微机保护(1)...ppt

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1、第一章第一章 微机保护的硬件原理微机保护的硬件原理微机保护的硬件构成：微机保护的硬件构成：三大部分三大部分 1 1、模拟量输入系统（数据采集系统）：、模拟量输入系统（数据采集系统）：2 2、CPUCPU主系统：主系统：3 3、开关量（数字量）输入、开关量（数字量）输入/输出系统：输出系统：1 11 1 概述概述微机保护的硬件构成微机保护的硬件构成一、电压形成回路一、电压形成回路 作作用用：把把外外部部TATA、TVTV的的二二次次电电流流、电电压压（5A5A或或1A1A、100V100V）进进一一步步变变换换降降低低为为5V5V或或10V10V范范围围内内的的电电压压信信号号，供供微机保护的模

2、数转换芯片使用。微机保护的模数转换芯片使用。1 12 2 数据采集系统数据采集系统 （模拟量输入系统）（模拟量输入系统）电压形成回路电压形成回路（1 1）交流电压的电压形成回路）交流电压的电压形成回路 采用采用 电压变换器电压变换器。（2 2）交流电流的电压形成回路）交流电流的电压形成回路 采用采用 电流变换器电流变换器 或或 电抗变换器电抗变换器。（一）输入电压的电压形成回路（一）输入电压的电压形成回路 通通过过电电压压变变换换器器实实现现，即即一一种种变变压压器器（但但是是，原原边边与与付边之间应当设置一个屏蔽层，提高付边之间应当设置一个屏蔽层，提高抗共模干扰抗共模干扰的能力）。的能力）。

3、电压变换器（电压变换器（TV）优点优点:铁心不易饱和，线性变换范围大铁心不易饱和，线性变换范围大;阻止直流。阻止直流。缺点缺点:放大高频分量，使二次侧电压波形发生严重畸变。放大高频分量，使二次侧电压波形发生严重畸变。（二）输入电流的电压形成回路二）输入电流的电压形成回路（2 2种方法）种方法）（1 1）电抗变换器）电抗变换器 电抗变换器是一种铁心中有气隙的变压器。电抗变换器是一种铁心中有气隙的变压器。（2 2）电流变换器）电流变换器 电流变换器是一种铁心闭合无气隙的变压器。电流变换器是一种铁心闭合无气隙的变压器。微机保护中一般采用电流变换器。微机保护中一般采用电流变换器。Z 是模数转换器的输入

4、阻抗；是模数转换器的输入阻抗；是二次侧并联电阻，很小。是二次侧并联电阻，很小。输出电压输出电压（2 2）电流变换器）电流变换器优点优点:当铁心不饱和时，二次电流波形与一次侧相同。当铁心不饱和时，二次电流波形与一次侧相同。缺点缺点:在电流非周期分量作用下容易饱和，线性度差。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微机保护中一般采用电流变换器。（一）采样保持电路的作用及原理（一）采样保持电路的作用及原理 采采用用保保持持电电路路（S/HS/H），作作用用是是采采集集模模拟拟输输入入电电压压的的瞬瞬时时值，并在一定时间内保持输出电压不变，以供模数转换。值，并在一定时间内

5、保持输出电压不变，以供模数转换。输入电压：输入电压：输出电压：输出电压：采样保持电路输采样保持电路输出一个阶梯电压波出一个阶梯电压波形。形。二、采样保持电路和模拟低通滤波器二、采样保持电路和模拟低通滤波器（二）对采样保持电路的要求（二）对采样保持电路的要求 a a）截获时间（截获时间（TcTc）尽量短。尽量短。b b）保持时间长，在保持期间输出电压变化小。保持时间长，在保持期间输出电压变化小。c c）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。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采样保持电路的典型芯片原理图 电力系统故障初期，电流、电压中可能含有相当高

6、的频率分电力系统故障初期，电流、电压中可能含有相当高的频率分量（如量（如2 kHz以上）。而目前大多数微机保护原理都是反映以上）。而目前大多数微机保护原理都是反映50Hz工频分量工频分量的。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。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最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。低通滤波器。（三）模拟低通滤波器（三）模拟低通滤波器采样定理：采样定理：为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频

7、率的于模拟信号频谱中最高频率的2倍。倍。f s2f max 由于模数转换器（由于模数转换器（A/D转换器）的价格较贵。转换器）的价格较贵。三、模拟量多路转换开关三、模拟量多路转换开关 模拟量多路转换开关（模拟量多路转换开关（MPX）中最重要的部分是电子开关中最重要的部分是电子开关AS，它是用它是用数字电子逻辑数字电子逻辑控制模拟信号通、断的一种电路控制模拟信号通、断的一种电路.通常是由双极型晶体管（通常是由双极型晶体管（BJT）、）、结型场效应晶体管（结型场效应晶体管（J-FET）或金属氧化物半导体场效应管（或金属氧化物半导体场效应管（MOS-FET）等类型组成等类型组成的电子开关。的电子开关

8、。16路多路转换开关路多路转换开关输入模拟量通道：输入模拟量通道：A1A16;输出模拟量通道：输出输出模拟量通道：输出控制由四个控制由四个路数选择线路数选择线来控制。来控制。AD7506-AD7506-内部电路组成框图内部电路组成框图速度要求适中，速度要求适中，经济经济快快速速采采样样，成成本高。本高。A/D电压形成电压形成LPFS/H电压形成电压形成LPFS/H多多路路转转换换开开关关)MPX)电电压压、电电流流采样脉冲计计算算机机A/D电压形成电压形成LPFS/H电压形成电压形成LPFS/H电电压压、电电流流采样脉冲计计算算机机A/D 满足同时测量的数据采集系统有如下几种的构成示意图。满足

9、同时测量的数据采集系统有如下几种的构成示意图。分组方式，分组方式，兼顾速度要求和成本。兼顾速度要求和成本。A/D电压形成电压形成LPFS/H电压形成电压形成LPFS/H电电压压、电电流流计计算算机机转转换换开开关关A/D电压形成电压形成LPFS/H电压形成电压形成LPFS/H转转换换开开关关采样频率的选择原则：采样频率的选择原则：1 1）满足采样定理。）满足采样定理。2 2）考虑保护的原理和算法要求）考虑保护的原理和算法要求 3 3）考考虑虑硬硬件件的的速速度度问问题题：要要求求在在采采样样间间隔隔之之内内完完成成A/DA/D转换转换、数据的读取和存储数据的读取和存储，并留出裕度。，并留出裕度

10、。（一）（一）模数转换器的一般原理模数转换器的一般原理 模数转换器（简称模数转换器（简称ADAD,或或ADCADC），是实现计算机控制的关键是实现计算机控制的关键。输输入的模入的模拟量：拟量：输输出数出数字量：字量：，其中，其中 是模拟参考电压，一般是模拟参考电压，一般D是小于是小于1的二进制数，的二进制数，一一个个n位二进位二进制数制数四、模数转换器四、模数转换器量化误差：量化误差：?（二）（二）数模转换器数模转换器 模数转换器中一般都要用到数模转换器。模数转换器中一般都要用到数模转换器。输入数字量：输入数字量：，上图，上图 n=4。输出模拟电压：输出模拟电压：，正比于输入数字量，正比于输入

11、数字量D。（三）逐次逼近式模数转换器的工作原理（三）逐次逼近式模数转换器的工作原理 试探送数采用逐次逼近的试探送数采用逐次逼近的二分搜索法二分搜索法。第一步，试探最高位第一步，试探最高位:先先取取1 1，其余位取，其余位取0 0,若若PA0PA0为高电平，则最高位应当取为高电平，则最高位应当取?1 1；第二步，试送次高位；第二步，试送次高位；.最后一步最后一步,试送最低位。试送最低位。100010110001011101111000001000 0011001011101113 3 位转换器的位转换器的 二分搜索法二分搜索法 示意图示意图 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为

12、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。置量，其值为最大允许输入量的一半。上图中，输入电压的范围上图中，输入电压的范围？最大允许值？最小值？最大允许值？最小值？上图仅适用于单极性输入电压。上图仅适用于单极性输入电压。（0，UR）加偏置电压后输入双极性波形图加偏置电压后输入双极性波形图 2、加上偏置电压后，加上偏置电压后，A/D转换器的数字量输出实际反映的是转换器的数字量输出实际反映的是 ,减去同减去同U偏偏相应的数字量，就可得到与相应的数字量，就可得到与usr对应的数字量输出。对应的数字量输出。1、双极性接法时，允许的最大输入电压幅值比单极性时缩小一

13、半。、双极性接法时，允许的最大输入电压幅值比单极性时缩小一半。比较器比较器由D/A来输入u usrsr偏置电压 U偏A/DA/D转换的双极性连接图转换的双极性连接图RRR双极性模拟量的模数转换双极性模拟量的模数转换以输入双极性电压最大范围为以输入双极性电压最大范围为 5V的模数转换器为例。的模数转换器为例。以上以上A/D转换器的位数是转换器的位数是16位。位。最最高位是符号位，有效位只有后面的高位是符号位，有效位只有后面的15位。位。模数转换的溢出模数转换的溢出 输入模拟电压超过了模数转换器的最大允许输入电压输入模拟电压超过了模数转换器的最大允许输入电压 。模模数转换器的溢出可能有两种情况：数

14、转换器的溢出可能有两种情况：（1）平顶溢出，危害不大。）平顶溢出，危害不大。（2）清零溢出，危害很大。）清零溢出，危害很大。（四）（四）A/D转换器举例转换器举例 A/D7665模数转换器是由模数转换器是由 Analog Devices 公司生产。公司生产。芯片外观芯片外观芯片内部结构示意图芯片内部结构示意图（五）（五）A/DA/D转换器与微型机的接口转换器与微型机的接口 模数转换器模数转换器AD7665AD7665与微型机的接口如下图所示。与微型机的接口如下图所示。2）转换时间（转换频率）。）转换时间（转换频率）。A/D转换器进行模数转换的转换器进行模数转换的时间时间 ，其转换频率为，其转换

15、频率为 。1）转换位数（分辨率）转换位数（分辨率），即输出数字即输出数字量的位数。量的位数。对于一个对于一个n位的位的A/D转换器，其量化误差转换器，其量化误差 其中，其中，是是A/D转换器最大允许输入的正电压。转换器最大允许输入的正电压。（六）微机保护对（六）微机保护对A/DA/D转换器的主要要求转换器的主要要求微机保护的硬件构成微机保护的硬件构成（Voltage Frequency Converter）（1）VFC的工作原理的工作原理五、五、VFCVFC型数据采集系统型数据采集系统T0TtU UC C是是常数。常数。T T0 0设计电路要求设计电路要求VFC VFC 的的 工作原理工作原理

16、VFC的工作原理的工作原理 在一段时间（采样时间）在一段时间（采样时间）内，得到数字量内，得到数字量D:当采样时间当采样时间 很小时，可认为该时间内输入模拟电压很小时，可认为该时间内输入模拟电压 不不变。则有：变。则有：所以最终输出的数字量所以最终输出的数字量D也正比于输入的模拟信号也正比于输入的模拟信号 。分辨率一般用分辨率一般用VFC转换器输出的数字量转换器输出的数字量D的位数来衡量。的位数来衡量。VFC输出的位数取决于两个因素：输出的位数取决于两个因素：（1）VFC输出脉冲的最高频率输出脉冲的最高频率 ；（2）采样间隔）采样间隔Ts 的大小和积分间隔的大小和积分间隔N的大小。的大小。VF

17、C转换器输出的最大数字量转换器输出的最大数字量 最高频率最高频率 之间关系为：之间关系为：VFCVFC的分辨率与采样频率的关系的分辨率与采样频率的关系（2）VFC型数据采集系统的特点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。可见与普通型数据采集系统结构简图如下所示。可见与普通A/D型型的数据采集系统是不一样的。的数据采集系统是不一样的。VFC型数据采集系统的特点：型数据采集系统的特点：（1）有）有低通滤波低通滤波的作用，可以大大抑制噪声；的作用，可以大大抑制噪声；（2）抗干扰能力强抗干扰能力强；（3）输出数字量）输出数字量D的位数可调；的位数可调；（4）与微型机的接口简单与微

18、型机的接口简单；（5）可实现多微机共享数据采集；）可实现多微机共享数据采集；（6）易于实现同步采样；）易于实现同步采样；（7）不适用于高频采样不适用于高频采样。一、光电耦合器一、光电耦合器 光电耦合器：把光电耦合器：把发光器件发光器件和和光敏器件光敏器件组合在一起，实现以组合在一起，实现以光光信号为媒介信号为媒介的电信号变换。的电信号变换。可以实现输入和输出两侧电路之间的电气隔离。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。在微机保护中常用光电耦合器来输入或输出开关量信号。1 13 3 开关量输入及输出回路开关量输入及输出回路二、开关量输入回路二

19、、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）。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对微机保护装置的开关量输入可以分为2类：类：（1）安装在）安装在装置面板上装置面板上的接点信号输入，如键盘；的接点信号输入，如键盘；（2）从）从装置外部装置外部经过端子排引入的接点信号输入经过端子排引入的接点信号输入三、开关量输出回路：三、开关量输出回路：（一）通信接口（包括打印机接口）（一）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。可用一个并行口来控制输出数字信号。电气隔离；电气隔离；电平的转换。电平的转换。（二）保护的跳闸出口（二）保护的跳闸出口,本地信号出口本地信号出口 和和 中央信号出口中央信号出口 出口回路的出口回路的典型工作情况：典型工作情况：1 1、一切正常；、一切正常；2 2、装置异常；、装置异常；3 3、系统短路；、系统短路；4 4、出口回路、出口回路 自检自检微机保护跳闸出口微机保护跳闸出口回路典型电路回路典型电路跳闸要满足的条件：跳闸要满足的条件：1 1、告警继电器、告警继电器K1K1不动；不动；2 2、起动继电器、起动继电器K2K2动作；动作；3 3、光电耦合器导通；、光电耦合器导通；4 4、持续时间大于、持续时间大于3ms3ms。