微型機繼電保護基礎(chǔ)1微機保護的硬件原理和設(shè)計選擇原則

1、第一章微機保護的硬件原理及設(shè)計選擇原則1-1 概述微機保護出現(xiàn)20年來，得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)有多個專業(yè)廠家 生產(chǎn)微機保護裝置，其硬件系統(tǒng)各有特點。華北電力大學、楊奇遜院士：第一代（84-90年）MPD-1、單CPU結(jié)構(gòu)、硬件示意圖如下:電路板比較復(fù)雜;可靠性差。第二代：WXH-11 （ 90年代以后）、多CPU結(jié)構(gòu)1模擬量交流*輸_整個系纟1模 數(shù) 變 換2高頻保護4記數(shù)單片機開岀系統(tǒng)機PRINTER（QC重合閘四個7 （ JJ記數(shù)單片機g丨 <開出CPUPUMPUEPROMRAM并口*并口并口定時器光 隔CPU分別用來構(gòu)成咼頻、距離、零序保護和綜合重合閘，另一個CPU用來構(gòu)成人機接口,

2、 A/D轉(zhuǎn)換采用VFC型。每個CPU系統(tǒng)都是一個獨立白7是距離保護 5任何一個損壞,系統(tǒng)仍然工作?？煽啃宰僟SL1印刷電路板,較咼和地址總線均不引出交流輸入及跳閘出口部分可靠性較高第三代:01AC1994年鑒定,96年推廣）多CPU結(jié)構(gòu)，和記數(shù)單片機開岀第二代不同之處在于接口（1）CPU采用不擴展的單片機，即構(gòu)成微機系統(tǒng)所需的微處理器、 RAM、EPROM等全部集中在一個芯片內(nèi)部，總線不出芯片， 具有很高的抗干擾能力。（2）VFC采用第三代VFC芯片VFC110最高震蕩頻率為4M，相當 于A/D精度的14位。（3）設(shè)有高頻、距離、零序和錄波CPU插件，重合閘不包括在保護 之中。南京電力自動化研

3、究院、南瑞公司 LFP-900系列（沈國榮院士）LFP-900系列包括從 35KV66KV 中低壓線路保護 220KV500KV線路高壓超高壓線路保護，用于不同電壓等級時，保 護的配置情況有所不同。以LFP-901為例，說明配置情況。采用多CPU結(jié)構(gòu)，含有三個CPU，兩個用于構(gòu)成保護，一個用于人機接口 CPU均為Intel 80196KCCPU3 :人機對話、起動、為出口提供？電壓CPU1、CPU 2 采用VFC型A/D轉(zhuǎn)換，CPU 3采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換最近又推出RCS-9000系列保護(單片機加DSP結(jié)構(gòu))此外，還有許繼電器股份有限公司生產(chǎn)的 WXH-800系列微機保 護、國家電力公司

4、南京電力自動化設(shè)備總廠生產(chǎn)的 PSL601( 602) 數(shù)字式咼壓線路保護的等，都各有特點，不再一一 論述。各種微機保護硬件雖各不相同但一般均包括以下三大部分：(1) .模擬量輸入系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))作用：TA輸出電流(計算機能辨識TV輸出電壓-處理的數(shù)字量)構(gòu)成： A/D型：電壓形成、ALF、S/H、MPX、A/DVFC型：電壓形成、VFC、光隔、計數(shù)器(2) .CPU主系統(tǒng)作用：對采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)分析計算、完成各種繼 電保護功能。構(gòu)成：CPU、EPROM、RAM、E2PROM目前的保護都有多個CPU(3) .開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)廠開關(guān)量輸入：斷路器位置等作用：Y開關(guān)量輸出：繼電器輸出(4

5、) 人機接口(5) 通訊接口1-2模擬量輸入系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))1-2-1 A/D型模擬量輸入系統(tǒng)一、基本框圖：總線V>或即10 A 匸A一般小于額定值。系統(tǒng)故障時其二次電流可在1 20倍額定 范圍內(nèi)變化。ALF、S/H、MPX及A/D等電子回路允許的輸入信號的范圍一般為-5V +5V 或-10V +10V （也有 0 5V, 0 10V 者）因而需要變換。電壓：100V >實現(xiàn)： （1 ）電流變換器5 .2或（2）電抗變換器52或各變換器除具有電平變換作用外，還具有隔離的作用,使TA、TV二次回路和微電子電路之間沒有電的聯(lián)系三、采樣保持電路（S/H）和模擬低通濾波器ALF（一）

6、S/H電路的作用和原理。作用：在一個極短的時間內(nèi)測量模擬輸入量在該時刻的瞬時值，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換期間保持其輸出不變。原理:阻AS阻抗抗變變換換器器1邏輯輸入2Usrsc阻抗變換器：實際是電壓跟隨器（運放型），有很大的輸入 阻抗和很小的輸出阻抗。AS:受控電子開關(guān)，邏輯輸入高電平， AS接通。邏輯輸入低電平，AS斷開。I :保持電容，AS接通時，Ch快速充放電，使Use二Uch二Usr稱為采樣或跟蹤AS斷開時，Ch放電回路電阻很大，短時間內(nèi)可認為不變。Use 一 Ucn _ UsrAS在處于接通和斷開交替的狀態(tài)，則整個電路不斷工作在 采樣、保持狀態(tài)。采樣過程的示意圖如下：書上P4頁圖1-3為理

7、想化情況，實際情況下，采樣脈沖必 須有一定的寬度，使Ch有足夠的時間跟蹤Usr的變化。 信號邏輯輸入（采樣脈沖）2) 保持時間盡量長3) 模擬開關(guān)動作時間延時小， Ron小，Roff大。(三)采樣頻率的選擇和ALF的使用單位時間內(nèi)米樣的點數(shù)，稱為米樣頻率，它等于米樣間隔(周期)Ts的倒數(shù)，既fss優(yōu)：可以準確的還原波形采樣頻率的選擇：f s (i)T八T s時間內(nèi)完成所有計算困難(2) 同樣的輸入，采樣得數(shù)據(jù)量多，運算復(fù)雜，占內(nèi)存多。fsT s數(shù)據(jù)量減小，運算時間充裕。f太低，將無法由采樣數(shù)據(jù)還原出原波形。 sf 的兩倍，既 max要求：f必須大于被采樣信號中存含最高頻率成分>2fsma

8、x S否則會產(chǎn)生疊影現(xiàn)象。見P7,圖1-6(a) .被采信號(b) . fs = fmax,還原為直流信號(C).書上圖C對應(yīng)fsVfmaxfmax< fs<2 fmax,還原為一個低頻信號。只有fs>2 fmax時，才能換遠處被采信號系統(tǒng)短路，U,l中既包含工頻量，還含有高頻信號，即fmax較大，而這些高頻信號為無用信號，為防疊頻增大fs，使fs>2fmax,往往導(dǎo)致fs太大ALF，將高頻信號濾掉，即減小fmax，使fs>2fmax目前一般均采用方法（2）,即ALF法，當前A/D快，DSP快，也可 增大fs法，ALF的具體電路一般可以為無源RC或有源濾波，此處不

9、 在細論。四、模擬多路開關(guān)許多繼電保護裝置，需要輸入多個電氣量可有三種方式：（1）.同時采樣，同時A/D轉(zhuǎn)換（2） 同時采樣，依次A/D轉(zhuǎn)換(3)順序采樣總線MPX :受控多轉(zhuǎn)1的電子開關(guān) f 2轉(zhuǎn)14轉(zhuǎn)18轉(zhuǎn)116轉(zhuǎn)116轉(zhuǎn)1多路開關(guān)芯片AD7506的邏輯框圖如下:E n Ao A1 A2 A30 所有開關(guān)均斷1 由Ao A3決定+15VEN要求：時間快、Ron小、Roff大五、A/D轉(zhuǎn)換器作用：將S/H離散化的模擬信號變換為離散化的數(shù)字信號，既對模擬信號大小編碼。模擬量 數(shù)字信號* A/D兩者之間的關(guān)系為:D理UrUr參考電壓，般UR”UA所以D 1,既為小數(shù)，可表示為D二Bi2 B2Bn

10、2n為數(shù)據(jù)編碼位數(shù)，也就是 A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，它是A/D的一個重要指標n有限，D必須為舍去比LSB更小的數(shù)，帶來誤差，成為量化誤差，n增加量化誤差減小。一般 n=8、10、12、14、16等。常用的A/D轉(zhuǎn)換器有逐次比較式和并聯(lián)比較式兩種，此處只討論逐次比較式：(設(shè)n=8)由D/A輸出一個對應(yīng)的模擬電壓u 0(2)比較Ua和U。 U AU 0 :保留最高位1,下一位設(shè)為1 u A u 0 :最高位變零，下一位設(shè)為1D/A輸出一個和新編碼對應(yīng)的模擬量 U 1(3)比較Ua和U"u Au 1 :保留次高位1,設(shè)第三位為1<Uau1 :次高位取0,設(shè)第三位為1。經(jīng)n次比較后，最終可以確

11、定出和 U對應(yīng)的數(shù)字編碼。AD574簡介(1)基本指標:精度：12位轉(zhuǎn)換時間：25微秒(2)電源電壓：戶5v嚴模擬地agnd agnd wL數(shù)字地(3) 模擬輸入：+20V: 卩一20VI -10V + 10V+ 10V( 0 + 10V1-5V+5V(4) 數(shù)據(jù)量輸出：12位f8位機，分兩次讀"16位機，一次讀。(5) 控制狀態(tài)線控制：CE控制時鐘CS 片選輸入，來自譯碼器R/C 廠1，讀轉(zhuǎn)換結(jié)果0，啟動轉(zhuǎn)換/CE=1讀結(jié)果:cs=o-R/C=1A/D在微機系統(tǒng)中的地址。r CE=0啟動轉(zhuǎn)換：y CS=oBe =0CS來自譯碼電路，反映了12/816位CPU時S次讀取12位結(jié)果&q

12、uot;12/0 = 18 位 CPU Jr 12/8=00,高8位讀IA。二1,讀低4位狀態(tài)輸出端：STS二4 0,不忙1,忙六：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微機的接口(1)程序查詢方式硬件接口圖見P16圖1 18硬件包括：電壓形成，ALF、S/H、MPX、A/D、并行口、數(shù)據(jù) 線、定時器。軟件包括：并行口初始化。采樣數(shù)據(jù)寄存器地址指針初始化。定時器初始化。 開放中斷。定時器中斷時，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序包括以下內(nèi)容：1) 清中斷請求，準備下一次中斷。2) 命令A(yù)D574開始轉(zhuǎn)換，讀STS狀態(tài)STS=0,已換完，讀結(jié)果，存入 RAMSTS=1，未轉(zhuǎn)換完，等待。3) 更新地址指針的指向。每讀一個結(jié)果

13、，地址加 2,判是否到達存儲區(qū)末端，如果不到，順序下存，如果到，貝用地址指針指向初地址，循環(huán)存取， 初地址末地址4) 控制MPX ,指向下一個通道，A/D轉(zhuǎn)換共16個通道(最多)最好個通道轉(zhuǎn)換完后，重新切回 0通道5) 執(zhí)行中斷服務(wù)程序中的其他內(nèi)容。6) 中斷返回要求：整個中斷服務(wù)程序必須在兩個采樣時間間隔內(nèi)完成。特點：每次啟動A/D后，CPU就開始不斷查詢STS的狀態(tài)，耗時較多，要求A/D快。確保Ti Ts，對硬件要求較高。（二）中斷方式啟動A/D后，CPU無須等待，轉(zhuǎn)去處理其它事件，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束 后，發(fā)出中斷，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，更新地址指針，更新通道，啟動下通 道A/D轉(zhuǎn)換，從A/D轉(zhuǎn)換中斷

14、返回，再去處理其它程序。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷嵌套在定時器中斷之中，要求其優(yōu)先級高于定 時器中斷。（三）直接存儲器存取方式（DMA）用硬件的方法完成A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存取，無須占用 CPU時間， 具體辦法不講。1-2-2VFC型模擬量輸入系統(tǒng)基本框圖：固定時間ts關(guān)系。計數(shù)器：用來記數(shù)VFC輸出脈沖的個數(shù)，CPU每經(jīng)一個固定的時間讀一次計數(shù)器中的記數(shù)值。顯然，在時間固定的情況下，記數(shù)值N正比于VFC的輸出頻率f,而f又正比于輸入電壓u，所以：N =Kif = K1K2U = KUVFC型模擬量輸入系統(tǒng)的特點:1. CPU僅需定時讀取計數(shù)器的記數(shù)值，控制接口非常簡單。2. N正比于時間ts內(nèi)的u的平均

15、值，而不是某一點的瞬時值。穩(wěn)定性 好，自身具有一定的低通濾波功能，不必再加專門的模擬低通濾波器。 3提高VFC的輸出頻率和增加采樣時間ts,都可以提高模擬轉(zhuǎn)換的精 度。4. VFC的輸出為脈沖信號，可以方便的利用光電隔離元件將模擬電路和數(shù)字電路隔離，避免相互影響。廠|Iu+模擬電路一n 光隔一數(shù)字電路計數(shù)器|目前國內(nèi)多個廠家生產(chǎn)的微機保護都采用 VFC型模擬量輸入系統(tǒng)1-3幵關(guān)量輸入及輸出回路I -一、開關(guān)量輸入回路開關(guān)量輸入即接點狀態(tài)輸入，包括面板接點和裝置外部接點1）.面板接點（鍵盤接點、轉(zhuǎn)換開關(guān)等）1 J +5VPA0 / Ki可直接經(jīng)并行口接入2）.外部接點（斷路器、隔離開關(guān)輔助接點等）一般引線較長，干擾較大，需經(jīng)光電隔離后引一 +220VPA0 r、z-220VK閉合丄光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，PAo輸入低電平K斷開：發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止，PAo輸入高電平PAo電平反映了 K的通斷狀態(tài)經(jīng)光電隔離后，外部干擾無法竄入微機系統(tǒng)、 開關(guān)量輸出回路保護的跳合閘輸出、作信號等一般用并行接口來驅(qū)動繼電器，接線:+5VYF1+E+220VPBo高電平，時，PBo普吟輸嚇汗發(fā)光二極管不亮，光敏敏三極管截止要使J動，軟件控制使PBo f 0鼬-E兩個條件均不滿足，輸出：J不動作。