1、第一章第一章 微機保護的硬件原理微機保護的硬件原理第一節第一節 概述概述 1.1.微機保護的硬件系統包括以下三部分：微機保護的硬件系統包括以下三部分：n數據采集系統（或稱模擬量輸入系統）：包括電壓形成、采樣保持、多路開關及數模轉換。n微型機（或微處理器）主系統：包括微處理器、程序存儲器（ROM）、數據存儲器（RAM）、定時器、并串接口等。n開關量輸入輸出系統：由微型機的并行接口、光電隔離器件及有觸點的中間繼電器等組成。完成保護需要的外部觸點接入、出口跳閘、人機對話等功能。圖11 示出了微機保護硬件構成框圖圖11 微機保護硬件構成框圖微機保護的微機保護的模擬量輸入方式：逐次逼近型A/D轉換VFC

2、原理A/D轉換2. 微機保護用硬件特點微機保護用硬件特點n集成微處理器（MPU）、只讀存儲器(ROM)、隨即存取存儲器(RAM)、定時器、模數轉換器(AD)、并行接口(PIO)、閃存單元(FLASH)、數字信號處理器(DSP)、通信接口等多種功能集成在一個芯片內的單片機系統。n把所有總線連同單片機都集成在一個芯片內的總線不出片技術。n不區分微機、單片機、微處理器第二節第二節 數據采集系統數據采集系統n為模數轉換（為模數轉換（ADAD）做準備、轉換模擬量為數字）做準備、轉換模擬量為數字量量n適應電力系統故障信號特點適應電力系統故障信號特點w頻譜分布寬廣：從直流、衰減直流、工頻基波分量到各頻譜分布

3、寬廣：從直流、衰減直流、工頻基波分量到各次諧波（最高到數百千赫茲）在內的暫態信號次諧波（最高到數百千赫茲）在內的暫態信號w動態范圍寬廣：從正常運行的幾十安培到短路狀態下的動態范圍寬廣：從正常運行的幾十安培到短路狀態下的幾萬安培甚至幾十萬安培幾萬安培甚至幾十萬安培n適應繼電保護特點要求適應繼電保護特點要求w模擬量設置應滿足繼電保護功能要求為準則模擬量設置應滿足繼電保護功能要求為準則w典型的高壓線路保護需要：三相電流、零序電流；三相典型的高壓線路保護需要：三相電流、零序電流；三相電壓、線路側線間電壓；電壓、線路側線間電壓；w典型的三繞組變壓器差動保護需要：每一繞組側的三相典型的三繞組變壓器差動保護

4、需要：每一繞組側的三相電流電流 因此，微機保護是一個多模擬量輸入系統因此，微機保護是一個多模擬量輸入系統2 21 1 電壓形成回路電壓形成回路要求要求n繼電保護所使用的電壓、電流都是來自于電壓互繼電保護所使用的電壓、電流都是來自于電壓互感器（感器（100100伏、線間電壓）和電流互感器（額定電伏、線間電壓）和電流互感器（額定電流流5 5安或安或1 1安，短路電流安，短路電流100100安）安）n把把100100伏左右的電壓變換為適合伏左右的電壓變換為適合ADAD轉換需要的正負轉換需要的正負2.52.5伏、正負伏、正負5 5伏、正負伏、正負1010伏的電壓；伏的電壓；n把小于把小于1 1安安10

5、0100安的電流變換為適合安的電流變換為適合ADAD轉換需要轉換需要的正負的正負2.52.5伏、正負伏、正負5 5伏、正負伏、正負1010伏的電壓伏的電壓電壓形成回路（1）輸入電壓的電壓形成回路 把一次電壓互感器輸出的二次額定100V電壓變換成最大5V模擬電壓信號，供模數轉換芯片使用。 可以采用電壓變換器實現。（2）輸入電流的電壓形成回路 把一次電流互感器輸出的二次額定5A/1A電流變換成最大5V模擬電壓信號，供模數轉換芯片使用。 可以采用電流變換器或電抗變換器實現。（一）輸入電壓的電壓形成回路 通過電壓變換器實現，即一種變壓器（但是，原邊與付邊之間應當設置一個屏蔽層，提高抗共模干擾的能力）。

6、電壓變換器（TV）1:21nUU（二）輸入電流的電壓形成回路，有以下（二）輸入電流的電壓形成回路，有以下2 2種方法實現種方法實現（1）電抗變換器 電抗變換器是一種鐵心中有氣隙的變壓器。優點是鐵心不易飽和，線性變換范圍大。缺點是阻止直流、放大高頻分量，使二次側電壓波形發生嚴重畸變。（2）電流變換器 電流變換器是一種鐵心閉合無氣隙的變壓器。優點是當鐵心不飽和時，二次電流波形與一次側相同。缺點是在電流非周期分量作用下容易飽和，線性度差。微機保護中一般采用電流變換器。Z是模數轉換器的輸入阻抗； 是二次側并聯電阻，很小。LHR輸出電壓niRiRuLHLH122各變換器工作特性各變換器工作特性n電壓變換

7、器電壓變換器 用于將一次電壓變換成微機保護模數轉換（用于將一次電壓變換成微機保護模數轉換（ADAD）用的電）用的電壓，普通變壓器原理。壓，普通變壓器原理。n電流變換器：電流變換器：用于電流電流電壓用于電流電流電壓 用于將一次電流變換成微機保護模數轉換（用于將一次電流變換成微機保護模數轉換（ADAD）用的電）用的電壓。普通變壓器原理，把電流變換成電流，再把一個小電阻壓。普通變壓器原理，把電流變換成電流，再把一個小電阻并聯在該變壓器的二次側，形成電壓。并聯在該變壓器的二次側，形成電壓。 要求該變壓器的鐵心不飽和。要求該變壓器的鐵心不飽和。n電抗變壓器：電抗變壓器：用于直接獲取電壓用于直接獲取電壓

8、它的原理結構、原理圖及等值電路如圖它的原理結構、原理圖及等值電路如圖1 12 2所示所示 圖圖1 12 2 電抗變壓器的原理結構與等值電路圖電抗變壓器的原理結構與等值電路圖 它的鐵心帶有氣隙、具有三個繞組的變壓器。由于它的鐵心帶有氣隙、具有三個繞組的變壓器。由于存在氣隙，勵磁電抗數值很小，相對而言很大的二次存在氣隙，勵磁電抗數值很小，相對而言很大的二次負載阻抗可忽略不及，故一次電流全部作為勵磁電負載阻抗可忽略不及，故一次電流全部作為勵磁電流。此時有以下關系：流。此時有以下關系： 總體效果相當于總體效果相當于.13()/( )ocmUIRjXZR3()/( )brmZRjXZR.1ocUI jX

9、 因此電抗變能夠將一次電流的基波分量成比例地轉因此電抗變能夠將一次電流的基波分量成比例地轉換成二次側電壓。但放大了諧波分量，阻止了直流和換成二次側電壓。但放大了諧波分量，阻止了直流和低頻分量。嚴格講是失真變換。低頻分量。嚴格講是失真變換。n電流變換器和電抗變壓器的比較電流變換器和電抗變壓器的比較w電流變換器能夠不失真地變換電流成為電壓，但是在出電流變換器能夠不失真地變換電流成為電壓，但是在出現非周期分量、衰減直流分量時，容易飽和，線性度差，現非周期分量、衰減直流分量時，容易飽和，線性度差，動態范圍小動態范圍小w電抗變壓器具有阻止直流、放大諧波的作用，因此當一電抗變壓器具有阻止直流、放大諧波的作

10、用，因此當一次波形為非正弦時，二次將發生嚴重畸變。但是它的動次波形為非正弦時，二次將發生嚴重畸變。但是它的動態范圍寬廣、鐵心不易飽和、具有移相作用。在某些場態范圍寬廣、鐵心不易飽和、具有移相作用。在某些場合下還是有用的。合下還是有用的。2 22 2 采樣保持電路和模擬低通濾波器采樣保持電路和模擬低通濾波器采樣保持電路的作用及原理采樣保持電路的作用及原理n定義：定義：采樣保持電路（采樣保持電路（S/H,Sampling and HoldingS/H,Sampling and Holding）是）是在極短時間內測量模擬量在該時刻的瞬時值，并在模擬在極短時間內測量模擬量在該時刻的瞬時值，并在模擬數字

11、轉換器進行轉換的期間保持輸出不變的一個電路數字轉換器進行轉換的期間保持輸出不變的一個電路n采用保持電路輸出了一個階梯電壓波形。在保持階段無論何時進行模數轉換，都反映了采樣值。n組成：組成：它由電子模擬開關它由電子模擬開關ASAS、保持電容器及兩個、保持電容器及兩個阻抗變換器組成。阻抗變換器組成。ChCh的作用是記憶的作用是記憶ASAS閉合時刻的閉合時刻的電壓，并在電壓，并在ASAS打開后保持該電壓。阻抗變換器打開后保持該電壓。阻抗變換器I I在在ChCh端提供低阻抗，使得端提供低阻抗，使得ChCh電壓建立迅速，而在輸電壓建立迅速，而在輸入端呈現高阻抗，以盡量減少對輸入回路的影響；入端呈現高阻抗

12、，以盡量減少對輸入回路的影響；阻抗變換器阻抗變換器1111在在ChCh端提供高阻抗，使得端提供高阻抗，使得ChCh衰減緩衰減緩慢，而在后邊呈現低阻抗以提高帶負載的能力。慢，而在后邊呈現低阻抗以提高帶負載的能力。圖13 采樣保持電路及工作過程n工作過程：工作過程：微機采樣定時器等間隔地產生采樣脈沖微機采樣定時器等間隔地產生采樣脈沖進行采樣，得到采樣信號，采樣后信號在下次采樣進行采樣，得到采樣信號，采樣后信號在下次采樣脈沖到來之前應保持不變，形成穩定的階梯狀采樣脈沖到來之前應保持不變，形成穩定的階梯狀采樣保持信號，等待保持信號，等待A/DA/D轉換。轉換。對采樣保持電路的要求對采樣保持電路的要求n

13、ChCh上的電壓按照一定的精度跟蹤上的電壓按照一定的精度跟蹤UsrUsr，跟蹤時間盡，跟蹤時間盡量短，以適應最小采樣寬度要求量短，以適應最小采樣寬度要求TcTcn保持時間要長，通常用下降率來表示保持能力保持時間要長，通常用下降率來表示保持能力n模擬開關的動作延時、閉合電阻和開斷時的漏電流模擬開關的動作延時、閉合電阻和開斷時的漏電流要小要小 前兩個指標取決于阻抗變換器和保持電容的性能，前兩個指標取決于阻抗變換器和保持電容的性能，就捕獲而言，越小越好；就保持而言越大越好。就捕獲而言，越小越好；就保持而言越大越好。 一般來講，要求快速捕獲，采樣周期短，電容要小一般來講，要求快速捕獲，采樣周期短，電容

14、要小一些；一些； 慢速捕獲，采樣周期長，電容大一些，穩定性好，慢速捕獲，采樣周期長，電容大一些，穩定性好，抗雜散電容影響能力強。抗雜散電容影響能力強。uTsTc 采樣保持電路的典型芯片采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應用采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應用n等步長采樣和變步長采樣等步長采樣和變步長采樣 對于電網頻率波動小，采樣精度要求不是很高的場合，常采用等對于電網頻率波動小，采樣精度要求不是很高的場合，常采用等步長采樣步長采樣 對于電網頻率波動大，采樣精度要求高的場合，需要變步長采對于電網頻率波動大，采樣精度要求高的場合，需要變步長采樣，變步長的采樣間隔時間（采樣脈沖發出時間）要隨時調整樣，

15、變步長的采樣間隔時間（采樣脈沖發出時間）要隨時調整n采樣定理采樣定理 被采樣信號的頻率最高不超過被采樣信號的頻率最高不超過1/21/2采樣頻率，否則會造成頻譜混采樣頻率，否則會造成頻譜混疊。疊。fsfs2fmax2fmaxn合適的保護采樣頻率選擇合適的保護采樣頻率選擇 高采樣頻率要求高采樣頻率要求CPUCPU的處理和運算速度快；低采樣頻率可能會造的處理和運算速度快；低采樣頻率可能會造成頻率混疊，因為電力系統故障后的電壓電流是一個寬頻譜信號。成頻率混疊，因為電力系統故障后的電壓電流是一個寬頻譜信號。n合適的保護采樣頻率選擇合適的保護采樣頻率選擇 如果考慮目前的繼電保護主要是基于工頻故障信息構成的

16、，那如果考慮目前的繼電保護主要是基于工頻故障信息構成的，那么，高頻故障信息應該么，高頻故障信息應該/ /可以濾除，這樣將降低對可以濾除，這樣將降低對CPUCPU和采樣速率的和采樣速率的要求。目前微機保護普遍采用要求。目前微機保護普遍采用600Hz600Hz（1.6671.667毫秒）、毫秒）、1kHz1kHz（1 1毫毫秒）、秒）、1.8kHz1.8kHz（0.550.55毫秒）的采樣頻率，它們都能夠滿足工頻故障毫秒）的采樣頻率，它們都能夠滿足工頻故障信息和信息和3 3次、次、5 5次諧波的采樣和分辨要求。但是高于次諧波的采樣和分辨要求。但是高于300Hz300Hz、500Hz500Hz、90

17、0Hz900Hz的故障信號怎么辦呢？的故障信號怎么辦呢？前置低通濾波器的設置前置低通濾波器的設置 電力系統故障初期，電流、電壓中可能含有相當高的頻率分量（如2 kHZ以上）。而目前大多數微機保護原理都是反映50HZ工頻分量的。因此，在采樣保持前用一個模擬低通濾波器把高頻分量過濾掉，防止高頻分量混疊到工頻來。 最簡單的模擬低通濾波器是RC低通濾波器。kR3 . 4其中FC1 . 0 濾波器是一種能使有用頻率信號通過，同時抑制濾波器是一種能使有用頻率信號通過，同時抑制無用頻率信號的電路。低通濾波器是只讓低于截止無用頻率信號的電路。低通濾波器是只讓低于截止頻率通過的濾波器。頻率通過的濾波器。 前置低

18、通濾波器又稱為抗混疊濾波器，廣泛應用前置低通濾波器又稱為抗混疊濾波器，廣泛應用于各種保護、控制電路中的采樣電路前，濾除高于于各種保護、控制電路中的采樣電路前，濾除高于2 2倍采樣頻率的信號，因此截止頻率被設置為倍采樣頻率的信號，因此截止頻率被設置為1/2fs1/2fs。 低通濾波器可以采用有源的、也可以采用無低通濾波器可以采用有源的、也可以采用無源的。無源濾波器構成簡單，但電阻和電容回路源的。無源濾波器構成簡單，但電阻和電容回路對信號有衰減作用，并會帶來時間延遲，僅適用對信號有衰減作用，并會帶來時間延遲，僅適用于對速度和性能要求不高的微機保護于對速度和性能要求不高的微機保護 有源濾波器抗沖擊干

19、擾能力差，但濾波性能好。有源濾波器抗沖擊干擾能力差，但濾波性能好。 性能越好的濾波器延時越長，造成信號不同步性能越好的濾波器延時越長，造成信號不同步的可能性越大。的可能性越大。 繼電保護常常采用普通的一階（最高二階的有繼電保護常常采用普通的一階（最高二階的有源或無源）濾波器來限制接近工頻分量的諧波信源或無源）濾波器來限制接近工頻分量的諧波信息混進來！息混進來！第二節第二節 數據采集系統數據采集系統圖15 二階無源低通濾波器第二節第二節 數據采集系統數據采集系統圖16 二階無源低通濾波器2 23 3 模擬量多路轉換開關模擬量多路轉換開關n繼電保護需要多的模擬量繼電保護需要多的模擬量n模數轉換器是

20、貴重的元器件模數轉換器是貴重的元器件n電路布板希望少的芯片電路布板希望少的芯片n多路轉換器是一個理想的、經常采用的芯片多路轉換器是一個理想的、經常采用的芯片定義：定義：是一個開關電路；接入很多模擬量；僅僅把是一個開關電路；接入很多模擬量；僅僅把其中的一路送給模數轉換器去轉換。其中的一路送給模數轉換器去轉換。 不同的模擬量通過不同的模擬量通過“分時分時”方式完成模數轉換過程。方式完成模數轉換過程。組成：包括選擇接通路數的二進制譯碼電路和多路組成：包括選擇接通路數的二進制譯碼電路和多路電子開關。電子開關。n二進制譯碼電路決定哪個電子開關接通二進制譯碼電路決定哪個電子開關接通接入相應的待接入相應的待

21、轉換模擬量轉換模擬量n多路電子開關起分斷其它回路而僅僅接通待轉換的哪一路多路電子開關起分斷其它回路而僅僅接通待轉換的哪一路模擬量作用模擬量作用1616路多路轉換開關例路多路轉換開關例A0A0A3A3是路數選擇線是路數選擇線接接CPUCPU，控制哪一路選通，控制哪一路選通A1A1A16A16是模擬量入是模擬量入AS1AS1AS16AS16是電子開關是電子開關EnEn是始能端是始能端圖17 16路多路轉換開關模擬量多路轉換開關的應用。模擬量多路轉換開關（MPX）中最重要的部分是電子開關AS，它是用數字電子邏輯控制模擬信號通、斷的一種電路，通常是由雙極型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（J-FET

22、）或金屬氧化物半導體場效應管（MOS-FET）等類型組成的電子開關。2 24 4 模數轉換器模數轉換器定義：是一個硬件電路，用于實現模擬量到數字量定義：是一個硬件電路，用于實現模擬量到數字量的轉換，也稱為的轉換，也稱為A/DA/D轉換器。它是把模擬量變成能讓轉換器。它是把模擬量變成能讓計算機識別的數字量的橋梁。計算機識別的數字量的橋梁。把連續的模擬信號轉把連續的模擬信號轉變為離散的數字信號。變為離散的數字信號。n應用范圍及其寬廣：隨時間連續變化的模擬量、需要計算應用范圍及其寬廣：隨時間連續變化的模擬量、需要計算機來處理的都必須經過這個環節。像電壓、電流、溫度、機來處理的都必須經過這個環節。像電

23、壓、電流、溫度、壓力速度等壓力速度等分類：分類：n直接型：直接把模擬量轉換成數字代碼直接型：直接把模擬量轉換成數字代碼n間接型：首先把模擬量轉換成某種變量（比如頻率），再間接型：首先把模擬量轉換成某種變量（比如頻率），再轉換成數字代碼輸出轉換成數字代碼輸出模數轉換器的一般原理模數轉換器的一般原理 將輸入的模擬量將輸入的模擬量UsrUsr相對于模擬參考量相對于模擬參考量U UR R經編碼電經編碼電路轉換成數字量路轉換成數字量D D輸出輸出. .一般一般 一般D D可以表示為（可以表示為（ D是小于1的二進制數，是一個n位二進制數字。） B1B1BnBn均為二進制碼。均為二進制碼。srRUDU12

24、3123222.2nnDBBBB123123(222.2)nsrRnUUBBBBsrRUU 模數轉換器的工作原理把連續的模擬信號轉變為離散的數字信號。以kTs時刻為例分析：VkTus2 . 1)()(321011010011)(十六進制（二進制）Dku該時刻瞬時電壓值轉變為數字量數模轉換器的一般原理 數模轉換器（D/A轉換器，或簡稱DAC）是把數字量D轉變成模擬電壓或電流輸出。 模數轉換器中一般都要用到數模轉換器。輸入數字量： nnBBBD2222211，上圖n=4。輸出模擬電壓：DRRUuFRsc，正比于輸入數字量D。逐次逼近式模數轉換器的工作原理 數模轉換器的工作過程：通過并行接口向16位

25、D/A轉換器試探性送數。每送一次數，微型機通過讀取PA0端口的狀態判斷試送的16位數相對于模擬輸入量是偏大還是偏小。如果偏大，則減小試送的16位數，直至找到最相近的二進制數，這個16位二進制數就是A/D轉換器的輸出結果。試探送數采樣逐次逼近的二分搜索法。雙極性模擬量的模數轉換雙極性模擬量：正、負極性變化的模擬量。 為了實現對雙極性模擬量的模數轉換，需要設置一個直流偏置量，其值為最大允許輸入量的一半。以輸入雙極性電壓最大范圍為5V的模數轉換器為例。 以上A/D轉換器的位數是16位。最高位是符號位，有效位只有后面的15位。一個n位的A/D轉換器，其十進制數的范圍是) 12(211nn模數轉換的溢出

26、模數轉換器的溢出：輸入模擬電壓超過了模數轉換器的最大允許輸入電壓 。maxU模數轉換器的溢出可能有兩種情況：（1）平頂溢出，危害不大。(A/D轉換結果保持在最大值11111111)（2）清零溢出，危害很大。(A/D轉換結果保持在最小值00000000)A/D轉換器舉例 以模數轉換器AD7665為例進行分析。 數模轉換器AD7665是一種逐次逼近型的16位快數數模轉換器，轉換速率是500kSPS（Samples Per Second），即進行一次模數轉換的時間為1/500K=2uS。 A/D7665模數轉換器是由 Analog Devices 公司生產。芯片外觀芯片內部結構示意圖A/D轉換器與微

27、型機的接口 模數轉換器AD7665的模數轉換功能必須由微型機執行軟件程序來控制，即微型機通過總線控制模數轉換器AD7665。 模數轉換器AD7665與微型機的接口如下圖所示。微機保護對微機保護對A/DA/D轉換器的主要要求轉換器的主要要求（1）轉換位數（分辨率），通常用數字量的位數來表示。（2）轉換時間（轉換頻率），A/D轉換器進行模數轉換的時間 ，其轉換頻率為 。ADtADADtf/11）轉換位數（分辨率） ，即數字量的位數。 當用有限位數的二進制數來表示連續的模擬量瞬時值，不可避免地要舍去比最低位（LSB）更小的數，從而引入一定誤差。 對于一個n位的A/D轉換器，其量化誤差 其中， 是A/

28、D轉換器最大允許輸入的正電壓。 12位AD可以滿足要求。如采用16位更好max121UqnmaxU2）轉換時間，影響A/D的最高采樣頻率。2 25 5 VFCVFC型數據采集系統型數據采集系統 電壓頻率轉換器VFC（Voltage Frequency Converter）是另一種實現模數轉換功能的器件，將模擬電壓量變換為脈沖信號，該輸出脈沖信號的頻率與輸入電壓的大小成正比。（1）VFC的工作原理VFC把輸入的交流模擬電壓量 轉變為脈沖信號 輸出。輸出脈沖信號 的頻率 與輸入電壓 成正比。)(tusr)(0tu)(0tu)(tf)(tusr)()(tuKtfsrV是常數。srRRVRTERK0V

29、FC的工作原理 電壓頻率轉換器VFC輸出脈沖方波的頻率 和輸入交流模擬電壓信號 的大小成正比，即：)(tf)(tusr)()(tuKtfsrV 在一段時間（采樣時間） 內，對VFC輸出的脈沖方波進行計數（即計算上升沿的個數），得到數字量D。則該數字量D和輸入模擬信號 之間的關系是：sT)(tusrsssTttsrVTttsrVTttduKduKdfD)()()( 當采樣時間 很小時，且輸入模擬信號中沒有高頻分量時，可以認為在采樣時間內輸入模擬電壓 也不變。則有：sT)(tusr)()()(tuKTtuKdtuKDsrVssrVTttsrVs 所以最終輸出的數字量D也正比于輸入的模擬信號 。)(

30、tusr)(tuKDsrVVFC的分辨率與采樣頻率的關系的分辨率與采樣頻率的關系 分辨率一般用VFC轉換器輸出的數字量D的位數來衡量。 VFC輸出的位數取決于兩個因素： （1）VFC輸出脈沖的最高頻率 ； （2）采樣間隔Ts 的大小和積分間隔個數N。 VFC轉換器輸出的最大數字量 最高頻率 之間關系為：VFCfmaxDVFCfsVFCsVFCffNNTfDmax以最高頻率4MHz為例分析：取Ts5/3mS，N=1其最大輸出數字量為：6667)1035(104104366maxSNTD這個數字量相當于12.7位的A/D輸出。（2）VFC型數據采集系統的特點型數據采集系統的特點 VFC型數據采集系

31、統結構簡圖如下所示。可見與普通型數據采集系統結構簡圖如下所示。可見與普通A/D型型的數據采集系統是不一樣的。的數據采集系統是不一樣的。VFC型數據采集系統的特點：型數據采集系統的特點： （1）有低通濾波的作用，可以大大抑制噪聲；）有低通濾波的作用，可以大大抑制噪聲； 普通普通A/D轉換器是對模擬量瞬時值進行轉換，而轉換器是對模擬量瞬時值進行轉換，而VFC型型數據采集系統是對模擬量的連續積分，具有低通濾波作用，并數據采集系統是對模擬量的連續積分，具有低通濾波作用，并可大大抑制噪聲。可大大抑制噪聲。 （2）抗干擾能力強，在）抗干擾能力強，在VFC數據采集系統的輸出端和數據采集系統的輸出端和CPU主

32、主系統的計數器之間接入光電耦合器；系統的計數器之間接入光電耦合器； （3）輸出數字量）輸出數字量D的位數可調；的位數可調； （4）與微型機的接口簡單；）與微型機的接口簡單； （5）可實現多微機共享數據采集；）可實現多微機共享數據采集； （6）易于實現同步采樣；）易于實現同步采樣； （7）但不適用于高頻采樣。）但不適用于高頻采樣。逐次逼近式A/D轉換與VFC轉換分析第三節第三節 開關量輸入及輸出回路開關量輸入及輸出回路一、光電耦合器一、光電耦合器 光電耦合器：把發光器件和光敏器件組合在一起，實現以光光電耦合器：把發光器件和光敏器件組合在一起，實現以光信號為媒介的電信號變換。信號為媒介的電信號變換

33、。 由于發光器件和光敏器件之間相互絕緣，所以可以實現輸入由于發光器件和光敏器件之間相互絕緣，所以可以實現輸入和輸出兩側電路之間的電氣隔離。在微機保護中常用光電耦合和輸出兩側電路之間的電氣隔離。在微機保護中常用光電耦合器來輸入或輸出開關量信號。器來輸入或輸出開關量信號。二、開關量輸入回路二、開關量輸入回路開關量：即接點狀態信號，接通或斷開（識別外部條件）。開關量：即接點狀態信號，接通或斷開（識別外部條件）。 對微機保護裝置的開關量輸入可以分為對微機保護裝置的開關量輸入可以分為2類：類： （1）安裝在裝置面板上的接點信號）安裝在裝置面板上的接點信號輸入（輸入（ 5 5伏系統）伏系統）；如用于人機對

34、話的鍵盤上的接點信號。這類信號可以直接接至如用于人機對話的鍵盤上的接點信號。這類信號可以直接接至微型機的并行口。微型機的并行口。 （2）從裝置外部經過端子排引入的接點信號輸入（）從裝置外部經過端子排引入的接點信號輸入（24伏、伏、48伏、伏、220伏等）伏等）；如保護屏上的各種硬壓板、轉換開關等。為；如保護屏上的各種硬壓板、轉換開關等。為了抑制干擾，這類接點必須要經過光電耦合器進行電氣隔離，了抑制干擾，這類接點必須要經過光電耦合器進行電氣隔離，然后接至并行口。然后接至并行口。三、開關量輸出回路三、開關量輸出回路需要輸出的開關量（開出量）：保護的跳閘信號、通信接口。（一）通信接口（包括打印機接口

35、） 可用一個并行口來控制輸出數字信號。輸出回路中也加光電耦合器，提高抗干擾能力。 將并行接口的PA口設置為輸出方式；將PB口設置為輸入方式。 在開關量輸出回路中加入光電耦合器，實現兩側電氣回路的電氣隔離，同時可以進行不同邏輯電平的轉換。并行接口側的電源電壓是5V，而右側輸入回路中電源電壓可以是24V或其它電壓等級。（二）保護的跳閘出口信號 對于保護跳閘出口信號（及本地信號）的輸出，一般采樣并行口經過光電耦合器控制繼電器的方式。 對于重要的保護跳閘出口信號，為了防止誤發信號，還需要增加與非門環節。典典型型微微機機保保護護出出口口控控制制回回路路nK1K1為常閉接點（線圈不帶電狀況下閉合），是一個

36、為常閉接點（線圈不帶電狀況下閉合），是一個閉鎖告警信號閉鎖告警信號nK2K2、K3K3、K4K4、KNKN為常開接點（線圈不帶電狀況下打為常開接點（線圈不帶電狀況下打開）開）nK2K2是故障啟動信號是故障啟動信號nK3K3、K4K4是跳閘出口接點是跳閘出口接點nV1V1V5V5是光隔是光隔n出口接點出口條件出口接點出口條件1 1）無告警信號）無告警信號2 2）啟動繼電器動作）啟動繼電器動作n出口繼電器所在光隔導通計算機輸出跳閘信號出口繼電器所在光隔導通計算機輸出跳閘信號n圖圖1-311-31四、出口閉鎖1、自檢告警閉鎖圖1-31 AXJN+24V閉鎖2、三取二啟動回路圖1-32 KST2、KS

37、T3、KST4三取二 -24V閉鎖第四節 電源電源插件一般均采用逆變開關電源，提供多組穩壓電源。第五節 人機接口鍵盤顯示器接口CPU插件第六節 CPU主系統 微機保護裝置的核心是單片機系統，它是由單片微機微機保護裝置的核心是單片機系統，它是由單片微機和擴展芯片構成的一臺小型工業控制微機系統，除了硬件和擴展芯片構成的一臺小型工業控制微機系統，除了硬件之外，還有存儲在存儲器里的軟件系統。這些硬件和軟件之外，還有存儲在存儲器里的軟件系統。這些硬件和軟件構成的整個單片微機系統主要任務是完成數值測量、邏輯構成的整個單片微機系統主要任務是完成數值測量、邏輯運算及控制和記錄等智能化任務。除此之外，現代的微機

38、運算及控制和記錄等智能化任務。除此之外，現代的微機保護應具備各種遠程功能，它包括發送保護信息并上傳給保護應具備各種遠程功能，它包括發送保護信息并上傳給變電站微機監控系統，接收集控站、調度所的控制和管理變電站微機監控系統，接收集控站、調度所的控制和管理信息。信息。 這種單片微機系統可以是單這種單片微機系統可以是單CPU也可以是多也可以是多CPU系統。系統。一般為了提高保護裝置的容錯水平，目前大多數保護裝置一般為了提高保護裝置的容錯水平，目前大多數保護裝置已采用多已采用多CPU系統。尤其是較復雜的保護裝置，其主要保系統。尤其是較復雜的保護裝置，其主要保護和后備保護都是相互獨立的微機保護系統。它們的

39、護和后備保護都是相互獨立的微機保護系統。它們的CPU是相互獨立的，任何一個保護的是相互獨立的，任何一個保護的CPU或芯片損壞均不影響或芯片損壞均不影響其他保護。除此之外，各保護的其他保護。除此之外，各保護的CPU總線均不引出，輸入總線均不引出，輸入及輸出的回路均經光隔離處理，能將故障定位到插件或芯及輸出的回路均經光隔離處理，能將故障定位到插件或芯片，從而大大提高了保護裝置運行的可靠性。片，從而大大提高了保護裝置運行的可靠性。1、單CPU結構微機保護的硬件結構典型微機保護裝置包括CPU插件及人機對話輔助插件模擬量輸入變換插件前置模擬低通濾波器插件采樣及A/D變換插件開關（數字量）輸入輸出插件出口

40、繼電器插件電源插件典型插件式結構典型插件式結構這種結構把整個硬件邏輯網絡按照功能和電路特點劃分為若干部分，每個部分做在一塊印刷電路插件板上，板上對外聯系的引線通過插頭引出。微機保護機箱內裝有相應的插座，印制板均可方便地插入和拔出，通過機箱插座間的連線將各個印制板連成整體并實現到端子排的輸入輸出線的連接。典型插件式結構典型插件式結構典型插件式結構一般采用配線形式進行連接。定義：不再遵循總線規約，每根引線的意義以及信號時序要求根據實際電路確定，引線的物理位置也不作硬性規定。優點：（1）各印制板引出線可根據需要引出，引線數目可減少，從而可采用總線數較少的插座，這對提高可靠性有利（2）印制板布線可就近

41、上插頭，可簡化布線和減少布線長度，這對降低板上相互干擾有利（3）插座間連線可實現軟連接，這樣在插拔時有一定緩沖作用，這對改善接觸和減少插撥磨損有利（4）目前軟連接線與插座相連時所采用的卷繞工藝，運行經驗表明其可靠性較高典型插件式結構典型插件式結構2、多CPU結構（圖1-3）3、DSP結構數字信號處理器（DSP，即Digital Signal Processor）是進行數字信號處理的專用芯片，是伴隨著微電子學、數字信號處理技術、計算機技術的發展而產生的新器件。DSP的特點：1、哈佛結構，獲得高速運算能力。浮點運算90億次/S。2、采樣流水線技術，保證取指令和執行支路同時進行。3、具有獨立的硬件乘

42、法器。4、具有多處理器接口。DSP具有強大、快速的數據處理能力和定點、浮點運算功能，因此將DSP融合到微機保護中，將大大提高微機保護的性能。4、ARMDSP結構DSPDSP技術的應用技術的應用DSPDSP數字信號處理器（數字信號處理器（Digital signal processorDigital signal processor）n是專用數字信號處理器芯片。特別用于執行快速運算是專用數字信號處理器芯片。特別用于執行快速運算n內部采用哈佛結構，存儲空間分為兩個：數據存儲器和程內部采用哈佛結構，存儲空間分為兩個：數據存儲器和程序存儲器。允許同時訪問。序存儲器。允許同時訪問。n獨立的硬件乘法器。獨

43、立的硬件乘法器。哈佛結構傳統的微處理器采用的馮諾依曼（Von Neuman）結構將指令和數據存放在同一存儲空間中，統一編址，指令和數據通過同一總線訪問同一地址空間上的存儲器。而DSP芯片采用的哈佛結構則是不同于馮諾依曼結構的一種并行體系結構，其主要特點是程序和數據存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數據存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編制、獨立訪問。與之相對應的是系統中設置的兩條總線棗程序總線和數據總線，從而使數據的吞吐率提高了一倍。在哈佛結構中，由于程序和數據存儲器在兩個分開的空間里，因此取指和執行能完全重疊運行。 專用的硬件乘法器 在通用微處理器中算法指令需要多個指令周期，如

44、MCS-51的乘法指令需4個周期。相比而言，DSP芯片的特征就是有一個專用的硬件乘法器，乘法可以在一個指令周期內完成，還可以與加法并行進行，完成一個乘法和一個加法只需一個指令周期。特殊的DSP指令DSP芯片的另一個特點是采用特殊的指令，這些特殊指令進一步提高了DSP芯片的處理能力。第七節第七節 網絡化硬件電路網絡化硬件電路7 71 1 問題的提出問題的提出n主保護、后備保護、開出、主保護、后備保護、開出、開入、監控需要開入、監控需要CPUCPUn多多CPUCPU工作，通過網絡聯工作，通過網絡聯起來起來7 72 2 網絡化硬件電路網絡化硬件電路將網絡技術、智能化輸入/輸出（I/O）技術引入微機保

45、護裝置內部硬件電路設計，使內部模塊之間連接簡單、方便，并獲得良好的可擴展性、升級特性，并可提高抗干擾能力。 CPUCPU插件；開入插件；開出插件；插件；開入插件；開出插件；CANCAN總線總線定義：是指一組事先約定了結構與通信方式的并行信息連接線，其特點是對插座的每一根引線的意義和物理位置都作了嚴格的規定，與之相關的插件都需按總線規約設計并通過總線傳遞信息網絡形式的插件結構網絡形式的插件結構優點：（1）互換性強（2）按照標準總線規約設計，得到在數據、地址、控制線之間的合理布置，避免引線間的相互干擾。7 73 CAN3 CAN總線特點總線特點1.1.采用短幀結采用短幀結構，傳輸構，傳輸時間短時間

46、短2.2.差分信號傳差分信號傳遞方式，遞方式，抗干擾能抗干擾能力強力強當傳遞當傳遞“0”0”信號時，差分電壓差大；信號時，差分電壓差大；當傳遞當傳遞“1”1”信號時，差分電壓差低。信號時，差分電壓差低。差分電壓高低取決于如下電路差分電壓高低取決于如下電路發送發送“0”0”時，時，V1V1導通，總線導通，總線VhVh被鉗位高電平；被鉗位高電平；V2V2截至，總線截至，總線VlVl被置位低電平，壓差大，總線呈現被置位低電平，壓差大，總線呈現“0”0”發送發送“1”1”時，時，V1V1截至，總線截至，總線VhVh被鉗位低電平；被鉗位低電平；V2V2導通，總線導通，總線VlVl被置位高電平，壓差小，總

47、線呈現被置位高電平，壓差小，總線呈現“1”1”VHVLn采用非破壞性總線仲裁技術采用非破壞性總線仲裁技術當幾個節點同時送當幾個節點同時送0000，0101，1010，1111時，首先時，首先0000，0101，0 0電平被接電平被接受；受；然后再發送然后再發送0000，0101，第二位是，第二位是0 0的的 第一通路被選中第一通路被選中不同的節點按照設定好的優先級工作不同的節點按照設定好的優先級工作二進制表示時，數值越小，優先級越高二進制表示時，數值越小，優先級越高7 74 4 網絡化硬件結構的特點網絡化硬件結構的特點n 實現多實現多CPUCPU、多任務協調工作，可靠性高、多任務協調工作，可靠

48、性高n 擴展性好擴展性好n 升級方便升級方便微機保護的電磁兼容性問題電磁兼容（EMC）：各設備和系統在共同電磁環境中互不干擾，各自正常工作。 不受干擾； 非干擾源提高微機保護裝置可靠性的重點在抗干擾上。干擾形式有兩種：橫（差）模干擾和共模干擾。 1）差模干擾 差模干擾是串聯于信號源回路之中的干擾。其中Uia, Uib, Uic, Uio表示串聯于各相電壓回路中的干擾電壓，Ua, Ub, Uc表示有用信號源。差模干擾主要是由于各信號線對干擾源的相對位置不對稱因而受干擾源電磁感應或靜電感應產生的，干擾電壓大小不等，相位不同。干擾源可以是高壓母線或其它高壓帶電體。 抑制方法：在信號回路接入低通濾波器

49、。 2）共模干擾 共模干擾是作用在裝置或系統的對外引線端子和機殼之間的干擾。產生的原因與差模干擾相似，只是信號線距干擾源較遠，因而各相信號線對干擾源的相對位置基本上是對稱的，如圖所示。因此，干擾源以同樣的方式和強度與所有信號線耦合，對各相電壓、電流信號線的干擾電壓也完全相同，使所有信號線對地電壓發生同樣變化。 共模干擾可為直流，亦可為交流，它是造成微機保護裝置損壞或工作不正常的重要原因。 消除共模干擾的方法主要有：浮空隔離技術；雙層屏蔽技術；二次系統一點接地；低阻匹配傳輸、電流傳輸代替電壓傳輸；采用隔離變壓器；采用光電耦合芯片等。 為了減小作用在裝置對外引線端子和機殼之間的共模干擾，硬件設計時

50、應使微機保護裝置各外接引線經抗干擾電容后進入裝置并與裝置內弱電系統之間有足夠大的距離，同時加強各輸入、輸出引線對機殼的絕緣。抗干擾措施抗干擾措施 最重要的抗干擾措施是防止干擾進入保護裝置弱電系統，也就是前面介紹過的各種隔離、屏蔽、合理布局和配線給電容提供低阻抗入地通道（電容濾波）以及在微機保護電源回路中加濾波器阻止干擾傳遞等方法。合理的硬件設計 （抗干擾的第一道防線 ）抗干擾措施第二道防線1 1對輸入采樣值的抗干擾糾錯對輸入采樣值的抗干擾糾錯 保護裝置的模擬輸入量之間存在著某些可以利用的規律。保護裝置的模擬輸入量之間存在著某些可以利用的規律。例如，三相電流和零序電流之間有例如，三相電流和零序電

51、流之間有 i ia a+i+ib b+i+ic c=3i=3i0 0 求和檢查不僅可以抗干擾，還可以用來發現數據采求和檢查不僅可以抗干擾，還可以用來發現數據采集系統的硬件損壞故障。上述方法稱為電流求和自檢。對于集系統的硬件損壞故障。上述方法稱為電流求和自檢。對于電壓回路也可進行類似的求和自檢。電壓回路也可進行類似的求和自檢。 2.2.運算過程的校核糾偏運算過程的校核糾偏針對針對CPUCPU在運算過程中可能因強大的干擾而導致運在運算過程中可能因強大的干擾而導致運算出錯的問題，可以將整個運算進行多次，以核對運算算出錯的問題，可以將整個運算進行多次，以核對運算是否有誤。這種校對可以有兩種做法：是否有

52、誤。這種校對可以有兩種做法：在運算結束后，在運算結束后，由程序安排使由程序安排使CPUCPU先把運算結果暫存起來，再利用同樣先把運算結果暫存起來，再利用同樣的原始數據，按同樣的運算式再算一遍，并同前一次計的原始數據，按同樣的運算式再算一遍，并同前一次計算結果比較，兩次的計算結果應當完全一樣。如果兩次算結果比較，兩次的計算結果應當完全一樣。如果兩次結果不一樣，則再算，三取二表決，或直到兩次結果一結果不一樣，則再算，三取二表決，或直到兩次結果一樣。樣。連續的多次計算不利用完全相同的原始數據，而連續的多次計算不利用完全相同的原始數據，而當第二次計算時將算法所依據的數據窗順移一個采樣值。當第二次計算時

53、將算法所依據的數據窗順移一個采樣值。 3.3.保護出口的閉鎖保護出口的閉鎖在干擾造成程序出格后，在干擾造成程序出格后，CPUCPU可能執行一系列非預可能執行一系列非預期的指令。如不采取措施，則在此過程中可能碰到一條期的指令。如不采取措施，則在此過程中可能碰到一條非預期的指令正好是跳閘指令而使保護誤動作。防止這非預期的指令正好是跳閘指令而使保護誤動作。防止這種誤動作的措施是在設計出口跳閘回路的硬件時應當使種誤動作的措施是在設計出口跳閘回路的硬件時應當使該回路必須在連續執行幾條指令后才能出口。該回路必須在連續執行幾條指令后才能出口。 4.4.程序出格的自恢復（看門狗）程序出格的自恢復（看門狗）若在強大的干擾下造成了保護程序出格，應該迅速若在強大的干擾下造成了保護程序出格，應該迅速發現程序出格，并能自動地使其重新恢復正常，以免被發現程序出格，并能自動地使其重新恢復正常，以免被保護對象發生故障時保護拒動。但此時任何軟件措施都保護對象發生故障時保護拒動。但此時任何軟件措施都無濟于事，因為無濟于事，因為CPUCPU已不再按預定的程序工作，因此必已不再按預定的程序工作，因此必須用專用的硬件電路