微型机继电保护基础微机保护硬件原理及设计选择原则

1、第一章微机保护地硬件原理及设计选择原则1-1 概述微机保护出现20年来，得到了快速地发展，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:MPD-1、单CPU结构、硬件示意图如下:电压形成ALF_*S/H第一代（84-90年）主要特点：单CLPU 系统；多 路 开 关MPXA/D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结私i模拟量离、零交流*输_整个系纟1序保模 数 变 换2高频保护4记数单片机开岀系统机PRINTERMPUEPROMRAM定时器> CPU并口*并口并口光 隔cPu（ 803合闸四个CP

2、U分别用来构成高频、距记数单片机开岀护和综合重合闸，另一个CPU用来构丿竺机接口平转换采用VFC型每一个CPU系统都是护个独立地微机系统跳闸任何一个损坏，系统仍然工作数据丿线、记数制总线和地址总线均不不引出印刷电路板，可靠性较高输入及跳闸出口部分可靠性较变tCSL13二代不同之处在于：第三代:L994记数单片机开岀接口信号告警保定,966年推广）多CPU结构，与第（1）CPU采用不扩展地单片机，即构成微机系统所需地微处理器、 RAM、EPROM等全部集中在一个芯片内部，总线不出芯片，具有 很高地抗干扰能力.（2）VFC采用第三代VFC芯片VFC110最高震荡频率为4M,相当于A/D精度地14位

3、.（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 地配置情况有所不同.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 In tel 80196KCCPU3 :人机对话、起动、为出口提供？电压CPU1、CPU2 采用VFC型A/D转换,CPU3采用逐次逼近式A/D转最近又推出RCS-9000系列保护(单片机加DS

4、P结构)此外,还有许继电器股份有限公司生产地 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地 PSL601( 602) 数字式咼压线路保护地等，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输出电压-处理地数字量)构成： A/D型：电压形成、ALF、S/H、MPX、A/DVFC型：电压形成、VFC、光隔、计数器(2) .CPU主系统作用：对采集系统采集到地数据分析计算、完成各种继 电保护功能.构成：CPU、EPROM、RAM、E2PROM目前地保护都有多个CPU

5、(3) .开关量输入输出系统厂开关量输入：断路器位置等作用：Y-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：总线小于额定值.系统故障时其二次电流可在1 20倍额定范围内变化.ALF、S/H、MPX及A/D等电子回路允许地输入信号地范围一般为-5V +5V 或-10V +10V(也有 05V,0 10V者)因而需要变换.电压:100V >实现：(1)电压变换器52V或102V10A5 .2或实现：（1 ）电流变换器（2）电抗变换器52或各变换器除具有电平变换作用外，还具有隔离地作用，使TA、TV二

6、次回路与微电子电路之间没有电地联系.三、采样保持电路（S/H）和模拟低通滤波器ALF（一） S/H电路地作用和原理.作用：在一个极短地时间内测量模拟输入量在该时刻地瞬时值，并在模数转换器转换期间保持其输出不变.- 理 原阻抗变换器1As.阻抗变换器2r suJJh 1L Lc su阻抗变换器：实际是电压跟随器（运放型），有很大地输入阻 抗和很小地输出阻抗.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.6 :保持电容，AS接通时,Ch快速充放电，使Use二Uch二Usr称为采样或跟踪.AS断开时,Ch放电回路电阻很大，短时间内可认为不变.Use 一 Ucn U srAS

7、在处于接通和断开交替地状态，则整个电路不断工作在采 样、保持状态.采样过程地示意图如下：书上P4页图1-3为理想化情况，实际情况下，采样脉冲必须有 一定地宽度，使Ch有足够地时间跟踪Usr地变化信号逻辑输入（采样脉冲）2) 保持时间尽量长3) 模拟开关动作时间延时小，Ron小,Roff大.(三)采样频率地选择和 ALF地应用单位时间内米样地点数，称为米样频率，它等于米样间隔(周期)Ts地倒数，既f s =米样频率地选择：f s (OTsTs时间内完成所有计算困难.优：可以准确地还原波形(2)同样地输入，采样得数据量多，运算复杂，占内存多.f s 'T s数据量减小，运算时间充裕.f太低

8、，将无法由采样数据还原出原波形.s要求：f必须大于被采样信号中存含最高频率成分 sf 地两倍，既 maxmax否则会产生叠影现象 见P7,图1-6(a) .被采信号(b) .fsfmax,还原为直流信号(C).书上图C对应fs < fmaxfmax < fs <2 fmax，还原为一个低频信号.只有fs>2fmax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fmax较大,而这些 高频信号为无用信号，为防叠频增大fs,使fs >2 fmax，往往导致fs太大ALF,将高频信号滤掉，即减小怙,使fs >2 fmax目前一般均采用方法（

9、2），即ALF法，当前A/D快,DSP快，也可增大fs 法,ALF地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转换电压形成ALFS/HA/D :优点电压控制简单，同时性好对SHD|速度要求不高（价格高功耗大缺点：需多片A/D 体积大接口复杂（2）.同时采样，依次A/D转换（3）顺序采样总线MPX :受控多转1地电子开关 r 2转14转18转116转116转1多路开关芯片AD7506地逻辑框图如下:+15VE n Ao A1 A2 A3-15V0所有开关均断1 由A0 A3决定要求：时间快、

10、Ron小、Roff大五、A/D转换器，既作用：将S/H离散化地模拟信号变换为离散化地数字信号 对模拟信号大小编码.模拟量 数字信号* A/D两者之间一D =U Ur参考电压一般Ur U a所以D 1,既为小数,可表示 U R为 D 二 Bi2( B2 B2n为数据编码位数，也就是A/D转换位数，它是A/D地一个重要指标.n有限,D必须为舍去比LSB更小地数，带来误差，成为量化误差,n增加量化误差减小一般n=8、10、12、14、16等.常用地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)由D/A输出一个对应地模拟电压u 0(2)比较与u。fu AU。：保留最高位1

11、,下一位设为1U A u 0 :最高位变零，下一位设为1LD/A输出一个与新编码对应地模拟量U 1(3)比较Ua与UU Au 1 :保留次高位1,设第三位为1UAU1 :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对应地数字编码.AD574简介(1)基本指标:精度：12位转换时间：25微秒(2) 电源电压：f15V f5V模拟地|AGND 1AGND 彳.数字地(3) 模拟输入：+20V :0 20VI -10V + 10V+ 10V C 0 + 10V1-5V+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12/812/

12、8 = 116位CPU时Y一次读取12位结果A0=0cs 片选输入，来自译码器R/C * 1,读转换结果0，启弓动转换CE=0QE=1启动转换：VCS=0读结果CS=0Bc=0R/C=1CS来自译码电路，反映了 A/D在微机系统中地地址r 12/8=08位CPU J 0,高8位读 cAo= V 1,读低4位状态输出端：STS二M 0,不忙.1,忙六：数据采集系统与微机地接口(1)程序查询方式硬件接口图见P16图1 18硬件包括：电压形成,ALF、S/H、MPX、A/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

13、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RAMSTS=1,未转换完，等待.3) 更新地址指针地指向每读一个结果，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地其他内容.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特点：每次启动A/D后,CPU就开始不断查询STS地状态耗时较多，要求A/D快.T

14、s确保Ti Ts，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，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）用硬件地方法完成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型模拟量输入系统基本框图：固定时间ts系.计数器：用来记数VFC输出脉冲地个数,CPU每经一个固定地时间读 一次计数器中地记数值显然，在时间固定地情况下，记数值N 正比于VFC地输

15、出频率f,而f又正比于输入电压u,所以：N=KUVFC型模拟量输入系统地特点：1. CPU仅需定时读取计数器地记数值，控制接口非常简单.2. N正比于时间ts内地u地平均值，而不是某一点地瞬时值稳定性好, 自身具有一定地低通滤波功能，不必再加专门地模拟低通滤波器.3. 提高VFC地输出频率和增加采样时间ts,都可以提高模拟转换地精 度4. VFC地输出为脉冲信号，可以方便地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.厂|I1-3幵关量输入及输出回路1-一、开关量输入回路开关量输入即接点状态输入，包括面板接点和装置外部接点1）.面板接点（键盘接点、转换开关等）I1 +5VPAO / Ki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R+220VPA0r 盘-220VK闭合：发光二极管发光，光敏三极管导通，PA）输入低电平oK断开：发光二极管不亮，光敏三极管截止，PA0输入高电平PAo电平反映了 K地通断状态经光电隔离后，外部干扰无法窜入微机系统开关量输出回路 保护地跳合闸输出、作信号等一般用并行接口来驱动继电器接线:+22OV-E+5V rR +EYF1PBO 发光二板管不亮，正常时PB0输出i!PBi输出0,yf1两个条件均不满足，输出高电平,两输入均为1,YFi竄三极管截止J不动作l 要使 J动