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2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,1,第一章 微机保护的硬件原理,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,2,1-1 概述,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,3,1-1 概述（续）,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,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,4,1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）,一、电压形成回路1.模拟量选取原则：以满足保护功能为基本准则2.作用与方案比较作用方案比较电抗变换器缺点：二次电压波形将发生畸变优点：线性范围大、铁芯不易饱和、有移相作用、抑制直流电流变换器优点：线性范围内，波形相同且同相缺点：在非周期分量下容易饱和、线性度较差、动态范围小,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,5,1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）,一、电压形成回路2.作用与方案比较3.电流互感器应用注意事项变比的选择u2=RLHi2=RLHi1/nLHRLHi1max/nLHUmax屏蔽层的作用,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,6,1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）,二、采样保持电路和模拟低通滤波器（一）S/H电路的作用及原理,S/H电路的作用,S/H电路的工作原理,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,7,1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）,（二）对采样保持电路的要求使Ch上电压按一定精度（例如误差小于0.1%）跟踪上usr所需要的最小采样宽度Tc（或称为截获时间），对快速变化的信号采样时，要求Tc尽量短保持时间要长。通常用下降率 来表示保持能力。模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。分析讨论Ch的选值,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,8,1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）,Ch=0.01F,（三）采样保持电路的典型芯片,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,9,1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用采样频率的选择采样频率越高，要求CPU的速度越高采样频率过低将不能真实地反映被采样信号的情况（采样定理）,采用低通滤波器，可以消除频率混叠问题，从而降低采样频率消除频率混叠问题后，采样频率的选择基本取决于保护的原理和算法。,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,10,1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）,（四）采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用低通滤波器R=4.3k,C=0.1F,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,11,1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）,三、模拟量多路转换开关（一）模拟量多路转换开关的作用,（二）MPX的工作过程,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,12,1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）,四、模数转换器（一）模数转换的一般原理和分类一般原理：将输入的模拟量UA相对于模拟参考量UR转换成数字量D输出：,即：,假定数字量D是小于1的数，则：,分类：积分型、逐次逼近比较型、并行和流水线型等,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,13,四、模数转换器,（二）数模转换器（DAC或D/A转换器）作用工作原理,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,14,四、模数转换器,（二）数模转换器（DAC或D/A转换器）,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,15,四、模数转换器,（三）逐次逼近法模数转换器的基本原理,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,16,四、模数转换器,（三）逐次逼近法模数转换器的基本原理溢出问题,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,17,四、模数转换器,（三）逐次逼近法模数转换器的基本原理双极性模拟信号的模数转换,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,18,四、模数转换器,（四）A/D转换器举例AD7665是逐次逼近型的16位快速模数转换器，速度为500kSPS电源DVDD、DGNGOVDD、OGNDAVDD、AGNDREF、REFGND模拟量输入usr10V,5V,2.5V0-10V,0-5V,0-2.5V,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,19,四、模数转换器,（四）A/D转换器举例方式选择OB/2(output binary/2s complement)WARP,IMPULSESER/(Serial/Parallel)BYTESWAP,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,20,四、模数转换器,控制信号RESET(Read),(Chip Select)(Start Conversion)PD(Power Down)BUSY并行输出方式的数据信号DATA15-DATA0,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,21,四、模数转换器,串行输出方式的接口信号SYNCSCLKSDOUTRDERRORDIVSCLKEXT/INVSYNCINSCLKRDC/SDIN,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,22,四、模数转换器,（五）模数转换器与微型机的接口,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,23,四、模数转换器,（五）模数转换器与微型机的接口初始化定时器中断服务程序控制多路转换开关，将0通道连接到A/D 输入端启动A/D转换查询A/D转换是否结束读取A/D转换结果，并按照一定格式 存入循环寄存器中修改存数指针为下一个存数单元判断本次采样时刻的所有模拟量都转换完毕 否则通道号加1全部转换结束后，判断存数指针是否超出循环寄存器末地址,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,24,四、模数转换器,（六）数据排队与地址指针更新,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,25,四、模数转换器,（七）微机保护对模数转换器的主要要求转换时间 Tsn(tAD+tR)+tYA/D转换的位数要求200倍的精度范围,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,26,1-2 数据采集系统（模拟量输入系统）,五、VFC型数据采集系统 设一计数器的计数脉冲频率为f，计数时间为t，则在t内加入计数器的脉冲数目为N：N=f t,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,27,五、VFC型数据采集系统,（一）VFC工作原理1.直流输入的工作原理,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,28,五、VFC型数据采集系统,（一）VFC工作原理直流输入的工作原理当输入电压Usr为0V时，电容器C的电压为0，单稳触发器没有输出，电子开关接到参考地的端子侧；当输入端Usr刚施加了正的直流信号时，有IR=0,Ic=IR-Isr=-Isr，使得输出电压向负方向变化，零点指示器检测到该趋势后，触发单稳触发器，在U0端产生一个宽度为T0的脉冲；在T0信号期间，电子开关AS切换到-ER侧，所以Ic=IR-Isr,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,29,五、VFC型数据采集系统,（一）VFC工作原理直流输入的工作原理当T0信号消失后，电子开关AS又接到参考地的端子侧，所以Ic=-Isr,Uc(t)下降到0V时，立刻被零点指示器检测出来，并开始重复上述过程,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,30,（一）VFC工作原理直流输入的工作原理如果在一个采样间隔Ts内对计数器的计数结果进行读数，则计数值为D=fTs,五、VFC型数据采集系统,VFC型模数转换的输出值与输入电压信号的积分成正比,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,31,五、VFC型数据采集系统,交流输入的工作原理双极性信号需引入偏置IR/2=ER/(2RR),在0T0期间，AS切换到-ER侧，有,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,32,五、VFC型数据采集系统,当T0消失后，AS切换到参考地的端子侧，有,将函数cos(t+)在t0处展开，并整理得：,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,33,五、VFC型数据采集系统,将函数cos(t+)在任意处展开，并整理得：,VFC型模数转换的输出值与输入电压信号的积分成正比,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,34,五、VFC型数据采集系统,（一）VFC工作原理VFC的分辨率与采样频率的关系VFC的最高频率fVFC 采样间隔Ts和积分间隔NTs,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,35,五、VFC型数据采集系统,（二）VFC数据采集系统的特点低通滤波抗干扰能力强位数可调与微型机接口简单实现多微机共享易于实现同时采样不适用于高频信号的采集,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,36,1-3 开关量输入及输出回路,一、光电耦合器概念分类光隔离器光传感器光敏元件集成的功能块光电耦合器在微机保护中的应用特性工作方式,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,37,1-3 开关量输入及输出回路,二、开关量输入回路安装在装置面板上的接点人机对话的键盘部分切换装置工作方式 用的转换开关从装置外部经过端子排 引入装置的接点压板、转换开关其他保护装置和操作 继电器的接点,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,38,三、开关量输出回路（一）保护的跳闸出口、本地和中央信号,1-3 开关量输入及输出回路,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,39,1-3 开关量输入及输出回路,三、开关量输出回路（一）保护的跳闸出口、本地和中央信号装置正常、系统无短路设备异常系统发生短路出口回路自检,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,40,三、开关量输出回路（一）通信接口、打印机接口,1-3 开关量输入及输出回路,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,41,1-5 网络化硬件电路,一、问题提出继电保护的种类很多，且由于受被保护对象的容量、模拟量数量、跳闸对象和功能要求不同等因素影响，造成保护配置多种多样。希望采样模块化的思想。希望微机保护在更新换代后，保护装置对外的连线基本保持不变。保护功能插件（CPU插件）与开入、开出之间的连线受CPU插件的空间限制，很难做到开入、开出数目的方便扩展。在变压器、发电机保护中，根据不同容量、不同主接线等情况，保护的一个动作逻辑有可能组成多个出口对象。,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,42,1-5 网络化硬件电路,一、问题提出,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,43,1-5 网络化硬件电路,二、网络化硬件电路标准模块CPU插件开入(DI)插件开出(DO)插件通信网络采用 CAN总线方式,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,44,1-5 网络化硬件电路,三、CAN总线特点采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果采用差分信号的传递方式，有利于提高抗干扰性能每帧信息都有CRC校验和其它纠错措施，保证了数据出错率极低节点在严重错误的情况下，具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，大大节省了总线冲突仲裁时间网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134微妙内得到传输为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,45,1-5 网络化硬件电路,三、CAN总线特点只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。直接通信距离最远可达10公里（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时，通信距离最长为40米）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032个，而扩展标准的报文标识符几乎不受限制通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,46,1-5 网络化硬件电路,四、网络化硬件结构的优点模块之间的连接简单、方便可靠性高、抗干扰能力强扩展性好升级方便便于实现出口逻辑的灵活配置降低了对微型机或微控制器并行口的数量要求,2023/2/9,微型机继电保护基础，毕天姝,47,1-6 硬件技术的展望,通用硬件技术平台高可靠性开放性通用性灵活性和可扩展性模块性与新型互感器接口微机保护硬件网络化总线不出芯片可以有效提高装置整体可靠性,
