第五讲微机保护的数据采集系统_精品文档.ppt

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第五讲第五讲微机保护数据采集系统微机保护数据采集系统微机继电保护举例微机保护的结构CPU板板一、一、概述概述微机保护的硬件构成由三部分组成微机保护的硬件构成由三部分组成1、模拟量输入系统（数据采集系统）：

电压形成、模拟滤波、采样保持（S/H）、多路转换（MPX）以及模数转换（A/D），完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量2、CPU主系统：

微处理器（MPU）、只读存储器（ROM）或闪存内存单元（FLASH）、随机存取存储器（RAM）、定时器、并行以及串行接口等。

MPU执行编制好的程序，以完成各种继电保护测量、逻辑和控制功能3、开关量（数字量）输入/输出系统：

并行接口（PIA或PIO）、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，完成保护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话等功能微机保护的硬件构成微机保护的硬件构成二、二、数据采集系统（模拟量输入系统数据采集系统（模拟量输入系统）

（一）电压形成回路

（一）电压形成回路微机保护要从被保护电力线路的电流互感器、电压互感器取得电流、电压信息，必须把这些电流互感器、电压互感器的二次电流、电压（5A或1A、100V）进一步变换降低为5V或10V范围内的电压信号，供微机保护的模数转换芯片使用。

电压形成回路

（1）输入电压的电压形成回路把一次电压互感器输出的二次额定100V电压变换成最大5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用。

可以采用电压变换器实现。

（2）输入电流的电压形成回路把一次电流互感器输出的二次额定5A/1A电流变换成最大5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用。

可以采用电流变换器或电抗变换器实现。

1、输入电压的电压形成回路通过电压变换器实现，即一种变压器（但是，原边与付边之间应当设置一个屏蔽层，提高抗共模干扰的能力）。

电压变换器（TV）22、输入电流的电压形成回路，有以下、输入电流的电压形成回路，有以下22种方法实现种方法实现

（1）电抗变换器电抗变换器是一种铁心中有气隙的变压器。

优点是铁心不易饱和，线性变换范围大。

缺点是阻止直流、放大高频分量，使二次侧电压波形发生严重畸变。

（2）电流变换器电流变换器是一种铁心闭合无气隙的变压器。

优点是当铁心不饱和时，二次电流波形与一次侧相同。

缺点是在电流非周期分量作用下容易饱和，线性度差。

微机保护中一般采用电流变换器。

Z是模数转换器的输入阻抗；是二次侧并联电阻，很小。

输出电压

（二）采样保持电路和模拟低通滤波器

（二）采样保持电路和模拟低通滤波器1、采样保持电路的作用及原理采用保持电路（S/H），作用是采集模拟输入电压在某一时刻的瞬时值，并在模数转换器进行转换期间保持输出电压不变，以供模数转换。

采样保持电路：

输入电压：

输出电压：

采用保持电路输出了一个阶梯电压波形。

在保持阶段无论何时进行模数转换，都反映了采样值。

2、对采样保持电路的要求a）截获时间（Tc）尽量短，以便采用很短采样脉冲。

b）保持时间长，在保持期间输出电压变化小。

c）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。

采样保持电路的典型芯片33、模拟低通滤波器、模拟低通滤波器电力系统故障初期，电流、电压中可能含有相当高的频率分量（如2kHZ以上）。

而目前大多数微机保护原理都是反映50HZ工频分量的。

因此，在采样保持前用一个模拟低通滤波器把高频分量过滤掉，防止高频分量混叠到工频来。

最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。

其中（三）模拟量多路转换开（三）模拟量多路转换开关关当需要对多个模拟量进行模数变换时，由于模数转换器（A/D转换器）的价格较贵，通常不是每个模拟量输入通道设置一个A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经过多路转换开关切换。

16路多路转换开关输入模拟量通道：

A1A16;输出模拟量通道：

输出控制由四个路数选择线来控制。

模拟量多路转换开关的应用。

模拟量多路转换开关（MPX）中最重要的部分是电子开关AS，它是用数字电子逻辑控制模拟信号通、断的一种电路，通常是由双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（J-FET）或金属氧化物半导体场效应管（MOS-FET）等类型组成的电子开关。

（四）模数转换器（四）模数转换器1、模数转换器的一般原理模数转换器（A/D转换器，或简称ADC）是实现计算机控制的关键技术，是将模拟量转变成计算机能够识别的数字量的桥梁。

模数转换器是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。

模数转换器把输入的模拟量相对于模拟参考转化成数字量D输出，输出数字量D和输入模拟量之间关系式为：

，其中是模拟参考电压，一般D是小于1的二进制数，D是一个n位二进制数字。

模数转换器的工作原理把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。

以kTs时刻为例分析：

该时刻瞬时电压值转变为数字量2、数模转换器的一般原理数模转换器（D/A转换器，或简称DAC）是把数字量D转变成模拟电压或电流输出。

模数转换器中一般都要用到数模转换器。

输入数字量：

，上图n=4。

输出模拟电压：

，正比于输入数字量D。

3、逐次逼近式模数转换器的工作原理数模转换器的工作过程：

通过并行接口向16位D/A转换器试探性送数。

每送一次数，微型机通过读取PA0端口的状态判断试送的16位数相对于模拟输入量是偏大还是偏小。

如果偏大，则减小试送的16位数，直至找到最相近的二进制数，这个16位二进制数就是A/D转换器的输出结果。

试探送数采样逐次逼近的二分搜索法。

双极性模拟量的模数转换双极性模拟量：

正、负极性变化的模拟量。

为了实现对双极性模拟量的模数转换，需要设置一个直流偏置量，其值为最大允许输入量的一半。

以输入双极性电压最大范围为5V的模数转换器为例。

以上A/D转换器的位数是16位。

最高位是符号位，有效位只有后面的15位。

一个n位的A/D转换器，其十进制数的范围是模数转换的溢出模数转换器的溢出：

输入模拟电压超过了模数转换器的最大允许输入电压。

模数转换器的溢出可能有两种情况：

（1）平顶溢出，危害不大。

（2）清零溢出，危害很大。

4、A/D转换器举例以模数转换器AD7665为例进行分析。

数模转换器AD7665是一种逐次逼近型的16位快数数模转换器，转换速率是500kSPS（SamplesPerSecond），即进行一次模数转换的时间为1/500K=2uS。

A/D7665模数转换器是由AnalogDevices公司生产。

芯片外观芯片内部结构示意图5、A/D转换器与微型机的接口模数转换器AD7665的模数转换功能必须由微型机执行软件程序来控制，即微型机通过总线控制模数转换器AD7665。

模数转换器AD7665与微型机的接口如下图所示。

66、微机保护对、微机保护对A/DA/D转换器的主要要求转换器的主要要求

（1）转换位数（分辨率），通常用数字量的位数来表示。

（2）转换时间（转换频率），A/D转换器进行模数转换的时间，其转换频率为。

1）转换位数（分辨率），即数字量的位数。

当用有限位数的二进制数来表示连续的模拟量瞬时值，不可避免地要舍去比最低位（LSB）更小的数，从而引入一定误差。

对于一个n位的A/D转换器，其量化误差其中，是A/D转换器最大允许输入的正电压。

2）转换时间，影响A/D的最高采样频率。

（五）（五）VFCVFC型数据采集系统型数据采集系统电压频率转换器VFC（VoltageFrequencyConverter）是另一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。

（1）VFC的工作原理VFC把输入的交流模拟电压量转变为脉冲信号输出。

输出脉冲信号的频率与输入电压成正比。

是常数。

VFC的工作原理电压频率转换器VFC输出脉冲方波的频率和输入交流模拟电压信号的大小成正比，即：

在一段时间（采样时间）内，对VFC输出的脉冲方波进行计数（即计算上升沿的个数），得到数字量D。

则该数字量D和输入模拟信号之间的关系是：

当采样时间很小时，且输入模拟信号中没有高频分量时，可以认为在采样时间内输入模拟电压也不变。

则有：

所以最终输出的数字量D也正比于输入的模拟信号。

VFC的分辨率与采样频率的关系的分辨率与采样频率的关系分辨率一般用VFC转换器输出的数字量D的位数来衡量。

VFC输出的位数取决于两个因素：

VFC输出脉冲的最高频率；采样间隔Ts的大小和积分间隔个数N。

VFC转换器输出的最大数字量最高频率之间关系为：

以最高频率4MHz为例分析：

取Ts5/3mS，N=1其最大输出数字量为：

这个数字量相当于12.7位的A/D输出。

（2）VFC型数据采集系统的特点型数据采集系统的特点VFC型数据采集系统结构简图如下所示。

可见与普通型数据采集系统结构简图如下所示。

可见与普通A/D型型的数据采集系统是不一样的。

的数据采集系统是不一样的。

VFC型数据采集系统的特点：

型数据采集系统的特点：

有低通滤波的作用，可以大大抑制噪声；有低通滤波的作用，可以大大抑制噪声；普通普通A/D转换器是对模拟量瞬时值进行转换，而转换器是对模拟量瞬时值进行转换，而VFC型型数据采集系统是对模拟量的连续积分，具有低通滤波作用，并数据采集系统是对模拟量的连续积分，具有低通滤波作用，并可大大抑制噪声。

可大大抑制噪声。

抗干扰能力强，在抗干扰能力强，在VFC数据采集系统的输出端和数据采集系统的输出端和CPU主主系统的计数器之间接入光电耦合器；系统的计数器之间接入光电耦合器；输出数字量输出数字量D的位数可调；的位数可调；与微型机的接口简单；与微型机的接口简单；可实现多微机共享数据采集；可实现多微机共享数据采集；易于实现同步采样；易于实现同步采样；但不适用于高频采样。

但不适用于高频采样。

三、三、开关量输入及输出回路开关量输入及输出回路

（一）光电耦合器

（一）光电耦合器光电耦合器：

把发光器件和光敏器件组合在一起，实现以光光电耦合器：

把发光器件和光敏器件组合在一起，实现以光信号为媒介的电信号变换。

信号为媒介的电信号变换。

由于发光器件和光敏器件之间相互绝缘，所以可以实现输入由于发光器件和光敏器件之间相互绝缘，所以可以实现输入和输出两侧电路之间的电气隔离。

在微机保护中常用光电耦合和输出两侧电路之间的电气隔离。

在微机保护中常用光电耦合器来输入或输出开关量信号。

器来输入或输出开关量信号。

（二）开关量输入回路

（二）开关量输入回路开关量：

即接点状态信号，接通或断开（开关量：

即接点状态信号，接通或断开（识别外部条件识别外部条件）。

）。

对微机保护装置的开关量输入可以分为对微机保护装置的开关量输入可以分为2类：

类：

（1）安装在装置面板上的接点信号输入；如用于人机对话的）安装在装置面板上的接点信号输入；如用于人机对话的键盘上的接点信号。

这类信号可以直接接至微型机的并行口。

键盘上的接点信号。

这类信号可以直接接至微型机的并行口。

（2）从装置外部经过端子排引入的接点信号输入；如保护屏）从装置外部经过端子排引入的接点信号输入；如保护屏上的各种硬压板、转换开关等。

为了抑制干扰，这类接点必须上的各种硬压板、转换开关等。

为了抑制干扰，这类接点必须要经过光电耦合器进行电气隔离，然后接至并行口。

要经过光电耦合器进行电气隔离，然后接至并行口。

（三）开关量输出回路（三）开关量输出回路需要输出的开关量（开出量）：

保护的跳闸信号、通信接口。

1、通信接口（包括打印机接口）可用一个并行口来控制输出数字信号。

输出回路中也加光电耦合器，提高抗干扰能力。

将并行接口的PA口设置为输出方式；将PB口设置为输入方式。

在开关量输出回路中加入光电耦合器，实现两侧电气回路的电气隔离，同时可以进行不同逻辑电平的转换。

并行接口侧的电源电压是5V，而右侧输入回路中电源电压可以是24V或其它电压等级。

2、保护的跳闸出口信号对于保护跳闸出口信号（及本地信号）的输出，一般采样并行口经过光电耦合器控制继电器的方式。

对于重要的保护跳闸出口信号，为了防止误发信号，还需要增加与非门环节。

四、四、DSPDSP技术的应用技术的应用数字信号处理器（DSP，即DigitalSignalProcessor）是进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技