微机保护构成及数据采集系统.-精选.doc
微机保护的硬件构成
微机保护的硬件构成
各部分结构及功能如下：
1模拟量输入系统（数据采集系统）
微机系统只能识别数字量，保护所反应的电流、电压等模拟信号需转换为相应的微机系统能接受的数字信号。
2数据处理单元(CPU系统 )
CPU主系统——包括微处理器CPU，只读存储器（EPROM）、随机存取存储器（RAM）及定时器（TIMER）等。
CPU执行存放在EPROM中的程序，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理，并与存放于E2PROM 中的定值比较，以完成各种保护功能用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后按照既定的程序动作。
这是微机保护装置的核心，一般包括：微处理器(CPU)、存储器、定时器等。
CPU是微机系统自动工作的指挥中枢；存储器是用于保存程序和数据；定时器用于触发采样信号，在V/F变换中，是频率信号转换为数字信号的关键部件。
3开关量输入/输出系统
由并行口、光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号指示及外部接点输入等工作。
输入系统用于采集有接点的量（如瓦斯保护、温度信号等）作为开关量输入；执行通过开关量输出，起动信号、跳闸继电器等，完成保护各种功能。
4人机对话接口
包括打印、显示、键盘、各种面板开关等，其主要功能用于人机对话，如调试、定值调整等。
用于调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。
包括：打印、显示、键盘及信号灯、音响或语言告警等。
5通讯接口
用于保护之间通讯及远动。
6电源
电源是微机保护装置重要组成部分，通常采用逆变稳压电源。
第五讲微机保护的数据采集系统.ppt
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。
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。
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
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)
3、模拟低通滤波器
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。
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 )
微机保护装置构成..
模拟量输入/输出回路 模/ 数 变换 模拟量 输入变换 放大驱动
来 自 TA 、 TV 的电流、电 压
数/模 变换
开关量输入/输出回路 光 电 隔 离 开关量输入 信号处理 开关量 输 出 电 路 开关量输入 去执行元件
变 电 站 测 控 对 象
打印机接口
并行 接口
二、保护与测控装置的箱体
保护与测控装置：均采用机箱式结构， 且每套装置由一个或几个箱体组成。
开入量：断路器、隔离开关的状态 （合、断）；变压器分接头的位置； 开出量：保护出口及告警信息等。
作用：
开关量输入回路完成外部 接 点的输入； 开关量输出回路完成各种保 护出口跳闸输出、告警信号输出。
开关量输入、输出回路主要元件
并行口芯片、光电耦合芯片、 中间继电器等。
(四)人机对话电路 作用： 用于人机对话.
作用：完成算术及逻辑运算，以 实现继电保护、测控、管理等功能。
构成：通常由微处理器CPU、存 储器、定时器/计数器、Watchdog及 接口芯片等组成。
DSP和一般的CPU不同：
体系结构 标准化和通用性 流水线结构： 快速乘法器： DSP可以在一个时钟周期内可以完成的 工作量。 低功耗：
2.存储器
组成：主要包括打印、显示、键 盘及信号灯、音响或语言告警等。 内部仍为计算机系统。
(五)通信接口
作用：主要是完成自动化装置间通信 及信息远传.
(六)电源
作用：提供整个装置所需的直流稳压 电源。
微型机系统 微处理器（ CPU ） 存储器 WATCHDOG 定时器 人机对话回路 本地操作人员 打印机 通信接口 至其他微机 系统通信 信息远传 通用数 字接口 调制解调器 人机交 互接口
一、微机保护测控装置的典型 硬件结构
第九章 微机保护概述
CPU 开关量输出 (跳闸、信号) 开关量输入 （断路器、 隔离开关 状态） 键盘 人 机 对 话 接 口 部 件
EPROM (FLASH) 来 自 TA TV 的 电 流 和 电 压 电 压 形 成 低 通 滤 波 采 样 保 持
EEPROM 多 路 转 换 开 关
模 拟 输 入
A/D 转 换
欲求差分滤波器能完全消除的谐波次数，可令 A(ω ) = 0，则
kωTS = Pπ 2
( P = 1,2, L)
即 kTS = P / f ，此式与式（9-2）相同，其中 f 为谐波频 率。 其相频特性为 sin kωTS jωTS β (ω ) = ArgH (e ) = arctg 1 − cos kωTS
滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率 信号的电路。对微机保护系统来说，在故障初瞬间，电压、 电流中可能含有相当高的频率分量（例如2kHz以上）， 为防止频率混叠，采样频率不得不取值很高，从而对硬件 速度提出过高的要求。但实际上，在这种情况下可以在采 样前用一个低通模拟滤波器(ALF)将高频分量滤掉，这样 就可以降低采样频率，降低对硬件速度的要求。 模拟低通滤波器通常分为两大类。一类是无源滤波器，由 RLC元件构成；另一类是有源滤波器，主要有RC元件与 运算放大器构成。 目前，微机保护中，采样频率常采用600Hz（即每工频周 波采样12个点）、800Hz等。
P fS k= = =4 mTS f1 3 f1
2. 差分滤波器的频率特性 从频域的角度讨论差分滤波器的滤波特性，可 将式（9-1）进行Ｚ变换，得
Y ( z ) = X ( z )(1 − z − k )
从而得出说差分滤波器的传递函数 H (z ) 为
Y ( z) H ( z) = = 1 − z −k X ( z)
8微机保护基础知识
微机保护基础知识
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学习方法
掌握基本原理 用计算机方法实现电
流保护，在实践中提 高对微机保护的认识 要将保护的基本算法 与具体继电保护原理 结合
• 要分清楚哪些是基本原理。
• 要利用微机来实现基本算 法。
• 理论联系实践，要既动脑 也动手。
微机保护基础知识
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微机保护基础知识
28 2019/9/15
假设RDk 、RDK-N分别为tK和tK-N时刻的读数，则这段时间
内的计数值DK为：
D K = R D K -R D K -N = (K K T -N S )T S fd t= K f (K K T -N S )T S u in (t)d t
可见，两次读数之差即为采样值，可用于计算。采样 值DK反应了uin(t)在 KTS~（K-N）TS 的积分面积。
多
路
转 换
A/D
开
关
节约A/D转换器
微机保护基础知识
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基于压频变换（VFC）方式
电压变换、 屏蔽和隔离
电压转化为 频率
TV TA
电压形成
二
次
侧
电压形成
来
VFC
计数器
BUS
VFC
计数器
对脉冲计数，从而完 成对电压的测量
微机保护基础知识
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8.2.1基于逐次逼近式A/D转换的模拟
nTs t
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（2）采样保持（S/H）电路
要求：
要求1： CH越小越好
1、截获时间尽量短，特别是对快速变化的 输入信号采样更应保证这一点； 2、保持时间要长；
微机保护系统的组成
微机保护系统的组成微机保护系统是一种用于保护微型计算机安全的系统，它由多个组成部分构成。
这些组成部分相互配合，共同工作，以确保计算机在面临各种潜在威胁时能够保持安全。
本文将对微机保护系统的组成进行详细介绍。
一、防火墙防火墙是微机保护系统中最基础的组成部分之一。
它位于网络入口处，通过监控网络流量，并根据预设的安全策略，对进出的数据进行过滤和控制。
防火墙可以阻止未经授权的访问和不安全的网络连接，从而保护计算机免受网络攻击和恶意软件的侵害。
二、入侵检测系统入侵检测系统是微机保护系统中的另一个重要组成部分。
它通过监控计算机系统和网络，及时检测并响应潜在的入侵行为。
入侵检测系统可以分为主机入侵检测系统和网络入侵检测系统。
主机入侵检测系统通过监控主机的系统日志和行为，识别和阻止对主机的入侵行为。
网络入侵检测系统则通过监控网络流量，检测和阻止网络入侵行为。
三、反病毒软件反病毒软件是微机保护系统中必不可少的组成部分，它用于检测和清除计算机中的病毒和恶意软件。
反病毒软件通过扫描计算机的文件和存储设备，识别和隔离潜在的威胁。
它可以自动更新病毒库，以应对不断变化的病毒威胁。
四、数据备份与恢复数据备份与恢复是微机保护系统中的重要组成部分，它用于保护计算机中的重要数据。
数据备份可以定期将计算机中的数据复制到外部存储介质，以防止数据丢失。
而数据恢复则可以在数据损坏或丢失时，将备份的数据恢复到计算机中，确保数据不会永久丢失。
五、访问控制访问控制是微机保护系统中用于控制用户对计算机资源的访问权限的组成部分。
它通过身份验证和权限管理，确保只有经过授权的用户可以访问计算机系统和数据。
访问控制可以通过密码、指纹识别、智能卡等方式实现，有效地保护计算机免受未经授权的访问。
六、安全审计安全审计是微机保护系统中的重要组成部分，它用于监控和记录计算机系统和网络的安全事件。
安全审计可以记录用户的登录和操作行为，检测和识别潜在的安全风险。
通过对安全审计日志的分析，可以及时发现和应对安全事件，确保计算机系统的安全。
微机保护基础知识
电流/电压接线端子 Xe
4、 EDCS-6000I型 装置正视图
人机显示界面
状态指示区
键盘操作区
5、 EDCS-6000I型 装置后视图
工作电源指示区
状态量接线端子 Xb
电流接线端子 Xd
报警/控制接线端子 Xh
工作电源开关
控制输出接线端子Xf
工作电源接线端 子Xa 控制输出接线端子Xc 电流/电压接线端子 Xe
BUS CPU主系统
模拟量输入系统
TV TA 二 次 测 来
电压形成
光耦 模 数 变 换
M
电压形成 串行通讯SIO
开出量
开 关 量 输 入 输 出 系 统
键盘 显示设备 打印机
人 机 对 话
三、模拟量输入系统的方式： （1）逐次逼近式A/D转换 （2）电压/频率变换（VFC）
五、微机保护的基本操作
1、保护的投、退操作 有压板者操作压板；无压板者操作直流电源。 2、定值修改 运行人员主要是切换定值区（ 0~9 ）。定值修改则由 继电保护人员在调试状态下完成。 3、故障处理
故障发生—观察现象（解除音响、闪光变平光等）—记 录现象（汇报）—恢复信号—试运行------。
一、EDCS-6000 装置简介
R1 ui C1
R2 C2 uo
uo ui
0
fs 2
f
4、模拟多路转换开关（MPX） 作用：采用多路转换开关将各通道保持的模拟信号分时接通A/D 变换器。 5、模数转换器（ADC回路） 模数转换器将采样保持回路输出的模拟量变为离散的数字量。 （1）ADC的基本原理 基准电压UR根据A/D转换的位数N，分成2N层基准电压，将输入 的离散模拟量u*(t)与各层基准电压进行比较，层间按照四舍五入 的原则，编成二进制代码的数字信号。 （2）基本概念： 1）分辨率：相邻两层间模拟量的1/2。 2）基本量化单元；相邻两层间的数字量相差为LSB，称为基本量 化单位，这里LSB=001 3）量化误差：在量化过程中由于要进行舍入处理而产生的误差。 （3）数模转换D/A（DAC）原理 作用：是将数字量D转换成模拟量。（模拟参考量）
微机保护
2014年5月12日12时 59分
28
第二章 微机保护装置的 硬件原理
第一节 微机保护的 数据采集系统
基本概念
连续信号：定义域是一个连续的区间的信号 模拟信号：定义域是一个连续的区间且函数值也 是连续的信号 离散信号：定义域是一些离散的点的信号
数字信号：定义域是一些离散的点，且函数的值 也是一些离散的点的集合的信号
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采样保持（S/H）示意图：
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AS为电子模拟开关。AS闭合时，处于 采样状态。Ch迅速充电到采样时刻的 电压值，AS在低电平时，保持在AS打 开瞬间的电压，电路处于保持状态。 阻抗变换器Ⅰ输入端呈高阻，输出阻 抗很低。阻抗变换器Ⅱ对Ch呈高阻， 输出端阻抗很低，增强带负载能力。
59分 6
二、微机保护硬件的发展： 第一代：01型 主要特点：单 CPU 系统 ，包括了 采样保持器、模/数变换器、CPU、 I/O 等多个插件，组成一个计算机系 统 ，总线引出插件。 典型装置：WXB-01 、WXB-02
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第二代：11型、900型
主要特点：多CPU 并列运行，采用 了单片机，做到了微机的总线不引 出插件 ，模数变换采用VFC 典型装置：WXB-11型、LFP900型
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采 样 保 持 过 程 示 意 图
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相邻两个矩形脉冲之间的时间间隔Ts(t) 称 为采样周期，其倒数称为采样频率f s。
在微机保护中处理的信号主要是工频信号。 例如工频每周期采样12点，即 N=12，则 采样周期: Ts = 20ms/12 = 5/3ms。 采样频率: fs = N*50 = 12 × 50 = 600Hz 连续信号经采样后成为离散信号，离散信 号能否真实反映被采样的连续信号呢？
微机保护(1)..
采样脉冲
A/ D
电 压 、 电 流
计 算 机
快速采样，成 本高。
电压形成
LPF
S/ H
A/ D 采样脉冲
电压形成
LPF
S/H 转 换 开 关
A/D
电 压 、 电 流
电压形成
LPF
S/H
计 算 机 转 换 开 关
电压形成
LPF
S/H A/D
电压形成
LPF
S/H
分组方式， —— 兼顾速度要求和成本。
采样频率的选择原则：
第二步，试送次高位； ...... 最后一步,试送最低位。
100 < 010 < > 001 < > < 011 > < 100 > 110 < >
101
>
111
< > 111
000 001 000 001
101 110
3 位转换器的 二分搜索法 示意图
上图中，输入电压的范围？最大允许值？最小值？
模数转换器AD7665与微型机的接口如下图所示。
（六）微机保护对A/D转换器的主要要求
1）转换位数（分辨率） ，即输出数字量的位数。 对于一个n位的A/D转换器，其量化误差 其中， 是A/D转换器最大允许输入的正电压。
2）转换时间（转换频率）。A/D转换器进行模数转换的 时间 ，其转换频率为 。
1－ 3
开关量输入及输出回路
一、光电耦合器
光电耦合器：把发光器件和光敏器件组合在一起，实现以光 信号为媒介的电信号变换。
可以实现输入和输出两侧电路之间的电气隔离。
在微机保护中常用光电耦合器来输入或输出开关量信号。
微机保护
四、模数转换器
控制信号
RESET
RD (Read), CS (Chip Select)
CNVST(Start Conversion)
PD (Power Down) BUSY
并行输出方式的数据信号
DATA15-DATA0
2013-12-20
微型机继电保护基础，毕天姝
20
四、模数转换器
四、模数转换器
（四）A/D转换器举例
AD7665是逐次逼近型的16位快速模数转换器，速度为500kSPS 电源
DVDD、DGNG OVDD、OGND AVDD、AGND REF、REFGND
模拟量输入usr
10V, 5V, 2.5V 0-10V, 0-5V, 0-2.5V
2013-12-20
五、VFC型数据采集系统
（一）VFC工作原理
1.
直流输入的工作原理
5)
如果在一个采样间隔Ts内对计数器的计数结果进行读数，则计 数值为D=fTs
D
Ts
fdt K U
v 0 t Ts 0 v
Ts
sr
dt
D
fdt K U
t t
t Ts
sr
dt
VFC型模数转换的输出值与输入电压信号的积分成正比
（二）对采样保持电路的要求
使Ch上电压按一定精度（例如误差小于0.1%）跟踪 上usr所需要的最小采样宽度Tc（或称为截获时间）， 对快速变化的信号采样时，要求Tc尽量短
保持时间要长。通常用下降率 要小。
u Ts Tc
来表示保持能力。
模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流
微机保护的数据硬件解析
微机保护的数据硬件解析1、数据采集单元数据采集单元包括电压形成、低通滤波、采样保持、多路转换开关和模数转换等模块，完成将模拟输入量转换成数字量的功能。
数据处理单元数据处理单元包括中央处理器(CPU)、只读存储器(EPROM)、电擦除可编程只读存储器(EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、定时器等。
中央处理器执行存放在程序存储器中的保护程序，对数据采集系统输人至随机存储器的数据进行分析处理，完成继电保护的功能。
故障特征：I增加、U降低、Z降低接地故障、断线有零序不对称故障有负序不正常运行状态：电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障的运行状态。
如：小电流接地系统d(1)、过负荷、过电压、频率降低、系统震荡等。
2、开关量输入\输出接口开关量输入\输出接口由若干并行接口、光电隔离器及中间继电器等组成，完成各种保护的出口跳闸、信号警报等功能。
通信接口通信接口包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网。
1．基本原理：为区分系统正常运行状态与故障或不正常运行状态——找差别：特征。
①增加故障点与电源间—>过电流保护②U降低—>低电压保护③变化；正常：20°左右—>短路：60°～85°—>方向保护. ④；模值减少—>阻抗保护⑤—>——〉电流差动保护⑥I2、I0序分量保护等。
另非电气量：瓦斯保护，过热保护原则上说：只要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征（差别），即可找出一种原理，且差别越明显，保护性能越好。
3、电源电源供给中央处理器、数字电路、模数转换芯片及继电器所需的电源。
常用的有3.3、5、±12V、±24V 等直流电源。
1）测量元件作用：测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。
微机保护装置构成
3.定时器/计数器
定时器/计数器在自动化装置中十分 重要。主要用途： （1）计时作用 （2）触发采样信号，引起中断采样； （3）计脉冲的个数 在V/F变换式A/D中，是把频率信号转 换为数字信号的关键部件。
（三）开关量输入、输出回路
三、PSU－2000系列保护测控装置
采用插件式结构：共有5个插件装置分别为： 交流插件、CPU插件、电源插件、I/0插件（继 电器插件）及人机对话插件（面板）。
交 流 插 件 CPU 插件 I/O 插件 电 源 插 件
人机 对话
插件
图4－2 插件配置
1.交流插件
作用： 变换：将由PT二次的电压、CT二次的电 流，转换成A/D转换芯片所允许的输入电 压。 隔离：将TA、 TV的二次回路与微机系统 完全隔离，提高抗干扰能力。
WXH-811线路保护装置（110kV）
保护与测控装置机箱的 正面 。
面板上通常有： （1）液晶显示器； （2）信号灯； （（3）信号复归按钮等。
装置的内部是由一个个印制电路板 组成的,印制电路板上焊接有各种芯片及 电子、电路元器件。 在装置不带电时，每个印制电路板 一般可以插、拔，因此把每个印制电路 板也称为一个插件。
模拟量输入/输出回路 模/ 数 变换 模拟量 输入变换 放大驱动
来 自 TA 、 TV 的电流、电 压
数/模 变换
开关量输入/输出回路 光 电 隔 离 开关量输入 信号处理 开关量 输 出 电 路 开关量输入 去执行元件
变 电 站 测 控 对 象
打印机接口
并行 接口
二、保护与测控装置的箱体
保护与测控装置：均采用机箱式结构， 且每套装置由一个或几个箱体组成。
微机保护
半波富氏算法
4 a1 N 4 b1 N
N / 2 1
k 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ik sin(k0Ts )
N / 2 1
k 0
ik cos(k0Ts )
算法的频率特性
Y ( ) 滤波器的频率特性：H ( ) I ( ) 设输入量为 i I ( ) sin(t ) 算法的计算结果为 I ( , ) 。 算法的最大频率特性为:H max ( ) 算法的平均频率特性为:H max[ I ( , ) ]
c s c s
= 设 则
(U c I c U s I s ) j (U s I c U c I s ) Ic2 I s2 Z R jX R Uc Ic U s I s U s Ic Uc I s , X Ic2 I s2 Ic2 I s2
方向继电器
U 动作方程： －90 arg( jlm ) 90 Ie 其中 lm为灵敏角。 －jlm UIe 变换为 －90 arg( ) 90 II －jlm ) 90 －90 arg(UIe
结论：数据窗长度越长滤波效果越好 但动作时间越长
导数算法与半波富氏算法比较
Hv3 导 数 算 法 Hv2 半 波 富 氏 算 法
6 Hv3( ) Hv2( ) 4 2 0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
输电线路保护
高压输电线路保护(110kV及以上电压等 级) 中电压输电线路保护的特点
em
I
U
或 其中
－jlm ] 0 Re[UIe ) sin( ) Im(UI )0 cos(lm ) Re(UI lm )、 )分别为UI 的实部和虚部。 Re(UI Im(UI
微机保护构成及数据采集系统.-精选.doc
微机保护构成及数据采集系统.§ 2.1 微机保护系统构成 ? 微机保护是以电压、电流的采样值为输入量, 以微机为控制器,以电气设备的断路器为被控对象的一个开环离散控制系统。
? 微机保护是将被保护设备输入的模拟量经模数转换器后变为数字量,再送入计算机进行分析和处理的保护装置。
? 微机保护由硬件和软件两部分构成。
微机保护整套硬件通常是用单独的专用机箱组装,包括数据采集系统、微型机主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。
? 微机保护的软件由初始化模块、数据采集管理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。
? 微机保护的硬件系统包括以下五部分:? 1.数据采集系统(或称模拟量输入系统 :包括电压形成、采样保持、多路开关及数模转换。
? 2.微型机(或微处理器主系统:包括微处理器、程序存储器(ROM、数据存储器(RAM、定时器、并串接口等。
? 3.开关量输入输出系统:由微型机的并行接口、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。
完成保护需要的外部触点接入、出口跳闸、人机对话等功能。
?4.通信接口。
包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网? 5.逆变稳压电源(5V ± 15V、± 24V? 微机保护硬件构成框图(书微机保护用硬件特点? 集成微处理器(MPU 、只读存储器 (ROM 随机存取存储器 (RAM、定时器、模数转换器 (AD、并行接口 (PIO、闪存单元 (FLASH、数字信号处理器 (DSP、通信接口等多种功能集成在一个芯片内的单片机系统。
? 把所有总线连同单片机都集成在一个芯片内的总线不出片技术。
? 不区分微机、单片机、微处理器? 微机保护的软件包括 1. 数字滤波器,如减法滤波器、加法滤波器等。
像有些不便于采用模拟滤波器的场合,如傅立叶滤波、小波变换等 ; 2. 微机保护算法,像幅值和相位计算、选相算法、滤序算法等 ; 3. 保护动作判据,保护基本原理的具体体现 ; 4. 逻辑输出,执行跳闸、告警等数字信号输出。
第二章微机保护
这是个带通滤波器，它的幅频特性的特 点是在基频处有非常尖锐的响应，而对其它 频率的信号则表现出很强的衰减，因而被称 为狭窄带通滤波器。
优点： • 采用递归型数字滤波器可以获得相当理想 的滤波特性，并且计算简单，便于实时应用。 递 • 归型滤波器从某种意义上来说相当于一个数 据窗为无穷大的非递归型滤波器，结构简单、 计算量小的递归型滤波器也能实现相当理想 的滤波特性。
定义非递归型数字滤波器的响应时延为
由于为 TS 常数，因而在实用中广泛采用数字 滤波器产生一个输出数据所需要等待的输入数据 的个数来表示时延，这称为数据窗，记为 W（为 d 整数）。显然有
KTS
Wd K 1 ，且 (Wd 1)TS
时延和数据窗反映了数字滤波器对输入信号 的响应速度，是一个很重要的技术指标。
三、开关量输入输出系统 开关量是指反映“是”或“非”两种状态 的 逻辑变量，如断路器的“合闸”或“分闸” 状态、 控制信号的“有”或“无”状态等
• 开关量输入接口部件的作用是为正确地反 映开关量提供输入通道，并在微机保护装 置内外部之间实现电气隔离，以保证内部 弱电电子电路的安全和减少外部干扰。 • 开关量输出接口部件的作用是为正确地发 出开关量操作命令提供输出通道，并在微 机保护装置内外部之间实现电气隔离，以 保证内部弱电电子电路的安全和减少外部 干扰。
四、人机对话和外部通信系统
• 微机保护人机对话接口部件通常包括以下几个 部分：简易键盘、小型显示屏、指示灯、打印机 接口、调试通信接口。 • 外部通信接口可分为两大类：第一类通信接口为 实现特殊保护功能的专用通信接口，输电线路纵 联保护；另一类通信接口为通用计算机网络接口， 可与电站计算机局域网以及电力系统计算机远程 通信网相连，实现更高一级的管理、控制功能， 如数据共享、远方操作及远方维护等。
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微机保护构成及数据采集系统.§ 2.1 微机保护系统构成 ? 微机保护是以电压、电流的采样值为输入量, 以微机为控制器,以电气设备的断路器为被控对象的一个开环离散控制系统。
? 微机保护是将被保护设备输入的模拟量经模数转换器后变为数字量,再送入计算机进行分析和处理的保护装置。
? 微机保护由硬件和软件两部分构成。
微机保护整套硬件通常是用单独的专用机箱组装,包括数据采集系统、微型机主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。
? 微机保护的软件由初始化模块、数据采集管理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。
? 微机保护的硬件系统包括以下五部分:? 1.数据采集系统(或称模拟量输入系统 :包括电压形成、采样保持、多路开关及数模转换。
? 2.微型机(或微处理器主系统:包括微处理器、程序存储器(ROM、数据存储器(RAM、定时器、并串接口等。
? 3.开关量输入输出系统:由微型机的并行接口、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。
完成保护需要的外部触点接入、出口跳闸、人机对话等功能。
?4.通信接口。
包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网? 5.逆变稳压电源(5V ± 15V、± 24V? 微机保护硬件构成框图(书微机保护用硬件特点? 集成微处理器(MPU 、只读存储器 (ROM 随机存取存储器 (RAM、定时器、模数转换器 (AD、并行接口 (PIO、闪存单元 (FLASH、数字信号处理器 (DSP、通信接口等多种功能集成在一个芯片内的单片机系统。
? 把所有总线连同单片机都集成在一个芯片内的总线不出片技术。
? 不区分微机、单片机、微处理器? 微机保护的软件包括 1. 数字滤波器,如减法滤波器、加法滤波器等。
像有些不便于采用模拟滤波器的场合,如傅立叶滤波、小波变换等 ; 2. 微机保护算法,像幅值和相位计算、选相算法、滤序算法等 ; 3. 保护动作判据,保护基本原理的具体体现 ; 4. 逻辑输出,执行跳闸、告警等数字信号输出。
n 为模数转换(AD 做准备、转换模拟量为数字量 n 适应电力系统故障信号特点°频谱分布宽广:从直流、衰减直流、工频基波分量到各次谐波(最高到数百千赫兹在内的暂态信号°动态范围宽广:从正常运行的几十安培到短路状态下的几万安培甚至几十万安培°微机保护常用的数据采集系统有两种: °一是采用逐次逼近原理的 A/D 芯片构成的数据采集系统; °另一种是采用 VFC 芯片构成的压频变换式数据采集系统? 高压或超高压的保护装置我国大都采用 VFC 换方式。
? ADC 方式是将模拟量直接转变为数字量的方法; ? VFC 方式是将模拟量先转变为频变脉冲量,再通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方法。
n 适应继电保护特点要求°模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则°典型的高压线路保护需要:三相电流、零序电流;三相电压、线路侧线间电压;°典型的三绕组变压器差动保护需要:每一绕组侧的三相电流因此,微机保护是一个多模拟量输入系统包括电压形成电路、模拟低通滤波器、采样保持、多路开关、 A/D 转换等部分采集量的选择高压线路保护一般具备全线速动保护(如高频保护或光纤电流纵差保护、距离保护、零序保护和重合闸功能。
所以模拟量一般设置为以下 8 个量 0, , , 3, , , , a b c a b c XI I I I U U U U 7 个量用于构成保护功能,最后的量为断路器的另一侧电压,用于实现重合闸功能;三绕组变压器的的差动保护,至少应该接入三侧的三相电流,共 9 个模拟量。
? 器(100V 、线间电压和电流互感器(额定电流 5 安或 1A ,短路电流 100A ? 电流 (电压变换器再将 TA(TV 二次侧电流 (电压均变换为适合 AD 转换需要的± 2.5V 、± 5V 电压;1. 电压形成回路电流变换器特点 ? 优点:只要铁芯不饱和,其二次电流及并联电阻上的二次电压波形基本保持与一次电流波形相同且同相。
? 缺点:在非周期分量的作用下容易饱和, 线性度较差,动态范围较小。
? 电流变换器二次测的并联电阻数值为几欧到十几欧姆。
滤波器是一种能使有用频率信号通过,同时拟制无用频率信号的电路。
低通滤波器是只让低于截至频率通过的滤波器。
前置低通滤波器又称为抗混叠滤波器,广泛应用于采样电路前,滤除高于采样频率一半的信号,因此截至频率被设置为 1/2fs。
低通滤波器可以采用有源的、也可以采用无源的。
无源滤波器由 RLC 元件构成;有源的由运放和 RC 元件构成;? ALF(AnalogLow-pass Filter ? 无源特点:无源滤波器构成简单,频率特性单调衰减的,不能做到通带平坦和过渡带陡峭,可用于反映基波分量的保护;且电阻和电容回路对信号有衰减作用,并会带来时间延迟,仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护。
? 有源特点:滤波性能好且阶数越高,它的频率响应越具有十分平坦的通带和陡峭的过渡带,但会增加装置的复杂性和时延, 故阶数不宜过高。
但抗冲击干扰能力差。
? (最高二阶的有源或无源 RC 阻容滤波器来限制接近工频分量的谐波信号混进来! ? 模拟滤波器的幅频特性的最大截止频率,必须根据采样频率的取值来确定, 当 fs =1000Hz 时,即交流工频 50Hz 每个周期采样 20 个点,则要求滤除模拟输入信号中大于 500Hz 的高频分量。
?1. 原始信号中最高频率的二倍。
?2. 采样频率的选择与保护原理和采样的算法有关; ?3. 采样频率还与模拟量的数量,数据传送方式有关 ? 工程中一般取 f s =(2.5~3 fmax ? 采样周期 Ts :相邻两个采样时刻的时间间隔称为采样周期.采样周期的倒数称为采样频率,记为 fs 。
采样频率的选择 ? 高采样频率要求 CPU 的处理和运算速度快;低采样频率可能会造成频率混叠, 因为电力系统故障后的电压电流是一个宽频谱信号。
? 目前的继电保护主要是基于工频故障信息构成的,那么,高频故障信息应该可以滤除,这样将降低对 CPU 和采样速率的要求。
? 目前微机保护普遍采用600Hz(1.667 毫秒、 1kHz(1 毫秒、1.8kHz(0.55 毫秒的采样频率,它们都能够满足工频故障信息和 3 次、5 次谐波的采样和分辨要求。
但是高于 300Hz、500Hz、900Hz 的故障信号怎么办呢?? 采用等间隔采样方式。
? 跟踪采样和定位采样。
跟踪采样是不等间隔采样方式,需要测频方法。
? 多通道同时采样、顺序采样、分组顺序采样。
? 输电线路保护通常需引入 9 个模拟量:? 微机保护中广泛采用多通道同时采样方式。
001 , , ,3, , , ,3, a b c a b c x i i i i u u u u V对于电网频率波动小,采样精度要求不是很高的场合,常采用等步长采样; 对于电网频率波动大,采样精度要求高的场合,需要变步长采样,变步长的采样间隔时间 (采样脉冲发出时间要随时调整。
? 从信号处理的角度看,采样可看成是采样序列 f s (t 与原始信号 f(t 相乘后得到的新信号。
? 用矩形脉冲对原始信号进行采样时,可表示为: 用冲激序列对原始信号进行采样时,可表示为: (((((sTTsn f t f t P t f t g t nT ? =-? ==-? (((((sTTs nf t f t t f t t nT dd ? =-? ==?? 根据频域卷积定理,两个时域函数乘积的傅立叶变换等于他们各自的傅立叶变换的卷积。
? 式中分别是 ? 采样信号、原始信号、门函数序列、冲激函数序列的傅立叶变换。
( (*( ( (*( sT sT FFP FF www wwdw == (, (, (, ( sTT FFP wwwdw? 定义:采样保持电路(S/H,SamplingandHolding 是在极短时间内测量模拟量在该时刻的瞬时值,并在模拟-数字转换器进行转换的期间保持输出不变的一个电路。
?目前,采样保持电路大多集成在单一芯片中, 但芯片内不设保持电容,需用户外设, 常选 0.01?F 左右。
常用的采样保持芯片有 LF198、 LF298、LF398 等。
? 组成:由电子模拟开关 A S 、保持电容器 C h 及两个阻抗变换器组成。
? C h 的作用是记忆 A S 闭合时刻的电压,并在 A S 打开后保持该电压。
阻抗变换器 I 在 C h 端提供低阻抗,使得 C h 电压建立迅速,而在输入端呈现高阻抗,以尽量减少对输入回路的影响; ? 阻抗变换器 II 在 C h 端提供高阻抗,使得 C h 衰减缓慢, 而在后边呈现低阻抗以提高带负载的能力。
采样保持过程示意图? 微机采样定时器等间隔地产生采样脉冲进行采样,得到采样信号,采样后信号在下次采样脉冲到来之前应保持不变,形成稳定的阶梯状采样保持信号,等待 A/D 转换。
? C h 上的电压按照一定的精度跟踪 Usr,跟踪时间尽量短,以适应最小采样宽度 Tc。
? 保持时间要长,通常用下降率来表示保持能力;模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。
前两个指标取决于阻抗变换器和保持电容的性能,就捕获而言,越小越好;就保持而言越大越好。
一般来讲,要求快速捕获,采样周期短,电容要小一些; 慢速捕获,采样周期长,电容大一些,稳定性好,抗杂散电容影响能力强。
1-保持下降率2-保持跳变误差3-0.1%误差的截获时间 4-充电速率 5-频带例子:若取 C h 为 0.01uf ,则保持下降率为 2mV/S,微机保护采样速率高于2mS , 没问题;而截获时间为 20 微妙,误差相当于工频 0.36 度,也没有问题。
但是对于高频采集-行波采集就不行了!! 需要提醒的是:Ch 经常需要外接。
?继电保护需要多的模拟量 ? 数模转换器是贵重的元器件 ?电路布板希望少的芯片 ? 多路转换器是一个理想的、经常采用的芯片? 定义:是一个开关电路;接入很多模拟量;仅仅把其中的一路送给数模转换器去转换。
不同的模拟量通过“分时”方式完成模数转换过程。
? 组成:包括选择接通路数的二进制译码电路和多路电子开关。
? 二进制译码电路决定哪个电子开关接通——接入相应的待转换模拟量 ? 多路电子开关起分断其它回路而仅仅接通待转换的那一路模拟量作用 ? 16 路多路转换开关例(AD7506A0~A3 是路数选择线接 CPU,控制哪一路选通 A1~A16 是模拟量入 AS1~AS16 是电子开关 En 是始能端?A/D 转换器定义:是一个硬件电路,用于实现模拟量到数字量的转换,也称为A/D 转换器。