微型机继电保护基础1 微机保护的硬件原理及设计选择原则

1、第一章 微机保护的硬件原理及设计选择原则1-1 概述微机保护出现20年来，得到了快速的发展，现有多个专业厂家生产微机保护装置，其硬件系统各有特点。华北电力大学、杨奇逊院士：第一代（84-90年） MPD-1、单CPU结构、硬件示意图如下：电压形成ALFS/H多路开关MPX电压形成ALFS/HA/DMPUEPROMRAMM定时器并口并口并口光隔 CPU 主要特点：单CPU系统； 总线需要引出印刷； 电路板比较复杂； 可靠性差。第二代：WXH-11（90年代以后）、多CPU结构逻辑跳闸信号告警零序保护 6记数 单片机 开出高频保护 4记数 单片机 开出重合闸 7记数 单片机 开出距离保护 5记数

2、单片机 开出交流输入1模数变换2模数变换3接口 模拟量 系统机 PRINTER整个系统有五个CPU（8031）。四个CPU分别用来构成高频、距离、零序保护和综合重合闸，另一个CPU用来构成人机接口，A/D转换采用VFC型。每一个CPU系统都是一个独立的微机系统，任何一个损坏，系统仍然工作。数据总线、控制总线和地址总线均不引出印刷电路板，可靠性较高。交流输入及跳闸出口部分可靠性较高。第三代：CSL101A（1994年鉴定，96年推广）多CPU结构，与第二代不同之处在于：（1） CPU采用不扩展的单片机，即构成微机系统所需的微处理器、RAM、EPROM等全部集中在一个芯片内部，总线不出芯片，具有很

3、高的抗干扰能力。（2） VFC采用第三代VFC芯片VFC110最高震荡频率为4M，相当于A/D精度的14位。（3） 设有高频、距离、零序和录波CPU插件，重合闸不包括在保护之中。南京电力自动化研究院、南瑞公司 LFP-900系列（沈国荣院士）LFP-900系列包括从35KV66KV中低压线路保护220KV500KV线路高压超高压线路保护，用于不同电压等级时，保护的配置情况有所不同。以LFP-901为例，说明配置情况。采用多CPU结构，含有三个CPU，两个用于构成保护，一个用于人机接口CPU均为Intel 80196KC交流TATV管理CPU低通 A/D CPU3VFCCPU2计数 单片机 开出

4、CPU1计数 单片机 开出出口信号 起动PTCT 起动 ：纵联保护（工频变化量方向、零序功率方向、复合式距离元件）、零序后备保护：距离保护、综合重合闸：人机对话、起动、为出口提供？电压、采用VFC型A/D转换，采用逐次逼近式A/D转换最近又推出RCS-9000系列保护（单片机加DSP结构）此外，还有许继电器股份有限公司生产的WXH-800系列微机保护、国家电力公司南京电力自动化设备总厂生产的PSL601（602）数字式高压线路保护的等，都各有特点，不再一一论述。各种微机保护硬件虽各不相同但一般均包括以下三大部分：（1）.模拟量输入系统（数据采集系统） 作用：TA输出电流 （计算机能辨识 TV输

5、出电压 处理的数字量） 构成： A/D型：电压形成、ALF、S/H、MPX、A/D VFC型：电压形成、VFC、光隔、计数器 （2）.CPU主系统 作用：对采集系统采集到的数据分析计算、完成各种继电保护功能。 构成：CPU、EPROM、RAM、目前的保护都有多个CPU（3） .开关量输入输出系统 开关量输入：断路器位置等作用： 开关量输出：继电器输出（4） 人机接口（5） 通讯接口1-2 模拟量输入系统（数据采集系统）1-2-1 A/D型模拟量输入系统一基本框图： 总线多路开关A/D电压形成ALFS/HALFS/H电压形成 二电压形成回路TV：二次额定电压为100V。正常运行时输出100V左右

6、，系统故障时，输出在0100V之间变化TA：输出正比于一次电流。额定输出1A或5A。正常一般小于额定值。系统故障时其二次电流可在120倍额定范围内变化。ALFS/HMPX及A/D等电子回路允许的输入信号的范围一般为-5V +5V或-10V +10V（也有05V，010V者）因而需要变换。电压：100VV或V实现 ： （1）电压变换器 100V 或V （2）电流变换器 2.5ma 2.5 ma 100V 或V电流（1020）A或A 实现： （1 ）电流变换器 (1020)In 或V （2）电抗变换器 (1020)In 或V各变换器除具有电平变换作用外，还具有隔离的作用，使TATV二次回路与微电子

7、电路之间没有电的联系。三采样保持电路（S/H）和模拟低通滤波器ALF（一） S/H电路的作用和原理。作用：在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模数转换器转换期间保持其输出不变。阻抗变换器1阻抗变换器2原理： AS 逻辑输入 阻抗变换器：实际是电压跟随器（运放型），有很大的输入阻抗和很小的输出阻抗。AS：受控电子开关，逻辑输入高电平，AS接通。 逻辑输入低电平，AS断开。：保持电容， AS接通时，快速充放电，使 称为采样或跟踪。AS断开时，放电回路电阻很大，短时间内可认为不变。 AS在处于接通和断开交替的状态，则整个电路不断工作在采样保持状态。采样过程的示意图如下：书上P4页图

8、1-3为理想化情况，实际情况下，采样脉冲必须有一定的宽度，使有足够的时间跟踪的变化。信号 逻辑输入（采样脉冲） （二）对采样保持电路的要求1） 采样时间应尽量小2） 保持时间尽量长3） 模拟开关动作时间延时小，小，大。（三）采样频率的选择和ALF的应用 单位时间内采样的点数，称为采样频率，它等于采样间隔（周期）的倒数，既优：可以准确的还原波形 采样频率的选择：时间内完成所有计算困难。 （2）同样的输入，采样得数据量多，运算复杂，占内存多。数据量减小，运算时间充裕。太低，将无法由采样数据还原出原波形。要求：必须大于被采样信号中存含最高频率成分的两倍，既否则会产生叠影现象。见P7,图1-6 （a）

9、.被采信号 （b）.,还原为直流信号 （c）.书上图c对应 2时，才能换远处被采信号系统短路，u,I 中既包含工频量，还含有高频信号，即较大，而这些高频信号为无用信号，为防叠频 增大，使2,往往导致太大 ALF，将高频信号滤掉，即减小，使2目前一般均采用方法（2），即ALF法，当前A/D快，DSP快，也可增大法，ALF的具体电路一般可以为无源RC或有源滤波，此处不在细论。四、模拟多路开关许多继电保护装置，需要输入多个电气量可有三种方式：（1）.同时采样，同时A/D转换A/DALFS/H电压形成电压形成ALFS/HA/D 优点：控制简单，同时性好，对A/D速度要求不高 价格高 功耗大 缺点：需多

10、片A/D 体积大 接口复杂（2）.同时采样，依次A/D转换 A/D电压形成ALFS/H多路开关ALFS/H电压形成 同时采样，由MPX依次切换至A/D分别转换优点：只用一片A/D缺点：控制复杂，要求A/D速度高（3）顺序采样 总线电压形成ALF多路开关A/DALF电压形成S/H 优点：元件数目最少缺点：不能同时采样，各通道出现相位差在（2）（3）两种方式下，均需使用MPXMPX：受控多转1的电子开关 2转1 4转1 8转1 16转116转1多路开关芯片AD7506的逻辑框图如下： E n Ao A1 A2 A3+15V译码/驱动-15V OUT IN1 IN2 INn要求：时间快、Ron小、R

11、off大五A/D转换器 作用：将S/H离散化的模拟信号变换为离散化的数字信号，既对模拟信号大小编码。A/D模拟量 数字信号 两者之间的关系为： 参考电压，一般所以D1，既为小数，可表示为n为数据编码位数，也就是A/D转换位数，它是A/D的一个重要指标。n有限，D必须为舍去比LSB更小的数，带来误差，成为量化误差，n增加量化误差减小。一般n=810121416等。常用的A/D转换器有逐次比较式和并联比较式两种，此处只讨论逐次比较式：（设n=8）- +=控制器数码设定A/D - 数码输出 + （1） A/D转换启动后，数码设定为由D/A输出一个对应的模拟电压（2） 比较与 ：保留最高位1，下一位设

12、为1 ：最高位变零，下一位设为1D/A输出一个与新编码对应的模拟量（3）比较与 ：保留次高位1，设第三位为1 ：次高位取0，设第三位为1。 经n次比较后，最终可以确定出与U对应的数字编码。 AD574简介（1） 基本指标：精度：12位转换时间：25微秒（2） 电源电压： 模拟地 数字地（3） 模拟输入：+20V： 020V -10V+10V +10V 0+10V -5V+5V （4） 数据量输出：12位 8位机，分两次读 16位机，一次读。（5） 控制状态线控制：CE控制时钟片选输入，来自译码器 R/ 1，读转换结果0， 启动转换 CE=0 CE=1启动转换： =0 读结果： =0 R/=0

13、R/=1 来自译码电路，反映了A/D在微机系统中的地址。 =1 16位CPU时 一次读取12位结果 =0 =0 8位CPU 0，高8位读= 1，读低4位 状态输出端：STS= 0，不忙 1，忙六：数据采集系统与微机的接口（1） 程序查询方式硬件接口图见P16图118硬件包括：电压形成，ALFS/HMPXA/D并行口数据线定时器。软件包括：并行口初始化。 采样数据寄存器地址指针初始化。 定时器初始化。 开放中断。定时器中断时，执行中断服务程序。中断服务程序包括以下内容：1） 清中断请求，准备下一次中断。2） 命令AD574开始转换，读STS 状态 STS=0，已换完，读结果，存入RAM STS=

14、1，未转换完，等待。3） 更新地址指针的指向。每读一个结果，地址加2，判是否到达存储区末端，如果不到，顺序下存，如果到，则将地址指针指向初地址，循环存取，初地址 末地址4） 控制MPX，指向下一个通道，A/D转换共16个通道（最多），最好一个通道转换完后，重新切回0通道5） 执行中断服务程序中的其他内容。6） 中断返回要求：整个中断服务程序必须在两个采样时间间隔内完成。 特点：每次启动A/D后，CPU就开始不断查询STS的状态，耗时较多，要求A/D快。 确保，对硬件要求较高。（二）中断方式 启动A/D后，CPU无须等待，转去处理其它事件，A/D转换结束后，发出中断，读取转换结果，更新地址指针，

15、更新通道，启动下通道A/D转换，从A/D转换中断返回，再去处理其它程序。 A/D转换结束中断嵌套在定时器中断之中，要求其优先级高于定时器中断。 (三)直接存储器存取方式（DMA）用硬件的方法完成A/D转换和数据存取，无须占用CPU时间，具体办法不讲。1-2-2VFC型模拟量输入系统VFC计数器电压形成电压形成VFC计数器CPU基本框图： 固定时间ts 电压形成部分与前述类似，不在重述。VFC：压控振荡器，其输出脉冲信号的频率正比于输入电压，呈线形关系。计数器：用来记数VFC输出脉冲的个数，CPU每经一个固定的时间读一次计数器中的记数值。显然，在时间固定的情况下，记数值N正比于VFC的输出频率f

16、,而f又正比于输入电压u，所以：VFC型模拟量输入系统的特点：1.CPU仅需定时读取计数器的记数值，控制接口非常简单。2.N正比于时间ts内的u的平均值，而不是某一点的瞬时值。稳定性好，自身具有一定的低通滤波功能，不必再加专门的模拟低通滤波器。3.提高VFC的输出频率和增加采样时间ts，都可以提高模拟转换的精度。4. VFC的输出为脉冲信号，可以方便的利用光电隔离元件将模拟电路和数字电路隔离，避免相互影响。VFC光隔计数器u 模拟电路 数字电路目前国内多个厂家生产的微机保护都采用VFC型模拟量输入系统.1-3 开关量输入及输出回路一、 开关量输入回路开关量输入即接点状态输入 ，包括面板接点和装

17、置外部接点PA01）.面板接点（键盘接点、转换开关等） +5V K1 可直接经并行口接入 2）.外部接点（断路器、隔离开关辅助接点等）一般引线较长，干扰较大，需经光电隔离后引 PA0 R K +220V -220V K闭合：发光二极管发光，光敏三极管导通，PA0输入低电平 K断开：发光二极管不亮，光敏三极管截止，PA0输入高电平 PA0电平反映了K的通断状态 经光电隔离后，外部干扰无法窜入微机系统二、 开关量输出回路 PB0 PB1 J保护的跳合闸输出、作信号等一般用并行接口来驱动继电器，接线： +5V R +E +220V YF1 -E正常时，PB0输出1，PB1输出0，YF1两个条件均不满足，输出