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2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 1 第一章微機保護的硬件原理 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 2 1 1概述 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 3 1 1概述 續(xù) 模擬量輸入系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 電壓形成 模擬濾波 采樣保持 s h 多路轉(zhuǎn)換 mpx 以及模數(shù)轉(zhuǎn)換 a d 完成將模擬輸入量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字量cpu主系統(tǒng) 微處理器 mpu 只讀存儲器 rom 或閃存內(nèi)存單元 flash 隨機存取存儲器 ram 定時器 并行以及串行接口等 mpu執(zhí)行編制好的程序 以完成各種繼電保護測量 邏輯和控制功能開關(guān)量 數(shù)字量 輸入 輸出系統(tǒng) 并行接口 pia或pio 光電隔離器件及有觸點的中間繼電器等組成 完成保護的出口跳閘 信號 外部接點輸入及人機對話等功能 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 4 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 一 電壓形成回路1 模擬量選取原則 以滿足保護功能為基本準(zhǔn)則2 作用與方案比較作用方案比較電抗變換器缺點 二次電壓波形將發(fā)生畸變優(yōu)點 線性范圍大 鐵芯不易飽和 有移相作用 抑制直流電流變換器優(yōu)點 線性范圍內(nèi) 波形相同且同相缺點 在非周期分量下容易飽和 線性度較差 動態(tài)范圍小 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 5 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 一 電壓形成回路2 作用與方案比較3 電流互感器應(yīng)用注意事項變比的選擇u2 rlhi2 rlhi1 nlhrlhi1max nlh umax屏蔽層的作用 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 6 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 二 采樣保持電路和模擬低通濾波器 一 s h電路的作用及原理 s h電路的作用 s h電路的工作原理 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 7 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 二 對采樣保持電路的要求使ch上電壓按一定精度 例如誤差小于0 1 跟蹤上usr所需要的最小采樣寬度tc 或稱為截獲時間 對快速變化的信號采樣時 要求tc盡量短保持時間要長 通常用下降率來表示保持能力 模擬開關(guān)的動作延時 閉合電阻和開斷時的漏電流要小 分析討論ch的選值 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 8 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) ch 0 01 f 三 采樣保持電路的典型芯片 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 9 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 四 采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用采樣頻率的選擇采樣頻率越高 要求cpu的速度越高采樣頻率過低將不能真實地反映被采樣信號的情況 采樣定理 采用低通濾波器 可以消除頻率混疊問題 從而降低采樣頻率消除頻率混疊問題后 采樣頻率的選擇基本取決于保護的原理和算法 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 10 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 四 采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用低通濾波器r 4 3k c 0 1 f 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 11 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 三 模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 一 模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用 二 mpx的工作過程 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 12 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 一 模數(shù)轉(zhuǎn)換的一般原理和分類一般原理 將輸入的模擬量ua相對于模擬參考量ur轉(zhuǎn)換成數(shù)字量d輸出 即 假定數(shù)字量d是小于1的數(shù) 則 分類 積分型 逐次逼近比較型 并行和流水線型等 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 13 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 二 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 dac或d a轉(zhuǎn)換器 作用工作原理 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 14 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 二 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 dac或d a轉(zhuǎn)換器 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 15 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 三 逐次逼近法模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 16 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 三 逐次逼近法模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理溢出問題 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 17 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 三 逐次逼近法模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理雙極性模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 18 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 四 a d轉(zhuǎn)換器舉例ad7665是逐次逼近型的16位快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 速度為500ksps電源dvdd dgngovdd ogndavdd agndref refgnd模擬量輸入usr 10v 5v 2 5v0 10v 0 5v 0 2 5v 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 19 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 四 a d轉(zhuǎn)換器舉例方式選擇ob 2 outputbinary 2 scomplement warp impulseser serial parallel byteswap 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 20 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 控制信號reset read chipselect startconversion pd powerdown busy并行輸出方式的數(shù)據(jù)信號data15 data0 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 21 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 串行輸出方式的接口信號syncsclksdoutrderrordivsclkext invsyncinsclkrdc sdin 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 22 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 五 模數(shù)轉(zhuǎn)換器與微型機的接口 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 23 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 五 模數(shù)轉(zhuǎn)換器與微型機的接口初始化定時器中斷服務(wù)程序控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 將0通道連接到a d輸入端啟動a d轉(zhuǎn)換查詢a d轉(zhuǎn)換是否結(jié)束讀取a d轉(zhuǎn)換結(jié)果 并按照一定格式存入循環(huán)寄存器中修改存數(shù)指針為下一個存數(shù)單元判斷本次采樣時刻的所有模擬量都轉(zhuǎn)換完畢否則通道號加1全部轉(zhuǎn)換結(jié)束后 判斷存數(shù)指針是否超出循環(huán)寄存器末地址 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 24 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 六 數(shù)據(jù)排隊與地址指針更新 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 25 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 七 微機保護對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要要求轉(zhuǎn)換時間ts n tad tr tya d轉(zhuǎn)換的位數(shù)要求200倍的精度范圍 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 26 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)一計數(shù)器的計數(shù)脈沖頻率為f 計數(shù)時間為 t 則在 t內(nèi)加入計數(shù)器的脈沖數(shù)目為n n f t 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 27 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 一 vfc工作原理1 直流輸入的工作原理 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 28 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 一 vfc工作原理直流輸入的工作原理當(dāng)輸入電壓usr為0v時 電容器c的電壓為0 單穩(wěn)觸發(fā)器沒有輸出 電子開關(guān)接到參考地的端子側(cè) 當(dāng)輸入端usr剛施加了正的直流信號時 有ir 0 ic ir isr isr 使得輸出電壓向負方向變化 零點指示器檢測到該趨勢后 觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器 在u0端產(chǎn)生一個寬度為t0的脈沖 在t0信號期間 電子開關(guān)as切換到 er側(cè) 所以ic ir isr 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 29 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 一 vfc工作原理直流輸入的工作原理當(dāng)t0信號消失后 電子開關(guān)as又接到參考地的端子側(cè) 所以ic isr uc t 下降到0v時 立刻被零點指示器檢測出來 并開始重復(fù)上述過程 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 30 一 vfc工作原理直流輸入的工作原理如果在一個采樣間隔ts內(nèi)對計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果進行讀數(shù) 則計數(shù)值為d fts 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) vfc型模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出值與輸入電壓信號的積分成正比 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 31 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 交流輸入的工作原理雙極性信號需引入偏置ir 2 er 2rr 在0 t0期間 as切換到 er側(cè) 有 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 32 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 當(dāng)t0消失后 as切換到參考地的端子側(cè) 有 將函數(shù)cos t 在t 0處展開 并整理得 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 33 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 將函數(shù)cos t 在任意處展開 并整理得 vfc型模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出值與輸入電壓信號的積分成正比 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 34 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 一 vfc工作原理vfc的分辨率與采樣頻率的關(guān)系vfc的最高頻率fvfc采樣間隔ts和積分間隔nts 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 35 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 二 vfc數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點低通濾波抗干擾能力強位數(shù)可調(diào)與微型機接口簡單實現(xiàn)多微機共享易于實現(xiàn)同時采樣不適用于高頻信號的采集 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 36 1 3開關(guān)量輸入及輸出回路 一 光電耦合器概念分類光隔離器光傳感器光敏元件集成的功能塊光電耦合器在微機保護中的應(yīng)用特性工作方式 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 37 1 3開關(guān)量輸入及輸出回路 二 開關(guān)量輸入回路安裝在裝置面板上的接點人機對話的鍵盤部分切換裝置工作方式用的轉(zhuǎn)換開關(guān)從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點壓板 轉(zhuǎn)換開關(guān)其他保護裝置和操作繼電器的接點 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 38 三 開關(guān)量輸出回路 一 保護的跳閘出口 本地和中央信號 1 3開關(guān)量輸入及輸出回路 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 39 1 3開關(guān)量輸入及輸出回路 三 開關(guān)量輸出回路 一 保護的跳閘出口 本地和中央信號裝置正常 系統(tǒng)無短路設(shè)備異常系統(tǒng)發(fā)生短路出口回路自檢 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 40 三 開關(guān)量輸出回路 一 通信接口 打印機接口 1 3開關(guān)量輸入及輸出回路 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 41 1 5網(wǎng)絡(luò)化硬件電路 一 問題提出繼電保護的種類很多 且由于受被保護對象的容量 模擬量數(shù)量 跳閘對象和功能要求不同等因素影響 造成保護配置多種多樣 希望采樣模塊化的思想 希望微機保護在更新?lián)Q代后 保護裝置對外的連線基本保持不變 保護功能插件 cpu插件 與開入 開出之間的連線受cpu插件的空間限制 很難做到開入 開出數(shù)目的方便擴展 在變壓器 發(fā)電機保護中 根據(jù)不同容量 不同主接線等情況 保護的一個動作邏輯有可能組成多個出口對象 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 42 1 5網(wǎng)絡(luò)化硬件電路 一 問題提出 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 43 1 5網(wǎng)絡(luò)化硬件電路 二 網(wǎng)絡(luò)化硬件電路標(biāo)準(zhǔn)模塊cpu插件開入 di 插件開出 do 插件通信網(wǎng)絡(luò)采用can總線方式 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 44 1 5網(wǎng)絡(luò)化硬件電路 三 can總線特點采用短幀結(jié)構(gòu) 傳輸時間短 受干擾概率低 具有極好的檢錯效果采用差分信號的傳遞方式 有利于提高抗干擾性能每幀信息都有crc校驗和其它糾錯措施 保證了數(shù)據(jù)出錯率極低節(jié)點在嚴(yán)重錯誤的情況下 具有自動關(guān)閉輸出功能 以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響采用非破壞性總線仲裁技術(shù) 當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時 優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送 而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù) 大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級 可滿足不同的實時要求 高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134微妙內(nèi)得到傳輸為多主方式工作 網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息 而不分主從 通信方式靈活 且無需站地址等節(jié)點信息 2020 4 20 微型機繼電保護基礎(chǔ) 畢天姝 45 1 5網(wǎng)絡(luò)化硬件電路 三 can總線特點只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點 一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù) 無需專門的 調(diào)度 直接通信距離最遠可達10公里 速率5kbps以下 通信速率最高可達1mbps 此時 通信距離最長為40米 can上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路 目前可達110個 報文標(biāo)