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2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 1 第一章微機(jī)保護(hù)的硬件原理 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 2 1 1概述 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 3 1 1概述 續(xù) 模擬量輸入系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 電壓形成 模擬濾波 采樣保持 s h 多路轉(zhuǎn)換 mpx 以及模數(shù)轉(zhuǎn)換 a d 完成將模擬輸入量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字量cpu主系統(tǒng) 微處理器 mpu 只讀存儲(chǔ)器 rom 或閃存內(nèi)存單元 flash 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 ram 定時(shí)器 并行以及串行接口等 mpu執(zhí)行編制好的程序 以完成各種繼電保護(hù)測量 邏輯和控制功能開關(guān)量 數(shù)字量 輸入 輸出系統(tǒng) 并行接口 pia或pio 光電隔離器件及有觸點(diǎn)的中間繼電器等組成 完成保護(hù)的出口跳閘 信號(hào) 外部接點(diǎn)輸入及人機(jī)對(duì)話等功能 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 4 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 一 電壓形成回路1 模擬量選取原則 以滿足保護(hù)功能為基本準(zhǔn)則2 作用與方案比較作用方案比較電抗變換器缺點(diǎn) 二次電壓波形將發(fā)生畸變優(yōu)點(diǎn) 線性范圍大 鐵芯不易飽和 有移相作用 抑制直流電流變換器優(yōu)點(diǎn) 線性范圍內(nèi) 波形相同且同相缺點(diǎn) 在非周期分量下容易飽和 線性度較差 動(dòng)態(tài)范圍小 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 5 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 一 電壓形成回路2 作用與方案比較3 電流互感器應(yīng)用注意事項(xiàng)變比的選擇u2 rlhi2 rlhi1 nlhrlhi1max nlh umax屏蔽層的作用 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 6 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 二 采樣保持電路和模擬低通濾波器 一 s h電路的作用及原理 s h電路的作用 s h電路的工作原理 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 7 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 二 對(duì)采樣保持電路的要求使ch上電壓按一定精度 例如誤差小于0 1 跟蹤上usr所需要的最小采樣寬度tc 或稱為截獲時(shí)間 對(duì)快速變化的信號(hào)采樣時(shí) 要求tc盡量短保持時(shí)間要長 通常用下降率來表示保持能力 模擬開關(guān)的動(dòng)作延時(shí) 閉合電阻和開斷時(shí)的漏電流要小 分析討論ch的選值 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 8 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) ch 0 01 f 三 采樣保持電路的典型芯片 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 9 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 四 采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用采樣頻率的選擇采樣頻率越高 要求cpu的速度越高采樣頻率過低將不能真實(shí)地反映被采樣信號(hào)的情況 采樣定理 采用低通濾波器 可以消除頻率混疊問題 從而降低采樣頻率消除頻率混疊問題后 采樣頻率的選擇基本取決于保護(hù)的原理和算法 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 10 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 四 采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用低通濾波器r 4 3k c 0 1 f 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 11 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 三 模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 一 模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用 二 mpx的工作過程 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 12 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 一 模數(shù)轉(zhuǎn)換的一般原理和分類一般原理 將輸入的模擬量ua相對(duì)于模擬參考量ur轉(zhuǎn)換成數(shù)字量d輸出 即 假定數(shù)字量d是小于1的數(shù) 則 分類 積分型 逐次逼近比較型 并行和流水線型等 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 13 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 二 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 dac或d a轉(zhuǎn)換器 作用工作原理 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 14 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 二 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 dac或d a轉(zhuǎn)換器 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 15 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 三 逐次逼近法模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 16 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 三 逐次逼近法模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理溢出問題 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 17 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 三 逐次逼近法模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理雙極性模擬信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 18 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 四 a d轉(zhuǎn)換器舉例ad7665是逐次逼近型的16位快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 速度為500ksps電源dvdd dgngovdd ogndavdd agndref refgnd模擬量輸入usr 10v 5v 2 5v0 10v 0 5v 0 2 5v 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 19 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 四 a d轉(zhuǎn)換器舉例方式選擇ob 2 outputbinary 2 scomplement warp impulseser serial parallel byteswap 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 20 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 控制信號(hào)reset read chipselect startconversion pd powerdown busy并行輸出方式的數(shù)據(jù)信號(hào)data15 data0 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 21 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 串行輸出方式的接口信號(hào)syncsclksdoutrderrordivsclkext invsyncinsclkrdc sdin 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 22 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 五 模數(shù)轉(zhuǎn)換器與微型機(jī)的接口 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 23 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 五 模數(shù)轉(zhuǎn)換器與微型機(jī)的接口初始化定時(shí)器中斷服務(wù)程序控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 將0通道連接到a d輸入端啟動(dòng)a d轉(zhuǎn)換查詢a d轉(zhuǎn)換是否結(jié)束讀取a d轉(zhuǎn)換結(jié)果 并按照一定格式存入循環(huán)寄存器中修改存數(shù)指針為下一個(gè)存數(shù)單元判斷本次采樣時(shí)刻的所有模擬量都轉(zhuǎn)換完畢否則通道號(hào)加1全部轉(zhuǎn)換結(jié)束后 判斷存數(shù)指針是否超出循環(huán)寄存器末地址 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 24 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 六 數(shù)據(jù)排隊(duì)與地址指針更新 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 25 四 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 七 微機(jī)保護(hù)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要要求轉(zhuǎn)換時(shí)間ts n tad tr tya d轉(zhuǎn)換的位數(shù)要求200倍的精度范圍 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 26 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬量輸入系統(tǒng) 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)一計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖頻率為f 計(jì)數(shù)時(shí)間為 t 則在 t內(nèi)加入計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)目為n n f t 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 27 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 一 vfc工作原理1 直流輸入的工作原理 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 28 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 一 vfc工作原理直流輸入的工作原理當(dāng)輸入電壓usr為0v時(shí) 電容器c的電壓為0 單穩(wěn)觸發(fā)器沒有輸出 電子開關(guān)接到參考地的端子側(cè) 當(dāng)輸入端usr剛施加了正的直流信號(hào)時(shí) 有ir 0 ic ir isr isr 使得輸出電壓向負(fù)方向變化 零點(diǎn)指示器檢測到該趨勢后 觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器 在u0端產(chǎn)生一個(gè)寬度為t0的脈沖 在t0信號(hào)期間 電子開關(guān)as切換到 er側(cè) 所以ic ir isr 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 29 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 一 vfc工作原理直流輸入的工作原理當(dāng)t0信號(hào)消失后 電子開關(guān)as又接到參考地的端子側(cè) 所以ic isr uc t 下降到0v時(shí) 立刻被零點(diǎn)指示器檢測出來 并開始重復(fù)上述過程 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 30 一 vfc工作原理直流輸入的工作原理如果在一個(gè)采樣間隔ts內(nèi)對(duì)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行讀數(shù) 則計(jì)數(shù)值為d fts 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) vfc型模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出值與輸入電壓信號(hào)的積分成正比 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 31 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 交流輸入的工作原理雙極性信號(hào)需引入偏置ir 2 er 2rr 在0 t0期間 as切換到 er側(cè) 有 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 32 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 當(dāng)t0消失后 as切換到參考地的端子側(cè) 有 將函數(shù)cos t 在t 0處展開 并整理得 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 33 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 將函數(shù)cos t 在任意處展開 并整理得 vfc型模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出值與輸入電壓信號(hào)的積分成正比 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 34 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 一 vfc工作原理vfc的分辨率與采樣頻率的關(guān)系vfc的最高頻率fvfc采樣間隔ts和積分間隔nts 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 35 五 vfc型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 二 vfc數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)低通濾波抗干擾能力強(qiáng)位數(shù)可調(diào)與微型機(jī)接口簡單實(shí)現(xiàn)多微機(jī)共享易于實(shí)現(xiàn)同時(shí)采樣不適用于高頻信號(hào)的采集 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 36 1 3開關(guān)量輸入及輸出回路 一 光電耦合器概念分類光隔離器光傳感器光敏元件集成的功能塊光電耦合器在微機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用特性工作方式 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 37 1 3開關(guān)量輸入及輸出回路 二 開關(guān)量輸入回路安裝在裝置面板上的接點(diǎn)人機(jī)對(duì)話的鍵盤部分切換裝置工作方式用的轉(zhuǎn)換開關(guān)從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點(diǎn)壓板 轉(zhuǎn)換開關(guān)其他保護(hù)裝置和操作繼電器的接點(diǎn) 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 38 三 開關(guān)量輸出回路 一 保護(hù)的跳閘出口 本地和中央信號(hào) 1 3開關(guān)量輸入及輸出回路 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 39 1 3開關(guān)量輸入及輸出回路 三 開關(guān)量輸出回路 一 保護(hù)的跳閘出口 本地和中央信號(hào)裝置正常 系統(tǒng)無短路設(shè)備異常系統(tǒng)發(fā)生短路出口回路自檢 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 40 三 開關(guān)量輸出回路 一 通信接口 打印機(jī)接口 1 3開關(guān)量輸入及輸出回路 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 41 1 5網(wǎng)絡(luò)化硬件電路 一 問題提出繼電保護(hù)的種類很多 且由于受被保護(hù)對(duì)象的容量 模擬量數(shù)量 跳閘對(duì)象和功能要求不同等因素影響 造成保護(hù)配置多種多樣 希望采樣模塊化的思想 希望微機(jī)保護(hù)在更新?lián)Q代后 保護(hù)裝置對(duì)外的連線基本保持不變 保護(hù)功能插件 cpu插件 與開入 開出之間的連線受cpu插件的空間限制 很難做到開入 開出數(shù)目的方便擴(kuò)展 在變壓器 發(fā)電機(jī)保護(hù)中 根據(jù)不同容量 不同主接線等情況 保護(hù)的一個(gè)動(dòng)作邏輯有可能組成多個(gè)出口對(duì)象 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 42 1 5網(wǎng)絡(luò)化硬件電路 一 問題提出 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 43 1 5網(wǎng)絡(luò)化硬件電路 二 網(wǎng)絡(luò)化硬件電路標(biāo)準(zhǔn)模塊cpu插件開入 di 插件開出 do 插件通信網(wǎng)絡(luò)采用can總線方式 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 44 1 5網(wǎng)絡(luò)化硬件電路 三 can總線特點(diǎn)采用短幀結(jié)構(gòu) 傳輸時(shí)間短 受干擾概率低 具有極好的檢錯(cuò)效果采用差分信號(hào)的傳遞方式 有利于提高抗干擾性能每幀信息都有crc校驗(yàn)和其它糾錯(cuò)措施 保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下 具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能 以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響采用非破壞性總線仲裁技術(shù) 當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí) 優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送 而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù) 大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí) 可滿足不同的實(shí)時(shí)要求 高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在134微妙內(nèi)得到傳輸為多主方式工作 網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息 而不分主從 通信方式靈活 且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息 2020 4 20 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 畢天姝 45 1 5網(wǎng)絡(luò)化硬件電路 三 can總線特點(diǎn)只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù) 無需專門的 調(diào)度 直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10公里 速率5kbps以下 通信速率最高可達(dá)1mbps 此時(shí) 通信距離最長為40米 can上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路 目前可達(dá)110個(gè) 報(bào)文標(biāo)