第二講微機(jī)保護(hù)的硬件原理

第一章微機(jī)愛護(hù)的硬件原理第一節(jié)概述1.微機(jī)愛護(hù)的硬件系統(tǒng)包括以下三部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（或稱模擬量輸入系統(tǒng)）：包括電壓形成、采樣保持、多路開關(guān)及數(shù)模轉(zhuǎn)換。微型機(jī)（或微處理器）主系統(tǒng)：包括微處理器、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、定時器、并串接口等。開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)：由微型機(jī)的并行接口、光電隔離器件及有觸點的中間繼電器等組成。完成愛護(hù)須要的外部觸點接入、出口跳閘、人機(jī)對話等功能。

圖1－1示出了微機(jī)愛護(hù)硬件構(gòu)成框圖第一節(jié)概述圖1－1微機(jī)愛護(hù)硬件構(gòu)成框圖第一節(jié)概述2.微機(jī)愛護(hù)用硬件特點集成微處理器（MPU）、只讀存儲器(ROM)、隨即存取存儲器(RAM)、定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)、并行接口(PIO)、閃存單元(FLASH)、數(shù)字信號處理器(DSP)、通信接口等多種功能集成在一個芯片內(nèi)的單片機(jī)系統(tǒng)。把全部總線連同單片機(jī)都集成在一個芯片內(nèi)的總線不出片技術(shù)。不區(qū)分微機(jī)、單片機(jī)、微處理器其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）做準(zhǔn)備、轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量適應(yīng)電力系統(tǒng)故障信號特點頻譜分布寬廣：從直流、衰減直流、工頻基波重量到各次諧波（最高到數(shù)百千赫茲）在內(nèi)的暫態(tài)信號動態(tài)范圍寬廣：從正常運行的幾十安培到短路狀態(tài)下的幾萬安培甚至幾十萬安培第一章微機(jī)愛護(hù)的硬件原理適應(yīng)繼電愛護(hù)特點要求模擬量設(shè)置應(yīng)滿足繼電愛護(hù)功能要求為準(zhǔn)則典型的高壓線路愛護(hù)須要：三相電流、零序電流；三相電壓、線路側(cè)線間電壓；典型的三繞組變壓器差動愛護(hù)須要：每一繞組側(cè)的三相電流因此，微機(jī)愛護(hù)是一個多模擬量輸入系統(tǒng)第一章微機(jī)愛護(hù)的硬件原理2－1電壓形成回路要求繼電愛護(hù)所運用的電壓、電流都是來自于電壓互感器（100伏、線間電壓）和電流互感器（額定電流5安或1安，短路電流100安）把100伏左右的電壓變換為適合AD轉(zhuǎn)換須要的正負(fù)2.5伏、正負(fù)5伏、正負(fù)10伏的電壓；把小于1安～100安的電流變換為適合AD轉(zhuǎn)換須要的正負(fù)2.5伏、正負(fù)5伏、正負(fù)10伏的電壓其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)變換器電壓變換器用于將一次電壓變換成微機(jī)愛護(hù)模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）用的電壓，一般變壓器原理。電流變換器：用于電流－電流－電壓用于將一次電流變換成微機(jī)愛護(hù)模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）用的電壓。一般變壓器原理，把電流變換成電流，再把一個小電阻并聯(lián)在該變壓器的二次側(cè)，形成電壓。要求該變壓器的鐵心不飽和。其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電抗變壓器：用于干脆獲得電壓它的原理結(jié)構(gòu)、原理圖及等值電路如圖1－2所示

圖1－2電抗變壓器的原理結(jié)構(gòu)與等值電路圖其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)它的鐵心帶有氣隙、具有三個繞組的變壓器。由于存在氣隙，勵磁電抗數(shù)值很小，相對而言很大的二次負(fù)載阻抗可忽視不及，故一次電流全部作為勵磁電流。此時有以下關(guān)系：總體效果相當(dāng)于因此電抗變能夠?qū)⒁淮坞娏鞯幕ㄖ亓砍杀壤剞D(zhuǎn)換成二次側(cè)電壓。但放大了諧波重量，阻擋了直流和低頻重量。嚴(yán)格講是失真變換。電流變換器和電抗變壓器的比較電流變換器能夠不失真地變換電流成為電壓，但是在出現(xiàn)非周期重量、衰減直流重量時，簡潔飽和，線性度差，動態(tài)范圍小電抗變壓器具有阻擋直流、放大諧波的作用，因此當(dāng)一次波形為非正弦時，二次將發(fā)生嚴(yán)峻畸變。但是它的動態(tài)范圍寬廣、鐵心不易飽和、具有移相作用。在某些場合下還是有用的。其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2－2采樣保持電路和模擬低通濾波器采樣保持電路的作用及原理定義：采樣保持電路（S/H,SamplingandHolding）是在極短時間內(nèi)測量模擬量在該時刻的瞬時值，并在模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間保持輸出不變的一個電路其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成：它由電子模擬開關(guān)AS、保持電容器及兩個阻抗變換器組成。Ch的作用是記憶AS閉合時刻的電壓，并在AS打開后保持該電壓。阻抗變換器I在Ch端供應(yīng)低阻抗，使得Ch電壓建立快速，而在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，以盡量削減對輸入回路的影響；阻抗變換器11在Ch端供應(yīng)高阻抗，使得Ch衰減緩慢，而在后邊呈現(xiàn)低阻抗以提高帶負(fù)載的實力。其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1－3采樣保持電路及工作過程其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作過程：微機(jī)采樣定時器等間隔地產(chǎn)生采樣脈沖進(jìn)行采樣，得到采樣信號，采樣后信號在下次采樣脈沖到來之前應(yīng)保持不變，形成穩(wěn)定的階梯狀采樣保持信號，等待A/D轉(zhuǎn)換。其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對采樣保持電路的要求Ch上的電壓依據(jù)確定的精度跟蹤Usr，跟蹤時間盡量短，以適應(yīng)最小采樣寬度要求Tc保持時間要長，通常用下降率來表示保持實力模擬開關(guān)的動作延時、閉合電阻和開斷時的漏電流要小

前兩個指標(biāo)取決于阻抗變換器和保持電容的性能，就捕獲而言，越小越好；就保持而言越大越好。一般來講，要求快速捕獲，采樣周期短，電容要小一些；慢速捕獲，采樣周期長，電容大一些，穩(wěn)定性好，抗雜散電容影響實力強(qiáng)。其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1－4采樣保持電路的性能與電容Ch的關(guān)系曲線1－保持下降率2－保持跳變誤差3－0.1％誤差的截獲時間4－充電速率5－頻帶例子：若取Ch為0.01uf，則保持下降率為2mV/S，微機(jī)愛護(hù)采樣速率高于2mS，沒問題；而截獲時間為20微妙，誤差相當(dāng)于工頻0.36度，也沒有問題。但是對于高頻采集－行波采集就不行了??！須要提示的是：Ch常常須要外接其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用等步長采樣和變步長采樣對于電網(wǎng)頻率波動小，采樣精度要求不是很高的場合，常接受等步長采樣對于電網(wǎng)頻率波動大，采樣精度要求高的場合，須要變步長采樣，變步長的采樣間隔時間（采樣脈沖發(fā)出時間）要隨時調(diào)整采樣定理被采樣信號的頻率最高不超過1/2采樣頻率，否則會造成頻譜混疊。合適的愛護(hù)采樣頻率選擇高采樣頻率要求CPU的處理和運算速度快；低采樣頻率可能會造成頻率混疊，因為電力系統(tǒng)故障后的電壓電流是一個寬頻譜信號。其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)合適的愛護(hù)采樣頻率選擇假如考慮目前的繼電愛護(hù)主要是基于工頻故障信息構(gòu)成的，那么，高頻故障信息應(yīng)當(dāng)/可以濾除，這樣將降低對CPU和采樣速率的要求。目前微機(jī)愛護(hù)普遍接受600Hz（1.667毫秒）、1kHz（1毫秒）、1.8kHz（0.55毫秒）的采樣頻率，它們都能夠滿足工頻故障信息和3次、5次諧波的采樣和辨別要求。但是高于300Hz、500Hz、900Hz的故障信號怎么辦呢？其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前置低通濾波器的設(shè)置濾波器是一種能使有用頻率信號通過，同時擬制無用頻率信號的電路。低通濾波器是只讓低于截至頻率通過的濾波器。前置低通濾波器又稱為抗混疊濾波器，廣泛應(yīng)用于各種消費、限制電路中的采樣電路前，濾除高于2倍采樣頻率的信號，因此截至頻率被設(shè)置為1/2fs。低通濾波器可以接受有源的、也可以接受無源的。無源濾波器構(gòu)成簡潔，但電阻和電容回路對信號有衰減作用，并會帶來時間延遲，僅適用于對速度和性能要求不高的微機(jī)愛護(hù)有源濾波器抗沖擊干擾實力差，但濾波性能好。性能越好的濾波器延時越長，造成信號不同步的可能性越大。繼電愛護(hù)常常接受一般的一階（最高二階的有源或無源）濾波器來限制接近工頻重量的諧波信息混進(jìn)來！其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1－5二階無源低通濾波器其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1－6二階無源低通濾波器2－3模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)繼電愛護(hù)須要多的模擬量數(shù)模轉(zhuǎn)換器是珍貴的元器件電路布板希望少的芯片多路轉(zhuǎn)換器是一個志向的、常常接受的芯片定義：是一個開關(guān)電路；接入很多模擬量；僅僅把其中的一路送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器去轉(zhuǎn)換。不同的模擬量通過“分時”方式完成模數(shù)轉(zhuǎn)換過程。其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成：包括選擇接通路數(shù)的二進(jìn)制譯碼電路和多路電子開關(guān)。二進(jìn)制譯碼電路確定哪個電子開關(guān)接通——接入相應(yīng)的待轉(zhuǎn)換模擬量多路電子開關(guān)起分?jǐn)嗥渌芈范鴥H僅接通待轉(zhuǎn)換的哪一路模擬量作用16路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)例A0～A3是路數(shù)選擇線接CPU，限制哪一路選通A1～A16是模擬量入AS1～AS16是電子開關(guān)En是始能端圖1－716路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)2－4模數(shù)轉(zhuǎn)換器定義：是一個硬件電路，用于實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，也稱為A/D轉(zhuǎn)換器。它是把模擬量變成能讓計算機(jī)識別的數(shù)字量的橋梁。應(yīng)用范圍及其寬廣：隨時間連續(xù)變更的模擬量、須要計算機(jī)來處理的都必需經(jīng)過這個環(huán)節(jié)。像電壓、電流、溫度、壓力速度等分類：干脆型：干脆把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼間接型：首先把模擬量轉(zhuǎn)換成某種變量（比如頻率），再轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼輸出其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一般原理

將輸入的模擬量Usr相對于模擬參考量UR經(jīng)編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D輸出

D可以表示為

B1～Bn均為二進(jìn)制碼。其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量經(jīng)解碼電路變成模擬電壓或電流輸出。每位數(shù)字量都有確定的權(quán)，不同的權(quán)就代表一個具體的數(shù)值。

圖1－84位數(shù)模轉(zhuǎn)換器說明圖其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電子開關(guān)K0～K3分別受4位輸入數(shù)字量B1～B4的限制。在某位為零時，開關(guān)合向左側(cè)，即接地；為1時，合向右側(cè)，即接運放反相輸入端。流向運算放大器反相輸入端的總電流反映了4位輸入數(shù)字量的大小，經(jīng)帶有負(fù)反饋電阻的放大器放大后變換成電壓輸出。圖中的特殊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇使得各個電子開關(guān)所接通的回路具有不同的“權(quán)”值。

所以，運放輸入電流為其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)逐次靠近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號Uin與一推想信號Ui相比較，依據(jù)推想信號大于還是小于輸入信號來確定是增大還是減小該推想信號，直至靠近輸入信號為止。推想信號由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得。

圖1－9模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理說明圖第一章微機(jī)愛護(hù)硬件原理小結(jié)簡介了微機(jī)愛護(hù)基本硬件組成介紹了電壓形成回路介紹了采樣保持電路介紹了多路轉(zhuǎn)換開關(guān)介紹了逐次靠近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理習(xí)題寫出逐次靠近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理和過程

其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)逐次靠近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號Uin與一推想信號Ui相比較，依據(jù)推想信號大于還是小于輸入信號來確定是增大還是減小該推想信號，直至靠近輸入信號為止。推想信號由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得。

圖1－9模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理說明圖說明圖其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)二分法：測試最大可能值，為1，DA偏小，有效；為0，偏大，置0。接著AD的雙極性連接－抬起來，加偏置其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)偏置結(jié)果－變成單極性其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)波形溢出其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)微機(jī)愛護(hù)對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求轉(zhuǎn)換時間精度要求微機(jī)愛護(hù)要承受100A電流，還要正確辨別10％額定電流（精工電流）－0.5安培。12位AD可以滿足要求。如接受16位更好其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2－5VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)VFC-VoltageFrequencyConverter,電壓頻率轉(zhuǎn)換器經(jīng)電壓形成回路后，經(jīng)過VFC，將模擬電壓變換為脈沖信號，由計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。這樣在采樣間隔內(nèi)的計數(shù)值就與采樣對象的積分值成比例。實現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換。其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)VFC工作原理它是一個電路，由一個運放、一個零電壓比較器、一個單穩(wěn)觸發(fā)器、一個電子開關(guān)及電阻電容組成。其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前提直流輸入信號工作原理輸入為0，電容器電壓為0，單穩(wěn)為0，電子開關(guān)接地正直流信號時，IR＝0，Ic＝-Isr，Uc有變負(fù)的趨勢，這個變更被檢測，單穩(wěn)輸出正跳變并保持T0.電子開關(guān)切換到-ER在T0期間，RR上有電流，電容電流發(fā)生了變更Ic＝IR-Isr其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在To消逝時刻Uc達(dá)最大值To消逝后，電子開關(guān)接回地。電容放電，放電電壓為到0時，再次被零電壓監(jiān)測器發(fā)覺，單穩(wěn)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過零時對應(yīng)的時刻是t2周而復(fù)始，Uc呈周期性變更，周期T是t2。其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)因此，電壓和頻率成正比，對脈沖個數(shù)計數(shù)得到電壓求和（積分）其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)溝通輸入信號工作原理首先增加一個正偏置，把信號變?yōu)閱螛O性。正偏置電流取為I偏＝ IR/2＝ER/2RR,這時最大溝通輸入變?yōu)槠浯喂?jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)綜合輸入信號為（1）在0～To期間是一上升的曲線其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（2）當(dāng)To消逝后，電子開關(guān)接回地其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特點低通濾波抗干擾實力強(qiáng)位數(shù)可調(diào)與微機(jī)接口簡潔多微機(jī)共享不適于高速采樣其次節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第三節(jié)開關(guān)量輸入及輸出回路光電耦合器把發(fā)光器件（發(fā)光二極管）和光敏器件（受光導(dǎo)通）組合，可以實現(xiàn)光媒介的電信號傳變，這種器件被稱為光電耦合器光隔離器光傳感器光敏集成塊常見光隔離器，二極管型、三極管型、達(dá)林頓型晶閘管型，驅(qū)動功率大小區(qū)分第三節(jié)開關(guān)量輸入及輸出回路開關(guān)量輸入回路裝在面板上的接點－5伏系統(tǒng)裝在端子排上的接點－24伏、48伏、220伏等，須要光電隔離第三節(jié)開關(guān)量輸入及輸出回路開關(guān)量輸出回路愛護(hù)的跳閘出口、本地信號和中心信號一般由并行輸出口、邏輯與非門、光電隔離器、有接點的繼電器組成典型微機(jī)保護(hù)出口控制回路第三節(jié)開關(guān)量輸入及輸出回路K1為常閉接點（線圈不帶電狀況下閉合），是一個閉鎖告警信號K2、K3、K4、KN為常開接點（線圈不帶電狀況下打開）K2是故障啟動信號K3、K4是跳閘出口接點V1～V5是光隔出口接點出口條件1）無告警信號2）啟動繼電器動作出口繼電器所在光隔導(dǎo)通－計算機(jī)輸出跳閘信號小結(jié)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)逐次靠近式模數(shù)轉(zhuǎn)換VFC開關(guān)量輸入輸出作業(yè)1圖1－37中K1的作用是什么？2VFC電路中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用是什么？第四節(jié)DSP技術(shù)的應(yīng)用DSP－數(shù)字信號處理器