电力系统继电保护第 3章 微机保护基础知识

VFC输出至计数器，CPU每隔KTs读数为RD1、RD2 …… RDk。
须注意这里读数与输入电压没有对应关系，不能 用于数值计算。
每隔KTs对输出脉冲的计数，实质上是在此期间内对f 的积分。在某段时间内的计数值就是这段时间对频率 的积分值。
微机保护基础知识
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假设RDk 、RDK-N分别为tK和tK-N时刻的读数，则这段时间
T－工频周期，20ms f=1/T－工频频率，50HZ
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X*(t) 采
（2）采样保持（S/H）电路
样
保持：为保证各通道采样的
信
同时性，在等待模数转换 的过程中，必须保持采样
号
值不变。
0 保 Ts 2Ts 3Ts 持 信 号
0 Ts 2Ts 3Ts
微机保护基础知识
nTs t
粉红色为理想值， 红色为实际值。
AS 阻 抗
阻
抗
uo
变 换
CH
变 换
1
S(t)
2
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（3）ALF和采样频率
问题 离散信号怎样才能真实反映被采样的连续信号， 若要求不丢失信息，应满足什么条件？
被采样信号x(t)的频率为f0，TS为采样周期，fS为采样频率
x(t)
t
fs f0 3
fs 2 f0
内的计数值DK为：
DK =RDK -RDK-N =
KTS (K-N)TS
fdt
=Kf
KTS (K-N)TS
uin
(t)dt
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。
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令矩形面积=积分面积
采样定理对模拟信号要求（采用模拟低通ALF的原因）
限于CPU运算速度，要限制输入信号的最高频率，只需在
采样前用一个模拟低通滤波器（ALF），滤出fs／2以上的
频率分量。 微机保护基础知识
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（3）ALF和采样频率
微机保护现状
目前绝大多数微机保护的采样周期TS为 5/6ms或 5/3ms，即采样频率为1200HZ或600HZ。
多
路
转 换
A/D
开
关
节约A/D转换器
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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
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3.2.1基于逐次逼近式A/D转换的模拟
uin(t)
0 (K-N)TS
KTS t
可见，DK反应了τ时刻 [(K N )TS KTS ]
的输入电压uin(τ) 。
于是，1）因uin(τ) 在NTs时间段保持不变，故可通
过增加数据窗长度NTs，来提高分辨率；
2）DK反应了某段时间的积分值，所以具有
滤除高频分量的作用。
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• EEPROM－用于存放保护定值， 也可采用FLASH来存放。
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3.2 数据采集系统
基于逐次逼近型A/D转换的采集系统 基于电压/频率变换（VFC）原理进行A/D变换
的采集系统
• 前者包括：电压形成回路、模拟低通滤波器（ALF）、 采样保持回路（S/H）、多路转换开关电路（MPX）及 模数转换回路（A/D）
X(t)
（2）采样保持（S/H）电路
0 S(t)
1
X*(t0)
Ts 2Ts 3Ts
0 Ts 2Ts 3Ts
微机保护基础知识
t nTs t
nTs t
采样：将一个连续时间信 号x(t)变成离散时间信号 x*(t)。
TS－采样周期 fS=1/TS－采样频率 工频每周期采样点数N为：
N= T fs TS f
第 3 章 微机保护基础知识
微机保护基础知识
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内容与要求
硬件组成 数据采集系统 原理 基本算法 软件结构 抗干扰的措施
• 硬件组成需要了解，最终 的目标是要掌握微机保护 的接线。
• 基本算法与软件组成是重 点内容，是实现继电保护 原理的方法。
• 抗干扰措施是微机测控系 统的通用方法，具有普遍 意义，需要了解。
3.3 开关量输入输出回路原理
不带电位的接点（QF位置、跳闸等）、逻辑电平（键盘、信号）。
大，则模数转换器分辨率与转换
的精度越高。
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DAC数模转换原理
用于将上述ADC过程中数字量转化为模拟量与输入 电压进行比较。
-uR
R
R a
b
R
R
c
RF
2R
2R
2R
2R
R
I1
I2
I3
I4
S1
S2
S3
S4
B1
B2
B3
－
B4
I
1
0
1
0
＋
uD
I1
UR 2R
I2
UR 4R
I3
UR 8R
I4
• 基本通用的微机主系统。 • 接点状态或高低电平的处理。
• 便于操作，如键盘、液晶显示、 打印机、信号灯等
• 便于综合自动化。
• 开关电源，要强调抗干扰。
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微机保护硬件组成
数据采集系统
BUS CPU主系统
开关量系统
TV
电压形成
TA
模
二
数
次
变
侧
换
来
电压形成
电源部分
每周期采样N=24点或12点。
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（3）ALF分类与电路
• 有源ALF • 无源ALF
• 由RC网络加上运算放大器构成，其特性较稳定， 不受时间、温度变化的影响，可以避免采用大电 容，有好的特性及快的速度。
• 无源滤波器通常是由RLC等元件组成，滤波特性受 温度变化发生漂移，而且保护带来延时，在微机 保护ALF中很少应用。
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；
要求2： CH越大越好
3、模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断 时的泄露电流要小。
采样电子开关
ui
CH的大小应当如 何确定呢？
UR R2
T0 =
Uin R1
T
输出频率
fO
=
1 T
=
Uin R 2 U R T0 R1
=KUin
(3—1) (3—2)
可见，输出频率fo反应了输入电压Uin的大小。
fo
fO.max fO.max
2
0 Uin.max 2
Ui
U in.max
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VFC数据采集系统的工作分析
(c)
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反充电 充
电
Uin
R1
R2
C + A1
+ A2
Ua
0
t1
t2
t
t
Uo
0
S
脉冲发生器
T0
t
Uo(f)
T
-uR
计数器
定时器
数据输出
可见，输入模拟电压uin变换成一串等幅脉冲，而 等幅脉冲Uo(f)的频率与输入电压成正比。
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根据反充电与充电电荷平衡原理：
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分辨率举例
计数脉冲最高频率为500kHZ，计数时间为2ms则， 当输入电压为最大值时，计数值为
2 103 1000
1 500 103
相当于10位A/D转换器的分辨率
210 1024
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分辨率举例
计数脉冲最高频率为500kHZ，要达到12位A/D转 换器的分辨率
• 后者包括：电压形成、VFC回路、计数器
• 两者各有优点，前者便于满足精度，后者不需要滤波 与采样保持电路
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逐次逼近A/D转换方式
电压变换、 屏蔽和隔离
TV TA
电压形成
二
次
侧
电压形成
来
保证数据的 同时性
ALF
S/H
ALF
S/H
滤除高频，降 低采样频率
逐次逼近原理
R1
R2
uo
ui
ui C1
C2 uo
无源电路
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0
fs
特性
2
f
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（4）模拟多路转换开关（MPX）
• 模拟量输入通道公用一个A/D芯片 • 多路转换开关是电子型的，通道切换受微机控制。
EN A0 A1 A2 A3
+15V
译码/驱动器
– 15V
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AS0 AS1 uout ui0 ui1
参考电压UR，ADC位数N位，输入电压Ui， 则最多需要比较N次，精度为UR /2N 。
第1次
100…00
高，1改0
分层电压
Q=
UR 层数
UR 2N
第2次
第3次 …
010…00
011…00 …
低，1保持
低 …
量化误差
UR 层数
UR 2N
பைடு நூலகம்
分辨率
1 2
g2UNR
第N次 011…01
微机保护基础知识
结束
模数转换器的位数越多即N值越
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3.2.2基于VFC转换的数据采集系统
（1）VFC转换器的基本原理
uin(t)
ui (t)
VFC uo(t) 计数器
Dn 至CPU
0
uO (f )
0
Dn
t
(a)
VFC的脉冲输出频率正
比于输入电压幅值， f 对脉冲的计数就完成
(b)
了对电压幅值的测量。
t
0
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fs 2 f0
微机保护基础知识
混叠
t
t 混叠
正确
t
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（3）ALF和采样频率
结论
若要不丢掉信息地对输入信号进行采样，就必须 满足fs≥2f0。
采样定理
若输入信号x(t)含有各种频率成份，其最高频率为 fmax，若要对其不失真地采样，或者采样后不产生 频率混叠现象，采样频率必须不小于2fmax，即 fs≥2fmax。
UR 16R
I =
UR R
(B12-1+B2 2-2 +B3 2-3 +B4 2-4 )
UR R
D
可见，输出模拟电 压正比于输入的数 字量D 。
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采样电压 U*(t)
模数转换器回路逻辑
比较器
+ -A uD
D/A
UR
数字量D SAR
时钟
置数选择逻辑
• 较快的二分逼近方法， N位转换器只要比较N 次，比较的次数与输 入模拟量的值无关。
• 通信与网络功能的加强，可以实现遥 控、遥信、遥测、遥调的“四遥”功 能。
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3.1 微机保护硬件
模拟量输入系统（或 称数据采集系统）
CPU主系统 开关量输入/输出回路 人机接口回路
通讯回路
电源回路
• 将交流模拟量转为CPU能够处 理的数字量，并要达到隔离与 精度要求。
AS15 ui15
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（5）模数转换器（ADC回路）
ADC的基本原理 数摸转换器
• 将输入的离散模拟量u*(t)与 基准电压UR进行比较，按照四 舍五入的原则，编成二进制代 码的数字信号。
• 将数字量D转换成模拟量。
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20 2020/6/18
ADC的基本原理
二分法举例
212 500 103
103 s
8.192ms
这样就造成比较大的误差
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32 2020/6/18
数据采集系统与微机接口
查询方式 中断方式 DMA
• 靠CPU查询AD转换是否结束
• AD转换结束向CPU发出中断请 求
• AD转换结果直接存入内存
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33 2020/6/18
微机保护优点
可靠性高； 灵活性强； 性能改善，功能易于
扩充； 维护调试方便； 有利于实现变电站综
合自动化。
• 元件少，接线简单，软件一致。
• 投退功能灵活，硬件通用。
• 可以实现复杂继电保护原理，如任意 形状阻抗继电器，功能扩充时可以不 需要更改硬件。
• 微机保护测试仪的应用，缩短了调试 时间。
串行通讯SIO
并行 接口
PIO
光耦 光耦
开入量 开出量
键盘 显示设备
打印机
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人机对话
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微机主系统
微处理器CPU 存储器 并行口 串行口 定时/计数器等
• 需要强调的是，存储器包括
• EPROM－用于存放保护程序，即 软件
• RAM－用于存放运算的中间结果。
量输入系统 （1）电压形成回路
作用
类型
电流变换器（UA）
•
TA、TV二次侧电流电压较大，变 化范围也较大，为适应模数转换器
电压变换器（UV） 的转换要求将交流模拟量适当值，
电抗变换器（UR） 以满足精度要求。
• 屏蔽和隔离， TA、TV二次侧过电
压损坏保护装置。
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11 2020/6/18
已知某物品价格在0-64元间（31元），猜一猜 该物品价格（精确到1元）。
第1次 32
高
第2次 16
低
第3次 24 第4次 28 第5次 30 第6次 31
低 低 低 结束
64是基准值； 最多6次，26＝64； 精度64/26 ＝1元。
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21 2020/6/18
ADC的基本原理
逐次逼近ADC原理
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2 2020/6/18
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
3 2020/6/18