江大微機保護課件 第二章 微機保護構(gòu)成及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

第二章微機保護的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)§2.1微機保護系統(tǒng)構(gòu)成微機保護是以電壓、電流的采樣值為輸入量，以微機為控制器，以電氣設(shè)備的斷路器為被控對象的一個開環(huán)離散控制系統(tǒng)。微機保護是將被保護設(shè)備輸入的模擬量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后變?yōu)閿?shù)字量，再送入計算機進行分析和處理的保護裝置。微機保護由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。微機保護整套硬件通常是用單獨的專用機箱組裝，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關(guān)量輸出、輸入系統(tǒng)及外圍設(shè)備等。微機保護的軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集管理模塊、故障檢出模塊、故障計算模塊與自檢模塊等組成。微機保護的硬件系統(tǒng)包括以下五部分：1.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。2.微型機（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。3.開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)：由微型機的并行接口、光電隔離器件及有觸點的中間繼電器等組成。完成保護需要的外部觸點接入、出口跳閘、人機對話等功能。4.通信接口。包括通信接口電路及接口以實現(xiàn)多機通信或聯(lián)網(wǎng)5.逆變穩(wěn)壓電源（5V±15V、±24V）

微機保護硬件構(gòu)成框圖（書）2.微機保護用硬件特點集成微處理器（MPU）、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(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)的單片機系統(tǒng)。把所有總線連同單片機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、單片機、微處理器微機保護的軟件包括數(shù)字濾波器，如減法濾波器、加法濾波器等。像有些不便于采用模擬濾波器的場合，如傅立葉濾波、小波變換等;微機保護算法，像幅值和相位計算、選相算法、濾序算法等;保護動作判據(jù)，保護基本原理的具體體現(xiàn);邏輯輸出，執(zhí)行跳閘、告警等數(shù)字信號輸出。

§2.2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、工頻基波分量到各次諧波（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微機保護常用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有兩種：一是采用逐次逼近原理的A/D芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；另一種是采用VFC芯片構(gòu)成的壓頻變換式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對于中低壓電力系統(tǒng)這兩種方式都在使用，而高壓或超高壓的保護裝置我國大都采用VFC變換方式。ADC方式是將模擬量直接轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量的方法；VFC方式是將模擬量先轉(zhuǎn)變?yōu)轭l變脈沖量，再通過脈沖計數(shù)變換為數(shù)字量的一種變換方法。適應(yīng)繼電保護特點要求模擬量設(shè)置應(yīng)滿足繼電保護功能要求為準(zhǔn)則典型的高壓線路保護需要：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保護需要：每一繞組側(cè)的三相電流因此，微機保護是一個多模擬量輸入系統(tǒng)包括電壓形成電路、模擬低通濾波器、采樣保持、多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換等部分采集量的選擇以高壓線路保護和三繞組變壓器差動保護為例，由于高壓線路保護一般具備全線速動保護（如高頻保護或光纖電流縱差保護）、距離保護、零序保護和重合閘功能。所以模擬量一般設(shè)置為以下8個量前7個量用于構(gòu)成保護功能，最后的量為斷路器的另一側(cè)電壓，用于實現(xiàn)重合閘功能；對于三繞組變壓器的的差動保護，至少應(yīng)該接入三側(cè)的三相電流，共9個模擬量。繼電保護所使用的電壓、電流都是來自于電壓互感器（100V、線間電壓）和電流互感器（額定電流5安或1A，短路電流100A）電流(電壓)變換器再將TA(TV)二次側(cè)電流(電壓)均變換為適合AD轉(zhuǎn)換需要的±2.5V、±5V、±10V的電壓；1.電壓形成回路電壓、電流變換器電流變換器（TA）、電壓變換器（TV）和電抗變換器（TX）。作用：變換、隔離。在原副邊可加一屏蔽層，有利于抗干擾。電抗變換器具有阻止直流、放大高頻分量的作用，優(yōu)點是線性范圍大，鐵芯不易飽和，有移相作用。電流變換器特點優(yōu)點：只要鐵芯不飽和，其二次電流及并聯(lián)電阻上的二次電壓波形基本保持與一次電流波形相同且同相。缺點：再非周期分量的作用下容易飽和，線性度較差，動態(tài)范圍較小。電流變換器二次測的并聯(lián)電阻數(shù)值為幾歐到十幾歐姆。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?！钋爸玫屯V波器又稱為抗混疊濾波器，廣泛應(yīng)用于采樣電路前，濾除高于采樣頻率一半的信號，因此截至頻率被設(shè)置為1/2fs。☆低通濾波器可以采用有源的、也可以采用無源的?！顭o源濾波器由RLC元件構(gòu)成；有源的由運放和RC元件構(gòu)成；模擬低通濾波器(ALF)ALF(AnalogLow-passFilter)無源特點：無源濾波器構(gòu)成簡單，頻率特性單調(diào)衰減的，不能做到通帶平坦和過渡帶陡峭，可用于反映基波分量的保護；且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保護。有源特點：濾波性能好且階數(shù)越高，它的頻率響應(yīng)越具有十分平坦的通帶和陡峭的過渡帶，但會增加裝置的復(fù)雜性和時延，故階數(shù)不宜過高。但抗沖擊干擾能力差。二階無源低通濾波器

原理電路與幅頻特性曲線通常R1=R2=R，則二階有源低通濾波器僅使用一個運算放大器，結(jié)構(gòu)簡單，RC元件少。缺點是元件參數(shù)的變化對濾波器濾波效果影響較大。該濾波器的傳遞函數(shù)為式中K=1+R4/R3通過參數(shù)的合理選擇，有源濾波器可以得到更理想的頻率特性。截止頻率模擬低通濾波器常常采用普通的一階（最高二階的有源或無源）RC阻容濾波器來限制接近工頻分量的諧波信號混進來！模擬濾波器的幅頻特性的最大截止頻率，必須根據(jù)采樣頻率的取值來確定，當(dāng)fs＝1000Hz時，即交流工頻50Hz每個周期采樣20個點，則要求濾除模擬輸入信號中大于500Hz的高頻分量。采樣頻率的選擇1.必須滿足采樣定理，即采樣頻率必須大于原始信號中最高頻率的二倍。2.采樣頻率的選擇與保護原理和采樣的算法有關(guān)；3.采樣頻率還與模擬量的數(shù)量，數(shù)據(jù)傳送方式有關(guān)工程中一般取fs＝(2.5~3)fmax采樣周期Ts：相鄰兩個采樣時刻的時間間隔稱為采樣周期．采樣周期的倒數(shù)稱為采樣頻率，記為fs。采樣頻率的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。目前的繼電保護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)該可以濾除，這樣將降低對CPU和采樣速率的要求。目前微機保護普遍采用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次諧波的采樣和分辨要求。但是高于300Hz、500Hz、900Hz的故障信號怎么辦呢？多個模擬通道的采樣方式等間隔采樣和不等間隔采樣。微機保護大多數(shù)采用等間隔采樣方式。跟蹤采樣和定位采樣。跟蹤采樣是不等間隔采樣方式，需要測頻方法。多通道同時采樣、順序采樣、分組順序采樣。輸電線路保護通常需引入9個模擬量：微機保護中廣泛采用多通道同時采樣方式。對于電網(wǎng)頻率波動小，采樣精度要求不是很高的場合，常采用等步長采樣；對于電網(wǎng)頻率波動大，采樣精度要求高的場合，需要變步長采樣，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。多通道同時采樣方式的硬件電路采樣定理從信號處理的角度看，采樣可看成是采樣序列s(t)與原始信號f(t)相乘后得到的新信號。用矩形脈沖對原始信號進行采樣時，可表示為：用沖激序列對原始信號進行采樣時，可表示為：采樣后信號的頻譜分析根據(jù)頻域卷積定理，兩個時域函數(shù)乘積的傅立葉變換等于他們各自的傅立葉變換的卷積。式中分別是采樣信號、原始信號、門函數(shù)序列、沖激函數(shù)序列的傅立葉變換。采樣保持電路作用及原理定義：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)換器進行轉(zhuǎn)換的期間保持輸出不變的一個電路。目前，采樣保持電路大多集成在單一芯片中，但芯片內(nèi)不設(shè)保持電容，需用戶外設(shè)，常選0.01μF左右。常用的采樣保持芯片有LF198、LF298、LF398等。采樣保持電路組成組成：由電子模擬開關(guān)AS、保持電容器Ch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端提供低阻抗，使得Ch電壓建立迅速，而在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，以盡量減少對輸入回路的影響；阻抗變換器II在Ch端提供高阻抗，使得Ch衰減緩慢，而在后邊呈現(xiàn)低阻抗以提高帶負(fù)載的能力。采樣保持電路及工作過程采樣保持過程示意圖微機采樣定時器等間隔地產(chǎn)生采樣脈沖進行采樣，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。采樣保持工作過程對采樣保持電路的要求

Ch上的電壓按照一定的精度跟蹤Usr，跟蹤時間盡量短，以適應(yīng)最小采樣寬度Tc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。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，抗雜散電容影響能力強。采樣保持電路的性能與電容的關(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，微機保護采樣速率高于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?。⌒枰嵝训氖牵篊h經(jīng)常需要外接。模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)繼電保護需要多的模擬量數(shù)模轉(zhuǎn)換器是貴重的元器件電路布板希望少的芯片多路轉(zhuǎn)換器是一個理想的、經(jīng)常采用的芯片定義：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。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)組成：包括選擇接通路數(shù)的二進制譯碼電路和多路電子開關(guān)。二進制譯碼電路決定哪個電子開關(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(AD7506)A0～A3是路數(shù)選擇線接CPU，控制哪一路選通A1～A16是模擬量入AS1～AS16是電子開關(guān)En是始能端§2.3A/D式逐次逼近型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D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)變化的模擬量、需要計算機來處理的都必須經(jīng)過這個環(huán)節(jié)。像電壓、電流、溫度、壓力、速度等。分類：直接型：直接把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼（逐次逼近型）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（VFC壓頻變換式）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均為二進制碼。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)字量都有一定的權(quán)，不同的權(quán)就代表一個具體的數(shù)值。

4位數(shù)模轉(zhuǎn)換器說明圖ADC轉(zhuǎn)換舉例若待轉(zhuǎn)換的模擬量所對應(yīng)的未知數(shù)字量應(yīng)是DOH，逐次逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過程如下：首先將D7置為1，輸出鎖存器輸出數(shù)字是10000000=80H。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量并與Uin相比較，由于推測信號小于模擬輸入信號，所以，比較器輸出為1，則D7保持為1。再將D6置1，鎖存器輸出為11000000=C0H，小于D0H，則D6也保持為1。再將D5置1，鎖存器輸出為11100000=E0H，大于D0H，則D5應(yīng)置為0。再將D4置1，鎖存器輸出為11010000=D0H，D4保持為1。再將D3置1，鎖存器輸出為11001000=D8H，大于D0H則D3位置為0。依次類推直至D0位，可得轉(zhuǎn)換結(jié)果為11000000=D0H。

電子開關(guān)K0～K3分別受4位輸入數(shù)字量B1～B4控制。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，運放輸入電流為將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號Uin與一推測信號Ui相比較，根據(jù)推測信號大于還是小于輸入信號來決定是增大還是減小該推測信號，直至逼近輸入信號為止。推測信號由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得。

逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理

偏置結(jié)果－變成單極性轉(zhuǎn)換時間精度要求微機保護要承受1