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（或称模拟量输入系统）：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（ROM）、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1－1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图1－1微机继电保护装置硬件系统结构框图电压形成CT、PTALFS/H多路转换开关A/DCPUEPROMRAM通信接口并行接口并行接口输出电路光电隔离开关量输入人机接口光电隔离模拟量输入电压形成CT、PTALFS/H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、转换模拟量为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适应继电保护特点要求•模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则•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：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采集系统第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。第1章微机继电保护装置的硬件原理–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。–电流变换器：用于电流－电流－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。来自电压互感器来自电流互感器电压变换器电流变换器第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。（3）变换器本身的损耗要小，使变换器在传变过程中一次、二次侧电量的相角差尽可能的小。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器。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1/2fs。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1-3所示。其传递函数为：iuouRCCR图1-3二阶RC滤波器2)(311)()()(RCsRCssUsUsHio第1章微机继电保护装置的硬件原理2.有源低通滤波器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.采样保持（S/H,SamplingandHolding）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。1.2.3采样保持电路第1章微机继电保护装置的硬件原理组成：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。Ch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Ⅱ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。采样电路的工作原理inuoutu阻抗变换器阻抗变换器AS逻辑输入hC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。等间隔采样周期永远保持固定不变，即为常数。微机继电保护中的采样频率通常取为电力系统工频的整数倍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的变化，始终保持(不变整数)。为了实现这一目的，通常是通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。sTsTsT1fNffs1/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）同时采样通道1通道2通道nA/D转换器1采样保持器1数据总线多路转换器A/D转换器数据总线A/D转换器2A/D转换器n采样保持器2采样保持器n采样保持器1采样保持器2采样保持器n通道1通道2通道nab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.采样保持器A/D转换器数据总线通道1通道2通道n多路转换器第1章微机继电保护装置的硬件原理2.采样频率的选择采样频率的选择必须满足采样定理的要求，即采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信号。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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、经常采用的芯片定义：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。1.2.4模拟量多路转换开关第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——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通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、CD4501，16通道的AD7506等。以16路多路转换开关例A0～A3是路数选择线接CPU，控制哪一路选通A1～A16是模拟量入AS1～AS16是电子开关En是始能端第1章微机继电保护装置的硬件原理定义：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.1.2.5模数转换器第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D可以表示为B1～Bn均为二进制码。RUDU123123222...2nnDBBBB123123(222...2)nRnUUBBBB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0.0024V，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～+5V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+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-CHA0+CHA0-HOLDACHA1+CHA1-CHB0+CHB0-CHB1+CHB1-HOLDBCHC0+CHC0-CHC1+CHC1-HOLDCINREFOUTREFS/HAmpS/HAmpS/HAmpS/HAmpS/HAmpS/HAmpInternal2.5VReferenceCDACCDACCDACCDACCDACCDACSARSARSARCompCompCompCompCompCompConversionandControlFIFORegister6xInterfaceA0A1A2ADDFDCLKBYTERDWRCSEOCRESET16DataInput/Output第1章微机继电保护装置的硬件原理ADS8364主要特性:1．6路全差分输