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1、1.1第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.1第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 1.2第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.2本章讲述微机保护原理方面的基础知识，主要包括硬件原理、数据采集、本章讲述微机保护原理方面的基础知识，主要包括硬件原理、数据采集、数字滤波、特征量和保护动作判据的算法、软件流程、抗干扰措施及今后的发展数字滤波、特征量和保护动作判据的算法、软件流程、抗干扰措施及今后的发展趋势等方面的内容。趋势等方面的内容。1.3第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.3本章内容本章内容9.1概概述述9.2微机保护的硬件构成原
2、理微机保护的硬件构成原理9.3微机保护的特征量算法微机保护的特征量算法9.4微机保护装置的软件构成微机保护装置的软件构成9.5提高微机保护可靠性的措施提高微机保护可靠性的措施9.6微机保护技术发展趋势微机保护技术发展趋势思考题与习题思考题与习题1.4第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.49.1 概概 述述9.1.1计算机在继电保护领域中的应用和发展概况计算机在继电保护领域中的应用和发展概况近几十年来电子计算机技术发展很快，其应用已广泛而深入地影响着科学技近几十年来电子计算机技术发展很快，其应用已广泛而深入地影响着科学技术、生产和生活等各个领域，使各行业的面貌发生了巨大的变化，继电保护技
3、术术、生产和生活等各个领域，使各行业的面貌发生了巨大的变化，继电保护技术也不例外。在继电保护技术领域，除了用作故障分析和保护动作性能分析外，也不例外。在继电保护技术领域，除了用作故障分析和保护动作性能分析外，20世纪世纪60年代末期已提出用计算机构成保护装置的倡议。到了年代末期已提出用计算机构成保护装置的倡议。到了20世纪世纪70年代末期，年代末期，出现了一批功能足够强的微型计算机，价格也大幅度降低，因而无论在技术上还出现了一批功能足够强的微型计算机，价格也大幅度降低，因而无论在技术上还是经济上，已具备用一台微型计算机来完成一个电气设备保护功能的条件，从此是经济上，已具备用一台微型计算机来完成
4、一个电气设备保护功能的条件，从此掀起了新一代的继电保护掀起了新一代的继电保护微机保护的研究热潮。微机保护的研究热潮。微机保护是指将微型机、微控制器等器件作为核心部件构成的继电保护。国内在微机保护是指将微型机、微控制器等器件作为核心部件构成的继电保护。国内在微机保护方面的研究工作起步较晚，但进展却很快。微机保护方面的研究工作起步较晚，但进展却很快。1984年上半年，华北电力学年上半年，华北电力学院研制的第一套以院研制的第一套以6809(CPU)为基础的距离保护样机投入试运行。为基础的距离保护样机投入试运行。1984年底在华年底在华中工学院召开了我国第一次计算机继电保护学术会议，这标志着我国计算机
5、保护中工学院召开了我国第一次计算机继电保护学术会议，这标志着我国计算机保护的开发开始进入了重要的发展阶段。经过的开发开始进入了重要的发展阶段。经过10多年的研究、应用、推广与实践，现多年的研究、应用、推广与实践，现在新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。在新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。1.5第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.5自从微型机引入继电保护以来，微机保护在利用故障分量方面取得了长足自从微型机引入继电保护以来，微机保护在利用故障分量方面取得了长足的进步，另一方面，结合了自适应理论的自适应式微机保护也得到较大发展，的进步，另一方面，结合
6、了自适应理论的自适应式微机保护也得到较大发展，同时，计算机通信和网络技术的发展及其在系统中的广泛应用，使得变电站和同时，计算机通信和网络技术的发展及其在系统中的广泛应用，使得变电站和发电厂的集成控制、综合自动化更易实现。未来几年内，微机保护将朝着高可发电厂的集成控制、综合自动化更易实现。未来几年内，微机保护将朝着高可靠性、简便性、通用性、灵活性和网络化、智能化、模块化等方向发展，并可靠性、简便性、通用性、灵活性和网络化、智能化、模块化等方向发展，并可以与电子式互感器、光学互感器实现连接；同时，充分利用计算机的计算速度、以与电子式互感器、光学互感器实现连接；同时，充分利用计算机的计算速度、数据处
7、理能力、通信能力和硬件集成度不断提高等各方面的优势，结合模糊理数据处理能力、通信能力和硬件集成度不断提高等各方面的优势，结合模糊理论、自适应原理、行波原理、小波技术等，设计出性能更优良和维护工作量更论、自适应原理、行波原理、小波技术等，设计出性能更优良和维护工作量更少的微机保护设备。少的微机保护设备。9.1 概概 述述1.6第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.69.1.2微机继电保护装置特点微机继电保护装置特点1.调试维护方便调试维护方便在微机保护应用之前，整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，在微机保护应用之前，整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，原因是这类保护装置
8、都是布线逻辑的，保护的功能完全依赖硬件来实现。微机保原因是这类保护装置都是布线逻辑的，保护的功能完全依赖硬件来实现。微机保护则不同，除了硬件外，各种复杂的功能均由相应的软件护则不同，除了硬件外，各种复杂的功能均由相应的软件(程序程序)来实现。来实现。2.高可靠性高可靠性微机保护可对其硬件和软件连续自检，有极强的综合分析和判断能力。它能微机保护可对其硬件和软件连续自检，有极强的综合分析和判断能力。它能够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动；同时，软够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动；同时，软件也具有自检功能，对输入的数据进行校错和纠错，即自动地识别
9、和排除干扰，件也具有自检功能，对输入的数据进行校错和纠错，即自动地识别和排除干扰，因此可靠性很高。目前，国内设计与制造的微机保护均按照国际标准的电磁兼容因此可靠性很高。目前，国内设计与制造的微机保护均按照国际标准的电磁兼容试验试验(EMC，ElectromagneticCompatibility)来考核，进一步保证了装置的可靠性。来考核，进一步保证了装置的可靠性。3.易于获得附加功能易于获得附加功能常规保护装置的功能单一，仅限于保护功能，而微机保护装置除了提供常规常规保护装置的功能单一，仅限于保护功能，而微机保护装置除了提供常规保护功能外，还可以提供一些附加功能。例如，保护动作时间和各部分的动
10、作顺保护功能外，还可以提供一些附加功能。例如，保护动作时间和各部分的动作顺序记录，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，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还可以提供故障点的位置(测距测距)，这将有助于运行部门对事故的分析和处理。电，这将有助于运行部门对事故的分析和处理。电压互感器的二次是否发生断线等信息。压互感器的二次是否发生断线等信息。9.1 概概 述述1.7第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.74.灵活性灵活性由于微机保护的特性主要由软件决定，因此替换改变软件就可以改变保护的由于微机保护的特性主要由软
11、件决定，因此替换改变软件就可以改变保护的特性和功能，且软件可实现自适应性，依靠运行状态自动改变整定值和特性，从特性和功能，且软件可实现自适应性，依靠运行状态自动改变整定值和特性，从而可灵活地适应电力系统运行方式的变化。而可灵活地适应电力系统运行方式的变化。5.改善保护性能改善保护性能由于微型机的应用，可以采用一些新原理，解决一些常规保护难以解决的问由于微型机的应用，可以采用一些新原理，解决一些常规保护难以解决的问题。例如，利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障，对接地距离保护的允题。例如，利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障，对接地距离保护的允许过渡电阻的能力，大型变压器差动保护如何识别
12、励磁涌流和内部故障，采用自许过渡电阻的能力，大型变压器差动保护如何识别励磁涌流和内部故障，采用自适应原理改善保护的性能等。适应原理改善保护的性能等。6.简便化、网络化简便化、网络化微机保护装置本身消耗功率低，降低了对电流、电压互感器的要求，而正在微机保护装置本身消耗功率低，降低了对电流、电压互感器的要求，而正在研究的数字式电流、电压互感器更易于实现与微机保护的接口。同时，微机保护研究的数字式电流、电压互感器更易于实现与微机保护的接口。同时，微机保护具有完善的网络通信能力，可适应无人或少人值守的自动化变电站。具有完善的网络通信能力，可适应无人或少人值守的自动化变电站。9.1 概概 述述1.8第第
13、9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.89.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理9.2.1微机保护的硬件组成微机保护的硬件组成1.数据采集系统数据采集系统DAS(或模拟量输入系统或模拟量输入系统)数据采集系统包括电压形成、模拟滤波数据采集系统包括电压形成、模拟滤波(ALF)、采样保持、采样保持(S/H)、多路转换、多路转换(MPX)以及模拟转换以及模拟转换(A/D)等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为微型机所需的等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为微型机所需的数字量。数字量。2.微型机主系统微型机主系统(CPU)微型机主系统包括微处理器微型机主系统包括微处理器(MPU)、只读
14、存储器、只读存储器(ROM)或闪存内存单元或闪存内存单元(FLASH)、随机存取存储器、随机存取存储器(RAM)、定时器、并行接口以及串行接口等。微型机执行存放在、定时器、并行接口以及串行接口等。微型机执行存放在只读存储器中的程序，将数据采集系统输入至只读存储器中的程序，将数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理，区的原始数据进行分析处理，完成各种继电保护的功能。完成各种继电保护的功能。3.开关量开关量(或数字量或数字量)输入输入/输出系统输出系统开关量输入开关量输入/输出系统由微型机若干个并行接口适配器、光电隔离器件及有接输出系统由微型机若干个并行接口适配器、光电隔离器件及有接点的中
15、间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接点输入及点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接点输入及人机对话、通信等功能。人机对话、通信等功能。图图9.1为一种典型的微机保护硬件结构示意框图。为一种典型的微机保护硬件结构示意框图。1.9第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.9图图9.1微机保护硬件结构示意框图微机保护硬件结构示意框图9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.10第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.109.2.2数据采集系统数据采集系统1.电压形成回路电压形成回路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
16、互感器或其他变微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其他变压器上取得信息，但这些互感器的二次数值、输入范围对典型的微机保护电路却压器上取得信息，但这些互感器的二次数值、输入范围对典型的微机保护电路却不适用，需要降低和变换。在微机保护中，通常根据模数转换器输入范围的要求，不适用，需要降低和变换。在微机保护中，通常根据模数转换器输入范围的要求，将输入信号变换为将输入信号变换为5V或或10V范围内的电压信号。因此，一般采用中间变换器来范围内的电压信号。因此，一般采用中间变换器来实现以上的变换。交流电压信号可以采用小型中间变压器；而将交流电流信号变实现以上的变换。交流电压信号可以
17、采用小型中间变压器；而将交流电流信号变换为成比例的电压信号，可以采用电抗变换器或电流变换器。电抗变换器具有阻换为成比例的电压信号，可以采用电抗变换器或电流变换器。电抗变换器具有阻止直流、放大高频分量的作用，当一次存在非正弦电流时，其二次电压波形将发止直流、放大高频分量的作用，当一次存在非正弦电流时，其二次电压波形将发生严重的畸变，这是不希望的。其优点是线性范围较大，铁芯不易饱和，有移相生严重的畸变，这是不希望的。其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。电流变换作用；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。电流变换器
18、的优点是，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器的优点是，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，即它的传变信号可使原信息不失真。传变基本保持与一次电流波形相同且同相，即它的传变信号可使原信息不失真。传变信号不失真这点对微机保护是很重要的，因为只有在这种条件下作精确的运算或信号不失真这点对微机保护是很重要的，因为只有在这种条件下作精确的运算或定量的分析才是有意义的。至于移相、提取某一分量等，在微机保护中，根据实定量的分析才是有意义的。至于移相、提取某一分量等，在微机保护中，根据实际需要可以容易地通过软件来实现。但电流中间
19、变换器在非周期分量的作用下容际需要可以容易地通过软件来实现。但电流中间变换器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。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。9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.11第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.112.采样保持电路和模拟低通滤波器采样保持电路和模拟低通滤波器1)采样基本原理采样基本原理采样保持采样保持(Sample/Hold)电路，其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入电路，其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，并在模量在该时刻的瞬时值，并
20、在模/数转换器进行转换的期间内保持其输出不变。数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电路的工作原理可用图9.2(a)来说明，它由一个电子模拟开关来说明，它由一个电子模拟开关AS、保持电容器、保持电容器Ch以及两个阻抗变换器组成。模拟开关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，该逻辑输入就受逻辑输入端的电平控制，该逻辑输入就是采样脉冲信号。是采样脉冲信号。9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.12第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.12(a)采样保持电路工作原理图采样保持电路工作原理图(b)采样保持过程示意图采样保持过程示
21、意图图图9.2采样保持电路工作原理图及其采样保持过程示意图采样保持电路工作原理图及其采样保持过程示意图9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.13第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.13在输入为高电平时在输入为高电平时AS闭合，此时电路处于采样状态。电容闭合，此时电路处于采样状态。电容Ch迅速充电或放迅速充电或放电到电到usr在采样时刻的电压值。电子模拟开关在采样时刻的电压值。电子模拟开关AS每隔每隔TS(s)闭合一次，将输入信闭合一次，将输入信号接通，实现一次采样。如果开关每次闭合的时间为号接通，实现一次采样。如果开关每次闭合的时间为TC(s)，则输出将是一串重，则输
22、出将是一串重复周期为复周期为TS宽度为宽度为TC的脉冲，而脉冲的幅度则重复着的脉冲，而脉冲的幅度则重复着TC时间内的信号幅度。时间内的信号幅度。AS闭合时间应满足使闭合时间应满足使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。而应用阻抗变换器间越短越好。而应用阻抗变换器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上的电压能上的电压能迅速跟踪到在采样时刻的瞬时值迅速跟踪到
23、在采样时刻的瞬时值usr。电子模拟开关电子模拟开关AS打开时，电容器打开时，电容器Ch上保持住上保持住AS打开瞬间的电压，电路处于打开瞬间的电压，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，它在Ch侧呈侧呈现高阻抗，使现高阻抗，使Ch对应的充放电回路的时间常数很大，而输出阻抗对应的充放电回路的时间常数很大，而输出阻抗(usc侧侧)很低，很低，以增强带负载能力。阻抗变换器以增强带负载能力。阻抗变换器I和和可由运算放大器构成。可由运算放大器构成。采样保持的过程如图采样保持的过程如图9.2(b)所示。图所示。图9.2
24、(b)中，中，TC称为采样脉冲宽度，称为采样脉冲宽度，TS称为采称为采样间隔样间隔(或称采样周期或称采样周期)。等间隔的采样脉冲由微型机控制内部的定时器产生，如。等间隔的采样脉冲由微型机控制内部的定时器产生，如图图9.2(b)中的中的“采样脉冲采样脉冲”，用于对，用于对“信号信号”进行定时采样，从而得到反映输入进行定时采样，从而得到反映输入信号在采样时刻的信息，即图信号在采样时刻的信息，即图9.2(b)中的中的“采样信号采样信号”；随后，在一定时间内保；随后，在一定时间内保持采样信号处于不变的状态，如图持采样信号处于不变的状态，如图9.2(b)中的中的“采样和保持信号采样和保持信号”；因此，在
25、保；因此，在保持阶段，在任何时刻进行模数转换，其转换的结果都反映了采样时刻的信息。持阶段，在任何时刻进行模数转换，其转换的结果都反映了采样时刻的信息。9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.14第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.142)对采样保持电路的要求对采样保持电路的要求高质量的采样保持电路应满足以下几点：高质量的采样保持电路应满足以下几点：(1)电容电容Ch上的电压按一定的精度跟踪上上的电压按一定的精度跟踪上usr所需的最小采样宽度所需的最小采样宽度TC(或称为或称为截获时间截获时间)，对快速变化的信号采样时，要求，对快速变化的信号采样时，要求TC尽量短，以便可
26、用很窄的采样脉尽量短，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冲，这样才能更准确地反映某一时刻的usr值。值。(2)保持时间更长。通常用下降率保持时间更长。通常用下降率来表示保持能力。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。模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。3)采样频率的选择采样频率的选择采样间隔采样间隔Ts的倒数称为采样频率的倒数称为采样频率fs。采样频率的选择是微机保护硬件设计中。采样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关键问题，为此要综合考虑很多因素，并要从中作出权衡。采样频率越高，的一个关键问题，为此要综合考虑很多因素，并要
27、从中作出权衡。采样频率越高，要求要求CPU的运行速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样的运行速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样频率不断地向微型机输入数据，微型机必须要来得及在两个相邻采样间隔时间频率不断地向微型机输入数据，微型机必须要来得及在两个相邻采样间隔时间Ts内处理完对每一组采样值所必须做的各种操作和运算，否则内处理完对每一组采样值所必须做的各种操作和运算，否则CPU跟不上实时节拍跟不上实时节拍而无法工作。相反，采样频率过低，将不能真实地反映采样信号的情况。由采样而无法工作。相反，采样频率过低，将不能真实地反映采样信号的情况。由采样(香农香农)定理
28、可以证明，如果被采样信号中所含最高频率成分的频率为定理可以证明，如果被采样信号中所含最高频率成分的频率为fmax，则采，则采样频率样频率fs必须大于必须大于fmax的的2倍倍(即即fs2fmax)，否则将造成频率混叠。，否则将造成频率混叠。9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.15第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.15下面仅从概念上说明采样频率过低造成频率混叠的原因。设被采样信号下面仅从概念上说明采样频率过低造成频率混叠的原因。设被采样信号x(t)中含有的最高频率为中含有的最高频率为fmax，现将，现将x(t)中这一成分中这一成分xfmax(t)单独画在图单独画在图
29、9.3(a)中。中。从图从图9.3(b)可以看出，当可以看出，当fS=fmax时，采样所看到的为一直流成分；而从时，采样所看到的为一直流成分；而从9-3(c)看看出，当出，当fS略小于略小于fmax时，采样所得到的是一个差拍低频信号。也就是说，一个高时，采样所得到的是一个差拍低频信号。也就是说，一个高于于fS/2的频率成分在采样后将被错误地认为是一低频信号，或称高频信号的频率成分在采样后将被错误地认为是一低频信号，或称高频信号“混叠混叠”到了低频段。显然，在满足香农定理到了低频段。显然，在满足香农定理fS2fmax后，将不会出现这种混叠现象。后，将不会出现这种混叠现象。4)模拟低通滤波器的应用
30、模拟低通滤波器的应用对微机保护来说，在故障初瞬，电压、电流中含有相当高的频率分量对微机保护来说，在故障初瞬，电压、电流中含有相当高的频率分量(如如2kHz以上以上)，为防止混叠，为防止混叠，fs将不得不用得很高，从而对硬件速度提出过高的要将不得不用得很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上，目前大多数的微机保护原理都是反映工频量的，在这种情况下，求。但实际上，目前大多数的微机保护原理都是反映工频量的，在这种情况下，可以在采样前用一个低通模拟滤波器可以在采样前用一个低通模拟滤波器(LPF)将高频分量滤掉，这样就可以降低将高频分量滤掉，这样就可以降低fs，从而降低对硬件提出的要求。由于数字滤波
31、器有许多优点，因而通常并不要求图从而降低对硬件提出的要求。由于数字滤波器有许多优点，因而通常并不要求图9.1中的模拟低通滤波器滤掉所有的高频分量，而仅用它滤掉中的模拟低通滤波器滤掉所有的高频分量，而仅用它滤掉fs/2以上的分量，以以上的分量，以消除频率混叠，防止高频分量混叠到工频附近来。低于消除频率混叠，防止高频分量混叠到工频附近来。低于fs/2的其他暂态频率分量，的其他暂态频率分量，可以通过数字滤波器来滤除。实际上，电流互感器、电压互感器对高频分量可以通过数字滤波器来滤除。实际上，电流互感器、电压互感器对高频分量9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.16第第9 9章章 微机
32、继电保护微机继电保护1.16已有相当大的抑制作用，因而不必对抗混叠的模拟低通滤波器的频率特性提出很已有相当大的抑制作用，因而不必对抗混叠的模拟低通滤波器的频率特性提出很严格的要求，例如不一定要求很陡的过渡带，也不一定要求阻带有理想的衰耗特严格的要求，例如不一定要求很陡的过渡带，也不一定要求阻带有理想的衰耗特性，否则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。最简性，否则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。最简单的模拟低通滤波器如图单的模拟低通滤波器如图9.4所示。所示。(a)xfmax(t)波形波形(b)fS=fmax采样波形采样波形fSfmax9.2 微机
33、保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.17第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.17fSfmax(c)fSfmax采样波形采样波形图图9.3频率混叠示意图频率混叠示意图图图9.4RC低通滤波器低通滤波器9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.18第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.18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。保护的原理和算法的要求，同时还要考虑硬件的速度问题。3.多路转换开关多路转换开关多路转换开关又
34、称多路转换器，它是将多个采样保持后的信号逐一与多路转换开关又称多路转换器，它是将多个采样保持后的信号逐一与A/D芯芯片接通的控制电路。它一般有多个输入端，一个输出端和几个控制信号端。在实片接通的控制电路。它一般有多个输入端，一个输出端和几个控制信号端。在实际的数据采集系统中，被模数转换的模拟量可能是几路或十几路，利用多路开关际的数据采集系统中，被模数转换的模拟量可能是几路或十几路，利用多路开关(MUX)轮流切换各被测量与轮流切换各被测量与A/D转换电路的通路，达到分时转换的目的。在微机保转换电路的通路，达到分时转换的目的。在微机保护中，各个通道的模拟电压是在同一瞬间采样并保持记忆的，在保持期间
35、各路被护中，各个通道的模拟电压是在同一瞬间采样并保持记忆的，在保持期间各路被采样的模拟电压依次取出并进行模数转换，但微机所得到的仍可认为是同一时刻采样的模拟电压依次取出并进行模数转换，但微机所得到的仍可认为是同一时刻的信息的信息(忽略保持期间的极小衰减忽略保持期间的极小衰减)，这样按保护算法由微机计算得出正确结果。，这样按保护算法由微机计算得出正确结果。4.模数转换器模数转换器(A/D转换器，或简称转换器，或简称ADC)1)模数转换的一般原理模数转换的一般原理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
36、，因此必须采用模拟转换器将连续的模拟量转变为离散的数字量。拟量，因此必须采用模拟转换器将连续的模拟量转变为离散的数字量。9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.19第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.19模数转换器可以认为是一个编码电路。它将输入的模拟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相对于模拟参相对于模拟参考量考量UR经编码电路转换成数字量经编码电路转换成数字量D输出。一个理想的输出。一个理想的A/D转换器，其输出与输入转换器，其输出与输入的关系式的关系式(9-1)式中式中D一般为小于一般为小于1的二进制数；的二进制数；Usr输入信号；输入信号
37、；UR参考电压，也反映了模拟量的最大输入值。参考电压，也反映了模拟量的最大输入值。对于单极性的模拟量，小数点在最高位前，即要求输入对于单极性的模拟量，小数点在最高位前，即要求输入Usr必须小于必须小于UR。D可表示为可表示为D=B12-1+B22-2+Bn2-n(9-2)式中：式中：B1为其最高位，为其最高位，Bn为最低位。为最低位。B1Bn均为二进制码，其值为均为二进制码，其值为“1”或或“0”。因而，式。因而，式(9-1)又可写为又可写为UsrUR(B12-1+B22-2+Bn2-n)(9-3)式式(9-3)即为即为A/D转换器中，将模拟信号进行量化的表示式。转换器中，将模拟信号进行量化的
38、表示式。由于编码电路的位数总是有限的，如式由于编码电路的位数总是有限的，如式(9-3)中有中有n位，而实际的模拟量公式位，而实际的模拟量公式Usr/UR却可能为任意值，因而对连续的模拟量用有限长位数的而进制数表示时，却可能为任意值，因而对连续的模拟量用有限长位数的而进制数表示时，不可避免地要舍去比最低位不可避免地要舍去比最低位(LSB)更小的数，从而引入一定的误差。因而模数转换更小的数，从而引入一定的误差。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。高。9.2 微机保护的硬件构成原理
39、微机保护的硬件构成原理1.20第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.20模数转换器有模数转换器有V/F型、计数器式、双积分、逐次逼近方式等多种工作方式，型、计数器式、双积分、逐次逼近方式等多种工作方式，这里仅以逐次逼近方式为例，介绍这里仅以逐次逼近方式为例，介绍A/D模数转换器的工作原理。模数转换器的工作原理。2)数模转换器数模转换器(D/A转换器，或简称转换器，或简称DAC)由于逐次逼近式模数转换器一般要用到数模转换器。数模转换器的作用是将由于逐次逼近式模数转换器一般要用到数模转换器。数模转换器的作用是将数字量数字量D经解码电路变成模拟电压或电流输出。数字量是用代码按数位的权组合经解码
40、电路变成模拟电压或电流输出。数字量是用代码按数位的权组合起来表示的，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换成相应的模拟量，然后字量转换成模拟量，必须先将每一位代码按其权的值转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，即可得到与被转换数字量相当的模拟量，即完成了数将代表各位的模拟量相加，即可得到与被转换数字量相当的模拟量，即完成了数模转换。模转换。图图9.5为一个为一个4位数模转换器的原理图。位数模转换器的原理图。图图9.5中，电子开关中，电子开关K0K
41、3分别受输入分别受输入4位数字量位数字量B4B1。在某一位为。在某一位为“0”时，其对应开关合向右侧，即接地。而为时，其对应开关合向右侧，即接地。而为“1”时，开关合向左侧，即接至时，开关合向左侧，即接至运算放大器运算放大器A的反相输入端的反相输入端(虚地虚地)。流向运算放大器反相的总电流。流向运算放大器反相的总电流I反映了反映了4位位输入数字量的大小，它经过带负反馈电阻输入数字量的大小，它经过带负反馈电阻RF的运算放大器，变换成电压的运算放大器，变换成电压usc输出。输出。由于运算放大器由于运算放大器A的的“+”端接参考地，所以其负端为端接参考地，所以其负端为“虚地虚地”，这样运算放大器，这
42、样运算放大器A的反相输入端的电位实际上也是地电位，因此不论图的反相输入端的电位实际上也是地电位，因此不论图9.5中各开关合向哪一侧，中各开关合向哪一侧，对图对图9.5中电阻网络的电流分配是没有影响的。在中电阻网络的电流分配是没有影响的。在图图9.5中，电阻网络有一个特中，电阻网络有一个特点，从点，从-UR、a、b、c四点分别向右看，网络的等值阻抗都是四点分别向右看，网络的等值阻抗都是R，因而，因而a点电位必点电位必定是定是1/2UR，b点电位则为点电位则为1/4UR，c点为点为1/8UR。9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.21第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.2
43、1图图9.54位数模转换器原理图位数模转换器原理图9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.22第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.22与此相应，图与此相应，图9.5中各电流分别为中各电流分别为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，总电流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，总电流I必然正比于数字量必然正比于数字量D。式。式(9-2)已给出已给出由图由图9.5得得而输出电压为而输出电压为(9-4)可见，输出模拟电压正比于控制输入的数字量可见，输出模拟电压正比于控制输入的数字量D，比例常数为，比例常数为。如图如图9.5所示数模转换
44、器电路通常被集成在一块芯片上。由于采用激光技术，所示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集成电阻值可以作得相当精确，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的精度和纹波情况。基准电压的精度和纹波情况。9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.23第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.233)逐次逼近法模数转换器的基本原理逐次逼近法模数转换器的基本原理模数转换器绝大多数是应用逐次逼近法的原理来实现的，逐次逼近法是指模数转换器绝大多数是应用逐次逼近法的原理来实现的，逐次逼近法是指
45、数码设定方式是从最高位到低位逐次设定每位的数码是数码设定方式是从最高位到低位逐次设定每位的数码是“1”或或“0”，并逐位将，并逐位将所设定的数码转换为基准电压与待转换的电压相比较，从而确定各位数码应该是所设定的数码转换为基准电压与待转换的电压相比较，从而确定各位数码应该是“1”还是还是“0”。图。图9.6所示为一个应用微型机控制一片所示为一个应用微型机控制一片16位位D/A转换器和一个转换器和一个比较器，实现模数转换的基本原理比较器，实现模数转换的基本原理框图。框图。图图9.6的模数转换器工作原理如下：并行接口的的模数转换器工作原理如下：并行接口的B口口PB0PB15用作数字输用作数字输出，由
46、出，由CPU通过该口往通过该口往16位位D/A转换器试探性的送数。每送一个数，转换器试探性的送数。每送一个数，CPU通过读通过读取并行口的取并行口的PAO的状态的状态(“1”或或“0”)来试探试送的来试探试送的16位数相对于模拟输入量位数相对于模拟输入量是偏大还是偏小。如果偏大，即是偏大还是偏小。如果偏大，即D/A转换器的输出转换器的输出usc大于待转换的模拟输入电大于待转换的模拟输入电压，则比较器输出压，则比较器输出“0”，否则为，否则为“1”。如此通过软件不断地修正送往如此通过软件不断地修正送往D/A转换转换器的器的16位二进制数，直到找到最相近的值即为转换结果。位二进制数，直到找到最相近
47、的值即为转换结果。9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.24第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.24图图9.6模数转换器基本原理框图模数转换器基本原理框图9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.25第第9 9章章 微机继电保护微机继电保护1.259.2.3CPU主系统主系统微机保护的微机保护的CPU主系统包括中央处理器主系统包括中央处理器(CPU)、只读存储器、只读存储器EPROM、电擦、电擦除可编程只读存储器、随机存取存储器除可编程只读存储器、随机存取存储器RAM、定时器等。、定时器等。CPU主要执行控制及运算功能。主要执行控制及运算功能。EPROM
48、主要存储编写好的程序，包括监控、继电保护功能程序等。主要存储编写好的程序，包括监控、继电保护功能程序等。可存放保护定值，保护定值的设定或修改可通过面板上的小键盘来实现。可存放保护定值，保护定值的设定或修改可通过面板上的小键盘来实现。RAM是采样数据及运算过程中数据的暂存器。是采样数据及运算过程中数据的暂存器。定时器用来记数、产生采样脉冲和实时钟等。定时器用来记数、产生采样脉冲和实时钟等。而而CPU主系统中的小键盘、液晶显示器和打印机等常用设备用于实现人机对主系统中的小键盘、液晶显示器和打印机等常用设备用于实现人机对话。话。9.2 微机保护的硬件构成原理微机保护的硬件构成原理1.26第第9 9章
49、章 微机继电保护微机继电保护1.269.2.4开关量输入输出电路开关量输入输出电路1.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在微机保护装置中设有开关量输出(DO，简称开出，简称开出)电路，用于驱动各种继电电路，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。开关量器。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。开关量输出电路主要包括保护的跳闸出口、本地和中央信号及通信接口、打印机接口，输出电路主要包括保护的跳闸出口、本地和中央信号及通信接口、打印机接口，一般都采用并行接口的输出口来控制有接点继电器的方法，但为提高抗干扰能力，一
50、般都采用并行接口的输出口来控制有接点继电器的方法，但为提高抗干扰能力，最好经过一级光电隔离。设置多少路开关量应根据具体的保护装置考虑。一般情最好经过一级光电隔离。设置多少路开关量应根据具体的保护装置考虑。一般情况下，对输电线路保护装置，设置况下，对输电线路保护装置，设置616路开关量即可满足要求；对发电机变压路开关量即可满足要求；对发电机变压器组保护、母线保护装置，开关量输入器组保护、母线保护装置，开关量输入/输出电路数量比线路保护要多。具体情输出电路数量比线路保护要多。具体情况应按要求设计。况应按要求设计。开关量电路可分为两类：一类是开出电源受告警，启动继电器的接点闭锁开开关量电路可分为两类