微型机继电保护基础1 微机保护的硬件原理及设计选择原则

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：CPU主要特点：单CPU系统；总线需要引出印刷；电路板比较复杂；可靠性差。第二代：WXH-11（90年代以后）、多CPU结构模拟量电压形成ALFS/H多路开关MPX电压形成ALFS/HA/DMPUEPROMRAMM定时器并口并口并口光隔逻辑跳闸高频保护4记数单片机开出重合闸7记数单片机开出距离保护5记数单片机开出交流输入1模数变换2系统机PRINTER整个系统有五个CPU（8031）。四个CPU分别用来构成高频、距离、零序保护和综合重合闸，另一个CPU用来构成人机接口，A/D转换采用VFC型。每一个CPU系统都是一个独立的微机系统，任何一个损坏，系统仍然工作。数据总线、控制总线和地址总线均不引出印刷电路板，可靠性较高。交流输入及跳闸出口部分可靠性较高。第三代：CSL101A（1994年鉴定，96年推广）多CPU结构，与第二代不同之处在于：（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Intel80196KCPTCT起动1CPU：纵联保护（工频变化量方向、零序功率方向、复合式距离元件）1Z、零序后备保护2CPU：距离保护、综合重合闸3CPU：人机对话、起动、为出口提供？电压1CPU、2CPU采用VFC型A/D转换，3CPU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）交流TATV管理CPU低通A/DCPU3VFCCPU2计数单片机开出CPU1计数单片机开出出口信号起动此外，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）数字式高压线路保护的等，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/DVFC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、PROME2目前的保护都有多个CPU（3）.开关量输入输出系统开关量输入：断路器位置等作用：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：总线二﹑电压形成回路TV：二次额定电压为100V。正常运行时输出100V左右，系统故障时，输出在0—100V之间变化TA：输出正比于一次电流。额定输出1A或5A。正常一般小于额定值。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25V或210V实现：（1）电压变换器100V25或210V多路开关A/D电压形成ALFS/HALFS/H电压形成（2）电流变换器2.5ma2.5ma100V25或210V电流（10—20）In25A或210A实现：（1）电流变换器(10~20)In25或210V（2）电抗变换器(10~20)In25或210V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二次回路与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。原理：ASsrUscU逻辑输入阻抗变换器：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。ch：保持电容，AS接通时，ch快速充放电，使uuusrchsc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。uuusrcnsc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。阻抗变换器1阻抗变换器2信号usr逻辑输入（采样脉冲）TcuscTs（二）对采样保持电路的要求1）采样时间tc应尽量小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的应用单位时间内采样的点数，称为采样频率，它等于采样间隔（周期）Ts的倒数，既Tfss1优：可以准确的还原波形采样频率的选择：TTfsss)1(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。Tfss数据量减小，运算时间充裕。fs太低，将无法由采样数据还原出原波形。要求：fs必须大于被采样信号中存含最高频率成分fmax的两倍，既ffsmax2否则会产生叠影现象。见P7,图1-6（a）.被采信号（b）.maxffs,还原为直流信号（c）.书上图c对应sfmaxfmaxfsf2maxf,还原为一个低频信号。只有sf2maxf时，才能换远处被采信号系统短路，u,I中既包含工频量，还含有高频信号，即maxf较大，而这些高频信号为无用信号，为防叠频增大sf，使sf2maxf,往往导致sf太大ALF，将高频信号滤掉，即减小maxf，使sf2maxf目前一般均采用方法（2），即ALF法，当前A/D快，DSP快，也可增大sf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优点：控制简单，同时性好，对A/D速度要求不高价格高功耗大缺点：需多片A/D体积大接口复杂（2）.同时采样，依次A/D转换A/DALFS/H电压形成电压形成ALFS/HA/D同时采样，由MPX依次切换至A/D分别转换优点：只用一片A/D缺点：控制复杂，要求A/D速度高（3）顺序采样总线优点：元件数目最少缺点：不能同时采样，各通道出现相位差在（2）（3）两种方式下，均需使用MPXMPX：受控多转1的电子开关2转14转1A/D电压形成ALFS/H多路开关ALFS/H电压形成电压形成ALF多路开关A/DALF电压形成S/H8转116转116转1多路开关芯片AD7506的逻辑框图如下：EnAoA1A2A3+15V-15V…OUTIN1IN2INn决定由—所有开关均断—30~10AAEN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。模拟量数字信号两者之间的关系为：UURADUR参考电压，一般UUAR所以D〈1，既为小数，可表示为2222211nnBBBD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。译码/驱动A/D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）-数码输出+（1）A/D转换启动后，数码设定为10000000由D/A输出一个对应的模拟电压U0（2）比较UA与U0UA〉U0：保留最高位1，下一位设为1UA〈U0：最高位变零，下一位设为1D/A输出一个与新编码对应的模拟量U1（3）比较UA与U1UA〉U1：保留次高位1，设第三位为1UA〈U1：次高位取0，设第三位为1。经n次比较后，最终可以确定出与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：AGNDv15AGNDv5模拟地数字地（3）模拟输入：+20V：0—20V-+====控制器数码设定A/D-10V—+10V+10V0—+10V-5V—+5V（4）数据量输出：12位8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__—1，读转换结果0，启动转换CE=0CE=1启动转换：CS_____=0读结果：CS_____=0R/C__=0R/C__=1CS_____来自译码电路，反映了A/D在微机系统中的地址。8__/128__/12=116位CPU时一次读取12位结果A0A0=08__/12=08位CPU0，高8位读A0=1，读低4位状态输出端：STS=0，不忙1，忙六：数据采集系统与微机的接口（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RAMSTS=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，则将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），最好一个通道转换完后，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。TsTi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电压形成部分与前述类似，不在重述。VFC：压控振荡器，其输出脉冲信号的频率正比于输入电压，呈线形关系。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VFC计数器电压形成电压形成VFC计数器CPU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：KUUKKfKN211VFC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。u模拟电路数字电路目前国