微机继电保护-ppt课件.ppt

1、中国电力出版社第十四章第十四章 微机继电保护原理微机继电保护原理中国电力出版社第十四章 微机继电保护原理第一节 概述第二节 微机继电保护装置硬件的构成原理第三节 数字滤波器第四节 微机继电保护的算法第五节 微机保护的软件第六节 提高危机继电保护装置可靠性的措施中国电力出版社本章学习要求1、了解微机保护装置硬件构成原理。重点掌握数据采集系统。2、掌握数字滤波器的基本概念和几种基本数字滤波器。3、掌握微机保护的几种基本算法，并比较各种算法的优缺点。4、了解微机保护软件构成原理。掌握流程图的设计方法。5、了解微机抗干扰的基本措施和具体实施方法。中国电力出版社第十四章 微机继电保护原理第一节第一节 概

2、述概述一、微机继电保护发展概述一、微机继电保护发展概述二、微机保护的特点二、微机保护的特点 中国电力出版社一、微机继电保护发展概况一、微机继电保护发展概况l 微机计算机继电保护，简称微机保护，是数字微机计算机继电保护，简称微机保护，是数字式继电保护，是基于可编程数字电路技术和实式继电保护，是基于可编程数字电路技术和实时数字信号处理技术实现的电力系统继电保护。时数字信号处理技术实现的电力系统继电保护。l 电力系统是一个复杂的、非线性的大系统，具电力系统是一个复杂的、非线性的大系统，具有许多其它系统所没有的特殊性，随着电力系有许多其它系统所没有的特殊性，随着电力系统不断向高电压、远距离、大容量的方

3、向发展，统不断向高电压、远距离、大容量的方向发展，系统的网架结构和运行方式日益复杂，这就对系统的网架结构和运行方式日益复杂，这就对系统中继电保护装置提出了更高的要求。微机系统中继电保护装置提出了更高的要求。微机继电保护的出现，使原有继电保护装置的工作继电保护的出现，使原有继电保护装置的工作性能有了显著的改善，大大提高了电力系统运性能有了显著的改善，大大提高了电力系统运行的安全性和稳定性。行的安全性和稳定性。中国电力出版社自从自从 1984 1984 年年 4 4月月 1212日由杨奇逊教授主研的第一套微机线路保日由杨奇逊教授主研的第一套微机线路保护装置在河北马头电厂投入运行以来护装置在河北马头

4、电厂投入运行以来, ,微机继电保护的发展已经微机继电保护的发展已经历了近历了近2020多年的历史。我国微机继电保护的发展大体上经历了三多年的历史。我国微机继电保护的发展大体上经历了三个阶段：个阶段：第一阶段：为以单第一阶段：为以单 CPUCPU的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式的近式的 AD574AD574芯片构成，其代表产品为芯片构成，其代表产品为 WXBWXB0101， WXHWXH1A 1A 型型微机高压输电线路保护装置微机高压输电线路保护装置第二阶段：为以多个单片机构成的多第二阶段：为以多个单片机构成的多CPUCPU硬件结构为主，硬件结构为主，

5、 数据采数据采集系统为集系统为 VFC VFC 电压一频率转换原理的计数式数据采集系统，硬电压一频率转换原理的计数式数据采集系统，硬件及软件的设计方面吸取了件及软件的设计方面吸取了 WXBWXB01 01 型微机保护装置的成功运型微机保护装置的成功运行经验，针对行经验，针对 0101型保护存在的问题进行了改进，同时，利用多型保护存在的问题进行了改进，同时，利用多C CPUPU的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可定位到插件，的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可定位到插件， 对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施及防止拒动和误对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施及防止拒动和误

6、动的措施。其代表产品为动的措施。其代表产品为 WXBWXB1111， WXHWXH11X 11X 型微机高压线路型微机高压线路保护装置和保护装置和 LFP 900 LFP 900 超高压线路成套快速保护装置。超高压线路成套快速保护装置。中国电力出版社第三阶段：为以高性能的第三阶段：为以高性能的 16 16 位单片机构成的硬件结构为主，具位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不引出芯片、电路简单的特点有总线不引出芯片、电路简单的特点 ，抗干扰能力进一步加强，抗干扰能力进一步加强 ，完善了通信功能，为变电站综合自动化系统的实现提供了强有力完善了通信功能，为变电站综合自动化系统的实现提供了强有力的环境

7、。其代表产品为四方公司研制的的环境。其代表产品为四方公司研制的 CSL CSL 及及 CST CST 系列保护装系列保护装置。置。上述三代产品主要是从硬件的角度来划分的，微机保护的发展也上述三代产品主要是从硬件的角度来划分的，微机保护的发展也同样离不开软件的发展，因此，在保护的原理上有所突破，开发同样离不开软件的发展，因此，在保护的原理上有所突破，开发出新型保护原理的软件，其意义将十分重大。我国的许多保护研出新型保护原理的软件，其意义将十分重大。我国的许多保护研究所和专业厂家都投入了极大的力量研究和开发新型保护原理。究所和专业厂家都投入了极大的力量研究和开发新型保护原理。尤其是近十年来发展很快

8、的对电力系统影响最大的、反映故障分尤其是近十年来发展很快的对电力系统影响最大的、反映故障分量的高速继电保护软件原理，从本质上突破了我国保护的现状。量的高速继电保护软件原理，从本质上突破了我国保护的现状。其代表产品是国家电力公司电力自动化研究院的其代表产品是国家电力公司电力自动化研究院的系列保护装置。系列保护装置。l 目前，国内外已研制出以目前，国内外已研制出以3232位数字信号处理器为硬件基础的保护、位数字信号处理器为硬件基础的保护、控制、测量及数据通信一体化的微机保护综合控制装置。控制、测量及数据通信一体化的微机保护综合控制装置。中国电力出版社二、微机保护的特点二、微机保护的特点 （1 1）

9、调试维护方便）调试维护方便 在微机保护应用之前，整流型或晶体管型继电保护装置的在微机保护应用之前，整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，原因是这类保护装置都是布线逻辑的，调试工作量很大，原因是这类保护装置都是布线逻辑的，保护的功能完全依赖硬件来实现。微机保护则不同，除了保护的功能完全依赖硬件来实现。微机保护则不同，除了硬件外，各种复杂的功能均由相应的软件硬件外，各种复杂的功能均由相应的软件( (程序程序) )来实现。来实现。 （2 2）高可靠性）高可靠性 微机保护可对其硬件和软件连续自检，有极强的综合分析微机保护可对其硬件和软件连续自检，有极强的综合分析和判断能力。它能够自动检测出其自

10、身硬件的异常，并配和判断能力。它能够自动检测出其自身硬件的异常，并配合多重化措施，可以有效地防止拒动；同时，软件也具有合多重化措施，可以有效地防止拒动；同时，软件也具有自检功能，对输入的数据进行校错和纠错，即自动地识别自检功能，对输入的数据进行校错和纠错，即自动地识别和排除干扰，因此可靠性很高。目前，国内设计与制造的和排除干扰，因此可靠性很高。目前，国内设计与制造的微机保护均按照国际标准的电磁兼容试验微机保护均按照国际标准的电磁兼容试验(EMC(EMC，ElectromaElectromagnetic Compatibility)gnetic Compatibility)来考核，进一步保证了装

11、置的可靠来考核，进一步保证了装置的可靠性。性。中国电力出版社 （3 3）易于获得附加功能）易于获得附加功能 传统保护装置的功能单一，仅限于保护功能，而微机保护传统保护装置的功能单一，仅限于保护功能，而微机保护装置除了提供传统保护功能外，还可以提供一些附加功能。装置除了提供传统保护功能外，还可以提供一些附加功能。例如，保护动作时间和各部分的动作顺序记录，故障类型例如，保护动作时间和各部分的动作顺序记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等。对于线路保和相别及故障前后电压和电流的波形记录等。对于线路保护，还可以提供故障点的位置护，还可以提供故障点的位置( (测距测距) )，这将有助于运行

12、部，这将有助于运行部门对事故的分析和处理。门对事故的分析和处理。 （4 4）灵活性）灵活性 由于微机保护的特性主要由软件决定，因此替换或改变软由于微机保护的特性主要由软件决定，因此替换或改变软件就可以改变保护的特性和功能，且软件可实现自适应性，件就可以改变保护的特性和功能，且软件可实现自适应性，依靠运行状态自动改变整定值和特性，从而可灵活地适应依靠运行状态自动改变整定值和特性，从而可灵活地适应电力系统运行方式的变化。电力系统运行方式的变化。中国电力出版社 （5 5）改善保护性能）改善保护性能 由于微机的应用，可以采用一些新原理，解决一些传由于微机的应用，可以采用一些新原理，解决一些传统保护难以

13、解决的问题。例如，利用模糊识别原理判统保护难以解决的问题。例如，利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障，对接地距离保护的允许过断振荡过程中的短路故障，对接地距离保护的允许过渡电阻的能力，大型变压器差动保护如何识别励磁涌渡电阻的能力，大型变压器差动保护如何识别励磁涌流和内部故障，采用自适应原理改善保护的性能等。流和内部故障，采用自适应原理改善保护的性能等。 （6 6）简便化、网络化）简便化、网络化 微机保护装置本身消耗功率低，降低了对电流、电压微机保护装置本身消耗功率低，降低了对电流、电压互感器的要求，而正在研究的数字式电流、电压互感互感器的要求，而正在研究的数字式电流、电压互感器更易于实现与

14、微机保护的接口。同时，微机保护具器更易于实现与微机保护的接口。同时，微机保护具有完善的网络通信能力，可适应无人或少人值守的自有完善的网络通信能力，可适应无人或少人值守的自动化变电站。动化变电站。中国电力出版社新技术和新理论在继电保护中的应用硬件方面硬件方面1 1）（数字信号处理器）（数字信号处理器） 目前运行的微机保护装置大多数为目前运行的微机保护装置大多数为1616位单片机，可满足常规的保护性能的基本要求位单片机，可满足常规的保护性能的基本要求! ! 但但 1616位单位单片机往往受到运算速度等因素的影响，不易实现更复杂的算片机往往受到运算速度等因素的影响，不易实现更复杂的算法和更高采样速率

15、，不易于继保装置功能的扩展法和更高采样速率，不易于继保装置功能的扩展! !数字信号处数字信号处理器，由于其的强大数字信号处理能力，越来越受到开发人理器，由于其的强大数字信号处理能力，越来越受到开发人员的青睐。员的青睐。2 2）网络化硬件电路）网络化硬件电路 CAN Controller Area Network CAN Controller Area Network 即控制器区域即控制器区域网，主要用于各种设备检测及控制的一种网络网，主要用于各种设备检测及控制的一种网络 。CAN CAN 最初是最初是由德国由德国 BoschBosch公司为汽车的监测、控制系统而设计的，公司为汽车的监测、控制系

16、统而设计的，CAN CAN 具有独特的设计思想、良好的功能特性、极高的可靠性和很具有独特的设计思想、良好的功能特性、极高的可靠性和很强的现场抗干扰能力。为了适应现代变电站调度自动化的要强的现场抗干扰能力。为了适应现代变电站调度自动化的要求求 ，以便调度人员能够在远方了解系统运行情况并实现遥信、，以便调度人员能够在远方了解系统运行情况并实现遥信、遥控、遥测功能、目前广泛采用的串行通信接口标准是遥控、遥测功能、目前广泛采用的串行通信接口标准是 RS-2RS-232C32C和和 RS-485 RS-485 前者采用单端电气接口方式前者采用单端电气接口方式 双极性电源供电双极性电源供电电路电路 传输距

17、离限于传输距离限于 12m 12m 后者是半双工后者是半双工 采用一对平衡差分信采用一对平衡差分信号线号线 对于多站互联十分方便对于多站互联十分方便 传输距离限于传输距离限于 1200m1200m。中国电力出版社3 3）新型互感器）新型互感器 4) CPLD 4) CPLD 自从跨入自从跨入 17 17 世纪世纪 9090年代以来年代以来# #可编程逻辑器件得到了可编程逻辑器件得到了飞速发展。向高集成度、高速度和低价位方向不断迈进。其应用飞速发展。向高集成度、高速度和低价位方向不断迈进。其应用领域不断扩大，将领域不断扩大，将CPLDCPLD应用在微机继电保护装置中，很好地实现应用在微机继电保护

18、装置中，很好地实现了系统的简化了系统的简化! ! 采用采用 CPLDCPLD器件设计电路板，在控制器件设计电路板，在控制PCBPCB板尺寸及板尺寸及安排布线等方面都有着无法比拟的优越性安排布线等方面都有着无法比拟的优越性, ,为实现电路的集成化、为实现电路的集成化、高可靠性提供了保证高可靠性提供了保证! !l 软件方面：软件方面： 一些人工智能技术引入继电保护中，如用人工神经网络、模糊理一些人工智能技术引入继电保护中，如用人工神经网络、模糊理论实现故障类型判别、故障测距、方向保护、主设备保护等新方论实现故障类型判别、故障测距、方向保护、主设备保护等新方法。用小波理论的数字手段分析故障产生信号的

19、整个频带信息并法。用小波理论的数字手段分析故障产生信号的整个频带信息并用于实现故障检测。这些人工智能技术不仅为提高故障判别精确用于实现故障检测。这些人工智能技术不仅为提高故障判别精确度提供了手段，而且使某些基于单一工频信号的传统算法难以识度提供了手段，而且使某些基于单一工频信号的传统算法难以识别的问题得到解决。目前，微机继电保护正沿着微机保护网络化、别的问题得到解决。目前，微机继电保护正沿着微机保护网络化、智能化、自适应和保护、控制、测量、信号、数据通信一体化的智能化、自适应和保护、控制、测量、信号、数据通信一体化的方向发展。方向发展。中国电力出版社第二节第二节 微机保护装置的硬件构成原理微机

20、保护装置的硬件构成原理一、数据采集系统一、数据采集系统二、计算机系统二、计算机系统三、开关量输入输出单元三、开关量输入输出单元四、通讯单元四、通讯单元五、电源五、电源中国电力出版社中国电力出版社中国电力出版社中国电力出版社 微机保护装置的结构如图微机保护装置的结构如图14-014-0所示：所示：图图14-0 微机保护装置硬件原理框图微机保护装置硬件原理框图中国电力出版社 微机保护装置的硬件结构如图微机保护装置的硬件结构如图14-014-0所示，由数据采集所示，由数据采集单系统，即模拟量输入部分；数据处理系统，即计算单系统，即模拟量输入部分；数据处理系统，即计算机系统；开关量输入机系统；开关量输

21、入/ /输出通道；外部通信接口和电源输出通道；外部通信接口和电源构成。构成。 （1 1） 数据采集系统数据采集系统。模拟量输入通道为电流、电压。模拟量输入通道为电流、电压信号，由于电流、电压为随时间变化的连续信号，而信号，由于电流、电压为随时间变化的连续信号，而计算机只接收数字信号，因此，需要将这种类型的模计算机只接收数字信号，因此，需要将这种类型的模拟信号转变为数字信号，完成模拟量到数字量的转换。拟信号转变为数字信号，完成模拟量到数字量的转换。包括电流、电压形成和模数转换模块，完成模拟输入包括电流、电压形成和模数转换模块，完成模拟输入量准确地转换为数字信号的功能；量准确地转换为数字信号的功能

22、； （2 2）计算机系统计算机系统。计算机系统包括微处理器、存储器、。计算机系统包括微处理器、存储器、随机存储器、定时器及并行口等。微处理器执行存放随机存储器、定时器及并行口等。微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序，对由数据采集系统输入在程序存储器中的保护程序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护功能；种继电保护功能；中国电力出版社（3 3）开关量输入输出通道开关量输入输出通道。微机继电保护装置。微机继电保护装置通过数字量输出实现对断路器等控制。由若干通过数字量输出实现对断路器等控制。由若干并行接口、光电

23、耦合器件及中间继电器等组成，并行接口、光电耦合器件及中间继电器等组成，完成各种保护出口跳闸、信号报警、外部触点完成各种保护出口跳闸、信号报警、外部触点输入及人机对话等功能；输入及人机对话等功能；（4 4）通信接口通信接口。包括通信接口电路和接口，以。包括通信接口电路和接口，以实现多机通信或联网；实现多机通信或联网；（5 5）电源电源。电源的作用是将。电源的作用是将220V220V或或110V110V直流电直流电源变换成供给微处理器、数字电路、模数转换源变换成供给微处理器、数字电路、模数转换芯片及继电器所需要的弱电电压，有芯片及继电器所需要的弱电电压，有12V12V、24V24V、5V5V等。等

24、。中国电力出版社 微机保护模数变换方式主要有两种，一种是微机保护模数变换方式主要有两种，一种是ADCADC方方式，另一种是式，另一种是VFCVFC方式。对于中低压电力系统，这方式。对于中低压电力系统，这两种方式都在使用，而高压或超过高压的保护装两种方式都在使用，而高压或超过高压的保护装置，我国目前采用置，我国目前采用VFCVFC变换方式。变换方式。ADCADC方式是将模方式是将模拟量直接转换为数字量的方法，而拟量直接转换为数字量的方法，而VFCVFC是将模拟量是将模拟量先转变为频变脉冲量，再通过脉冲计数变换为数先转变为频变脉冲量，再通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式。字量的一种变换方式。

25、ADCADC式数据采集系统如图式数据采集系统如图14-1(a)14-1(a)所示。所示。图图14-1 (a) ADC14-1 (a) ADC数据采集系统框图数据采集系统框图一、数据采集系统一、数据采集系统中国电力出版社比较式（ADC）数据采集系统中国电力出版社VFC 型数据采集系统示意图VFCVFC型数据采集系统如图型数据采集系统如图14-114-1（b b）所示）所示图14-1（b）中国电力出版社 压频转换式（压频转换式（VFCVFC）数据采集系）数据采集系统统中国电力出版社( (一一)ADC)ADC式数据采集系统式数据采集系统1 1、电压电压形成回路形成回路中国电力出版社1、电压形成回路l

26、 交流电流变换一般采用电流变换器（交流电流变换一般采用电流变换器（UAUA），并），并在其二次侧并联电阻以取得微机保护装置硬件在其二次侧并联电阻以取得微机保护装置硬件电路所需要的电压信号，只要铁心不饱和，其电路所需要的电压信号，只要铁心不饱和，其二次电流及并联电阻上电压波形就可保持与一二次电流及并联电阻上电压波形就可保持与一次电流波形相同且同相，可以做到不失真变换。次电流波形相同且同相，可以做到不失真变换。电流变换器在非周期分量的作用下容易饱和。电流变换器在非周期分量的作用下容易饱和。其线性度变差，动态范围也变小。其线性度变差，动态范围也变小。l 电压形成回路除了起电量变换外，还起到隔离电压形

27、成回路除了起电量变换外，还起到隔离作用，它使微机保护装置在电路上与电力系统作用，它使微机保护装置在电路上与电力系统二次回路隔离，在变换器初级与次级绕组之间二次回路隔离，在变换器初级与次级绕组之间通常有接地的屏蔽绕组以防止来自高压系统的通常有接地的屏蔽绕组以防止来自高压系统的电磁干扰。电磁干扰。中国电力出版社1、电压形成回路l 电抗变换器（电抗变换器（UXUX）的优点是：线性范围大，铁芯不易的优点是：线性范围大，铁芯不易饱和。有移相作用，它能抑制低频分量，放大高频分饱和。有移相作用，它能抑制低频分量，放大高频分量，因此，二次侧电压波形在暂态时会发生畸变。量，因此，二次侧电压波形在暂态时会发生畸变

28、。l 电流变换器、电压变换器和电抗变换器的工作原理在电流变换器、电压变换器和电抗变换器的工作原理在第二章第三节已详细分析过，这里不再介绍。第二章第三节已详细分析过，这里不再介绍。中国电力出版社电流、电压变换器中国电力出版社2 2、采样保持（、采样保持（S/HS/H）电路和模拟）电路和模拟滤波器滤波器 （1 1）采样保持（）采样保持（S/HS/H）电路电路 采样保持电路的作用是采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模数转的瞬时值，并在模数转换器进行转换的期间内换器进行转换的期间内保持输出不变。把随时保持输出不变。把随时间

29、连续变化的电气量离间连续变化的电气量离散化。散化。 采样保持电路的工作原采样保持电路的工作原理可用图理可用图14-314-3说明。说明。图图14-3 14-3 采样保持电路采样保持电路中国电力出版社图图14-3 14-3 采样保持电路采样保持电路u采样保持电路由一个电采样保持电路由一个电子模拟开关子模拟开关ASAS、电容、电容C C和和两个阻抗变换器构成。开两个阻抗变换器构成。开关关ASAS受逻辑输入端电平控受逻辑输入端电平控制。在高压平时制。在高压平时AS“AS“闭闭合合”，此时电路处于采样，此时电路处于采样状态，状态，C C迅速充电或放电迅速充电或放电到采样时刻电压值。到采样时刻电压值。A

30、SAS的的闭合时间应满足使闭合时间应满足使C C有足有足够的充电和放电时间，即够的充电和放电时间，即采样时间。为缩短采样时采样时间。为缩短采样时间采用阻抗变换器，间采用阻抗变换器，（1 1）采样保持（）采样保持（S/HS/H）电路）电路中国电力出版社（1 1）采样保持（）采样保持（S/HS/H）电路）电路为缩短采样时间采用阻抗变换器，它在输入端呈现为缩短采样时间采用阻抗变换器，它在输入端呈现高阻抗，输出端呈现低阻抗，使电容高阻抗，输出端呈现低阻抗，使电容C C上电压能迅上电压能迅速跟踪值。速跟踪值。ASAS打开时，电容打开时，电容C C上保持住上保持住ASAS打开瞬时打开瞬时的电压，电路处于保

31、持状态。的电压，电路处于保持状态。同样，为提高保持能力，电路同样，为提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器，中应用了另一个阻抗变换器，它对它对C C呈现高阻抗，而输出阻抗呈现高阻抗，而输出阻抗低，以增强带负荷能力。低，以增强带负荷能力。图图14-314-3采样保持电路工作原理采样保持电路工作原理中国电力出版社（2）模拟低通滤波器（ALF）n 电力系统在发生故障时，故障瞬间的电压或电流里一电力系统在发生故障时，故障瞬间的电压或电流里一般含有各种高频分量，而目前微机保护原理大部分是般含有各种高频分量，而目前微机保护原理大部分是反映工频分量的，同时任何实际的变换器所能达到最反映工频分量的，同时任

32、何实际的变换器所能达到最高采样频率总是有限的。高采样频率总是有限的。 由奈奎斯特采样定理可知，由奈奎斯特采样定理可知，如果被采样信号为有限带宽的连续信号，其所含的最如果被采样信号为有限带宽的连续信号，其所含的最高频率成分为高频率成分为fmaxfmax；则采样频率应不小于；则采样频率应不小于2fmax2fmax，原来，原来的模拟信号就可以完全恢复而不会畸变。否则将产生的模拟信号就可以完全恢复而不会畸变。否则将产生频率混叠现象，使原来的信号波形发生畸变频率混叠现象，使原来的信号波形发生畸变。中国电力出版社（2）模拟低通滤波器（ALF）n 为了防止频率混叠，微机保护系统采样频率必为了防止频率混叠，微

33、机保护系统采样频率必须高达须高达4k4kMHzMHz，这样对微机中央处理单元（，这样对微机中央处理单元（CPUCPU）的速度提出了过高要求，因为数据采集系统是的速度提出了过高要求，因为数据采集系统是以采样频率向以采样频率向CPUCPU输入数据，而输入数据，而CPUCPU必须在两次必须在两次采样间隔时间（采样周期等于采样间隔时间（采样周期等于1/f1/fmaxmax）内，处）内，处理完对一组采样值必须作的各种操作及运算，理完对一组采样值必须作的各种操作及运算，否则，否则，CPUCPU将跟不上时钟节拍而无法正常工作。将跟不上时钟节拍而无法正常工作。故故f fmasmas越高，则要求越高，则要求CP

34、UCPU的速度越快。的速度越快。 中国电力出版社（2）模拟低通滤波器（ALF）u如果在故障电压或电流等模拟量进入采样保持器之前，如果在故障电压或电流等模拟量进入采样保持器之前，用一个模拟低通滤波器（用一个模拟低通滤波器（ALFALF）将高频分量滤掉，仅让）将高频分量滤掉，仅让低频分量通过，就可降低采样频率低频分量通过，就可降低采样频率f fs s的值。从而降低的值。从而降低了对微机硬件系统的过高要求。使用采样频率通常按了对微机硬件系统的过高要求。使用采样频率通常按保护原理所用信号频率的保护原理所用信号频率的4 41010倍来选择。例如常用采倍来选择。例如常用采样频率为样频率为fs=Nffs=N

35、f1 1，（f f1 1=50Hz=50Hz）fs=600Hzfs=600Hz（N=12N=12），），fs=fs=800Hz 800Hz （N=16N=16），），fs=1000Hzfs=1000Hz（N=20N=20）fs=1200Hzfs=1200Hz（N=2N=24 4）等，其中）等，其中N N为采样频率相对于基波频率的倍数，为采样频率相对于基波频率的倍数，N N 称为每基频周期采样点数。称为每基频周期采样点数。u前置模拟低通滤波器通常分为两大类。一类是由前置模拟低通滤波器通常分为两大类。一类是由RLCRLC元元件构成的件构成的无源滤波器无源滤波器；另一类是由集成运算放大器与；另一类是

36、由集成运算放大器与R RC C元件构成的元件构成的有源滤波器有源滤波器。中国电力出版社1）无源滤波器无源滤波器无源低通滤波器电路图和幅频无源低通滤波器电路图和幅频特性如图特性如图14-414-4所示。是采用所示。是采用电阻电容电阻电容C C串联构成的滤波电串联构成的滤波电路路。无源滤波器无源滤波器幅频特性幅频特性有源滤波器有源滤波器幅频特性幅频特性 H a0图14-4(b)滤波器的幅频特性图图14-4 14-4 电电路路图图(a)(a)中国电力出版社2 2）有源滤波器是由）有源滤波器是由RCRC网络与运算放大器网络与运算放大器构成，具有良好的构成，具有良好的滤波性能，且阶数滤波性能，且阶数越高

37、，它的频率响越高，它的频率响应就越具有十分平应就越具有十分平坦的通带和陡峭的坦的通带和陡峭的过滤带，但会增加过滤带，但会增加装置的复杂性和时装置的复杂性和时延，故滤波器阶数延，故滤波器阶数不宜过高。不宜过高。1R2R3R1C2CinUoutU431RRK图图14-514-5常用二阶有滤低通滤波电路常用二阶有滤低通滤波电路 1212211222212121111outinUK R R C CH SUKSSRCR CR CR R C C中国电力出版社3模拟量多路转换开关（MPX）n 保护装置通常需要对多个模拟量同时采样，以准确得到各个保护装置通常需要对多个模拟量同时采样，以准确得到各个电气量之间的

38、相位关系并且使相位关系经过采样后保持不变。电气量之间的相位关系并且使相位关系经过采样后保持不变。故硬件中对每个模拟量设置一套电压形成回路，故硬件中对每个模拟量设置一套电压形成回路，ALFALF回路及回路及S/S/H H回路。但由于回路。但由于A/DA/D转换器价格较贵，为了降低成本，采用多转换器价格较贵，为了降低成本，采用多路采样，通道共用一个路采样，通道共用一个A/DA/D转换器。用多路转换开关实现通道转换器。用多路转换开关实现通道切换。常用的多路转换开关包括选择接通路数的二进制译码切换。常用的多路转换开关包括选择接通路数的二进制译码电路和由它控制的各路电子开关。它们被集成在一个芯片中。电路

39、和由它控制的各路电子开关。它们被集成在一个芯片中。n 图图14-614-6为常用为常用1616路多路转换开关芯片路多路转换开关芯片AD7506AD7506内部电路组成框内部电路组成框图。它有图。它有A0-A3A0-A3四个路数选择线以便由四个路数选择线以便由CPUCPU通过并行接口芯片通过并行接口芯片或其它硬件电路给或其它硬件电路给A0-A3A0-A3赋以不同的二进制码，选通赋以不同的二进制码，选通S1-S16S1-S16中中相应的一路电子开关。中中相应的一路电子开关。中国电力出版社3模拟量多路转换开关（MPX）l将被选中的某一路模拟量，接通至公共的输出端供给将被选中的某一路模拟量，接通至公共

40、的输出端供给A/DA/D转换器。转换器。 为芯片选择线，只有为芯片选择线，只有 端接入高电平时端接入高电平时MPXMPX才处于工作状态，否则不论才处于工作状态，否则不论A0-A3A0-A3在什么状态，在什么状态，S1-S16S1-S16均均处于断开状态。设置处于断开状态。设置 是为了可将多个芯片并联使用是为了可将多个芯片并联使用以扩充多路转换开关的路数。以扩充多路转换开关的路数。NE0A1A2A3A1A16A1S16S15ssUV15ppUV图图14-614-6多路转换开关原理图多路转换开关原理图NENENE中国电力出版社为最高位（为最高位（MSBMSB） 为最低位（为最低位（LSBLSB）。

41、）。B B1 1-B-Bn n均为二进制码，均为二进制码，其值只能是其值只能是“1”1”或或“0”0”。式（。式（14-514-5）又可写为：）又可写为：4模数转换器（A/D）实现模拟量变换成数字量的硬件芯片称为模数转换器，也称实现模拟量变换成数字量的硬件芯片称为模数转换器，也称为为A/DA/D转换器。转换器。A/DA/D转换器可以认为是一种译码电路，它将输转换器可以认为是一种译码电路，它将输入的模拟量相对于模拟参考量经译码电路转换成数字量入的模拟量相对于模拟参考量经译码电路转换成数字量D D输输出。一个理想的出。一个理想的A/DA/D转换器，其输入和输出关系式为：转换器，其输入和输出关系式为

42、： ARUDU1212222nnDBBB1BnB1212222nARnUUBBB式中式中D D为小于为小于1 1的数，的数，可用二进制表示为：可用二进制表示为：式（式（14-714-7）即为）即为A/DA/D转换器中模拟信号量化的表达式。转换器中模拟信号量化的表达式。(14-7)（14-5）（14-6）中国电力出版社l 模数转换器可分为两大类型，即比较式和积分式模数转换器可分为两大类型，即比较式和积分式 ，下面对这两种方式的，下面对这两种方式的原理进行简单说明。原理进行简单说明。（1 1） 逐位比较式逐位比较式A/DA/D转换器转换器 比较式有逐位比较式和并联比较式。以下介绍逐位比较式比较式有

43、逐位比较式和并联比较式。以下介绍逐位比较式A/DA/D转换器的工转换器的工作原理。作原理。1 1）数模转换器（）数模转换器（DACDAC或或D/AD/A转换器）转换器） 由于逐位比较式由于逐位比较式A/DA/D转换器要用到数模转换器转换器要用到数模转换器D/AD/A，因此先介绍，因此先介绍D/AD/A数模转数模转换器。换器。 ( (一）逐位比较式一）逐位比较式A/DA/D转换器转换器中国电力出版社数模转换器作用是将数字量数模转换器作用是将数字量D D经解码电路变成模拟经解码电路变成模拟量输出。图量输出。图14-714-7为一个四位数模转换器的原理图。为一个四位数模转换器的原理图。中国电力出版社

44、p 图中电子开关分别受四位数字量控制。当某一位为图中电子开关分别受四位数字量控制。当某一位为“0”0”时，则时，则对应开关向右（接地）；而为对应开关向右（接地）；而为“1”1”时，则会向左接通运算放大时，则会向左接通运算放大器器A A的反相输入端（虚地）。流向运算放大器反相端的总电流反的反相输入端（虚地）。流向运算放大器反相端的总电流反映了四位输入数字量的大小，它经过总反馈电阻变换成电压输出。映了四位输入数字量的大小，它经过总反馈电阻变换成电压输出。由于运算放大器由于运算放大器A A的的“+”+”接参考地，所以其负端为接参考地，所以其负端为“虚地虚地”，运，运算放大器算放大器A A的反相输入端

45、电位实际上也是地电位，因此不论图中的反相输入端电位实际上也是地电位，因此不论图中各开关合向那侧，对电阻网络中电流分配都不会有影响从图各开关合向那侧，对电阻网络中电流分配都不会有影响从图UrUr、a a、b b、c c四点分别向右看，网络等值电阻都是四点分别向右看，网络等值电阻都是R R，因而，因而a a点的电位点的电位必定是必定是 b b点电位为点电位为 ,c,c点电位为点电位为 。1 2RU1 4RU1 8RU中国电力出版社输出总电流和输出电压输出总电流和输出电压1 1223 3441 121314101231234123412341112482222222222RRRIB IB IB IB

46、 IB IBIBIBIUBBBBRUUBBBBDRR输出电压为：输出电压为：输出总电流为：输出总电流为：RFoutFU RUI RDR中国电力出版社逐位比较式逐位比较式A/DA/D转换器工作原理转换器工作原理比较器控制器数码设定器D/A转换器输入电压UAUoutl由控制器首先在数码设定器中设置一个数码，并经由控制器首先在数码设定器中设置一个数码，并经D/AD/A转换器转换为模拟量转换器转换为模拟量U Uout out ，使之与模拟量输入电压，使之与模拟量输入电压U Uoutout相比较。若相比较。若U UoutoutUUA A，则重新设定极小的数码，则重新设定极小的数码，转换成极小电压转换成极

47、小电压U Uoutout与与U UA A比较。如比较。如U UoutoutUUA A, , 则保留设置数码，并附加一个较小的则保留设置数码，并附加一个较小的数码，使总数码转换成数码，使总数码转换成U Uoutout 与与U UA A再进行比较，并根据比较结果重复上述过程。再进行比较，并根据比较结果重复上述过程。直到直到U Uoutout与与U UA A接近到误差小于所允许的设定数码中可改变的最小值，则数码设定接近到误差小于所允许的设定数码中可改变的最小值，则数码设定器此时的数码总值即为转换结果。器此时的数码总值即为转换结果。图图14-8 14-8 逐位比较式逐位比较式A/DA/D转换器原理框图

48、转换器原理框图中国电力出版社图图14-1014-10（a a） 为每个输入量设置为每个输入量设置VFC VFC 及计数器及计数器( (二二)VFC)VFC模数转换器模数转换器n间接型间接型VFCVFC模数转换器的作用是也是完成对交流输入变换器输模数转换器的作用是也是完成对交流输入变换器输出的模拟量进行数字量的转化。出的模拟量进行数字量的转化。VFCVFC型模数转换器各路采样并行型模数转换器各路采样并行工作，不再需要采样保持器。图工作，不再需要采样保持器。图14-1014-10（a a ）为每个输入量设置）为每个输入量设置VFC VFC 及计数器。及计数器。中国电力出版社图图14-10(b) 1

49、4-10(b) 多多CPUCPU共用共用VFC VFC 型型A/D A/D 的接线图的接线图( (二二)VFC)VFC模模数转换数转换器器中国电力出版社典型电荷平衡式典型电荷平衡式V/FV/F转换转换器器电电路路结构图结构图图图14-11 V/F14-11 V/F转换器电路结构图转换器电路结构图U UininU U0 0UcUcE Er r典型的电荷平衡式典型的电荷平衡式VFCVFC器件内部电路器件内部电路中国电力出版社( (二二)VFC)VFC模数转换器模数转换器p 这种转换器的工作原理是产生频率正比于输入电压的这种转换器的工作原理是产生频率正比于输入电压的脉冲序列，然后在固定时间内对脉冲序

50、列计数，除计脉冲序列，然后在固定时间内对脉冲序列计数，除计数器和定时器外，该电路可看作一个振荡频率受输入数器和定时器外，该电路可看作一个振荡频率受输入电压控制的多谐振荡器。电压控制的多谐振荡器。A A1 1为运算放大器，为运算放大器，A A1 1与与R R1 1、C C共同构成一个积分器，共同构成一个积分器，A A2 2为零电压比较器。为零电压比较器。pVFCVFC器件电路设计时，要求器件电路设计时，要求 I I1max1maxII2 2=E=Er r/R/R2 2：即：即U Uinmax inmax UUinin/R/R1 1。因此，在期间积分器一定以反充电为主，使。因此，在期间积分器一定以