的模拟信号经过LPF以其波形 更加平滑，另外驱动受控设备为了促使功率放大器通常用作模拟信号量输出的驱动 电路。模拟量输出通道组成框图如图所示。模拟量输出硬件设施的设计原理图如图9 所示。工业牛产过程D/A转换器0锁存器图7 模拟量输出通道结构框图3.2.1 D/A转换器电路及原理数/模转换器用于将数字数据转换为模拟信号，该转换功能

14、主要通过“按权展开，然后相加”的原理来实现，数字量是代码按照数位组合表示的，为了成功将数字信 号转换成模拟信号，每个代码根据其权大小将其转换成相对应的模拟信号，为了实 现从数字信号到模拟信号的转换，通过增加这些模拟量,可以获得与之相应数字量成 正比的总模拟量。这是构成D/A转换器的基本准则。数模转换器包含数据锁存器，数字微电子开关电路和解码网络，以及求和电路 和基准电路，数字量将串行方式和并行方式输入存于数据锁存器中，在其内部输入 密码来对相应的模拟电子开关进行控制，促使位权网络上产生正比的电流值，然后 通过权值求和，得到数字量对应的模拟量。图3-8 D/A转换器方框图在设计中，主要分析了倒T

15、形电阻网络转换器的转换原理。倒T形电阻网络转 换器的每个相互之间无传输时间差的支路电流直接进入运算放大器的输入端。因此， 转换速度就会不断提高，传输中出现的尖峰脉冲减少，另外当所有模拟开关状态满 足先通后断时，在其状态转换中流过各个支路的电流不发生改变，因此就不需要时 间建立电流，这也有助于提高电路的工作速度。基于上述分析原因，倒T型的电阻网络转换器是当前使用转换器中速度最快的一 种转换器也是应用频次最多的一种转换器。3.2.2锁存器锁存器是脉冲电平敏感的存储单元电路，其运行状态在特定输入脉冲电平之后 改变。锁存器暂时存储信号以保持一定的电平。锁存器使用电平控制数据的输入， 主要分为有无带使能两种类型，锁存器主要用于缓存，其次用于完成高速控制器和 慢速外部设施之间不相同步的问题，锁存器的另外的功能是解决驱动存在和解决一 个I/O 口可以同时执行输入和输出。在一些运算器电路中有时候会将锁存器作为其 数据暂存器。图 9 模拟量输出硬件设施设计原理图3.3保护 CPU 单元CPU 保护单元包含了微处理器以及只读存储器和内存单元以及随机存储器和定 时器以及并行接口和串行接口等多种不同装置，当 CPU 保护系统执行编程程序时， 首