微机保护的数据采集系统学习教案.pptx

会计学1微机保护微机保护(boh)的数据采集系统的数据采集系统第一页，共36页。微机保护(boh)的结构CPU板板第2页/共36页第二页，共36页。一、一、一、一、概述概述概述概述(i sh)(i sh)(i sh)(i sh)微机保护微机保护微机保护微机保护(boh)(boh)(boh)(boh)的硬件构成由三部分组成的硬件构成由三部分组成的硬件构成由三部分组成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(gngnng)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(gngnng)第3页/共36页第三页，共36页。微机保护微机保护(boh)(boh)的硬件构成的硬件构成第4页/共36页第四页，共36页。二、二、二、二、数据采集系统数据采集系统数据采集系统数据采集系统(xtng)(xtng)(xtng)(xtng)（模拟量输入系统（模拟量输入系统（模拟量输入系统（模拟量输入系统(xtng)(xtng)(xtng)(xtng)）（一）电压（一）电压（一）电压（一）电压(diny)(diny)(diny)(diny)形成回路形成回路形成回路形成回路 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(zhxi)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。第5页/共36页第五页，共36页。电压形成(xngchng)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(mn)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(mn)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。第6页/共36页第六页，共36页。1、输入电压(diny)的电压(diny)形成回路 通过电压(diny)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(diny)变换器（TV）第7页/共36页第七页，共36页。2 2 2 2、输入电流的电压形成回路，有以下、输入电流的电压形成回路，有以下、输入电流的电压形成回路，有以下、输入电流的电压形成回路，有以下2 2 2 2种方法种方法种方法种方法(fngf)(fngf)(fngf)(fngf)实现实现实现实现（1）电抗变换器 电抗变换器是一种(y zhn)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(y zhn)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(bnglin)电阻，很小。输出电压第8页/共36页第八页，共36页。（二）采样保持（二）采样保持（二）采样保持（二）采样保持(boch)(boch)(boch)(boch)电路和模拟低电路和模拟低电路和模拟低电路和模拟低通滤波器通滤波器通滤波器通滤波器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(zhunhun)器 进 行 转 换(zhunhun)期 间 保 持 输 出 电 压 不 变，以 供 模 数 转 换(zhunhun)。采样保持电路(dinl)：输入电压：输出电压：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。第9页/共36页第九页，共36页。2、对采样保持电路的要求 a）截获(jihu)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(ci yn)保持电路的典型芯片第10页/共36页第十页，共36页。3 3 3 3、模拟、模拟、模拟、模拟(mn)(mn)(mn)(mn)低通滤低通滤低通滤低通滤波器波器波器波器 电力系统故障初期(chq)，电流、电压中可能含有相当高的频率分量（如2 kHZ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。其中(qzhng)第11页/共36页第十一页，共36页。（三）模拟量多路转换开关（三）模拟量多路转换开关（三）模拟量多路转换开关（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(tngdo)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。16路多路转换开关输入模拟量通道：A1A16;输出模拟量通道：输出控制(kngzh)由四个路数选择线来控制(kngzh)。第12页/共36页第十二页，共36页。模拟量多路转换开关的应用(yngyng)。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(lu j)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。第13页/共36页第十三页，共36页。（四）模数转换器（四）模数转换器（四）模数转换器（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(shbi)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(mn)量 相对于模拟(mn)参考 转化成数字(shz)量D输出，输出数字(shz)量D和输入模拟量 之间关系式为：，其中 是模拟参考电压，一般D是小于1的二进制数，D是一个n位二进制数字。第14页/共36页第十四页，共36页。模数转换器的工作(gngzu)原理把连续(linx)的模拟信号转变为离散的数字信号。以kTs时刻(shk)为例分析：该时刻瞬时电压值转变为数字量第15页/共36页第十五页，共36页。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(diny)或电流输出。模数转换器中一般都要用到数模转换器。输入(shr)数字量：，上图n=4。输出模拟(mn)电压：，正比于输入数字量D。第16页/共36页第十六页，共36页。3、逐次逼近式模数转换器的工作(gngzu)原理 数模转换器的工作(gngzu)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。第17页/共36页第十七页，共36页。双极性模拟量的模数转换双极性模拟量：正、负极(fj)性变化的模拟量。为了实现(shxin)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(shr)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第18页/共36页第十八页，共36页。模数转换的溢出(y ch)模数转换器的溢出：输入模拟电压(diny)超过了模数转换器的最大允许输入电压(diny)。模数转换器的溢出可能有两种情况(qngkung)：（1）平顶溢出，危害不大。（2）清零溢出，危害很大。第19页/共36页第十九页，共36页。4、A/D转换器举例(j l)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(bjn)型的16位快数数模转换器，转换速率是500kSPS（Samples Per Second），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 Analog Devices 公司(n s)生产。芯片外观芯片内部结构示意图第20页/共36页第二十页，共36页。5、A/D转换器与微型机的接口(ji ku)模数转换器AD7665的模数转换功能(gngnng)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。第21页/共36页第二十一页，共36页。6 6 6 6、微机保护对、微机保护对、微机保护对、微机保护对A/DA/DA/DA/D转换器的主要转换器的主要转换器的主要转换器的主要(zhyo)(zhyo)(zhyo)(zhyo)要求要求要求要求（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(shjin)（转换频率），A/D转换器进行模数转换的时间(shjin)，其转换频率为 。1）转换(zhunhun)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。2）转换时间，影响A/D的最高采样频率。第22页/共36页第二十二页，共36页。（五）（五）（五）（五）VFCVFCVFCVFC型数据采集型数据采集型数据采集型数据采集(cij)(cij)(cij)(cij)系统系统系统系统 电压频率(pnl)转换器VFC（Voltage Frequency Converter）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(pnl)与输入电压的大小成正比。（1）VFC的工作(gngzu)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。是常数。第23页/共36页第二十三页，共36页。VFC的工作(gngzu)原理 电压频率转换器VFC输出脉冲方波的频率 和输入(shr)交流模拟电压信号 的大小成正比，即：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(shr)模拟信号 之间的关系是：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：所以最终输出的数字量D也正比于输入的模拟信号 。第24页/共36页第二十四页，共36页。VFCVFC的分辨率与采样频率的分辨率与采样频率的分辨率与采样频率的分辨率与采样频率(pnl)(pnl)的关系的关系的关系的关系 分辨率一般(ybn)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：VFC输出脉冲的最高频率 ；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(pnl)之间关系为：以最高频率4MHz为例分析：取Ts5/3mS，N=1其最大输出数字量为：这个数字量相当于12.7位的A/D输出。第25页/共36页第二十五页，共36页。（2）VFC型数据采集型数据采集(cij)系统的特点系统的特点 VFC型数据采集系统型数据采集系统(xtng)结构简图如下所示。可见与普通结构简图如下所示。可见与普通A/D型的数据采集系统型的数据采集系统(xtng)是不一样的。是不一样的。第26页/共36页第二十六页，共36页。VFC型数据型数据(shj)采集系统的特点：采集系统的特点：有低通滤波的作用，可以大大抑制噪声；有低通滤波的作用，可以大大抑制噪声；普通普通A/D转换器是对模拟量瞬时值进行转换，而转换器是对模拟量瞬时值进行转换，而VFC型数据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。制噪声。抗干扰能力强，在抗干扰能力强，在VFC数据采集系统的输出端和数据采集系统的输出端和CPU主系主系统的计数器之间接入光电耦合器；统的计数器之间接入光电耦合器；输出数字量输出数字量D的位数可调；的位数可调；与微型机的接口与微型机的接口(ji ku)简单；简单；可实现多微机共享数据采集；可实现多微机共享数据采集；易于实现同步采样；易于实现同步采样；但不适用于高频采样。但不适用于高频采样。第27页/共36页第二十七页，共36页。三、三、三、三、开关量输入及输出开关量输入及输出开关量输入及输出开关量输入及输出(shch)(shch)(shch)(shch)回路回路回路回路（一）光电耦合器（一）光电耦合器（一）光电耦合器（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。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。在微机输出两侧电路之间的电气隔离。在微机(wi j)保护中常用光电耦合保护中常用光电耦合器来输入或输出开关量信号。器来输入或输出开关量信号。第28页/共36页第二十八页，共36页。（二）开关量输入（二）开关量输入(shr)(shr)回路回路 开关开关(kigun)量：即接点状态信号，接通或断开（识别外部条件）。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对微机保护装置的开关(kigun)量输入可以分为量输入可以分为2类：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）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。这类信号可以直接点信号。这类信号可以直接(zhji)接至微型机的并行口。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）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。电气隔离，然后接至并行口。第29页/共36页第二十九页，共36页。（三）开关（三）开关(kigun)(kigun)量输出回路量输出回路 需要输出的开关(kigun)量（开出量）：保护的跳闸信号、通信接口。1、通信接口（包括(boku)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。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。在开关量输出回路中加入光电耦合器，实现两侧电气回路的电气隔离，同时可以进行不同逻辑电平的转换。并行接口侧的电源电压是5V，而右侧输入回路中电源电压可以是24V或其它电压等级。第30页/共36页第三十页，共36页。2、保护的跳闸出口信号 对于保护跳闸出口信号（及本地(bnd)信号）的输出，一般采样并行口经过光电耦合器控制继电器的方式。对于重要的保护跳闸出口信号，为了防止误发信号，还需要增加与非门环节。第31页/共36页第三十一页，共36页。四、四、四、四、DSP DSP DSP DSP技术技术技术技术(jsh)(jsh)(jsh)(jsh)的应用的应用的应用的应用数字信号处理器（DSP，即Digital Signal Processor）是进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生(chnshng)的新器件。DSP的特点：1、哈佛结构，获得高速运算能力。浮点运算90亿次/S。2、采样流水线技术，保证取指令和执行支路同时进行。3、具有独立的硬件乘法器。4、具有多处理器接口。DSP具有强大、快速的数据处理能力和定点、浮点运算功能，因此将DSP融合到微机保护中，将大大提高微机保护的性能。第32页/共36页第三十二页，共36页。五、网络化硬件五、网络化硬件五、网络化硬件五、网络化硬件(yn jin)(yn jin)(yn jin)(yn jin)结构结构结构结构将网络技术、智能化输入/输出（I/O）技术引入微机保护装置内部硬件电路设计，使内部模块之间连接(linji)简单、方便，并获得良好的可扩展性、升级特性，并可提高抗干扰能力。第33页/共36页第三十三页，共36页。定义：是指一组事先约定了结构与通信(tng xn)方式的并行信息连接线，其特点是对插座的每一根引线的意义和物理位置都作了严格的规定，与之相关的插件都需按总线规约设计并通过总线传递信息网络形式网络形式(xngsh)(xngsh)的插件结构的插件结构优点：（1）互换性强（2）按照标准总线规约(guyu)设计，得到在数据、地址、控制线之间的合理布置，避免引线间的相互干扰。第34页/共36页第三十四页，共36页。典型插件式结构一般采用配线形式进行连接。定义：不再遵循总线规约，每根引线的意义以及信号时序要求根据实际电路确定，引线的物理位置也不作硬性规定。优点：（1）各印制板引出线可根据需要引出，引线数目可减少，从而可采用总线数较少的插座，这对提高可靠性有利（2）印制板布线可就近上插头，可简化布线和减少布线长度，这对降低板上相互干扰有利（3）插座间连线可实现软连接，这样在插拔时有一定缓冲作用，这对改善接触和减少插拨磨损(m sn)有利（4）目前软连接线与插座相连时所采用的卷绕工艺，运行经验表明其可靠性较高典型典型(dinxng)(dinxng)插件式结构插件式结构第35页/共36页第三十五页，共36页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第36页/共36页第三十六页，共36页。