微机保护的硬件原理第2讲_图文.ppt
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微机保护装置硬件原理l_图文_图文
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2.5 微机保护装置硬件原理
开关量输入
打印机 液晶显示器
数据采集系统
微机系统
人机接口
触摸按键
开关量输出 驱动电路
继电器
1、模拟量输入系统
微机系统只能识别数字量，应将模拟转换 为微机系统能接受的数字信号。
2、微机系统
故障微机系统作用：用于分析计算电力系统 有关电量，判定系统是否发生。
2.5.2微机保护数据采集系统
数据采集系统又称模拟量输入系统，采用A/D芯 片的A/D式数字采集系统，由电压形成、模拟滤 波器(ALF)、采样保持(S/H)、多路转换开关 (MPX)与模数转换器(ADC)几个环节组成 。
A/D式数据采集系统图
1、电压形成回路
微机保护从被保护对象电流或电压互感器上取 得的信息，需要降低或变换。
微机保护用的模数转换器绝大多数都是应用 逐次逼近法实现的。
5）电压-频率式数据采集系统
VFC式的模数转换是将电压模拟量成比例 地变换为数字脉冲频率，然后由计数器对脉冲 计数，将计数值送给CPU。
2.5.3 CPU模块工作原理 1)具有ADC变换接口的保护CPU模块原理
2)具有VFC接口的保护CPU模块框图原理
微机继电保护中通常要求输入信号为土5V或 ±l0V的电压信号，具体决定于所用的模数转 换器。
2、保持电路与模拟低通滤过器
1）采样保持 必须对来自被保护元件的模拟量进行模/数 (A/D)变换，在进行A/D变换之前，首先要将连 续的模拟量变为离散量。这就需要对模拟信号 进行采样，即按时间取量化。
要求：电子模拟开关AS的闭合时间应满足有足 够的充电或放电时间，即采样时间。
2）低通滤波
2.5 微机保护装置硬件原理
开关量输入
打印机 液晶显示器
数据采集系统
微机系统
人机接口
触摸按键
开关量输出 驱动电路
继电器
1、模拟量输入系统
微机系统只能识别数字量，应将模拟转换 为微机系统能接受的数字信号。
2、微机系统
故障微机系统作用：用于分析计算电力系统 有关电量，判定系统是否发生。
2.5.2微机保护数据采集系统
数据采集系统又称模拟量输入系统，采用A/D芯 片的A/D式数字采集系统，由电压形成、模拟滤 波器(ALF)、采样保持(S/H)、多路转换开关 (MPX)与模数转换器(ADC)几个环节组成 。
A/D式数据采集系统图
1、电压形成回路
微机保护从被保护对象电流或电压互感器上取 得的信息，需要降低或变换。
微机保护用的模数转换器绝大多数都是应用 逐次逼近法实现的。
5）电压-频率式数据采集系统
VFC式的模数转换是将电压模拟量成比例 地变换为数字脉冲频率，然后由计数器对脉冲 计数，将计数值送给CPU。
2.5.3 CPU模块工作原理 1)具有ADC变换接口的保护CPU模块原理
2)具有VFC接口的保护CPU模块框图原理
微机继电保护中通常要求输入信号为土5V或 ±l0V的电压信号，具体决定于所用的模数转 换器。
2、保持电路与模拟低通滤过器
1）采样保持 必须对来自被保护元件的模拟量进行模/数 (A/D)变换，在进行A/D变换之前，首先要将连 续的模拟量变为离散量。这就需要对模拟信号 进行采样，即按时间取量化。
要求：电子模拟开关AS的闭合时间应满足有足 够的充电或放电时间，即采样时间。
2）低通滤波
微机保护的硬件原理第2讲
A2
+
单稳态 触发器 U0
-ER
AS
1-2数据采集系统（模拟量输入系统）
1. 直流输入的工作原理
T IRT 0 Isr
f 1 Isr
1 Usr
T IRT 0 IRT 0Rsr
RR Usr KVUsr ERT 0Rsr
VFC的转 换系数
结论：VFC输出信号的频率f与输入电压成正比。
1-2数据采集系统（模拟量输入系统）
（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 二分搜索法：是一种最快的逼近方法，n位转换 器只要比较n次即可，比较次数与输入模拟量大 小无关。
1-2数据采集系统（模拟量输入系统）
（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 微机保护对模数转换器的主要要求 主要指标： ➢ 转换时间； ➢ 数字输出的位数。
1-2数据采集系统（模拟量输入系统）
第2讲 微机保护的硬件结构简介
1-1概述
模拟 量输 入(由 TV和 TA二 次侧 来)
电压形成 电压形成
低通滤波 器(LPF)
低通滤波 器(LPF)
总线
多
S/H
路
转
换
开
A/D
关
M
P
S/H
X
串行接口 MPU ROM
FLASH RAM
并行接口 定时器
光电隔离
通信
人机对话
光
开关量输入
电
隔
打印机
离
开关量输出
SRAM（静态随机存储器）：保存程序运行过程中需要临 时暂存的数据；
FLASH（快擦写存储器）和NVRAM（非易失性随机存储 器）：都是近几年来发展起来的非易失性存储器，由于它 们具有掉电后数据不丢失，而且读写简单方便等优势，通 常用来保存故障数据，以便事故后分析。
+
单稳态 触发器 U0
-ER
AS
1-2数据采集系统（模拟量输入系统）
1. 直流输入的工作原理
T IRT 0 Isr
f 1 Isr
1 Usr
T IRT 0 IRT 0Rsr
RR Usr KVUsr ERT 0Rsr
VFC的转 换系数
结论：VFC输出信号的频率f与输入电压成正比。
1-2数据采集系统（模拟量输入系统）
（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 二分搜索法：是一种最快的逼近方法，n位转换 器只要比较n次即可，比较次数与输入模拟量大 小无关。
1-2数据采集系统（模拟量输入系统）
（四）模数转换器（ADC或A/D转换器） 微机保护对模数转换器的主要要求 主要指标： ➢ 转换时间； ➢ 数字输出的位数。
1-2数据采集系统（模拟量输入系统）
第2讲 微机保护的硬件结构简介
1-1概述
模拟 量输 入(由 TV和 TA二 次侧 来)
电压形成 电压形成
低通滤波 器(LPF)
低通滤波 器(LPF)
总线
多
S/H
路
转
换
开
A/D
关
M
P
S/H
X
串行接口 MPU ROM
FLASH RAM
并行接口 定时器
光电隔离
通信
人机对话
光
开关量输入
电
隔
打印机
离
开关量输出
SRAM（静态随机存储器）：保存程序运行过程中需要临 时暂存的数据；
FLASH（快擦写存储器）和NVRAM（非易失性随机存储 器）：都是近几年来发展起来的非易失性存储器，由于它 们具有掉电后数据不丢失，而且读写简单方便等优势，通 常用来保存故障数据，以便事故后分析。
第二章 微机保护装置硬件原理
◆无源滤波器
构成：由无源器件R、C构成。 优点：结构简单、可靠性高，能耐受较大 的过载和浪涌冲击。 缺点：对谐波分量衰减过大。
二阶RC无源滤波器示意图 通常R=4.7kΩ，C=0.01μF
◆有源滤波器
构成：运算放大器等。 优点：滤波器特性比无源滤波器好。 缺点：元器件参数变化对特性影响较大。
19
有源滤波器示意图
继电保护装置的基本组成给出是非大于等逻辑信号判断保护是否启动给出是非大于等逻辑信号判断保护是否启动常用逻辑回路有或与否延时起动等确定断路器跳闸或发出信号常用逻辑回路有或与否延时起动等确定断路器跳闸或发出信号5微机保护装置一般采用如图所示的多cpu结构
电力系统微机保护
西南交通大学电气工程学院
1
第二章 微机保护硬件构成
寻找能够区分出三种运行状态的可测参量；
提取和利用可测参量在三种状态下的“差异”； 识别出发生故障和出现异常的元件； 完成继电保护任务。
3
4. 继电保护装置的基本组成
给出“是”、“非”、“大 于”等逻辑信号判断保护是 否启动
输入信号 测量部分 逻辑部分 执行部分 输出信号
整定值
常用逻辑回路有“或”、“与”、 “否”、“延时起动”等，确定断 路器跳闸或发出信号
11
功率消耗：
GB/T 18038-2000《电气化铁道牵引供电系统微机保护装置通用技术条件》
12
电流变换器的暂态特性（直流分量对变换器的影响）
输入电流： 基波1A
输入电流： 基波1A 直流分量0.2A
13
◆霍尔传感器
霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次 级线圈）和放大电路等组成从实现原理上可分为：直测式和 磁平衡式。 直测式霍尔电流传感器原理：
第二章 微机保护的硬件结构PPT课件
实际上目前大多数微机保护原理多是反映工频 量的，或反映某些高次谐波，故可以在采样之前将 最高信号波频率分量限制在一定频带内。
一般在采样前用一个低通滤波器（ALF）将高频 分量滤掉。
28
（二）模拟低通滤波电路
RC无源低通滤波器电路
29
（三）采样保持器
模拟信号进行A/D转换时，有以下实事：
从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。 在这个转换时间内，模拟信号要保持不变。否则转换精度
保护 系统
保护 系统
11
RR—M结构
保护 系统
串行通信
人机交互或管理 系统
保护 系统
12
微机继电保护硬件系统的构成
• 对于一个具体的微机保护装置，通常将硬件电 路按功能分别布置在几个PCB板上——称为保护 的“插件”，各插件安装于一个机箱中，采用总 线把各插件联系在一起，构成一套完整的保护装 置。
第二章 继电保护的硬件结构
1
微型机继电保护
南京南瑞继保董事长 中国工程院院士 沈国荣（左一）
北京四方公司董事长 中国工程院院士 华北电力大学杨奇逊教授
2
微机继电保护硬件系统的构成
一、微机保护装置硬件按功能可分为五部分： 1)数据采集单元
包括电压形成和模数转换等功能块，将模拟输入 量尽可能准确地转换为数字量。 2）数据处理单元（微机主系统）
En A0 A1 A2 A3
译码/驱动
1
…
N
输出
公共端 U0
Ui1Uin
采样值输入
36
（四）多路转换开关
多路转换开关是一种多信号输入、单信号输出的电子切换开 关器件，可由CPU通过编码控制将多通道输入信号（由S/H送 来）依次与其输入端连接，而输出端与模数变换器输入端连接， 在CPU控制下逐一将各通道采样值变换成数字量。
一般在采样前用一个低通滤波器（ALF）将高频 分量滤掉。
28
（二）模拟低通滤波电路
RC无源低通滤波器电路
29
（三）采样保持器
模拟信号进行A/D转换时，有以下实事：
从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。 在这个转换时间内，模拟信号要保持不变。否则转换精度
保护 系统
保护 系统
11
RR—M结构
保护 系统
串行通信
人机交互或管理 系统
保护 系统
12
微机继电保护硬件系统的构成
• 对于一个具体的微机保护装置，通常将硬件电 路按功能分别布置在几个PCB板上——称为保护 的“插件”，各插件安装于一个机箱中，采用总 线把各插件联系在一起，构成一套完整的保护装 置。
第二章 继电保护的硬件结构
1
微型机继电保护
南京南瑞继保董事长 中国工程院院士 沈国荣（左一）
北京四方公司董事长 中国工程院院士 华北电力大学杨奇逊教授
2
微机继电保护硬件系统的构成
一、微机保护装置硬件按功能可分为五部分： 1)数据采集单元
包括电压形成和模数转换等功能块，将模拟输入 量尽可能准确地转换为数字量。 2）数据处理单元（微机主系统）
En A0 A1 A2 A3
译码/驱动
1
…
N
输出
公共端 U0
Ui1Uin
采样值输入
36
（四）多路转换开关
多路转换开关是一种多信号输入、单信号输出的电子切换开 关器件，可由CPU通过编码控制将多通道输入信号（由S/H送 来）依次与其输入端连接，而输出端与模数变换器输入端连接， 在CPU控制下逐一将各通道采样值变换成数字量。
第二章微机保护装置硬件原理
第二章微机保护装置硬件原理微机保护装置是一种常见的电力系统保护装置，用于对电力系统进行监控、测量和保护。
它通常由硬件和软件两部分组成，其中硬件部分是保护装置的核心部分。
本章将介绍微机保护装置的硬件原理。
一、微机保护装置的硬件构成微机保护装置的硬件构成包括中央处理器、存储器、输入输出接口、时钟和定时器、外围电路等。
1. 中央处理器（Central Processing Unit, CPU）：中央处理器是微机保护装置的核心部件，它负责执行各种保护算法和逻辑控制，对电力系统进行监测和保护。
中央处理器中通常包含ALU（算术逻辑单元）、控制单元和寄存器等。
2. 存储器（Memory）：存储器用于存储程序、数据和中间结果等信息。
微机保护装置中的存储器通常包括主存储器和辅助存储器。
主存储器用于存储运行时的程序和数据，而辅助存储器用于存储长期保存的程序和数据。
3. 输入输出接口（Input/Output Interface）：输入输出接口用于与外部设备进行数据交换。
微机保护装置的输入输出接口通常包括模拟输入输出接口和数字输入输出接口。
模拟输入输出接口用于处理模拟量数据，如电流、电压等；而数字输入输出接口用于处理数字量数据，如开关状态、报警信号等。
4. 时钟和定时器（Clock and Timer）：时钟和定时器用于对微机保护装置进行时序控制。
时钟用于提供基本的时钟周期，定时器用于进行定时操作，如定时测量、关闭保护装置等。
5. 外围电路（Peripheral Circuit）：外围电路包括电源电路、输入电路和输出电路等。
电源电路用于为微机保护装置提供稳定的供电，输入电路用于对输入信号进行处理和转换，输出电路用于向外部设备输出信号。
二、微机保护装置的工作原理微机保护装置的工作原理主要包括数据采集、信号处理、判决逻辑和输出动作等。
1.数据采集：微机保护装置通过输入接口从电力系统中采集各种信号，如电流、电压、功率、频率等，并将它们转换为数字信号进行处理。
(优)微机保护的基本原理与构成PPT资料
P2.7 0 4 8 C
P2.6 1 5 9 D
8256 P2.5 2 6 A E
P2.4 3 7 B F
+5V
D0 ~ D3
2 3
18 17
4 74LS 5 245
16 15
4R
DIR
RD
19
74LS138
YD
显示电路以菜单的形式显示各键盘操作及执行结果。
5、出口及信号插件 保护出口插件：
24V信号电源 24V出口电源 启动信号
② 采样保持与低通滤波
由于微机保护只能对数字量进行运算和判断，所以应将连续模拟量变 为离散量。采样保持电路作用就是在一个极短的时间测出模拟量在该时 刻的瞬时值；并要求在A／D转换期间保持不变。
同时采样：继电保护大多数原理是基于多个输入信号，如三相电流、 三相电压等。在每一个采样周期对通道的量全部同时采样。
自检告警
打印电源控制
并行接口 监控复归
GPS对时接口 RS232C/RS422/RS485
TXD RXD 保护模块1 CPMM
TXD RXD 保护模块2 CPMM
TXD RXD 保护模块n CPMM
二、微机保护的软件系统配置
1、接口软件
接口软件是指人机接口部分的软件，其程序可分为监控程序和运行程 ② 采序样保。持调与低试通滤运波行方式下执行监控程序，运行方式下执行运行程序。
不对应状态：当选择调试但不复位CPU并且接口工作在运行状态，就处于不对应状态。
中调在断试多程 ： C行P序复U调：位结定C构监节P时保U采控护。和样中程整中，断另序定和设串主专而行用要设口的通人是置信机中键接的断口盘程服CP务命U序程插序令件；。。处接理口程的序运，行为程接序口由插主件程及序各和C定P时U中保断护服插务件程进 接辅口助的 信序运号构行插程件成序：由。主主程序程和定序时完中断成服务巡程检序构、成。键盘扫描和处理、故障信息的排列和打印。
微机保护硬件原理
第一章 微保的硬件原理
信号预处理中，还包括隔离和抑制随有用信号进入的干 扰，这对提高继电保护装置的可靠性非常重要。
还有一类信号，如断路器、隔离开关等设备的辅助 接点以及其他继电器接点的开关量信号，或者来自别的 微机保护或数字设备的数字量信号。这些信号通过干扰 隔离环节，由输入/输出接口进入微机。
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•
第一章 微保的硬件原理
图1-1-2 数据采集系统框图 (a)基于A/D转换方式的数据采集系统
(b)基于V/F原理的数采集系统
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第一章 微保的硬件原理
★2、CPU系统
CPU系统包括：微处理器（MPU)、只读存储 器(一般用EPROM)、随机存取存储器(RAM)、定 时器。
微机保护装置的核心是CPU系统或单片机系统，除 了硬件之外，还有存储在存储器里的软件系统。这些 硬件和软件构成的整个单片微机系统，主要任务是完 成数值测量、逻辑运算及控制和记录等智能化任务。 除此之外，现代的微机保护应具备各种远方功能，它 包括发送保护信息并上传给变电站微机监控系统，接 收集控站、调度所的控制和管理信息。
第一章 微保的硬件原理
第一章
微机保护的硬件原理
第一章 微保的硬件原理
第一章 微机保护的硬件原理
第一节 第二节 第三节 口方式 第四节
微机保护装置的硬件结构 微机保护的数据采集系统 数据采集系统与微机的接 开关量输入输出回路
第一章 微保的硬件原理
第一节
微机保护装置的硬件结构
总线
模拟量输入电路 CPU主系统 并行 接口 A/D 并行 接口
第一章 微保的硬件原理
这种单片微机系统可以是单CPU或采用多CPU系统。
一般为了提高保护装置的容错水平，目前大多数保 护装置已采用多CPU系统，尤其是较复杂的保护装置， 其主要保护和后备保护都是相互独立的微机保护系 统。它们的CPU是相互独立的，任何一个保护的CPU 或芯片损坏均不影响其他保护。除此之外，各保护 的CPU总线均不引出，输入及输出的回路均经光隔离 处理，能将故障定位到插件或芯片，从而大大地提 高了保护装置运行的可靠性。但是对于比较简单的 微机保护，由于保护功能较少，为了简化保护结构， 多数还是采用单CPU系统。
第2章 微机保护的硬件原理《电力系统微机保护》课件
i1 TA i2
N1
N2 RLH
z
u2
图2-6 电流变换器的连接方式
由图2-6可得
u2
RLH i2
RLH
i1 nLH
其中：RLH为电流变换器的变比。
在设计时，相关参数应满足的条件是
RLH
imax nLH
Umax
2020/11/6
Xi’an University of Science and Technology
来 自 TV TA 二 次
2020/11/6
电压形成
ALF
电压形成
ALF
S/H
多
路
转
换
MPX S/H
A/D
CPU
总线
图2-2 同时采样分时转换方式
Xi’an University of Science and Technology
5/68
2.2 数据采集系统
2.分时采样分时转换的方式
2.2.1 数据采集系统组成及结构
Xi’an University of Science and Technology
3/68
2.2 数据采集系统
2.2.1 数据采集系统组成及结构
2.2.1 基于A/D转换的数据采集系统组成及结构
在微机继电保护装置中，数据采集系统的功能是将输入模拟电 量转换为微机能够识别的数字量。
基于A/D转换的数据采集系统以A/D转换器为模拟量到数字量的 转换单元，它包括电压形成回路、模拟低通滤波器ALF、采样保持 电路S/H、多路转换开关MPX及A/D转换电路等。
MPX
A/D
CPU
总线
图2-3 分时采样分时转换的方式
2020/11/6
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