1 微机保护硬件装置

第一章微机保护硬件装置主讲老师：张宁§1.1微机保护装置的硬件构成1微机保护装置的硬件构成2微机保护装置的典型结构3DSP在微机保护的应用1微机保护装置的硬件构成微机保护的硬件组成部分数据采集系统CPU主系统输入、输出系统人机接口与通讯系统电源系统微机保护硬件构成示意图电力系统信号处理采样及A/D转换CPU主系统跳闸信号运行人员键盘、鼠标打印机1微机保护装置的硬件构成数据采集系统以A/D转换器为核心的数据采集系统电压频率转换器（VFC）1微机保护装置的硬件构成CPU主系统是以CPU为核心，根据不同的保护原理编写的程序进行分析是否在保护范围内发生故障，进而判断保护是否动作。包括处理器、只读存储器、随机存取存储器以及定时器等。处理器执行存放在只读存储器中的程序，将数据采集系统得到信息输入至随机存取存储器进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。CPU的发展第一阶段以单个8位的单片机构成的微机保护装置第二阶段以多个8位的单片机构成的微机保护装置第三阶段以多个16位的单片机构成的微机保护装置第四阶段以多个32位的单片机构成的微机保护装置1微机保护装置的硬件构成开关量输入、输出系统主要完成外部接点输入计算机，各种保护的出口跳闸、信号报警和人机对话等功能。人机接口与通信系统微机保护的人机接口由键盘、液晶显示器、打印机等构成。通信系统使得微机保护与综合自动化系统通信，实现远程监控。2微机保护装置的几种典型结构单CPU微机保护装置的构成单CPU微机保护的硬件装置共用一个单片机应用在电压等级较低的输电线路微机保护中多CPU微机保护装置的构成微机保护装置以多CPU构成应用在电压等级较高电气设备的微机保护中多CPU微机保护硬件逻辑图模拟量输入数据采集系统2零序电流保护单片机数据采集系统1零序电流保护单片机距离保护单片机综合重合闸单片机高频保护单片机逻辑跳闸信号3DSP在微机保护的应用DSP指令集能够使处理器在每个指令周期内完成多个操作，从而提高每个指令周期的计算效率。DSP将极大地提高微机保护对原始采样数据的预处理和计算能力，提高运算速度，更容易做到实时测量和计算。§1.2A/D构成的数据采集系统1数据采集系统的基本构成2电压形成回路3滤波器4采样保持器5多路转换开关6A/D转换器1数据采集系统的基本构成数据采集系统包括电压形成回路、滤波器、采样保持器、多路转换开关和A/D转换器模拟量输入电压形成回路滤波器采样保持器多路转换开关模拟量输入电压形成回路滤波器采样保持器A/D2电压形成回路作用：降低电压、电流信号幅值微机保护所使用的电压、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2电压形成回路对变换器的基本要求：变换器两侧的相位一致变换器铁芯磁导率选取合理，保证小信号时不失真变换器自身损耗要较小变换器屏蔽层接地，使整个装置与强电隔离2电压形成回路变换器电压变换器（TV）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（TA）：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。2电压形成回路电流变换器和电抗变压器的比较电流变换器能够不失真地将电流变换为电压，但是在出现非周期分量、衰减直流分量时，铁芯容易饱和，线性度差，动态范围小电抗变压器具有阻止直流、放大谐波的作用，因此当一次波形为非正弦时，二次将发生严重畸变。但是它的动态范围宽广、铁芯不易饱和、具有移相作用。3滤波器作用：滤除高次谐波应用：数字滤波器不需要物理元件，平台比较固定，主要依靠程序来实现滤波的功能可靠性高灵活性高提高保护的精度4采样保持回路作用采样保持回路是在极短时间内测量模拟量在该时刻的瞬时值，并在模拟－数字转换器进行转换的期间保持输出不变的一个电路采样定理采样频率要大于输入信号频率的2倍。4采样保持回路采样保持回路的工作原理阻抗变换器1阻抗变换器2ASUsrUscCh5多路转换开关模拟量输入电压形成回路滤波器采样保持器多路转换开关模拟量输入电压形成回路滤波器采样保持器A/D6模数转换器模数转换实质上是对模拟信号进行量化和编码的过程模数转换器分为直接式A/D和间接式A/D直接式A/D是直接将模拟信号转换为数字信号。例如逐次逼近式A/D、并行转换式A/D间接式A/D是将模拟信号转换为中间信号，再将中间信号转换为数字信号。例如单积分A/D、双积分A/D6模数转换器逐次逼近式A/D的原理D/A数字设定器控制器+-Ui比较器UsrUR数字量输出6模数转换器4位A/D的逐次逼近法1000UAUsr1100UAUsr0100UAUsr1110UAUsr0110UAUsr0010UAUsr1010UAUsr1111UAUsr0011UAUsr0111UAUsr1011UAUsr1101UAUsr0001UAUsr0101UAUsr1001第一次设定数字量第四次设定数字量第三次设定数字量第二次设定数字量6模数转换器数模转换器（D/A）数模转换的作用是将数字量经解码电路变成模拟，每位数字量都有一定的权，不同的权就代表一个具体的数值。6模数转换器电子开关K0～K3分别受4位输入数字量B1～B4的控制。在某位为零时，开关合向左侧，即接地；为1时，合向右侧，即接运放反相输入端。流向运算放大器反相输入端的总电流反映了4位输入数字量的大小，经带有负反馈电阻的放大器放大后变换成电压输出。图中的特殊网络结构和参数选择使得各个电子开关所接通的回路具有不同的“权”值。所以，运放输入电流为1213141/2;1/2;1/4;1/8RIURIIIIII)2222(4433221144332211BBBBRUIBIBIBIBIRFscRIU6模数转换器例题：一个量程为5V的8位逐次逼近法A/D转换器，当输入电压为3.5V时，求输出的数字量。6模数转换器步骤预设数字量（UR）D/A输出（Usr）mV比较器确定数字量1100000002500UUsr100000002110000003750UUsr100000003101000003125UUsr101000004101100003437.5UUsr101100005101110003593.75UUsr101100006101101003515.625UUsr101100007101100103476.5625UUsr101100108101100113496.09375UUsr10110011§1.3电压频率转换器1电压频率转换器2电压频率转换器的工作原理1电压频率转换器电压形成VFC光电耦合电压形成VFC光电耦合TVTA二次侧模拟量计数器计数器计数器计数器模块1模块N信号共享2VFC的工作原理触发器+-+-A1A2RR-ERRsrIsrUsrIRASIcCaUCUO直流输入信号工作原理(Isr.maxIR)输入电压为0，电容器电压为0，单稳态触发器为0，电子开关接地正直流信号时，IR＝0，Ic＝-Isr，Uc有变负的趋势，这个变化被检测，单稳态触发器输出正跳变并保持T0，电子开关切换到-ER在T0期间，RR上有电流，电容电流发生了变化Ic＝IR-Isr2VFC的工作原理tIICtIICUdtIICtUsrRsrRtCsrRC)(10)(1)0()(1)(0UCtU0T000t在T0消失时，UC达最大值T0消失后，电子开关接回地，此时0)(1)(TIICtUsrRC)(1)(1))((1)()(1)(00000tITICTIICTtICTUdtICtUsrRsrRsrtTCsrC当UC=0时，又开始下一个周期。即只要测量出VFC输出端的方波脉冲频率，就可以反映出输入端电压大小。0)(10TITICsrRsrRITIT0srVsrsrRRUKURTERf0§1.3微机保护的发展趋势1微机保护硬件的发展2微机保护原理的发展1微机保护硬件的发展微机保护的发展计算机化网络化保护、控制、测量、数据通信一体化2微机保护原理的发展自适应控制技术的应用根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的新型微机保护。变电所综合自动化技术表现在集成与资源共享、远方控制与信息共享。以远方终端单元、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统。