微机继电保护硬件系统的构成与原理

图4 采样保持电路原理
它由一个电子模拟开关K，电容C以及两个阻抗变换 器组成。开关K受逻辑输入端电平控制。在高电平时 K闭合，此时，电路处于采样状态，C迅速充电或放 电到电容上电压等于该采样时刻的电压值(Ui)。K的 闭合时间应满足使C有足够的充电或放电时间即采样 时间。为了缩短采样时间，这里采用阻抗变换器l， 它在输入端呈现高阻抗，输出端呈现低阻抗，使C上 电压能迅速跟踪等于Ui值。K打开时，电容C上保持 住K打开瞬间的电压，电路处于保持状态。同样为了 提高保持能力，电路中亦采用了另一个阻抗变换器2， 它对C呈现高阻抗。采样保持的过供电1班 第四组
§1.1 微机保护装置硬件系统构成
微机保护装置硬件系统包含以下五个部分： （1）数据采集单元即模拟量输入系统。包括电压形成、模拟滤波、采样保 持、多路转换以及模数转换等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为所需 的数字量的功能。 （2）数据处理单元即微机主系统。包括微处理器、只读存储器、随机存取 存储器以及定时器等．微处理器执行存放在只读存储器中的程序，对由数据 采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保 护的功能。 （3）数字量输入/输出接口即开关量输入输出系统。由若干并行接口、光电 隔离器及中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部 接点输入及人机对话等功能。 （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） 电源。供给微处理器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的电源。 保护装置的硬件示意图如下所示 ：
图5 采样保持过程示意图 Tc为采样脉冲宽度，Ts为采样周期（或称采样间隔）。可见， 采样保持输出信号已经是离散化的模拟量，再经A/D转换后就成 为离散化的数字量。
图5所示采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs。采 样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关 键问题。采样频率越高，要求微处理器的速度 越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采 集系统以采样的频率不断地向微处理器输入数 据，微处理器必须要来得及在两个相邻采样间 隔时间Ts内处理完对每一组采样值所必须作的 各种操作和运算，否则,微处理器将跟不上实时 节拍而无法工作。相反，采样频率过低，将不 能真实反映被采样信号的情况。
图3 电流辅助变换电路
电流电压变换回路除了起电量变换作用外，还 起到隔离作用。它使微机电路在电气上与电力 系统隔离，在初级和次级绕组之间应有接地的 屏蔽绕组以防止来自高压系统的电磁干扰。
（2）采样保持（S／H）电路及采样频率的选择
采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输 入量在该时刻的瞬时值，并在模拟/数字转换器进行转换的期 间内保持其输出不变。即把随时间连续变化的电气量离散化。 采样保持电路的工作原理可用图4说明。
图2 微机保护硬件示意框图
下面分别介绍各子系统的电路构成原理
一． 数据采集单元
：
（l）电压变换 微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其它变 换器上取得信息，但这些互感器的二次数值的输入范围对微机保护装置硬件电路并 不适用，故需要降低和变换。在微机保护中通常要求输入信号为±5V或±10V的电 压信号，具体取决于所用的模数转换器。因此，一般采用中间变换器来实现以上的 变换。例如电流变换器和电压变换器。 交流电流的变换一般采用电流变换器，在其二次侧并联电阻取得所需电压。改 变电阻值就可以改变输入电流范围的大小。例如，当图3中R１和R2阻值相等，若R2 断开时电流允许输入范围为 0～50A，则R2并联接入后，电流的输入范围为0～100A。 电流变换器最大的优点是，只要铁芯不饱和，其二次电流及并联电阻上电压的波形 就可基本与一次电流成比例且同相，即可以做到不失真变换。这一点对微机保护是 很重要的。因为只有在这种条件下作精确的运算与定量分析才是有意义的。电流变 换器的缺点是在非周期分量的作用下容易饱和，线性度差，动态范围也小。但只要 妥善设计是可以克服这个缺点的。
（3）模数转换器（A／D）
在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常需将检测 到的连续变化的模拟量如：电压、电流、温度、压力、速度等 转化成离散的数字量，才能输入到单片微机中进行处理。实现 模拟量变换成数字量的硬件芯片称为模数转换器。也称为A/D 转换器。 根据 A ／ D 转换器的原理可将其分成两大类。一类是直接 型A／D转换器，另一类是间接型 A／D转换器。在直接型A／ D转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任 何中间变量；在间接型 A／ D 转换器中，首先把输入的模拟电 压转换成某种中间变量（频率），然后再把这个中间变量转换 成数字代码输出。目前 A／ D 转换器的种类很多。这里仅就直 接型的逐次逼近式A／D转换器和间接型的 VFC变换式 A／D 转换器为例加以介绍。
采样定理：
如果被采样信号中的最高频率分量为fmax，则 采样率应大于fmax的二倍，否则信号失真。
即
fs>2fmax
微机保护所反应的电力 系统参数是经过采样离 散化之后的数字量。那 么，连续时间信号经采 样离散化成为离散时间 信号后是否会丢失一些 信息，也就是说这离散 信号能否真实地反映被 采样的连续信号呢？为 图6 采样频率选择示意图 此可分析图6所示的采样 （a）被采样信号；（b）采样频率fs= fo（c） 频率选择的示意图。 采样频率fs= 1.5fo；（d）采样频率fs= 2fo
设被采样信号X（t）的频率为fo，对其进行采样。若每周采 一点，即fs= fo ，由图6b可见，采样所得到的为一个直流量。 若每周采1．5点，即fs= 1.5fo时，采样得到的是一个频率比fo 低的低频信号, 如图6c所示。当fs= 2fo时，采样所得波形的频 率为fo，虽然这时波形已接近原信号波形但仍然有失真现象。 显然，只有fs>2fo，则采样后所得到的信号才有可能较为真实 地代表输入信号X（t）。也就是说，一个高于fs/2的频率成分 在采样后将被错误地认为是一个低频信号。只有在fs>2fo后， 才不会出现这种失真现象。因此若要不丢失信息，完好地对 输入信号采样，就必须满足fs>2fo这一条件。fs愈高，能反应 的高频成分愈多亦即失真愈小。总之，为了使信号采样后能 够不失真地还原，采样频率必须大于信号最高频率两倍以上， 这就是乃奎斯特采样定理。