微机继电保护原理

可避免地要舍去比最低位（LSB）更小的数，从而引入一定
误差。
对于一个n位的A/D转换器，其量化误差
q
1 2n1
U
max
其中，Umax 是A/D转换器最大允许输入的正电压。
2）转换时间，影响A/D的最高采样频率。
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五、VFC型数据采集系 统电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）是另一
输出模拟电压：usc
U R RF R
D
，正比于输入数字量D。
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（三）逐次逼近式模数转换器的工作原理 数模转换器的工作过程：通过并行接口向16位D/A转换器
试探性送数。每送一次数，微型机通过读取PA0端口的状态判 断试送的16位数相对于模拟输入量是偏大还是偏小。如果偏 大，则减小试送的16位数，直至找到最相近的二进制数，这 个16位二进制数就是A/D转换器的输出结果。试探送数采样逐 次逼近的二分搜索法。
ZL
C1
C2
Zg
Zf
（b)
华北电力大学 （二）输入电流的电压形成回路，有以下2种方法实现
（1）电抗变换器 电抗变换器是一种铁心中有气隙的变压器。优点是铁心不
易饱和，线性变换范围大。缺点是阻止直流、放大高频分量， 使二次侧电压波形发生严重畸变。 （2）电流变换器
电流变换器是一种铁心闭合无气隙的变压器。优点是当铁 心不饱和时，二次电流波形与一次侧相同。缺点是在电流非 周期分量作用下容易饱和，线性度差。微机保护中一般采用 电流变换器。
双极性模拟量的模数转换
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双极性模拟量：正、负极性变化的模拟量。
为了实现对双极性模拟量的模数转换，需要设置一个直流偏 置量，其值为最大允许输入量的一半。
以输入双极性电压最大范围为5V的模数转换器为例。
以上A/D转换器的位数是16位。最高位是符号位，有效位只 有后面的15位。一个n位的A/D转换器，其十进制数的范围是
KV
RR ERT0 Rsr
是常数。
VFC的工作原理
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电压频率转换器VFC输出脉冲方波的频率 f (t)和输入交流模
拟电压信号 usr (t) 的大小成正比，即：
A/D7665模数转换器是由 Analog Devices 公司生产。
芯片外观
芯片内部结构示意图
（五）A/D转换器与微型机的接口
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模数转换器AD7665的模数转换功能必须由微型机执行软 件程序来控制，即微型机通过总线控制模数转换器AD7665。
模数转换器AD7665与微型机的接口如下图所示。
EN A0 A1 A2 A3
16路多路转换开关
UPP (+15V)
USS (-15V)
译码/驱动
输入模拟量通道：A1～A16;
AS16 输出模拟量通道：输出
AS1
控制由四个路数选择线来控制。
输出 A1
A16
模拟量多路转换开关的应用。
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模拟量多路转换开关（MPX）中最重要的部分是电子开关AS， 它是用数字电子逻辑控制模拟信号通、断的一种电路，通常是 由双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（J-FET）或金属 氧化物半导体场效应管（MOS-FET）等类型组成的电子开关。
微机继电保护举例
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CPU板
华北电力大学 微机保护 的结构
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第一章 微机保护的硬件原理
North China Electric Power University
1－1 概述
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一、微机保护的硬件构成由三部分组成
1、模拟量输入系统（数据采集系统）：电压形成、模拟 滤波、采样保持(S/H)、多路转换(MPX)以及模数转换(A/D)， 完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量
2、CPU主系统：微处理器(MPU)、只读存储器(ROM)或 闪存内存单元(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、定时器、 并行以及串行接口等。MPU执行编制好的程序，以完成各 种继电保护测量、逻辑和控制功能
3 、 开 关 量 （ 数 字 量 ） 输 入 / 输 出 系 统 ： 并 行 接 口 (PIA 或 PIO)、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，完成保 护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话等功能
（2）可靠性高
可靠性是继电保护的基本要求，通过不断的完善，微机 保护的可靠性已经完全能够满足电力系统的要求。
（3）易于获得附加功能
可以通过配置的打印机、显示屏、网络提供电力系统故 障后的多种信息，有助于运行部门对事故的分析和处理。
（4）灵活性大。只需通过改变软件来改变保护性能和功能。
（5）保护性能得到很好改善。充分利用计算机的智能特点。
Z是模数转换器的输入阻抗；
是二次侧并联电阻，很小。
RLH
输出电压
u2
RLH i2
RLH
i1 n
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二、采样保持电路和模拟低通滤波器
（一）采样保持电路的作用及原理
采用保持电路（S/H），作用是采集模拟输入电压在某一
时刻的瞬时值，并在模数转换器进行转换期间保持输出电压
不变，以供模数转换。
信 号
) )
) )
微机保护的硬件构成
模
拟
电压形成
LPF
S/H
量
输
入由
T
A 和
T
V
二
次
电压形成
LPF
S/H
侧
来
数据采集系统
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总线 串行接口
多
路
转
换
开
关
A/D
M P X
MPU FLASH RAM 并行接口
采样脉冲
定时器 微型机系统
光电隔离
通信
人机对话
开关量输入
光
打印机
电 隔 离
出
口 电 路
开关量输出 （跳闸、信号）
四、模数转换器
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（一）模数转换器的一般原理 模数转换器（A/D转换器，或简称ADC）是实现计算机控
制的关键技术，是将模拟量转变成计算机能够识别的数字量的 桥梁。
模数转换器是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。
百度文库
模数转换器把输入的模拟量 Usr相对于模拟参考 U R 转化
成数字量D输出，输出数字量D和输入模拟量Usr 之间关系式为：
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微机继电保护原理
主讲人：黄少锋
电气与电子工程学院四方研究所
North China Electric Power University
绪论
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一、计算机在继电保护领域中的应用和发展概况
（1）世界微机保护的发展历史
※ 20世纪60年代末期，开始倡议用计算机构成继电保护。 ※ 20世纪70年代，掀起了研究热潮。 ※ 20世纪70年代末期，开始进入实用化阶段。 ※ 1979年后，推出各种定型的商业性微机保护产品，并迅
±5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用。 可以采用电流变换器或电抗变换器实现。
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（一）输入电压的电压形成回路 通过电压变换器实现，即一种变压器（但是，原边与付
边之间应当设置一个屏蔽层，提高抗共模干扰的能力）。
电压变换器（TV）
U1 :U2 n :1
共模干扰源
屏蔽层
W1
W2
（a)
共模干扰源
种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号， 该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。
（1）VFC的工作原理
VFC把输入的交流模拟电压量 usr (t) 转变为脉冲信号u0 (t) 输出。
输出脉冲信号u0 (t)的频率f (t) 与输入电压 usr (t)成正比。
f (t) KV usr (t)
2n1 ~ (2n1 1)
模数转换的溢出
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模数转换器的溢出：输入模拟电压超过了模数转换器的最大允 许输入电压 Umax。
模数转换器的溢出可能有两种情况：
（1）平顶溢出，危害不大。
（2）清零溢出，危害很大。
华北电力大学 （四）A/D转换器举例
以模数转换器AD7665为例进行分析。 数模转换器AD7665是一种逐次逼近型的16位快数数模转 换器，转换速率是500kSPS（Samples Per Second），即 进行一次模数转换的时间为1/500K=2uS。
输出
A2 5
usc
1
usr
24
3
5
usc
6
6
7 8
Ch
Ch
4
“1”采样
“0”保持
(a)
(b)
（三）模拟低通滤波器
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电力系统故障初期，电流、电压中可能含有相当高的频率分 量（如2 kHZ以上）。而目前大多数微机保护原理都是反映 50HZ工频分量的。因此，在采样保持前用一个模拟低通滤波器 把高频分量过滤掉，防止高频分量混叠到工频来。
电压形成回路
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（1）输入电压的电压形成回路 把 一 次 电 压 互 感 器 输 出 的 二 次 额 定 100V 电 压 变 换 成 最 大
±5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用。 可以采用电压变换器实现。
（2）输入电流的电压形成回路 把一次电流互感器输出的二次额定5A/1A电流变换成最大
（六）微机保护对A/D转换器的主要要求
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（1）转换位数（分辨率），通常用数字量的位数来表示。
（2）转换时间（转换频率），A/D转换器进行模数转换的
时间 tAD ，其转换频率为 f AD 1/ tAD 。
1）转换位数（分辨率） ，即数字量的位数。
当用有限位数的二进制数来表示连续的模拟量瞬时值，不
输入/输出系统
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1－2 数据采集系统（模拟量输入系统）
一、电压形成回路
微机保护要从被保护电力线路的电流互感器、电压互感器取 得电流、电压信息，必须把这些电流互感器、电压互感器的 二次电流、电压（5A或1A、100V）进一步变换降低为±5V 或±10V范围内的电压信号，供微机保护的模数转换芯片使用。
速推广。
微机保护：
用微型计算机构成的继电保护。
电磁型继电保护：用电磁型继电器构成的继电保护。
（2）我国微机保护的发展历史
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※ 70年代后半期开始，对国外计算机继电保护的发展作了广 泛的介绍和综述分析。 ※ 70年代末至80年代初广泛地开展各种算法以至样机的研制。 ※ 1984年，华北电力学院杨奇逊教授主持研制的第一套微机 距离保护样机在河北马头电厂投入试运行。 ※ 1986年，全国第一台微机高压线路保护装置投入试运行。 ※ 1987年9月26日，微机距离保护经受人工短路考验。 ※ 目前，高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。 ※ 在微机保护和网络通信等技术结合后，变电站自动化、配电 网自动化系统也已在全国系统中广泛应用。 ※ 未来几年内，微机保护发展趋势：
该时刻瞬时电压值 u(kTs ) 1.2V 转变为数字量 u(k) 101101001（1 二进制） 2D3(十六进制)
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（二）数模转换器的一般原理 数模转换器（D/A转换器，或简称DAC）是把数字量D转
变成模拟电压或电流输出。 模数转换器中一般都要用到数模转换器。
输入数字量：D B1 21 B2 22 Bn 2n ，上图n=4。
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（二）对采样保持电路的要求 a）截获时间（Tc）尽量短，以便采用很短采样脉冲。 b）保持时间长，在保持期间输出电压变化小。 c）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。
采样保持电路的典型芯片
2
模拟量输入
usr
3 A1
逻辑输入
S/H
8
A3 7
1
LF398
+U
-U
R
R1 R2
AS
D
U U
sr R
，其中 U R 是模拟参考电压，一般 UR Usr
D是小于1的二进制数， D B1 21 B2 22 Bn 2n D是一个n位二进制数字。
Usr UR D U R (B1 21 B2 22 Bn 2n )
模数转换器的工作原理
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把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。 以kTs时刻为例分析：
最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。
R
R
其中 R 4.3k
C
C
C 0.1F
三、模拟量多路转换开关
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当需要对多个模拟量进行模数变换时，由于模数转换器（A/D 转换器）的价格较贵，通常不是每个模拟量输入通道设置一个 A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经过多路转换开 关切换。
a）从应用上，向高可靠性、简便性、开放性、通用性、灵 活性和动作过程透明化方向发展。
b）从原理上，向智能化、模块化、网络化和综合化方向发 展。
二、微机继电保护装置的特点
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（1）维护调试方便
保护功能是由程序完成，只要程序和设计时一样，就必 然会达到设计时的要求，不用逐台检验每一种功能是否正确。 微机保护具有很强的自检功能，一旦发现硬件损坏就会发出 警报。
阻
usr 抗 AS
变
换
器
I
Ch
阻
抗
usc
变
换
器
II
逻辑输入 TC TS
(a)
采 样 脉 冲
采 样 信 号
保 采持 样信 和号
usr
TC TS
usc
(b)
采样保持电路：
t
输入电压：usr
t
输出电压：usc
采用保持电路输 t 出了一个阶梯电压
波形。在保持阶段 无论何时进行模数 t 转换，都反映了采 样值。