继电保护

-1-微机继电保护的硬件原理论述摘要本文介绍了微机的保护装置的典型的硬件结构，系统地阐述了数据采集系统、开关量输入及输出回路、DSP技术的应用、网络化硬件电路等。突出展示了现代微机产品的智能化和实用性。对于配合电力系统综合自动化的产品的调试有一定的指导作用。关键词:硬件结构;数据采集;开关量;DSP;网络化硬件-2-一、概述微机继电保护装置的硬件包括以下三个部分：1、数据采集系统（或称模拟量输入系统）。数据采集系统包括电压形成、模拟滤波、采样保持（S/H）、多路转换（MPX）及模数转换（A/D）等功能，完成将模拟输入量准确地转换为微机能够识别的数字量。2、微型机主系统。微型机主系统包括微处理器（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、并行接口以及串行接口等。微型机执行编好的程序，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析、处理、完成各种继电保护的测量、逻辑和控制功能。3、开关量（或数字量）输入/输出系统。开关量输入/输出系统由微型机的并行接口（PIA或PIO）、光电隔离器及有触点中间继电器等组成。以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入、人机对话及通信等功能。图1为一种典型的微机保护硬件结构示意框图。-3-总线图1微机保护硬件结构示意图二、数据采集系统1、电压形成回路微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其他变换器上取得信息，但这些互感器的二次数值、输入范围对典型的微机电路却不适用，故需要降低和变换。在微机保护中，通常根据模数转换器输入范围的要求，将输入信号变换为±5V或±10V范围内的电压信号。交流电压信号可以采用电压变换器；而将交流电流信号变换为成比例的电压信号，可以采用电抗变换器或电流变换器，两者各有优缺点。在微机保护中，一般采用电流变换器将电流信号变换为电压信号。电压形成回路有以下几个要求：（1）继电保护所使用的电压、电流都是来自于电压互感器（100V、线间电压）和电流互感器（额定电流5A或1A，短路电流100A）；（2）把100V左右的电压变换为适合AD转换需要的±2.5V、±5V、±10V的电压；（3）把小于1A～100A的电流变换为适合AD转换需要的±2.5V、±5V、±10V的电压（3）多路转换开关A/D电压形成ALFS/HALFS/H电压形成-4-隔离和屏蔽作用，以减小高压设备对微机保护装置的干扰。图2为电流变换器和电压变换器的连接方式图。图2电流变换器和电压变换器的连接方式2、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样保持电路，又称S/H电路，其作用是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。S/H电路的工作原理如图3（a）所示，它由一个电子模拟开关AS、保持电容器以及两个阻抗变换器组成。模拟开关AS受逻辑输入端的电平控制，该逻辑输入就是采样脉冲信号。当逻辑输入高电平时AS接通，此时电路处于采样状态。快速充电或放电到在采样时刻的电压值。显然希望采样时间越短越好。阻抗变换器Ⅰ的目的是在输入端呈现高阻抗，输出端呈现低阻抗，使充放电回路的时间常数很小。当逻辑输入低电平时AS断开，电容器上保持住AS闭合时刻的电压，电路处于保持状态。为了提高保持能力，使用另一个阻抗变换器Ⅱ，它在侧呈现高阻抗，使对应充放电回路的时间常数很大，而输出阻抗很低，以增强带负载能力。来自电压互感器来自电流互感器电压变换器电流变换器-5-图3（a）采样保持电路工作原理图图3（b）采样保持过程示意图采样保持过程如图3（b）所示。图中称为采样脉冲宽度，称为采样间隔（或采样周期）。inuoutu阻抗变换器阻抗变换器AS逻辑输入hC-6-（2）对采样保持电路的要求高质量的采样保持电路应满足以下几点：（a）上的电压按一定的精度跟踪上所需要的最小采样宽度，对快速变化的信号采样时，要求尽量短，以便可用很窄的采样脉冲，这样才能更准确地反映某一时刻的值。（b）保持时间要长。（c）模拟开关动作时间延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。（3）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必须满足采样定理的要求，由采样定理2可以知道，如果采样信号中所含最高频率成分的频率为，则采样频率必须大于的2倍，否则将造成频率混叠，采样后的信号不能真实代表原始信号。对微机保护系统来说，在故障初瞬，电压电流中可能含有相当高的频率分量，为防止混叠，将不得不用的很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上，目前大多数的微机保护原理都是反映工频量的，在这种情况下，可以在采样前用一个低通模拟滤波器（LPF）将高频分量滤掉，这样就可以降低，从而降低对硬件提出的要求。采用低通滤波器消除频率混叠问题后，采样频率的选择在很大程度上取决于保护的原理和算法的要求，同时还要考虑硬件的速度问题。3、模拟量多路转换开关对于反映两个量以上的继电保护装置，都要求对各个模拟量同时采样，以准确地获得各个量之间的相位关系。在所有采样保持器的逻-7-辑输入端并联后，由定时器同时供给采样脉冲。但由于数模转换器价格相对较贵，通常不是每个模拟量输入通道设一个A/D，而是公用一个，中间经多路转换开关MPX切换，轮流由公用的A/D转换成数字量输入给微机。多路转换开关包括选择接通路数的二进制译码电路和多路电子开关。其中二进制译码电路决定哪个电子开关接通，即接入相应的待转换模拟量；多路电子开关起分断其它回路而仅仅接通待转换的哪一路模拟量作用。常用的多路开关有8通道的AD7501、CD4501，16通道的AD7506等。现在我们以16路多路转换开关例，其中A0～A3是路数选择线，用以接CPU，控制哪一路选通，S0～S15是模拟量入，AS0～AS15是电子开关，将被选中的某一路模拟量接通至公共的输出端，供给A/D转换器。En是始能端，只有在它为高电平时多路开关才接通，否则不论A0～A3在什么状态，AS0～AS15均处于断开状态。其内部电路组成框图如图4所示。图4AD7506的内部电路组成框图4、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）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。由于计算机只能对数-8-字量进行运算，而电力系统中的电流、电压信号均为模拟量，因此必须采用模数转换器将连续的模拟量转变为离散的数字量。模数转换器可以认为是一个编码电路。它将输入的模拟量相对于模拟参考量经编码电路转换成数字量D输出。一个理想的A/D转换器，其输出与输入的关系式为D=[]式中D—一般为小于1的二进制数；—输入信号；—参考电压，也反映了模拟量的最大输入值。对于单极性的模拟量，小数点在最高位前，即要求输入必须小于。D可以表示为1212222nnDBBB式中：为其最高位，常用MSB表示；为最低位，用LSB表示。~均为二进制代码，其值只能是“1”或“0”。因而，上式又可以写为该式即为A/D转换器中，将模拟信号进行量化的表示式。1212222nsrRnUUBBB由于编码电路的位数总是有限的，因而对连续的模拟量用有限长位数的二进制数表示时，不可避免地要舍去比最低位更小的数，从而引入一定的误差。单从数学的角度看，这种量化误差的绝对值最大不会超过和LSB相当的值。因而模数转换编码的位数越多，即数值分得越细，所引入的量化误差就越小，或称分辨率就越高。量化误差为12RnqU。（2）模数转制器的主要技术指标-9-（a）分辨率。模数转换时，模数转换器对模拟量的辨别能力称为分辨率。分辨率通常用二进制数字量的位数来表示。它表明了模数转换器能对其满量的变化量作出反应。（b）输入模拟量的极性。指模数转换器要求输入的信号是单极性还是双极性的电压。（c）量程。指模数转换器输入模拟电压转换的范围，如0～+5V，0～+10V，-5V～+5V等。（d）精度。模数转换器的转换精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。通常用数字量的位数来表示绝对精度单位，如精度是最低位的1/2位即±1/2LSB；而用百分比来表示满量程的相对误差，如0.05%。（e）转换时间与速率。指模数转换器完成一次将模拟量转换为数字量的过程所需要的时间。（3）A/D转换器举例微机保护中较常用的A/D转换器芯片有MAX125，ADS8364，AD7656等。下面以ADS8364为例介绍该芯片的主要特性。其功能框图如图5所示。ADS8364主要特性:（a）6路全差分输入通道。（b）6个模拟输入端都有一个ADCs保持信号，可实现所有通道的同步采样与转换。-10-图5ADS8364功能框图（c）每个通道都有独立的16位ADC，确保无误差的14位转换精度。（d）同步运行下250kHz的最大采样速度，5OkHz的采样频率下共模抑制比80dB，确保在高噪声环境下的高速可靠运行。+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-CHA0+CHA0-HOLDACHA1+CHA1-CHB0+CHB0-CHB1+CHB1-HOLDBCHC0+CHC0-CHC1+CHC1-HOLDCINREFOUTREFS/HAmpS/HAmpS/HAmpS/HAmpS/HAmpS/HAmpInternal2.5VReferenceCDACCDACCDACCDACCDACCDACSARSARSARCompCompCompCompCompCompConversionandControlFIFORegister6xInterfaceA0A1A2ADDFDCLKBYTERDWRCSEOCRESET16DataInput/Output-11-（e）并行数据接口。（f）模拟与数字逻辑电源均采用单+5V电压供电，而数字接口缓冲电源采用3～5V，可灵活地与各种电压类型的DSP器件进行接口设计。（3）微机保护对模数转换器的主要要求就微机保护来说，当选择A/D转换芯片时，要考虑的主要是两个指标：一是转换时间；二是数字输出的位数。转换时间影响着A/D的最高采样频率。由于各模拟量通道共用一个A/D转换器，所以至少要求采样间隔时间为n（+）+式中—采样间隔；n—模拟量的路数；—A/D转换一路的时间；—读取一次A/D转换结果的时间；—时间裕度。对于A/D转换器的位数，它决定了量化误差的大小，反映了转换的精度和分辨率，这一点对继电保护十分重要。因为保护在工作时，输入电压和电流的动态范围很大，在输入值接近A/D转换器量程的上限附近时，1个LSB的最大量化误差是可以忽略的；但当输入电压、电流很小时，1个LSB的量化误差所引入的相对误差就不能忽略了。-12-除了以上两个指标外，A/D转换器还有许多其他指标，如线性度、温度漂移等，而它们的误差和影响一般都很小，对继电保护来说可以忽略，所以这里不作具体介绍。5、VFC型数据采集系统电压频率转换器VFC是另一种实现模数转换功能的器件。按图6的连接方式，可以将VFC器件与其他电路一起构成数据采集系统，从而实现模数转换的功能。图6中，电压、电流信号经电压形成回路后，均变换成与输入信号成比例的电压量，经过VFC，将模拟电压量变换为脉冲信号，该脉冲信号的频率与输入电压成正比，经快速光电耦合器隔离后，由计数器对脉冲进行计数，随后，微型机在采样间隔内读取的计数值就与输入模拟量在内的积分成正比，达到了将模拟量转换为数字量的目的，实现了数据采集系统的功能。图6VFC型数据采集系统示意图（1）VFC工作原理VFC器件的内部电路示意图如图7所示，A1为运算放大器，输入端a为“虚地”，与、C共同组成一个积分器。A2为零电压比较器，实际设计为稍微偏负一点才检测出来，因此将A2看作零点指示器。VFC器件对电路设计提出来一个要求=/，即/。其中，、为允许输入的最大电压、电-13-流值；为基准电压；为输入电阻；为a点到基准电压之间的电阻，设计在VFC器件内部。图7VFC内部电路结构示意图（a）直流输入的工作原理如图8所示，为直流输入的VFC电路波形图，根据该图来分析直流输入的工作原理。图8VFC电路波