第二章-微機保護裝置硬件原理

電力系統(tǒng)微機保護西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院11.繼電保護定義

反映電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號或指示的自動裝置。繼電保護基本概念回顧第二章微機保護硬件構(gòu)成2.繼電保護的作用切除故障：自動、迅速、有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到損壞，保證無故障部分迅速恢復(fù)正常運行。23.繼電保護的基本原理尋找能夠區(qū)分出三種運行狀態(tài)的可測參量； 提取和利用可測參量在三種狀態(tài)下的“差異”；識別出發(fā)生故障和出現(xiàn)異常的元件；完成繼電保護任務(wù)。反應(yīng)電力設(shè)備的不正常運行狀態(tài)：根據(jù)運行維護條件，動作于發(fā)信號或跳閘，一般不要求迅速動作（延時動作）。34.繼電保護裝置的基本組成

給出“是”、“非”、“大于”等邏輯信號判斷保護是否啟動常用邏輯回路有“或”、“與”、“否”、“延時起動”等，確定斷路器跳閘或發(fā)出信號4微機保護裝置一般采用如圖所示的多CPU結(jié)構(gòu)。5一、數(shù)據(jù)采集單元1.作用強電信號到弱電信號的轉(zhuǎn)換、模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換2.對數(shù)據(jù)采集單元的要求①模擬量◆模擬量的數(shù)量◆模擬量的性質(zhì)(電流、電壓、直流/交流)◆模擬量的動態(tài)范圍（電流信號：0.08～20Ie;電壓信號：0.01～1.2Ue）②采樣頻率的選擇

滿足奈奎斯特（Nyquist）采樣定理：采樣頻率被采樣信號的最高頻率6③精度◆A/D式數(shù)據(jù)采集單元（A/D芯片的位數(shù)）◆VFC式數(shù)據(jù)采集單元（最高轉(zhuǎn)換頻率、采樣間隔時間）3.數(shù)據(jù)采集單元的種類 ◆比較式數(shù)據(jù)采集單元(A/D芯片構(gòu)成) ◆積分式數(shù)據(jù)采集單元(VFC芯片構(gòu)成)逐次逼近原理電壓頻率轉(zhuǎn)換4.比較式數(shù)據(jù)采集單元的構(gòu)成7①變換器◆作用

強電信號轉(zhuǎn)換為弱電信號； 隔離作用； 變換器原邊和副邊可加屏蔽層，有利于抗干擾。◆種類

電壓變換器、電流變換器、電抗變換器◆電壓變換器目前應(yīng)用最廣泛的是電磁式電壓互感器，工作原理與變壓器相同。特點：電壓變換器的二次側(cè)負載阻抗很大，運行條件相當(dāng)于變壓器空載運行；二次繞組匝數(shù)遠小于一次繞組匝數(shù)，二次側(cè)不能短路。8作用：將PT二次側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的弱電壓；輸出電壓范圍：根據(jù)A/D或VFC芯片的輸入電壓范圍來確定，一般為±2.5V、±5V、±10V?！綦娏髯儞Q器特點：電磁式電流變換器其工作原理與電壓變換器相同。運行條件相當(dāng)于變壓器短路，二次側(cè)繞組匝數(shù)遠大于一次側(cè)繞組匝數(shù)，二次側(cè)不能開路。作用：將CT二次側(cè)電流轉(zhuǎn)換成與之成比例的弱電流；弱電流在電阻R上產(chǎn)生的電壓即為輸出電壓；通過調(diào)節(jié)電阻R的阻值來調(diào)整輸出電壓。9模擬低通濾波、A/D輸入回路的綜合阻抗采樣電阻R：比較小，一般為幾歐到十幾歐。綜合阻抗Z：較大，可達80kΩ以上相關(guān)參數(shù)滿足：一次電流的最大瞬時值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器在雙極性輸入情況下的最大正輸入范圍輸出電壓范圍：根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（A/D或VFC）的電壓輸入范圍來確定。缺點：在非周期分量作用下易飽和，線性度差，動態(tài)范圍較小?！綦娍棺儞Q器特點：阻止直流、放大高頻分量，當(dāng)一次電流非正弦時，二次電壓波形將發(fā)生嚴重畸變。優(yōu)點：線性范圍大、鐵芯不易飽和，有移相作用。10◆對變換器的要求線性度好抗飽和能力強（電流變換器）損耗小（原副邊相角差）過載能力要求※交流電流回路：2倍額定電流，連續(xù)工作50倍額定電流，允許1s※交流電壓回路：1.5倍額定電壓，連續(xù)工作2倍額定電壓，允許10s精確測量范圍要求

※交流電流回路：（0.1～20）倍額定電流※交流電壓回路：（0.01～1.2）倍額定電壓11功率消耗：GB/T18038-2000《電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)微機保護裝置通用技術(shù)條件》12電流變換器的暫態(tài)特性（直流分量對變換器的影響）輸入電流：基波1A輸入電流：基波1A直流分量0.2A13◆霍爾傳感器霍爾電流傳感器一般由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、（次級線圈）和放大電路等組成從實現(xiàn)原理上可分為：直測式和磁平衡式。直測式霍爾電流傳感器原理：當(dāng)電流通過一根長導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場，這一磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，它可以通過聚磁環(huán)聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有一信號輸出。這一信號經(jīng)信號放大器放大后直接輸出。原邊電流Ip產(chǎn)生的磁通量聚集在聚磁環(huán)上，通過霍爾器件檢測出霍爾電壓，經(jīng)過放大器放大輸出，該輸出電壓VOUT信號精確反應(yīng)原邊電流。14磁平衡式霍爾電流傳感器原理：又稱為補償式傳感器，主回路被測電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生磁場。該磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進行補償，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。IS*NS=IP*NP

式中：IS—副邊電流，IP—原邊電流，NP—原邊線圈匝數(shù)電流傳感器的輸出信號是副邊電流IS，它與輸入信號（原邊電流IP）成正比，

IS一般很小，只有10～400mA。將輸出電流IS經(jīng)過測量電阻RM，則可以得到一個與原邊電流成正比的電壓輸出信號。NS—副邊線圈匝數(shù)，NP/NS—匝數(shù)比，一般取NP=115※被測電流Ip的任何變化都會破壞這一平衡。一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級線圈以對失衡的磁場進行補償。

工作過程：※當(dāng)主回路有電流Ip通過時，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集，并感應(yīng)到霍爾器件上；※霍爾器件的輸出信號用于驅(qū)動相應(yīng)的功率管，并使其導(dǎo)通，從而獲得一個補償電流Is；※補償電流Is通過多匝線圈產(chǎn)生磁場，該磁場與被測電流Ip產(chǎn)生的磁場方向相反，因而補償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減?。弧?dāng)滿足：IS*NS=IP*NP時，Is不再增加；※從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1μs，這是一個動態(tài)平衡的過程。16磁平衡式霍爾電壓傳感器原理：※原邊電壓VPN通過原邊電阻R1轉(zhuǎn)換為原邊電流IP；※原邊電流IP產(chǎn)生的磁通量與霍爾電壓經(jīng)放大產(chǎn)生的副邊電流IS通過副邊線圈產(chǎn)生的磁通量相平衡；※副邊電流IS與原邊電壓VPN成正比；※將輸出電流IS經(jīng)過測量電阻RM，則可以得到一個與原邊電壓成正比的電壓輸出信號。17②模擬低通濾波器奈奎斯特（Nyquist）采樣定理：fs=fmax*(2/3)通常取:◆采樣頻率的選擇采樣間隔，通常按等間隔設(shè)計，0.1～2ms◆模擬低通濾波器的作用

濾除電流、電壓信號中的高頻分量（故障發(fā)生時，常含有2kHz以上的高頻分量）；降低采樣頻率，降低對微機保護裝置的硬件要求。采樣頻率fs是微機保護硬件設(shè)計中的關(guān)鍵問題18◆無源濾波器構(gòu)成：由無源器件R、C構(gòu)成。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，能耐受較大的過載和浪涌沖擊。缺點：對諧波分量衰減過大。二階RC無源濾波器示意圖通常R=4.7kΩ，C=0.01μF◆有源濾波器構(gòu)成：運算放大器等。優(yōu)點：濾波器特性比無源濾波器好。缺點：元器件參數(shù)變化對特性影響較大。有源濾波器示意圖◆對模擬低通濾波器的要求

濾除輸入信號中頻率高于fs/2的分量，消除頻率混疊，防止高頻分量混疊到工頻附近；低于fs/2的分量可以通過數(shù)字濾波來濾除；不一定要求很陡的過渡帶；不一定要求阻帶有理想的衰耗特性，否則濾波器的過渡過程加長，影響保護動作時間。19③采樣保持器◆作用◆原理模擬電子開關(guān)采樣（S）狀態(tài)：UL為高電平時，AS閉合。電容C迅速充電或放電到Ui在采樣時刻的電壓值。AS閉合時間應(yīng)滿足使C有足夠的充放電時間，即采樣時間。采樣時間越短越好。采樣脈沖信號阻抗變換器Ⅰ的目的：在輸入端呈現(xiàn)為高阻抗，對輸入回路的影響??；輸出阻抗很低，使充放電回路的時間常數(shù)很小，保證C上的電壓能迅速跟蹤輸入信號Ui的變化。一般由運算放大器構(gòu)成。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A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變。在AD轉(zhuǎn)換期間，使各路信號的幅值和相位保持不變。一個模擬量通道一個采樣保持器（多通道共用一個A/D轉(zhuǎn)換器）。20保持（H）狀態(tài)：采樣脈沖信號模擬電子開關(guān)UL為低電平時，AS打開，電容器C上的電壓保持為AS閉合時的電壓，電路處于保持狀態(tài)。阻抗變換器Ⅱ的目的：在電容C側(cè)呈現(xiàn)為高阻抗，使C對應(yīng)充放回路的時間常數(shù)很大；輸出阻抗很低，增強帶負載能力。一般由運算放大器構(gòu)成。◆對采樣保持器的要求※采樣時間盡量短，滿足對快速變化信號采樣的要求；（電容C越小越好）※在采樣（S）狀態(tài)下，電容C上的電壓按一定的精度跟蹤輸入電壓Ui的變化，跟蹤誤差小于0.1%；※保持時間長，用電容C上的電壓下降率來表示保持能力；（電容C越大越好）※模擬開關(guān)AS的動作延時、閉合電阻和開斷時的漏電流小。根據(jù)不同的應(yīng)用場合選用不同容量的電容C采樣間隔時間采樣時間21④多路轉(zhuǎn)換開關(guān)控制信號輸入模擬信號輸入模擬信號輸出AD7506內(nèi)部原理示意圖

◆基本原理◆作用

將多個經(jīng)采樣/保持后的信號逐一與A/D芯片接通的控制電路。常用的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)有AD7501（8通道）、AD7506（16通道）等。

控制信號輸入輸出A0A1A2A3OUT0000S01000S10100S21100S30010S41010S50110S61110S70001S81001S90101S101101S110011S121011S130111S141111S1522⑤模數(shù)轉(zhuǎn)換◆模擬量的量化對于一個理想的A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入輸出的關(guān)系為：D為小于1的數(shù)，可表示為：D=B12-1+B22-2+B22-2+………+Bn2-nB1為最高位，表示為MSB；Bn為最低位，表示為LSB。即：UA≈UR（B12-1+B22-2+B22-2+………+Bn2-n）因此，模擬信號的量化誤差的絕對值小于或等于LSB；編碼位數(shù)越多，量化誤差越小（分辨率越高）。輸入量參考電壓，反應(yīng)模擬量的最大輸入值◆作用：將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號要求：UA＜UR量化誤差：23◆逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換原理

實現(xiàn)流程：N表示模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。硬件原理：預(yù)設(shè)值，最高位為1，其余位為0基本思想：采用二分搜索法24◆常用芯片介紹AD公司生產(chǎn)的12位AD芯片AD7874，主要特點：AD7874內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

※4個采樣/保持器※1個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)※12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，單通道轉(zhuǎn)換時間8μs※輸入電壓范圍±10V※參考電壓（3V）◆對模數(shù)轉(zhuǎn)換的要求

轉(zhuǎn)換時間、分辨率

25⑥數(shù)據(jù)采集單元與CPU的接口

包括三種方式：查詢、中斷、DMA◆查詢方式AD7874與80386EX接口原理（查詢方式）示意圖

采樣間隔由80386EX的定時器控制，查詢程序的軟件流程如下：第一步：啟動AD轉(zhuǎn)換（通過P3.0口）；第二步：查詢AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號（通過P3.1口）；第三步：讀數(shù)據(jù)。26◆中斷方式AD7874與80386EX接口原理（中斷方式）示意圖

在中斷方式下，啟動AD轉(zhuǎn)換由80386EX的定時器完成（TMROUT2），當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，向80386EX發(fā)中斷請求（INT0）。INT0中斷服務(wù)程序完成讀數(shù)功能?！鬌MA方式硬件上與中斷方式相同，軟件設(shè)計上不同。275.積分式數(shù)據(jù)采集單元的構(gòu)成主要包括：◆變換器◆浪涌吸收器：由RC電路構(gòu)成，吸收高頻干擾信號；◆電壓頻率變換器（VFC）：實現(xiàn)電壓信號到頻率的轉(zhuǎn)換（輸出脈沖的頻率與輸入信號的瞬時值成正比）；◆光電隔離：實現(xiàn)模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的隔離，具有抗干擾作用；◆計數(shù)器：由可編程計數(shù)器芯片構(gòu)成。28VFC工作原理①構(gòu)成A1：運算放大器，輸入端a為“虛地”，與Rsr、C組成一個積分器；A2：零電壓比較器，實際設(shè)計為Uc稍微偏負一點才檢測出來，因此將A2看作零點指示器。Rr：a點到基準(zhǔn)電壓Er之間的電阻，設(shè)計在VFC器件內(nèi)部。VFC內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意圖②基本要求允許輸入的最大電流值允許輸入的最大電壓值基準(zhǔn)電壓輸入電阻③直流輸入時的工作原理AS接0VAS接-Er◆0時刻Usr=0V，Uc=0V，觸發(fā)器無輸出，電子開關(guān)AS接地。29AS接0VAS接-Er◆0～t1期間※當(dāng)Usr剛施加正的直流信號時，有Ir=0，即Ic=Ir-Isr=-Isr，因此Uc有向負方向變化的趨勢?！泓c指示器檢測出這種趨勢，其輸出發(fā)生正跳變，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，輸出一個寬度為T0的脈沖，該脈沖使AS接到負參考電壓（-Er）側(cè)，則有：因此：在積分過程中隨時間變化而上升在T0消失時刻，上升到最大值30AS接0VAS接-Er◆t1～t2期間※當(dāng)T0信號消失后，AS接到參考地側(cè)，有Ir=0，即Ic=Ir-Isr=-Isr因此：在積分過程中隨時間變化而下降當(dāng)下降到0V時，再次被零點指示器檢測到，于是重復(fù)上述過程?！糨敵鲂盘朥0的頻率f結(jié)論：VFC輸出信號的頻率與輸入電壓成正比31④交流輸入時的工作原理◆偏置電流I偏I偏設(shè)輸入信號為：則合成后的信號為：其最大值滿足：其最大值滿足：◆0～t1期間（AS接到負參考電壓-Er）隨時間變化而上升，在T0時刻達到最大值：32◆t1～t2期間（AS接到參考地側(cè)）隨時間變化降低，當(dāng)時，對應(yīng)的時刻為T，則有：在t=0處展開33將在任意t時刻處展開，可得VFC輸出頻率的一般表達式：去掉偏置量U偏對應(yīng)的脈沖個數(shù)影響，可得：結(jié)論：VFC在任意時刻的輸出頻率f與該時刻模擬量輸入電壓的瞬時值成正比?！魯?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換只要測量到VFC輸出端的方波脈沖頻率，就可以反應(yīng)輸入電壓的大小。設(shè)采樣間隔為Ts，在CPU在一個采樣間隔中的讀數(shù)D相當(dāng)于在間隔Ts內(nèi)對脈沖個數(shù)求和，因此有：結(jié)論：VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出值與輸入電壓的積分成正比。34⑤VFC的分辨率與采樣頻率的關(guān)系VFC的分辨率一般采用VFC輸出的數(shù)字量的位數(shù)來衡量，取決于兩個因數(shù)：※VFC的最高頻率fVFC※采樣間隔Ts和積分間隔NTsVFC的最大輸出數(shù)字量Dmax與VFC的最高頻率fVFC之間的關(guān)系為：例：設(shè)VFC的最高頻率為4MHz，則VFC最大的輸出數(shù)字量為若每周波采樣20點，即Ts=1ms，取N=3，則Dmax=12000，相當(dāng)于13.5位的A/D轉(zhuǎn)換器輸出。35◆位數(shù)可調(diào)◆與CPU接口簡單VFC的工作不需要CPU控制，CPU只需要定時讀取計數(shù)器的計數(shù)值?！舯阌趯崿F(xiàn)多CPU共享每個CPU設(shè)置各自的計數(shù)器，可以方便地共用一套VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每個CPU獨立讀數(shù)，CPU可以根據(jù)需要設(shè)置不同的采樣間隔?！舨贿m用于高頻信號的采集VFC的積分本身具有抑制高頻信號的作用；在低頻帶范圍內(nèi)，在計算基波和各次諧波時，應(yīng)考慮對應(yīng)幅頻特性增益的不同。調(diào)整積分間隔NTs，就可以實現(xiàn)調(diào)整輸出數(shù)據(jù)的位數(shù)。⑥VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點◆低通濾波

VFC是對輸入信號的連續(xù)積分，具有低通濾波的效果，可以抑制噪聲?！艨垢蓴_能力強脈沖輸出信號便于實現(xiàn)光電隔離，積分也有利于增強抗干擾能力。366.兩種數(shù)據(jù)采集單元的比較①輸出數(shù)據(jù)格式◆比較式數(shù)據(jù)采集單元的輸出數(shù)據(jù)為二進制編碼，可直接進行數(shù)字運算；◆積分式數(shù)據(jù)采集單元的輸出數(shù)據(jù)為脈沖個數(shù)，需要將相鄰兩次計數(shù)值相減后才能進行數(shù)字運算。②分辨率◆比較式數(shù)據(jù)采集單元的分辨率決定于A/D芯片的位數(shù)；◆積分式數(shù)據(jù)采集單元的分辨率決定于VFC芯片的最高轉(zhuǎn)換頻率和積分間隔。（VFC系統(tǒng)的分辨率與采樣頻率之間的矛盾）③抗干擾性◆采用A/D芯片不便于實現(xiàn)光電隔離；◆采用VFC便于實現(xiàn)模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)之間的隔離。37二、開關(guān)量輸入輸出單元1.開關(guān)量輸入單元2.開關(guān)量輸出單元38①信號插件基本原理39②操作回路基本原理一跳閘合閘復(fù)歸40③操作回路基本原理二跳閘回路合閘回路非電量跳閘回路手動分閘或控制分閘手動合閘或控制合閘41三、保護CPU單元1.保護CPU的選擇常用芯片：TI公司的TMS320系列DSP、AD公司的ADSP系列DSP、Motorola公司的MC68000系列考慮的因素：CPU速度、CPU字長、尋址能力、接口簡單、浮點/定點CPU發(fā)展方向：功能強（數(shù)據(jù)線、地址線多）適用于高級語言的微機系統(tǒng)集成A/D、定時器、接口等2.程序存儲器

帶電可擦寫，常采用Flash存儲器(SST公司、Intel公司、AMD公司、Atmel公司等)3.定值存儲器帶電可擦寫，常采用Flash存儲器4.數(shù)據(jù)存儲器靜態(tài)SRAM，如：CYPRESS公司的CY7C系列、ISSI公司等；動態(tài)SDRAM5.可編程邏輯器件（CPLD）作用：I/O口擴展、組合邏輯的實現(xiàn)等，常采用Lattice、Xilinx等。42四、人機接口單元5.網(wǎng)絡(luò)通信接口◆現(xiàn)場總線（LONWORKS、CAN等）◆以太網(wǎng)6.鍵盤輸入接口1.人機接口CPU

ARM系列、PowerP