微機保護的硬件原理第一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第一節概述圖1－1微機保護硬件構成框圖第二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第一節概述2.微機保護用硬件特點集成微處理器（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。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。不區分微機、單片機、微處理器第三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統為模數轉換（AD）做準備、轉換模擬量為數字量適應電力系統故障信號特點頻譜分布寬廣：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第一章微機保護的硬件原理第四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六適應繼電保護特點要求模擬量設置應滿足繼電保護功能要求為準則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；典型的三繞組變壓器差動保護需要：每一繞組側的三相電流

因此，微機保護是一個多模擬量輸入系統第一章微機保護的硬件原理第五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六2－1電壓形成回路要求繼電保護所使用的電壓、電流都是來自于電壓互感器（100伏、線間電壓）和電流互感器（額定電流5安或1安，短路電流100安）把100伏左右的電壓變換為適合AD轉換需要的正負2.5伏、正負5伏、正負10伏的電壓；把小于1安～100安的電流變換為適合AD轉換需要的正負2.5伏、正負5伏、正負10伏的電壓第二節數據采集系統第六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六變換器電壓變換器用于將一次電壓變換成微機保護模數轉換（AD）用的電壓，普通變壓器原理。電流變換器：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（AD）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。第二節數據采集系統第七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統電抗變壓器：用于直接獲取電壓

它的原理結構、原理圖及等值電路如圖1－2所示

圖1－2電抗變壓器的原理結構與等值電路圖第八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統

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：總體效果相當于第九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六

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，阻止了直流和低頻分量。嚴格講是失真變換。電流變換器和電抗變壓器的比較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，動態范圍小電抗變壓器具有阻止直流、放大諧波的作用，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。第二節數據采集系統第十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六2－2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定義：采樣保持電路（S/H,SamplingandHolding）是在極短時間內測量模擬量在該時刻的瞬時值，并在模擬－數字轉換器進行轉換的期間保持輸出不變的一個電路第二節數據采集系統第十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六組成：它由電子模擬開關AS、保持電容器及兩個阻抗變換器組成。Ch的作用是記憶AS閉合時刻的電壓，并在AS打開后保持該電壓。阻抗變換器I在Ch端提供低阻抗，使得Ch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；阻抗變換器11在Ch端提供高阻抗，使得Ch衰減緩慢，而在后邊呈現低阻抗以提高帶負載的能力。第二節數據采集系統第十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統圖1－3采樣保持電路及工作過程第十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統工作過程：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A/D轉換。第十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統對采樣保持電路的要求Ch上的電壓按照一定的精度跟蹤Usr，跟蹤時間盡量短，以適應最小采樣寬度要求Tc保持時間要長，通常用下降率來表示保持能力模擬開關的動作延時、閉合電阻和開斷時的漏電流要小

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。一般來講，要求快速捕獲，采樣周期短，電容要小一些；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。第十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統圖1－4采樣保持電路的性能與電容Ch的關系曲線1－保持下降率2－保持跳變誤差3－0.1％誤差的截獲時間4－充電速率5－頻帶例子：若取Ch為0.01uf，則保持下降率為2mV/S，微機保護采樣速率高于2mS，沒問題；而截獲時間為20微妙，誤差相當于工頻0.36度，也沒有問題。但是對于高頻采集－行波采集就不行了！！需要提醒的是：Ch經常需要外接第十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應用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，需要變步長采樣，變步長的采樣間隔時間（采樣脈沖發出時間）要隨時調整采樣定理

被采樣信號的頻率最高不超過1/2采樣頻率，否則會造成頻譜混疊。合適的保護采樣頻率選擇

高采樣頻率要求CPU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。第十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統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，那么，高頻故障信息應該/可以濾除，這樣將降低對CPU和采樣速率的要求。目前微機保護普遍采用600Hz（1.667毫秒）、1kHz（1毫秒）、1.8kHz（0.55毫秒）的采樣頻率，它們都能夠滿足工頻故障信息和3次、5次諧波的采樣和分辨要求。但是高于300Hz、500Hz、900Hz的故障信號怎么辦呢？第十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統前置低通濾波器的設置濾波器是一種能使有用頻率信號通過，同時擬制無用頻率信號的電路。低通濾波器是只讓低于截至頻率通過的濾波器。前置低通濾波器又稱為抗混疊濾波器，廣泛應用于各種消費、控制電路中的采樣電路前，濾除高于2倍采樣頻率的信號，因此截至頻率被設置為1/2fs。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（最高二階的有源或無源）濾波器來限制接近工頻分量的諧波信息混進來！第十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統圖1－5二階無源低通濾波器第二十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統圖1－6二階無源低通濾波器第二十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六2－3模擬量多路轉換開關繼電保護需要多的模擬量數模轉換器是貴重的元器件電路布板希望少的芯片多路轉換器是一個理想的、經常采用的芯片定義：是一個開關電路；接入很多模擬量；僅僅把其中的一路送給數模轉換器去轉換。不同的模擬量通過“分時”方式完成模數轉換過程。第二節數據采集系統第二十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統組成：包括選擇接通路數的二進制譯碼電路和多路電子開關。二進制譯碼電路決定哪個電子開關接通——接入相應的待轉換模擬量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16路多路轉換開關例A0～A3是路數選擇線接CPU，控制哪一路選通A1～A16是模擬量入AS1～AS16是電子開關En是始能端圖1－716路多路轉換開關第二十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六2－4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的轉換，也稱為A/D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。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、壓力速度等分類：直接型：直接把模擬量轉換成數字代碼間接型：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第二節數據采集系統第二十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統模數轉換器的一般原理

將輸入的模擬量Usr相對于模擬參考量UR經編碼電路轉換成數字量D輸出

D可以表示為

B1～Bn均為二進制碼。第二十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統數模轉換器，D/A轉換器

數模轉換器的作用是將數字量經解碼電路變成模擬電壓或電流輸出。每位數字量都有一定的權，不同的權就代表一個具體的數值。

圖1－84位數模轉換器說明圖第二十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統

電子開關K0～K3分別受4位輸入數字量B1～B4的控制。在某位為零時，開關合向左側，即接地；為1時，合向右側，即接運放反相輸入端。流向運算放大器反相輸入端的總電流反映了4位輸入數字量的大小，經帶有負反饋電阻的放大器放大后變換成電壓輸出。圖中的特殊網絡結構和參數選擇使得各個電子開關所接通的回路具有不同的“權”值。

所以，運放輸入電流為第二十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統逐次逼近式模數轉換器原理

將一待轉換的模擬輸入信號Uin與一推測信號Ui相比較，根據推測信號大于還是小于輸入信號來決定是增大還是減小該推測信號，直至逼近輸入信號為止。推測信號由D/A轉換器的輸出獲得。

圖1－9模數轉換器原理說明圖第二十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統逐次逼近式模數轉換器原理

將一待轉換的模擬輸入信號Uin與一推測信號Ui相比較，根據推測信號大于還是小于輸入信號來決定是增大還是減小該推測信號，直至逼近輸入信號為止。推測信號由D/A轉換器的輸出獲得。

圖1－9模數轉換器原理說明圖說明圖第二十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統二分法：測試最大可能值，為1，DA偏小，有效；為0，偏大，置0。繼續AD的雙極性連接－抬起來，加偏置第三十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第一章微機保護硬件原理小結簡介了微機保護基本硬件組成介紹了電壓形成回路介紹了采樣保持電路介紹了多路轉換開關介紹了逐次逼近式模數轉換器原理習題寫出逐次逼近式模數轉換器工作原理和過程

第三十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統偏置結果－變成單極性第三十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統波形溢出第三十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統微機保護對模數轉換器的要求轉換時間精度要求微機保護要承受100A電流，還要正確分辨10％額定電流（精工電流）－0.5安培。12位AD可以滿足要求。如采用16位更好第三十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統2－5VFC型數據采集系統VFC-VoltageFrequencyConverter,電壓頻率轉換器經電壓形成回路后，經過VFC，將模擬電壓變換為脈沖信號，由計數器進行計數。這樣在采樣間隔內的計數值就與采樣對象的積分值成比例。實現了模數轉換。第三十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統VFC工作原理它是一個電路，由一個運放、一個零電壓比較器、一個單穩觸發器、一個電子開關及電阻電容組成。第三十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統前提第三十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六直流輸入信號工作原理輸入為0，電容器電壓為0，單穩為0，電子開關接地正直流信號時，IR＝0，Ic＝-Isr，Uc有變負的趨勢，這個變化被檢測，單穩輸出正跳變并保持T0.電子開關切換到-ER在T0期間，RR上有電流，電容電流發生了變化

Ic＝IR-Isr第二節數據采集系統第三十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統第三十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統在To消失時刻Uc達最大值To消失后，電子開關接回地。電容放電，放電電壓為到0時，再次被零電壓監測器發現，單穩狀態翻轉過零時對應的時刻是t2周而復始，Uc

呈周期性變化，周期T是t2。第四十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統

因此，電壓和頻率成正比，對脈沖個數計數得到電壓求和（積分）第四十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統

第四十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統交流輸入信號工作原理首先增加一個正偏置，把信號變為單極性。正偏置電流取為I偏＝ IR/2＝ER/2RR,這時最大交流輸入變為第四十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統綜合輸入信號為（1）在0～To期間是一上升的曲線第四十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統（2）當To消失后，電子開關接回地第四十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統第四十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統第四十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第四十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第二節數據采集系統第四十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六VFC數據采集系統特點低通濾波抗干擾能力強位數可調與微機接口簡單多微機共享不適于高速采樣第二節數據采集系統第五十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第三節開關量輸入及輸出回路光電耦合器把發光器件（發光二極管）和光敏器件（受光導通）組合，可以實現光媒介的電信號傳變，這種器件被稱為光電耦合器光隔離器光傳感器光敏集成塊常見光隔離器，二極管型、三極管型、達林頓型晶閘管型，驅動功率大小區分第五十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第三節開關量輸入及輸出回路開關量輸入回路裝在面板上的接點－5伏系統裝在端子排上的接點－24伏、48伏、220伏等，需要光電隔離第五十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第三節開關量輸入及輸出回路開關量輸出回路保護的跳閘出口、本地信號和中央信號一般由并行輸出口、邏輯與非門、光電隔離器、有接點的繼電器組成第五十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六典型微機保護出口控制回路第五十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第三節開關量輸入及輸出回路K1為常閉接點（線圈不帶電狀況下閉合），是一個閉鎖告警信號K2、K3、K4、KN為常開接點（線圈不帶電狀況下打開）K2是故障啟動信號K3、K4是跳閘出口接點V1～V5是光隔出口接點出口條件1）無告警信號2）啟動繼電器動作出口繼電器所在光隔導通－計算機輸出跳閘信號第五十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六小結多路轉換開關逐次逼近式模數轉換VFC開關量輸入輸出作業

1圖1－37中K1的作用是什么？2VFC電路中單穩態觸發器的作用是什么？第五十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期六第四節DSP技術的應用DSP－數字信號處理器（Digitalsignalprocessor）是專用數字信號處理器芯片。特別用于執行快速運算內部采用哈佛結構，存儲空間分為兩個：數據存儲器和程序存儲器。允許同