第二章-微机保护装置硬件原理

电力系统微机保护西南交通大学电气工程学院11.继电保护定义

反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态并动作于断路器跳闸或发出信号或指示的自动装置。继电保护基本概念回顾第二章微机保护硬件构成2.继电保护的作用切除故障：自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证无故障部分迅速恢复正常运行。23.继电保护的基本原理寻找能够区分出三种运行状态的可测参量； 提取和利用可测参量在三种状态下的“差异”；识别出发生故障和出现异常的元件；完成继电保护任务。反应电力设备的不正常运行状态：根据运行维护条件，动作于发信号或跳闸，一般不要求迅速动作（延时动作）。34.继电保护装置的基本组成

给出“是”、“非”、“大于”等逻辑信号判断保护是否启动常用逻辑回路有“或”、“与”、“否”、“延时起动”等，确定断路器跳闸或发出信号4微机保护装置一般采用如图所示的多CPU结构。5一、数据采集单元1.作用强电信号到弱电信号的转换、模拟信号到数字信号的转换2.对数据采集单元的要求①模拟量◆模拟量的数量◆模拟量的性质(电流、电压、直流/交流)◆模拟量的动态范围（电流信号：0.08～20Ie;电压信号：0.01～1.2Ue）②采样频率的选择

满足奈奎斯特（Nyquist）采样定理：采样频率被采样信号的最高频率6③精度◆A/D式数据采集单元（A/D芯片的位数）◆VFC式数据采集单元（最高转换频率、采样间隔时间）3.数据采集单元的种类 ◆比较式数据采集单元(A/D芯片构成) ◆积分式数据采集单元(VFC芯片构成)逐次逼近原理电压频率转换4.比较式数据采集单元的构成7①变换器◆作用

强电信号转换为弱电信号； 隔离作用； 变换器原边和副边可加屏蔽层，有利于抗干扰。◆种类

电压变换器、电流变换器、电抗变换器◆电压变换器目前应用最广泛的是电磁式电压互感器，工作原理与变压器相同。特点：电压变换器的二次侧负载阻抗很大，运行条件相当于变压器空载运行；二次绕组匝数远小于一次绕组匝数，二次侧不能短路。8作用：将PT二次侧电压转换成与之成比例的弱电压；输出电压范围：根据A/D或VFC芯片的输入电压范围来确定，一般为±2.5V、±5V、±10V。◆电流变换器特点：电磁式电流变换器其工作原理与电压变换器相同。运行条件相当于变压器短路，二次侧绕组匝数远大于一次侧绕组匝数，二次侧不能开路。作用：将CT二次侧电流转换成与之成比例的弱电流；弱电流在电阻R上产生的电压即为输出电压；通过调节电阻R的阻值来调整输出电压。9模拟低通滤波、A/D输入回路的综合阻抗采样电阻R：比较小，一般为几欧到十几欧。综合阻抗Z：较大，可达80kΩ以上相关参数满足：一次电流的最大瞬时值A/D转换器在双极性输入情况下的最大正输入范围输出电压范围：根据模数转换芯片（A/D或VFC）的电压输入范围来确定。缺点：在非周期分量作用下易饱和，线性度差，动态范围较小。◆电抗变换器特点：阻止直流、放大高频分量，当一次电流非正弦时，二次电压波形将发生严重畸变。优点：线性范围大、铁芯不易饱和，有移相作用。10◆对变换器的要求线性度好抗饱和能力强（电流变换器）损耗小（原副边相角差）过载能力要求※交流电流回路：2倍额定电流，连续工作50倍额定电流，允许1s※交流电压回路：1.5倍额定电压，连续工作2倍额定电压，允许10s精确测量范围要求

※交流电流回路：（0.1～20）倍额定电流※交流电压回路：（0.01～1.2）倍额定电压11功率消耗：GB/T18038-2000《电气化铁道牵引供电系统微机保护装置通用技术条件》12电流变换器的暂态特性（直流分量对变换器的影响）输入电流：基波1A输入电流：基波1A直流分量0.2A13◆霍尔传感器霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成从实现原理上可分为：直测式和磁平衡式。直测式霍尔电流传感器原理：当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它可以通过聚磁环聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出。原边电流Ip产生的磁通量聚集在聚磁环上，通过霍尔器件检测出霍尔电压，经过放大器放大输出，该输出电压VOUT信号精确反应原边电流。14磁平衡式霍尔电流传感器原理：又称为补偿式传感器，主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生磁场。该磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。IS*NS=IP*NP

式中：IS—副边电流，IP—原边电流，NP—原边线圈匝数电流传感器的输出信号是副边电流IS，它与输入信号（原边电流IP）成正比，

IS一般很小，只有10～400mA。将输出电流IS经过测量电阻RM，则可以得到一个与原边电流成正比的电压输出信号。NS—副边线圈匝数，NP/NS—匝数比，一般取NP=115※被测电流Ip的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级线圈以对失衡的磁场进行补偿。

工作过程：※当主回路有电流Ip通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集，并感应到霍尔器件上；※霍尔器件的输出信号用于驱动相应的功率管，并使其导通，从而获得一个补偿电流Is；※补偿电流Is通过多匝线圈产生磁场，该磁场与被测电流Ip产生的磁场方向相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小；※当满足：IS*NS=IP*NP时，Is不再增加；※从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。16磁平衡式霍尔电压传感器原理：※原边电压VPN通过原边电阻R1转换为原边电流IP；※原边电流IP产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流IS通过副边线圈产生的磁通量相平衡；※副边电流IS与原边电压VPN成正比；※将输出电流IS经过测量电阻RM，则可以得到一个与原边电压成正比的电压输出信号。17②模拟低通滤波器奈奎斯特（Nyquist）采样定理：fs=fmax*(2/3)通常取:◆采样频率的选择采样间隔，通常按等间隔设计，0.1～2ms◆模拟低通滤波器的作用

滤除电流、电压信号中的高频分量（故障发生时，常含有2kHz以上的高频分量）；降低采样频率，降低对微机保护装置的硬件要求。采样频率fs是微机保护硬件设计中的关键问题18◆无源滤波器构成：由无源器件R、C构成。优点：结构简单、可靠性高，能耐受较大的过载和浪涌冲击。缺点：对谐波分量衰减过大。二阶RC无源滤波器示意图通常R=4.7kΩ，C=0.01μF◆有源滤波器构成：运算放大器等。优点：滤波器特性比无源滤波器好。缺点：元器件参数变化对特性影响较大。有源滤波器示意图◆对模拟低通滤波器的要求

滤除输入信号中频率高于fs/2的分量，消除频率混叠，防止高频分量混叠到工频附近；低于fs/2的分量可以通过数字滤波来滤除；不一定要求很陡的过渡带；不一定要求阻带有理想的衰耗特性，否则滤波器的过渡过程加长，影响保护动作时间。19③采样保持器◆作用◆原理模拟电子开关采样（S）状态：UL为高电平时，AS闭合。电容C迅速充电或放电到Ui在采样时刻的电压值。AS闭合时间应满足使C有足够的充放电时间，即采样时间。采样时间越短越好。采样脉冲信号阻抗变换器Ⅰ的目的：在输入端呈现为高阻抗，对输入回路的影响小；输出阻抗很低，使充放电回路的时间常数很小，保证C上的电压能迅速跟踪输入信号Ui的变化。一般由运算放大器构成。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A/D转换期间保持不变。在AD转换期间，使各路信号的幅值和相位保持不变。一个模拟量通道一个采样保持器（多通道共用一个A/D转换器）。20保持（H）状态：采样脉冲信号模拟电子开关UL为低电平时，AS打开，电容器C上的电压保持为AS闭合时的电压，电路处于保持状态。阻抗变换器Ⅱ的目的：在电容C侧呈现为高阻抗，使C对应充放回路的时间常数很大；输出阻抗很低，增强带负载能力。一般由运算放大器构成。◆对采样保持器的要求※采样时间尽量短，满足对快速变化信号采样的要求；（电容C越小越好）※在采样（S）状态下，电容C上的电压按一定的精度跟踪输入电压Ui的变化，跟踪误差小于0.1%；※保持时间长，用电容C上的电压下降率来表示保持能力；（电容C越大越好）※模拟开关AS的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流小。根据不同的应用场合选用不同容量的电容C采样间隔时间采样时间21④多路转换开关控制信号输入模拟信号输入模拟信号输出AD7506内部原理示意图

◆基本原理◆作用

将多个经采样/保持后的信号逐一与A/D芯片接通的控制电路。常用的多路转换开关有AD7501（8通道）、AD7506（16通道）等。

控制信号输入输出A0A1A2A3OUT0000S01000S10100S21100S30010S41010S50110S61110S70001S81001S90101S101101S110011S121011S130111S141111S1522⑤模数转换◆模拟量的量化对于一个理想的A/D转换器，其输入输出的关系为：D为小于1的数，可表示为：D=B12-1+B22-2+B22-2+………+Bn2-nB1为最高位，表示为MSB；Bn为最低位，表示为LSB。即：UA≈UR（B12-1+B22-2+B22-2+………+Bn2-n）因此，模拟信号的量化误差的绝对值小于或等于LSB；编码位数越多，量化误差越小（分辨率越高）。输入量参考电压，反应模拟量的最大输入值◆作用：将模拟信号转换为数字信号要求：UA＜UR量化误差：23◆逐次逼近A/D转换原理

实现流程：N表示模数转换器的位数。硬件原理：预设值，最高位为1，其余位为0基本思想：采用二分搜索法24◆常用芯片介绍AD公司生产的12位AD芯片AD7874，主要特点：AD7874内部结构框图

※4个采样/保持器※1个多路转换开关※12位数模转换器，单通道转换时间8μs※输入电压范围±10V※参考电压（3V）◆对模数转换的要求

转换时间、分辨率

25⑥数据采集单元与CPU的接口

包括三种方式：查询、中断、DMA◆查询方式AD7874与80386EX接口原理（查询方式）示意图

采样间隔由80386EX的定时器控制，查询程序的软件流程如下：第一步：启动AD转换（通过P3.0口）；第二步：查询AD转换结束信号（通过P3.1口）；第三步：读数据。26◆中断方式AD7874与80386EX接口原理（中断方式）示意图

在中断方式下，启动AD转换由80386EX的定时器完成（TMROUT2），当AD转换结束后，向80386EX发中断请求（INT0）。INT0中断服务程序完成读数功能。◆DMA方式硬件上与中断方式相同，软件设计上不同。275.积分式数据采集单元的构成主要包括：◆变换器◆浪涌吸收器：由RC电路构成，吸收高频干扰信号；◆电压频率变换器（VFC）：实现电压信号到频率的转换（输出脉冲的频率与输入信号的瞬时值成正比）；◆光电隔离：实现模拟系统与数字系统的隔离，具有抗干扰作用；◆计数器：由可编程计数器芯片构成。28VFC工作原理①构成A1：运算放大器，输入端a为“虚地”，与Rsr、C组成一个积分器；A2：零电压比较器，实际设计为Uc稍微偏负一点才检测出来，因此将A2看作零点指示器。Rr：a点到基准电压Er之间的电阻，设计在VFC器件内部。VFC内部电路结构示意图②基本要求允许输入的最大电流值允许输入的最大电压值基准电压输入电阻③直流输入时的工作原理AS接0VAS接-Er◆0时刻Usr=0V，Uc=0V，触发器无输出，电子开关AS接地。29AS接0VAS接-Er◆0～t1期间※当Usr刚施加正的直流信号时，有Ir=0，即Ic=Ir-Isr=-Isr，因此Uc有向负方向变化的趋势。※零点指示器检测出这种趋势，其输出发生正跳变，触发单稳态触发器，输出一个宽度为T0的脉冲，该脉冲使AS接到负参考电压（-Er）侧，则有：因此：在积分过程中随时间变化而上升在T0消失时刻，上升到最大值30AS接0VAS接-Er◆t1～t2期间※当T0信号消失后，AS接到参考地侧，有Ir=0，即Ic=Ir-Isr=-Isr因此：在积分过程中随时间变化而下降当下降到0V时，再次被零点指示器检测到，于是重复上述过程。◆输出信号U0的频率f结论：VFC输出信号的频率与输入电压成正比31④交流输入时的工作原理◆偏置电流I偏I偏设输入信号为：则合成后的信号为：其最大值满足：其最大值满足：◆0～t1期间（AS接到负参考电压-Er）随时间变化而上升，在T0时刻达到最大值：32◆t1～t2期间（AS接到参考地侧）随时间变化降低，当时，对应的时刻为T，则有：在t=0处展开33将在任意t时刻处展开，可得VFC输出频率的一般表达式：去掉偏置量U偏对应的脉冲个数影响，可得：结论：VFC在任意时刻的输出频率f与该时刻模拟量输入电压的瞬时值成正比。◆数据转换只要测量到VFC输出端的方波脉冲频率，就可以反应输入电压的大小。设采样间隔为Ts，在CPU在一个采样间隔中的读数D相当于在间隔Ts内对脉冲个数求和，因此有：结论：VFC型数据采集系统的输出值与输入电压的积分成正比。34⑤VFC的分辨率与采样频率的关系VFC的分辨率一般采用VFC输出的数字量的位数来衡量，取决于两个因数：※VFC的最高频率fVFC※采样间隔Ts和积分间隔NTsVFC的最大输出数字量Dmax与VFC的最高频率fVFC之间的关系为：例：设VFC的最高频率为4MHz，则VFC最大的输出数字量为若每周波采样20点，即Ts=1ms，取N=3，则Dmax=12000，相当于13.5位的A/D转换器输出。35◆位数可调◆与CPU接口简单VFC的工作不需要CPU控制，CPU只需要定时读取计数器的计数值。◆便于实现多CPU共享每个CPU设置各自的计数器，可以方便地共用一套VFC型数据采集系统，每个CPU独立读数，CPU可以根据需要设置不同的采样间隔。◆不适用于高频信号的采集VFC的积分本身具有抑制高频信号的作用；在低频带范围内，在计算基波和各次谐波时，应考虑对应幅频特性增益的不同。调整积分间隔NTs，就可以实现调整输出数据的位数。⑥VFC型数据采集系统的特点◆低通滤波

VFC是对输入信号的连续积分，具有低通滤波的效果，可以抑制噪声。◆抗干扰能力强脉冲输出信号便于实现光电隔离，积分也有利于增强抗干扰能力。366.两种数据采集单元的比较①输出数据格式◆比较式数据采集单元的输出数据为二进制编码，可直接进行数字运算；◆积分式数据采集单元的输出数据为脉冲个数，需要将相邻两次计数值相减后才能进行数字运算。②分辨率◆比较式数据采集单元的分辨率决定于A/D芯片的位数；◆积分式数据采集单元的分辨率决定于VFC芯片的最高转换频率和积分间隔。（VFC系统的分辨率与采样频率之间的矛盾）③抗干扰性◆采用A/D芯片不便于实现光电隔离；◆采用VFC便于实现模拟系统与数字系统之间的隔离。37二、开关量输入输出单元1.开关量输入单元2.开关量输出单元38①信号插件基本原理39②操作回路基本原理一跳闸合闸复归40③操作回路基本原理二跳闸回路合闸回路非电量跳闸回路手动分闸或控制分闸手动合闸或控制合闸41三、保护CPU单元1.保护CPU的选择常用芯片：TI公司的TMS320系列DSP、AD公司的ADSP系列DSP、Motorola公司的MC68000系列考虑的因素：CPU速度、CPU字长、寻址能力、接口简单、浮点/定点CPU发展方向：功能强（数据线、地址线多）适用于高级语言的微机系统集成A/D、定时器、接口等2.程序存储器

带电可擦写，常采用Flash存储器(SST公司、Intel公司、AMD公司、Atmel公司等)3.定值存储器带电可擦写，常采用Flash存储器4.数据存储器静态SRAM，如：CYPRESS公司的CY7C系列、ISSI公司等；动态SDRAM5.可编程逻辑器件（CPLD）作用：I/O口扩展、组合逻辑的实现等，常采用Lattice、Xilinx等。42四、人机接口单元5.网络通信接口◆现场总线（LONWORKS、CAN等）◆以太网6.键盘输入接口1.人机接口CPU

ARM系列、PowerP