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第1章 微机继电保护装置的硬件原理第1章微机继电保护装置的硬件原理1.1 微机继电保护装置硬件的基本结构微机继电保护装置的硬件包括以下五个部分：-数据采集系统（或称模拟量输入系翁）7b包括电压形成、采样保持、多路开关及模数转换。-CPU（或微处理器）主系统：包括微处理器、程序存储器（RO M）、数据存储器（RAM）、定时器、并串接口等。-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。-电源系统：提供整个装置所需要的直流稳压电源。图11示出了微机继电保护装置硬件系统结构框图第1章微机继电保护装置的硬件原理模拟量输入CRPTCR PTAD CEU图1 1微机继电保护装置硬件系统结构框图第1章微机继电保护装置的硬件原理1.2 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、转换模版量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B 适应继电保护特点要求I 模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则 WI 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1章微机继电保护装置的硬件原理1.2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:X.采用逐次逼近式模数转换的比较式数据采集系统，采用V/F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肯士必壮壮妻壮美蓑会理旧时第1章微机继电保护装置的硬件原理1.2.1 电压形成回路要求-继电保护所使用的电压、电流都是来自于电压互感器（100伏、线间电压）和电流互感器（额定电流5安或1安,短路电流100安）-把100伏左右的电压变换为适合AD转换需要的正负2.5伏、正负5伏、正负10伏的电压；-把小于1安100安的电流变换为适合AD转换需要的正负.2.5伏、正负5伏、正负10伏的电压-隔离和屏蔽作用，以减小高压设备对微机保护装置的干 扰。-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。1-电流变换器：用于电流一电流一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1章微机继电保护装置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，应考虑满足以下原则：(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。第1章微机继电保护装置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A/D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A/D变换出现溢出，从而避免造成数字量紊乱；(3)适当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1章微机继电保护装置的硬件原理1.2.2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 率信号的电路。低通滤波器是只让低于截止频率通过的滤波 奥/厅O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2倍采样频率 的信号，因此截至频率被设置为l/2fs。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）滤波器来限制接近工频分量的谐波信息混进来！第1章微机继电保护装置的硬件原理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3所示。其传递 函数为：图1-3二阶RC滤波器第1章微机继电保护装置的硬件原理2.有源低通滤波器 V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1章微机继电保护装置的硬件原理1.2.3采样保持电路1.采样保持(S/H,Sampling and Holding)电路基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 时间上离散的模拟量。采样过程是将模拟信号首先通过采样保持器，每隔 Ts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A/D换器使用。第1章微机继电保护装置的硬件原理采样电路的工作原理组成：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。XCh的作用是记忆AS闭合时刻的电压，并在AS打开后 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n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。阻抗变换器IAS阻抗变换器口逻辑输入第1章微机继电保护装置的硬件原理图1-6采样保持过程第1章微机继电保护装置的硬件原理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。等间隔采样周通永远保持 固定不变，即周为常数。微机继电保护中的采样频率通常取为电 力系统工频的陛倍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m的变化，始终保持皿变整数）。为了实现这一目的，通常盘过硬件 或软件测取基频的变化，然后动态调整采样周期来实现。第1章微机继电保护装置的硬件原理（2）多通道间的采样方式1）同时采样数据总线金河呆 持器n府泡呆JW1金河呆 持雅多路转换器持痴A/lM器 换b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1章微机继电保护装置的硬件原理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A/D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.多路转换器通道2通道n采样保持器第1章微机继电保护装置的硬件原理2.采样频率的选择A采样频率的选择必须满足采样定理的要求，艮咪样频率必须大于原始信号 中最高频率的二倍，否则将造成频率混叠，采样后的信号不能真实代表原始/士 口【百节。A采样频率的高限受到CPU的速度、被采集的模拟信号的路数、A/D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600Hz（1.667毫秒）、1kHz（1毫秒）、1.8kHz（0.55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1章微机继电保护装置的硬件原理1.2.4模拟量多路转换开关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。第1章微机继电保护装置的硬件原理1.2.4模拟量多路转换开鼠组成：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-一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1 待转换的哪一路模拟量作用常用的多路开关有8通道的AD7501、CD4 501,16通道的AD7506等。以16路多路转换开关例A0A3是路数选择线 接CPU,控制哪一路选通 A1A16是模拟量入 AS1AS16是电子开关 E n是始能端第1章微机继电保护装置的硬件原理1.2.5模数转换器、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.第1章微机继电保护装置的硬件原理模数转换器的一般原理将输入的模拟量u相对于模拟参考量UR经编码电路转换成数字量 D输出第1章微机继电保护装置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辨别能力称为分辨率。分 辨率通常用二进制数字量的位数来表示。它表明了模数转换器能对其满量的 变化量作出反应。例如12位的模数转换器的满量程为10V,则有V,如果输入 电压的变化量低于0.0024 V,则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+5 V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1章微机继电保护装置的硬件原理微机保护中较常用的A/D转换器芯片:MAX125,ADS8364,AD7656 等ADS8364框图第1章微机继电保护装置的硬件原理ADS 8364主要特性：1.6路全差分输入通道。2.6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，50kHz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。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o第1章微机继电保护装置的硬件原理微机保护对模数转换器的要求-转换时间精度要求微机保护要承受100A电流，还要正确分辨10%额 定电流（精工电流）一0.5安培。12位AD可以满足要求。如采用16位更好第1章微机继电保护装置的硬件原理1.3压频转换式（VFC）数据采集系统VFC-Voltage Frequency Converter,电压频率转换器经电压形成回路后，经过VFC,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 就与采样对象的积分值成比例。实现了模数转换。第1章微机继电保护装置的硬件原理1.3.1 VFC模数转换基本原理采用电荷平衡原理的VFC模数转换电路如图170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。、K第1章微机继电保护装置的硬件原理图中运放Al、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打开；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1章微机继电保护装置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,衡原理有如下关系：其中低脉冲的宽度为to,根据电荷平图1电荷平衡式V-F模教转换波形图(a)输入电压低的情形；(b)输入电压高的情形第1章微机继电保护装置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口的关系如下：第1章微机继电保护装置的硬件原理1.3.2 常用VFC芯片简介1.AD654芯片AD654是美国模拟器件公司生产的一种低成本,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1T2所示。Feat 1Ddcm旦4VS 7Vin5-+Vin4VsI 8I 5ERIVER34-Vin-Win2Fcut Edan2346图L-12 去吸K闱电路相图第1章微机继电保护装置的硬件原理AD654芯片主要参数如下：电源电压(Vs):单端536V;双端(土 5V 18V);满刻度输出频率：500kHz;X.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-4 V);双端供电 方式时，-Us(+Us-4 V);|最大输入电流：1 mA；输入阻抗：250MQ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：10火。7第1章微机继电保护装置的硬件原理2.VFCHO芯片VFC110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 4 MHz olinVin2VFC 1 1014Input Common13Analog Common+5V ref Out-VsEnableCosD igtal Common34567图1-13 VFC1 10管脚图121 1CV outomparator in1098+VsNCF out第1章微机继电保护装置的硬件原理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1章微机继电保护装置的硬件原理Vin14r|1VFC110lin ICOMVin AGND1)|_2_13第1章微机继电保护装置的硬件原理1.3.3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。2.A/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。但硬件一经选定则分辨率便固定。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1章微机继电保护装置的硬件原理3.A/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1章微机继电保护装置的硬件原理1.4微机继电保护装置的CPU主系统CPU主系统是微机继电保护装置的核心部分，包括中央处理器单元(CPU)、只读存储器(一般用E PRO M)、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1章微机继电保护装置的硬件原理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1章微机继电保护装置的硬件原理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。外部触点故障录波CPU 1计数器单片机开出开入电压切换电压量电流量交流输入数模转换至各保护器件信号告警备用 电源图1-18 W XH-25/G型装置的硬件框图跳闸4第1章微机继电保护装置的硬件原理3.DSP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1章微机继电保护装置的硬件原理4.ARM+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。时钟 电路MC68332开关量输 入输出看门狗 电路双口 RAM以太网控 制器 CS8900ARAM光电隔离 图1-20 ARM+DSP的双CPU系统硬件结构第1章微机继电保护装置的硬件原理WXH820系列微机保护硬件电路板i,q a0 fi843B*G Ub-fiB QB 0ca9cl庐畛块亮 门再二八侬？g9花飞启。7事.：，.归.aac.H，.dVTOflam.dSU事4Htl l Ht pttl i i*C”j，M“UUhutl Bfim utihiiti,inttiiinr,(4 g 呜.*每:鬲 wiziuluhx14JPMi ib t*is a tii*(.IXJXJi-JLJLJLJl-tkJi-lLJl i 二热,品 WrViK,fl第1章微机继电保护装置的硬件原理1.5开关量的输入和输出电路1.5.1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1章微机继电保护装置的硬件原理1.5.2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。并行口PBOPB18255图1-22开关量输出电路+5V+EQ Q第1章微机继电保护装置的硬件原理+5V+24V有自检能力的开关量输出电路原理图ai-23具有自检能力的开关量输出电路原理图第1章微机继电保护装置的硬件原理WXH820系列微机保护开关量输出电路板第1章微机继电保护装置的硬件原理1.6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1章微机继电保护装置的硬件原理图1-24 a）行列式按键电路第1章微机继电保护装置的硬件原理图24 b）独立式键盘电路第1章微机继电保护装置的硬件原理2.液晶显7K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1-25(a)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，电极部分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1章微机继电保护装置的硬件原理O CMJ型中文液晶模块与单片机89c52的接口电路图RESETBUSY REQ-LVDD5VDATALED+1mI vssoSV01234567 1o P1PIP1PIPIIHPIP1 popoX2O.?KHI”13 BUSY14 RFO15 RESET 17 RT116 WC 18 RT2、0 cM J 4 X8 B-H-M 端若T6VCCEAxi 89C52傻块接脚，1 I ID 2 I H)*4 VDO(51)第1章微机继电保护装置的硬件原理SR-100系列线路综合保护的显示及键盘第1章微机继电保护装置的硬件原理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89C51TRT RT RT RT RCPUl OPU2 CPU-3 CPU4第1章微机继电保护装置的硬件原理S+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24 V用于开出继电器电源一组24 V用于开入电源L1L2RCip C25V(+)RiLED1 _5V GND+15VJR2LED2.1 R5COMR3LED3-1R6-15VR4LED4 丁力24V(+)24VQPlP2IM904-1335稳压电源P3P13P4P5P6P7P12P8PIOP9L4220V