第五讲微机保护的数据采集系统

第五讲微机保护数据采集系统微机继电保护举例微机保护的结构CPU板一、概述微机保护的硬件构成由三部分组成1、模拟量输入系统（数据采集系统）：电压形成、模拟滤波、采样保持(S/H)、多路转换(MPX)以及模数转换(A/D)，完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量2、CPU主系统：微处理器(MPU)、只读存储器(ROM)或闪存内存单元(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、定时器、并行以及串行接口等。MPU执行编制好的程序，以完成各种继电保护测量、逻辑和控制功能3、开关量（数字量）输入/输出系统：并行接口(PIA或PIO)、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，完成保护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话等功能微机保护的硬件构成A/DMPUFLASHRAM定时器出口电路并行接口电压形成LPFS/H人机对话电压形成LPFS/H串行接口光电隔离多路转换开关)MPX)模拟量输入)由TA和TV二次侧来)光电隔离通信开关量输出（跳闸、信号）开关量输入打印机数据采集系统微型机系统输入/输出系统采样脉冲总线二、数据采集系统（模拟量输入系统）（一）电压形成回路微机保护要从被保护电力线路的电流互感器、电压互感器取得电流、电压信息，必须把这些电流互感器、电压互感器的二次电流、电压（5A或1A、100V）进一步变换降低为±5V或±10V范围内的电压信号，供微机保护的模数转换芯片使用。电压形成回路（1）输入电压的电压形成回路把一次电压互感器输出的二次额定100V电压变换成最大±5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用。可以采用电压变换器实现。（2）输入电流的电压形成回路把一次电流互感器输出的二次额定5A/1A电流变换成最大±5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用。可以采用电流变换器或电抗变换器实现。1、输入电压的电压形成回路通过电压变换器实现，即一种变压器（但是，原边与付边之间应当设置一个屏蔽层，提高抗共模干扰的能力）。电压变换器（TV）1::21nUUW1屏蔽层共模干扰源（a)共模干扰源ZfZgZLC1C2（b)W22、输入电流的电压形成回路，有以下2种方法实现（1）电抗变换器电抗变换器是一种铁心中有气隙的变压器。优点是铁心不易饱和，线性变换范围大。缺点是阻止直流、放大高频分量，使二次侧电压波形发生严重畸变。（2）电流变换器电流变换器是一种铁心闭合无气隙的变压器。优点是当铁心不饱和时，二次电流波形与一次侧相同。缺点是在电流非周期分量作用下容易饱和，线性度差。微机保护中一般采用电流变换器。Z是模数转换器的输入阻抗；是二次侧并联电阻，很小。LHR输出电压niRiRuLHLH122（二）采样保持电路和模拟低通滤波器1、采样保持电路的作用及原理采用保持电路（S/H），作用是采集模拟输入电压在某一时刻的瞬时值，并在模数转换器进行转换期间保持输出电压不变，以供模数转换。usct采样信号t信号t采样脉冲TCTSt保持信号采样和阻抗变换器I阻抗变换器IIusrASCh逻辑输入(a)(b)TCTS采样保持电路：输入电压：输出电压：sruscuscusru采用保持电路输出了一个阶梯电压波形。在保持阶段无论何时进行模数转换，都反映了采样值。2、对采样保持电路的要求a）截获时间（Tc）尽量短，以便采用很短采样脉冲。b）保持时间长，在保持期间输出电压变化小。c）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。采样保持电路的典型芯片输出R5AS3874ChA2A1A3模拟量输入逻辑输入1LF398(a)26sruscuHS/+U-UR1R21245Ch6783“1”采样“0”保持(b)sruscu3、模拟低通滤波器电力系统故障初期，电流、电压中可能含有相当高的频率分量（如2kHZ以上）。而目前大多数微机保护原理都是反映50HZ工频分量的。因此，在采样保持前用一个模拟低通滤波器把高频分量过滤掉，防止高频分量混叠到工频来。最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。RRCCkR3.4其中FC1.0（三）模拟量多路转换开关当需要对多个模拟量进行模数变换时，由于模数转换器（A/D转换器）的价格较贵，通常不是每个模拟量输入通道设置一个A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经过多路转换开关切换。ENA0A1A2A3译码/驱动AS16A16A1输出USS(-15V)AS1UPP(+15V)16路多路转换开关输入模拟量通道：A1～A16;输出模拟量通道：输出控制由四个路数选择线来控制。模拟量多路转换开关的应用。模拟量多路转换开关（MPX）中最重要的部分是电子开关AS，它是用数字电子逻辑控制模拟信号通、断的一种电路，通常是由双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（J-FET）或金属氧化物半导体场效应管（MOS-FET）等类型组成的电子开关。（四）模数转换器1、模数转换器的一般原理模数转换器（A/D转换器，或简称ADC）是实现计算机控制的关键技术，是将模拟量转变成计算机能够识别的数字量的桥梁。模数转换器是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。模数转换器把输入的模拟量相对于模拟参考转化srURU成数字量D输出，输出数字量D和输入模拟量之间关系式为：srURsrUUD，其中是模拟参考电压，一般RUsrRUUD是小于1的二进制数，nnBBBD2222211D是一个n位二进制数字。)222(2211nnRRsrBBBUDUU模数转换器的工作原理把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。以kTs时刻为例分析：VkTus2.1)()(321011010011)(十六进制（二进制）Dku该时刻瞬时电压值转变为数字量2、数模转换器的一般原理数模转换器（D/A转换器，或简称DAC）是把数字量D转变成模拟电压或电流输出。模数转换器中一般都要用到数模转换器。输入数字量：nnBBBD2222211，上图n=4。输出模拟电压：DRRUuFRsc，正比于输入数字量D。3、逐次逼近式模数转换器的工作原理数模转换器的工作过程：通过并行接口向16位D/A转换器试探性送数。每送一次数，微型机通过读取PA0端口的状态判断试送的16位数相对于模拟输入量是偏大还是偏小。如果偏大，则减小试送的16位数，直至找到最相近的二进制数，这个16位二进制数就是A/D转换器的输出结果。试探送数采样逐次逼近的二分搜索法。双极性模拟量的模数转换双极性模拟量：正、负极性变化的模拟量。为了实现对双极性模拟量的模数转换，需要设置一个直流偏置量，其值为最大允许输入量的一半。以输入双极性电压最大范围为5V的模数转换器为例。以上A/D转换器的位数是16位。最高位是符号位，有效位只有后面的15位。一个n位的A/D转换器，其十进制数的范围是)12(~211nn模数转换的溢出模数转换器的溢出：输入模拟电压超过了模数转换器的最大允许输入电压。maxU模数转换器的溢出可能有两种情况：（1）平顶溢出，危害不大。（2）清零溢出，危害很大。4、A/D转换器举例以模数转换器AD7665为例进行分析。数模转换器AD7665是一种逐次逼近型的16位快数数模转换器，转换速率是500kSPS（SamplesPerSecond），即进行一次模数转换的时间为1/500K=2uS。A/D7665模数转换器是由AnalogDevices公司生产。芯片外观芯片内部结构示意图5、A/D转换器与微型机的接口模数转换器AD7665的模数转换功能必须由微型机执行软件程序来控制，即微型机通过总线控制模数转换器AD7665。模数转换器AD7665与微型机的接口如下图所示。6、微机保护对A/D转换器的主要要求（1）转换位数（分辨率），通常用数字量的位数来表示。（2）转换时间（转换频率），A/D转换器进行模数转换的时间，其转换频率为。ADtADADtf/11）转换位数（分辨率），即数字量的位数。当用有限位数的二进制数来表示连续的模拟量瞬时值，不可避免地要舍去比最低位（LSB）更小的数，从而引入一定误差。对于一个n位的A/D转换器，其量化误差其中，是A/D转换器最大允许输入的正电压。max121UqnmaxU2）转换时间，影响A/D的最高采样频率。（五）VFC型数据采集系统电压频率转换器VFC（VoltageFrequencyConverter）是另一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。（1）VFC的工作原理VFC把输入的交流模拟电压量转变为脉冲信号输出。输出脉冲信号的频率与输入电压成正比。)(tusr)(0tu)(0tu)(tf)(tusr)()(tuKtfsrV是常数。srRRVRTERK0VFC的工作原理电压频率转换器VFC输出脉冲方波的频率和输入交流模拟电压信号的大小成正比，即：)(tf)(tusr)()(tuKtfsrV在一段时间（采样时间）内，对VFC输出的脉冲方波进行计数（即计算上升沿的个数），得到数字量D。则该数字量D和输入模拟信号之间的关系是：sT)(tusrsssTttsrVTttsrVTttduKduKdfD)()()(当采样时间很小时，且输入模拟信号中没有高频分量时，可以认为在采样时间内输入模拟电压也不变。则有：sT)(tusr)()()(tuKTtuKdtuKDsrVssrVTttsrVs所以最终输出的数字量D也正比于输入的模拟信号。)(tusr)(tuKDsrVVFC的分辨率与采样频率的关系分辨率一般用VFC转换器输出的数字量D的位数来衡量。VFC输出的位数取决于两个因素：①VFC输出脉冲的最高频率；②采样间隔Ts的大小和积分间隔个数N。VFC转换器输出的最大数字量最高频率之间关系为：VFCfmaxDVFCfsVFCsVFCffNNTfDmax以最高频率4MHz为例分析：取Ts＝5/3mS，N=1其最大输出数字量为：6667)1035(104104366maxSNTD这个数字量相当于12.7位的A/D输出。（2）VFC型数据采集系统的特点VFC型数据采集系统结构简图如下所示。可见与普通A/D型的数据采集系统是不一样的。VFC光电耦合计数器电压形成VFC光电耦合计数器计数器计数器模块1模块NTVTA二次侧模拟量信号共享电压形成VFC型数据采集系统的特点：①有低通滤波的作用，可以大大抑制噪声；普通A/D转换器是对模拟量瞬时值进行转换，而VFC型数据采集系统是对模拟量的连续积分，具有低通滤波作用，并可大大抑制噪声。②抗干扰能力强，在VFC数据采集系统的输出端和CPU主系统的计数器之间接入光电耦合器；③输出数字量D的位数可调；④与微型机的接口简单；⑤可实现多微机共享数据采集；⑥易于实现同步采样；⑦但不适用于高频采样。三、开关量输入及输出回路（一）光电耦合器光电耦合器：把发光器件和光敏器件组合在一起，实现以光信号为媒介的电信号变换。由于发光器件和光敏器件之间相互绝缘，所以可以实现输入和输出两侧电路之间的电气隔离。在微机保护中常用光电耦合器来输入或输出开关量信号。（二）开关量输入回路开关量：即接点状态信号，接通或断开（识别外部条件）。对微机保护装置的开关量输入可以分为2类：（1）安装在装置面板上的接点信号输入；如用于人机对话的键盘上的接点信号。这类信号可以直接接至微型机的并行口。（2）从装置外部经过端子排引入的接点信号输入；如保护屏上的各种硬压板、转换开关等。为了抑制干扰，这类接点必须要经过光电耦合器进行电气隔离，然后接至并行口。+5V+220V-220VK2PA0并行接口PA0并行接口+5VK1（三）开关量输出回路需要输出的开关量（开出量）：保护的跳闸信号、通信接口。1、通信接口（包括打印机接口）可用一个并行口来控制输出数字信号。输出回路中也加光电耦合器，提高抗干扰能力。+5VPB0并行接口+5VPA0输出数字信号输入数字信号将并行接口的PA口设置为输出方式；将PB口设置为输入方式。在开关