微型机继电保护基础1微机保护的硬件原理和设计选择原则.docx

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微型机继电保护基础1微机保护的硬件原理和设计选择原则

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:

第二代不同之处在于

接口

（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35KV~66KV中低压线路保护220KV~500KV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Intel80196KC

CPU3:

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）数字式咼压线路保护的等，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、E2PROM目前的保护都有

多个CPU

（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）

1-2-1A/D型模拟量输入系统

一、基本框图：

总线

>或即

一般小于额定值。

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等电子回路允许的输入信号的

范围一般为-5V—+5V或-10V—+10V（也有0—5V,0—10V者）

因而需要变换。

电压：

100V>

实现：

（1）电流变换器

各变换器除具有电平变换作用外，还具有隔离的作用,

使TA、TV二次回路和微电子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：

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。

I:

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_Usr

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Ch有足够的时间跟踪Usr的变化。

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）采样频率的选择和ALF的使用

单位时间内米样的点数，称为米样频率，它等于米样间隔

（周期）Ts的倒数，既f

ss

优：

可以准确的还原波形

采样频率的选择：

fs（i）T八Ts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。

fs^Ts数据量减小，运算时间充裕。

f太低，将无法由采样数据还原出原波形。

s

f的两倍，既max

要求：

f必须大于被采样信号中存含最高频率成分

■S

否则会产生叠影现象。

见P7,图1-6

（a）.被采信号

（b）.fs=fmax,还原为直流信号

（C）.书上图C对应fsVfmax

fmax

只有fs>2fmax时，才能换远处被采信号

系统短路，U,l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>2fmax,往往导致fs太大

ALF，将高频信号滤掉，即减小fmax，使fs>2fmax

目前一般均采用方法

（2）,即ALF法，当前A/D快，DSP快，也可增大fs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

（2）•同时采样，依次A/D转换

（3）顺序采样

总线

4转1

8转1

16转1

16转1多路开关芯片AD7506的逻辑框图如下:

EnAoA1A2A3

0—所有开关均断

1—由Ao~A3决定

+15V

EN

要求：

时间快、Ron小、Roff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。

模拟量数字信号

*A/D

两者之间的关系为:

D理

Ur

Ur参考电压，般UR”UA所以D〈1,既为小数，可

表示为D二Bi2‘B2^Bn2』

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=8、10、12、14、16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）

由D/A输出一个对应的模拟电压u0

（2）比较Ua和U。

UA〉U0:

保留最高位1,下一位设为1uA〈u0:

最高位变零，下一位设为1

D/A输出一个和新编码对应的模拟量U1

（3）比较Ua和U"

uA〉u1:

保留次高位1,设第三位为1

<

Ua〈u1:

次高位取0,设第三位为1。

经n次比较后，最终可以确定出和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：

戶5v严「模拟地

[agnd]agndw

L数字地

（3）模拟输入：

+20V:

卩一20V

I-10V—+10V

+10V（0—+10V

1-5V—+5V

（4）数据量输出：

12位f8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

CS—片选输入，来自译码器

R/C—厂1，读转换结果

0，启动转换

/CE=1

读结果:

cs=o

-R/C=1

A/D在微机系统中的地址。

rCE=0

启动转换：

yCS=o

Be=0

CS来自译码电路，反映了

12/8

16位CPU时S—次读取12位结果

"12/0=1

状态输出端：

STS二40,不忙

1,忙

六：

数据采集系统和微机的接口

（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=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，贝用地

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

基本框图：

固定时间ts

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,而f又正比于输入电压u，

所以：

N=Kif=K1K2U=KU

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。

厂||I

u

+模拟电路一n□・光隔一数字电路・计数器|

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幵关量输入及输出回路I-

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）

1J+5V

PA0

/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

［一+220V

PA0r、z-220V

K闭合丄光二极管发光，光敏三极管导通，PAo输入低电平

K断开：

发光二极管不亮，光敏三极管截止，PAo输入高电平

PAo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

、开关量输出回路

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，

YFi输出0，LED亮，T通，J动作

用两位来驱动一个继电器的的目的是增加可靠性，经光电隔离的

目的：

（数字地、功率地分开

'■防止外引线干扰窜入微机

三、定值输入

目前普遍采用E2PROM，从前EPROM设几组可能的定值，由拨码开关选择

四、打印机输出

综合后，不在接打印机。

'并行

串行大多数采用并行光电隔离。

1—4.CPU选择原则

M6800一8031一M77

Z80—Z