第3章 微机保护基础知识

2020/2/15微机保护基础知识1第3章微机保护基础知识2020/2/15微机保护基础知识2硬件组成数据采集系统原理基本算法软件结构抗干扰的措施内容与要求•硬件组成需要了解，最终的目标是要掌握微机保护的接线。•基本算法与软件组成是重点内容，是实现继电保护原理的方法。•抗干扰措施是微机测控系统的通用方法，具有普遍意义，需要了解。2020/2/15微机保护基础知识3掌握基本原理用计算机方法实现电流保护，在实践中提高对微机保护的认识要将保护的基本算法与具体继电保护原理结合学习方法•要分清楚哪些是基本原理。•要利用微机来实现基本算法。•理论联系实践，要既动脑也动手。2020/2/15微机保护基础知识4可靠性高；灵活性强；性能改善，功能易于扩充；维护调试方便；有利于实现变电站综合自动化。微机保护优点•元件少，接线简单，软件一致。•投退功能灵活，硬件通用。•可以实现复杂继电保护原理，如任意形状阻抗继电器，功能扩充时可以不需要更改硬件。•微机保护测试仪的应用，缩短了调试时间。•通信与网络功能的加强，可以实现遥控、遥信、遥测、遥调的“四遥”功能。2020/2/15微机保护基础知识5模拟量输入系统（或称数据采集系统）CPU主系统开关量输入/输出回路人机接口回路通讯回路电源回路3.1微机保护硬件•将交流模拟量转为CPU能够处理的数字量，并要达到隔离与精度要求。•基本通用的微机主系统。•接点状态或高低电平的处理。•便于操作，如键盘、液晶显示、打印机、信号灯等•便于综合自动化。•开关电源，要强调抗干扰。2020/2/15微机保护基础知识6电压形成模数变换电压形成TVTA二次侧来串行通讯SIOBUS电源部分CPU主系统并行接口PIO光耦光耦开入量开出量键盘显示设备打印机数据采集系统开关量系统人机对话微机保护硬件组成2020/2/15微机保护基础知识7微处理器CPU存储器并行口串行口定时/计数器等微机主系统•需要强调的是，存储器包括•EPROM－用于存放保护程序，即软件•RAM－用于存放运算的中间结果。•EEPROM－用于存放保护定值，也可采用FLASH来存放。2020/2/15微机保护基础知识8基于逐次逼近型A/D转换的采集系统基于电压/频率变换（VFC）原理进行A/D变换的采集系统3.2数据采集系统•前者包括：电压形成回路、模拟低通滤波器（ALF）、采样保持回路（S/H）、多路转换开关电路（MPX）及模数转换回路（A/D）•后者包括：电压形成、VFC回路、计数器•两者各有优点，前者便于满足精度，后者不需要滤波与采样保持电路2020/2/15微机保护基础知识9电压变换、屏蔽和隔离滤除高频，降低采样频率逐次逼近A/D转换方式TVTA二次侧来多路转换开关A/D电压形成ALFS/H电压形成ALFS/H保证数据的同时性节约A/D转换器逐次逼近原理2020/2/15微机保护基础知识10电压变换、屏蔽和隔离基于压频变换（VFC）方式电压转化为频率对脉冲计数，从而完成对电压的测量TVTA二次侧来BUS电压形成VFC计数器电压形成VFC计数器2020/2/15微机保护基础知识11类型电流变换器（UA）电压变换器（UV）电抗变换器（UR）（1）电压形成回路作用•TA、TV二次侧电流电压较大，变化范围也较大，为适应模数转换器的转换要求将交流模拟量适当值，以满足精度要求。•屏蔽和隔离，TA、TV二次侧过电压损坏保护装置。3.2.1基于逐次逼近式A/D转换的模拟量输入系统2020/2/15微机保护基础知识122TsX*(t)0Ts3TsnTst采样：将一个连续时间信号x(t)变成离散时间信号x*(t)。tX(t)0（2）采样保持（S/H）电路tS(t)012TsTs3TsnTsTS－采样周期fS=1/TS－采样频率工频每周期采样点数N为：T－工频周期，20msf=1/T－工频频率，50HZsSfTN=Tf2020/2/15微机保护基础知识132Ts保持信号0Ts3TsnTst保持：为保证各通道采样的同时性，在等待模数转换的过程中，必须保持采样值不变。2TsX*(t)采样信号0Ts3TsnTst（2）采样保持（S/H）电路粉红色为理想值，红色为实际值。2020/2/15微机保护基础知识14要求：1、截获时间尽量短，特别是对快速变化的输入信号采样更应保证这一点；2、保持时间要长；3、模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的泄露电流要小。（2）采样保持（S/H）电路阻抗变换1阻抗变换2ASuiuoCHS(t)采样电子开关要求1：CH越小越好要求2：CH越大越好CH的大小应当如何确定呢？2020/2/15微机保护基础知识15离散信号怎样才能真实反映被采样的连续信号，若要求不丢失信息，应满足什么条件？（3）ALF和采样频率问题被采样信号x(t)的频率为f0，TS为采样周期，fS为采样频率0sff032sff02sfft()xtttt混叠混叠正确2020/2/15微机保护基础知识16若要不丢掉信息地对输入信号进行采样，就必须满足fs≥2f0。（3）ALF和采样频率结论采样定理若输入信号x(t)含有各种频率成份，其最高频率为fmax，若要对其不失真地采样，或者采样后不产生频率混叠现象，采样频率必须不小于2fmax，即fs≥2fmax。采样定理对模拟信号要求（采用模拟低通ALF的原因）限于CPU运算速度，要限制输入信号的最高频率，只需在采样前用一个模拟低通滤波器（ALF），滤出fs／2以上的频率分量。2020/2/15微机保护基础知识17目前绝大多数微机保护的采样周期TS为5/6ms或5/3ms，即采样频率为1200HZ或600HZ。（3）ALF和采样频率微机保护现状每周期采样N=24点或12点。2020/2/15微机保护基础知识18（3）ALF分类与电路•有源ALF•无源ALF•由RC网络加上运算放大器构成，其特性较稳定，不受时间、温度变化的影响，可以避免采用大电容，有好的特性及快的速度。•无源滤波器通常是由RLC等元件组成，滤波特性受温度变化发生漂移，而且保护带来延时，在微机保护ALF中很少应用。iuou1R2R2C1Coiuu02sff无源电路特性2020/2/15微机保护基础知识19（4）模拟多路转换开关（MPX）•模拟量输入通道公用一个A/D芯片•多路转换开关是电子型的，通道切换受微机控制。译码/驱动器ENA1A2A3A0AS1AS15AS015V+15V–ui0ui1ui15uout2020/2/15微机保护基础知识20ADC的基本原理（5）模数转换器（ADC回路）•将输入的离散模拟量u*(t)与基准电压UR进行比较，按照四舍五入的原则，编成二进制代码的数字信号。•将数字量D转换成模拟量。数摸转换器2020/2/15微机保护基础知识21二分法举例ADC的基本原理已知某物品价格在0-64元间（31元），猜一猜该物品价格（精确到1元）。第1次第2次第3次第4次第6次第5次321624283130高低低低结束低64是基准值；最多6次，26＝64；精度64/26＝1元。2020/2/15微机保护基础知识22逐次逼近ADC原理ADC的基本原理参考电压UR，ADC位数N位，输入电压Ui，则最多需要比较N次，精度为UR/2N。第1次第2次…第N次100…00010…00…011…01高，1改0低，1保持…结束第3次011…00低RRUUQ=分层电压N层数2RRUU量化误差N层数2模数转换器的位数越多即N值越大，则模数转换器分辨率与转换的精度越高。R1U2分辨率N22020/2/15微机保护基础知识231010用于将上述ADC过程中数字量转化为模拟量与输入电压进行比较。B1B2B3B42R2R2R2RI1I2I3I4S1S2S3S4RRRRR－＋RF-uRuDabcIDAC数模转换原理R1U2RIR2U4RIR3U8RIR4U16RIRR-1-2-3-41234UUI=(B2+B2+B2+B2)RRD可见，输出模拟电压正比于输入的数字量D。2020/2/15微机保护基础知识24模数转换器回路逻辑•较快的二分逼近方法，N位转换器只要比较N次，比较的次数与输入模拟量的值无关。置数选择逻辑SARD/A比较器+-时钟U*(t)uDUR采样电压A数字量D2020/2/15微机保护基础知识25（1）VFC转换器的基本原理3.2.2基于VFC转换的数据采集系统)f(uO0f(b))t(ui0t(a)0(c)nDtVFC计数器uin(t)Dn至CPUuo(t)VFC的脉冲输出频率正比于输入电压幅值，对脉冲的计数就完成了对电压幅值的测量。2020/2/15微机保护基础知识26可见，输入模拟电压uin变换成一串等幅脉冲，而等幅脉冲Uo(f)的频率与输入电压成正比。-+A1R2SUin-uRR1-+A2脉冲发生器计数器定时器CUo(f)数据输出Ua0tUo0tt1t2t反充电充电T0T2020/2/15微机保护基础知识27根据反充电与充电电荷平衡原理：输出频率Rin021UUT=TRRin2OinR01UR1f===KUTUTR(3—1)(3—2)可见，输出频率fo反应了输入电压Uin的大小。Uifo0O.maxfin.maxUin.maxU2O.maxf22020/2/15微机保护基础知识28须注意这里读数与输入电压没有对应关系，不能用于数值计算。VFC数据采集系统的工作分析VFC输出至计数器，CPU每隔KTs读数为RD1、RD2……RDk。每隔KTs对输出脉冲的计数，实质上是在此期间内对f的积分。在某段时间内的计数值就是这段时间对频率的积分值。2020/2/15微机保护基础知识29假设RDk、RDK-N分别为tK和tK-N时刻的读数，则这段时间内的计数值DK为：可见，两次读数之差即为采样值，可用于计算。采样值DK反应了uin(t)在KTS~（K-N）TS的积分面积。SSSSKTKTKKK-Nfin(K-N)T(K-N)TD=RD-RD=fdt=Ku(t)dt2020/2/15微机保护基础知识30令矩形面积=积分面积可见，DK反应了τ时刻的输入电压uin(τ)。于是，1）因uin(τ)在NTs时间段保持不变，故可通过增加数据窗长度NTs，来提高分辨率；2）DK反应了某段时间的积分值，所以具有滤除高频分量的作用。[()]SSKNTKTuin(t)t0(K-N)TSKTS2020/2/15微机保护基础知识31分辨率举例332101000150010相当于10位A/D转换器的分辨率1021024计数脉冲最高频率为500kHZ，计数时间为2ms则，当输入电压为最大值时，计数值为2020/2/15微机保护基础知识32分辨率举例12332108.19250010sms这样就造成比较大的误差计数脉冲最高频率为500kHZ，要达到12位A/D转换器的分辨率2020/2/15微机保护基础知识33查询方式数据采集系统与微机接口•靠CPU查询AD转换是否结束•AD转换结束向CPU发出中断请求•AD转换结果直接存入内存中断方式DMA2020/2/15微机保护基础知识34开关量输入回路PA08255SR5V电平接点，如键盘等3.3开关量输入输出回路原理•电平接点直接接入并行口•外部接点要采取抗干扰措施，如光耦的隔离不带电位的接点（QF位置、跳闸等）、逻辑电平（键盘、信号）。PA08255S5V+24V-24V光耦R1R3R2R4外部接点接入，如QF等2020/2/15微机保护基础知识35开关量输出回路•电平接点并行口直接输出•外部接点要采取抗干扰措施，如光耦隔离、防止误输出PA08255R电平接点，如发光二极管D+24V光耦KR8255PB0PB15V&&Y2Y12020/2/15微机保护基础知识36数字滤波器3.4微机保护算法•计算精度•响应时间•运算量继电器算法内容评价指标2020/2/15微机保护基础知识373.4.1离散系统及其分析方法输入输出都是离散时间信号（时间上不连续的一