微机继电保护硬件系统的构成与原理课件.ppt
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- 微机 保护 硬件 系统 构成 原理 课件
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1、第一章第一章 微机继电保护硬件原理微机继电保护硬件原理13供电供电1班班 第四组第四组 1.1 微机保护装置硬件系统构成微机保护装置硬件系统构成 微机保护装置硬件系统包含以下五个部分:(1)数据采集单元即模拟量输入系统。包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等功能块,完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量的功能。(2)数据处理单元即微机主系统。包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器以及定时器等微处理器执行存放在只读存储器中的程序,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,以完成各种继电保护的功能。(3)数字量输入/输出接口即开关量输入输出系统。由若干并行接口
2、、光电隔离器及中间继电器等组成,以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入及人机对话等功能。(4)通信接口。包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网。(5)电源。供给微处理器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的电源。保护装置的硬件示意图如下所示:图2 微机保护硬件示意框图下面分别介绍各子系统的电路构成原理:一一 数据采集单元数据采集单元(l)电压变换)电压变换 微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得信息,但这些互感器的二次数值的输入范围对微机保护装置硬件电路并不适用,故需要降低和变换。在微机保护中通常要求输入信号为5V或10V的电压信号,具体取
3、决于所用的模数转换器。因此,一般采用中间变换器来实现以上的变换。例如电流变换器和电压变换器。交流电流的变换一般采用电流变换器,在其二次侧并联电阻取得所需电压。改变电阻值就可以改变输入电流范围的大小。例如,当图3中R和R2阻值相等,若R2断开时电流允许输入范围为050A,则R2并联接入后,电流的输入范围为0100A。电流变换器最大的优点是,只要铁芯不饱和,其二次电流及并联电阻上电压的波形就可基本与一次电流成比例且同相,即可以做到不失真变换。这一点对微机保护是很重要的。因为只有在这种条件下作精确的运算与定量分析才是有意义的。电流变换器的缺点是在非周期分量的作用下容易饱和,线性度差,动态范围也小。但
4、只要妥善设计是可以克服这个缺点的。电流电压变换回路除了起电量变换作用外,还起到隔离作用。它使微机电路在电气上与电力系统隔离,在初级和次级绕组之间应有接地的屏蔽绕组以防止来自高压系统的电磁干扰。图3 电流辅助变换电路(2)采样保持()采样保持(SH)电路及采样频率的选择)电路及采样频率的选择采样保持电路的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,并在模拟/数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。即把随时间连续变化的电气量离散化。采样保持电路的工作原理可用图4说明。图4 采样保持电路原理 它由一个电子模拟开关K,电容C以及两个阻抗变换器组成。开关K受逻辑输入端电平控制。在高电平时K
5、闭合,此时,电路处于采样状态,C迅速充电或放电到电容上电压等于该采样时刻的电压值(Ui)。K的闭合时间应满足使C有足够的充电或放电时间即采样时间。为了缩短采样时间,这里采用阻抗变换器l,它在输入端呈现高阻抗,输出端呈现低阻抗,使C上电压能迅速跟踪等于Ui值。K打开时,电容C上保持住K打开瞬间的电压,电路处于保持状态。同样为了提高保持能力,电路中亦采用了另一个阻抗变换器2,它对C呈现高阻抗。采样保持的过程如图5所示。图5 采样保持过程示意图 Tc为采样脉冲宽度,Ts为采样周期(或称采样间隔)。可见,采样保持输出信号已经是离散化的模拟量,再经A/D转换后就成为离散化的数字量。图5所示采样间隔Ts的
6、倒数称为采样频率fs。采样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关键问题。采样频率越高,要求微处理器的速度越高。因为微机保护是一个实时系统,数据采集系统以采样的频率不断地向微处理器输入数据,微处理器必须要来得及在两个相邻采样间隔时间Ts内处理完对每一组采样值所必须作的各种操作和运算,否则,微处理器将跟不上实时节拍而无法工作。相反,采样频率过低,将不能真实反映被采样信号的情况。采样定理:采样定理:如果被采样信号中的最高频率分量为fmax,则采样率应大于fmax的二倍,否则信号失真。即 fs2fmax微机保护所反应的电力系统参数是经过采样离散化之后的数字量。那么,连续时间信号经采样离散化成为离散时间
7、信号后是否会丢失一些信息,也就是说这离散信号能否真实地反映被采样的连续信号呢?为此可分析图6所示的采样频率选择的示意图。图6 采样频率选择示意图 (a)被采样信号;(b)采样频率fs=fo(c)采样频率fs=1.5fo;(d)采样频率fs=2fo 设被采样信号X(t)的频率为fo,对其进行采样。若每周采一点,即fs=fo,由图6b可见,采样所得到的为一个直流量。若每周采15点,即fs=1.5fo时,采样得到的是一个频率比fo低的低频信号,如图6c所示。当fs=2fo时,采样所得波形的频率为fo,虽然这时波形已接近原信号波形但仍然有失真现象。显然,只有fs2fo,则采样后所得到的信号才有可能较为
8、真实地代表输入信号X(t)。也就是说,一个高于fs/2的频率成分在采样后将被错误地认为是一个低频信号。只有在fs2fo后,才不会出现这种失真现象。因此若要不丢失信息,完好地对输入信号采样,就必须满足fs2fo这一条件。fs愈高,能反应的高频成分愈多亦即失真愈小。总之,为了使信号采样后能够不失真地还原,采样频率必须大于信号最高频率两倍以上,这就是乃奎斯特采样定理。(3)模数转换器()模数转换器(AD)在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中,常需将检测到的连续变化的模拟量如:电压、电流、温度、压力、速度等转化成离散的数字量,才能输入到单片微机中进行处理。实现模拟量变换成数字量的硬件芯片称为模数
9、转换器。也称为A/D转换器。根据AD转换器的原理可将其分成两大类。一类是直接型AD转换器,另一类是间接型AD转换器。在直接型AD转换器中,输入的模拟电压被直接转换成数字代码,不经任何中间变量;在间接型AD转换器中,首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量(频率),然后再把这个中间变量转换成数字代码输出。目前AD转换器的种类很多。这里仅就直接型的逐次逼近式AD转换器和间接型的 VFC变换式 AD转换器为例加以介绍。(i)逐次逼近式)逐次逼近式AD转换器原理转换器原理 对其工作原理为:将一待转换的模拟输入信号Uin与一个推测信号Ui相比较,根据推测信号大于还是小于输入信号来决定增大还是减小该推测信号
10、,以便向模拟输入信号逼近。推测信号由DA转换器的输出获得。其推测值的取值方法如下:使二进制计数器中(输出锁存器)的每一位从最高位起依次置1,每置一位时都要进行测试若模拟输入信号Uin小于推测信号Ui,则比较器输出为零,同时使计数器该位清零;若模拟输入信号Uin大于推测信号Ui,比较器输出为1,并使计数器该位保持为1。无论哪种情况,均应继续比较下一位,直到最末位为止。此时,DA转换器的数字输入即为对应模拟输入信号的数字量。对微机保护来说,选择AD转换芯片时要考虑的两个主要指标是:AD转换的分辩率和转换速率。图 9 逐次逼近式 A D转换器工作原理图分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟
11、电压的变化量。转换器的分辨率定义为满刻度电压与2*之比。其中 n为 A/D的位数。具有 12位分辨率的A/D能够分辨出满刻度的1/2*12或满刻度的0.0245。例如,一个10V满刻度的12位A/D能够分辨输入电压变化的最小值为2.4mV。A/D转换器输出的数字量位数越多,分辨率越高,转换出的数字量的舍入误差越小。A/D的转换速率是指重复进行数据转换的速度。即每秒转换的次数。而完成一次A/D转换所需的时间,就是转换速率的倒数。(ii)变换式)变换式AD转换器原理转换器原理VFC转换器是把电压信号转变为频率信号的器件,其输出为一个等幅脉冲串,重复频率随时正比于输入电压瞬时值,如图10所示。它有良
12、好的精度、线性度此外,它的应用电路简单,对外围元件性能要求不高,对环境适应能力强。图10 VFC输入输出关系图 将模拟电压转换成频率的方法很多,这里只介绍一种简单的电荷平衡式V/F转换电路的工作原理。图11中,A1和RC构成一个积分器,A2是零电压比较器,恒流源和模拟开关S构成积分器反充电回路。当模拟开关S处于2位置即与运放A1输出端接通时,积分器处于充电过程,积分器输出电压不断下降,当积分器输出电压下降至零伏时,A2发生跳变触发单稳定时器,使其产生一个脉宽为tos的脉冲,此脉冲使模拟开关S接通至1位置与运放A1的反相输入端导通tos时间,对C进行反充电,使VOLTS上升。到tos结束时又使模
13、拟开关S处于2位置,C再次进入充电阶段,VOLTS下降,当VOLTS下降至零伏又使单稳定时器产生一个tos 脉冲。如此反复形成频率输出,波形如图12所示。图11 电荷平衡式VFC电路结构图 图12 电荷平衡式VFC波形图 VFC输出的脉冲信号频率与电路中电阻的关系为由上式可见,输出频率fout与输入电压Uin呈线性关系。VFC从原理上不能反映输入电压的极性。而保护装置的电压信号都是双极性的。因而用于双极性输入时都要设置个偏置电压,使双极性信号变成单极性。例如,某一VFC芯片,采用负极性接线时,其直流偏置电压为-5V,保证了输入电压可以有5伏峰峰值的线性测量范围。如图13所示。osRinoutt
14、RIUf图13 VFC外部接线图 Rp1用来调整偏置值,使无外部输入电压时输出频率为250kHZ,从而使输入交流电压的测量范围控制在5V的峰值内,这也叫做零源调整。各通道的平衡度及刻度比可用电位器Rp2来调整。R1和C1为浪涌吸收回路。VFC的变换特性与输入交流信号的变换关系如图14所示。图14 VFC变换关系图 当输入电压Uin=0时,由于偏置电压-5V加在输入端3上,输出信号是频率为250kHZ的等幅等宽的脉冲波,如图15-(a)所示。当输入信号是交变信号时,经VFC变换后输出的信号是被Uin交变信号调制了的等幅脉冲调频波,如图15-(b)所示。可见VFC的功能是将输入电压变换成一连串重复
15、频率正比于输入电压的等幅脉冲波。VFC芯片的中心频率越高,其转换的精度也就越高。在四方公司新型的第三代微机保护中采用的VFC芯片其中心频率为2MHZ,因此变换精度有了较大提高。图15 VFC工作原理和计数采样(a)Uin=0;(b)Uin交流电压;计算间隔计算间隔NTs的选择的选择 用VFC转换器实现A/D转换需要与频率计数器配合使用,电路原理如图16所示。图16 VFC型A/D转换器原理图 设Ck为tk时刻读得计数器的数值,Ck-N 为tk-N时刻读得的计数器的数值,则有:DK=CK-N CK式中Dk为在NTs期间内计数器计到的脉冲个数。此脉冲数对应于NTs期间模拟信号的积分。KSKtNTt
16、fKdttuKINTD)(式中:INT表示取整数。因为计数器的计数值只能是整数,而不可能有小于1的值。Kf是VFC芯片的转换常数。u(t)为输入VFC芯片的模拟电压信号。当K变化时,Dk是对输入电压的移动积分,每一次积分相当于一个宽度为NTs高度为1的矩形函数H(t)与输入电压u(t)进行卷积分。由数字信号处理的知识可以知道,时间函数H(t)的频谱H(f)如图17(b)所示。图17 H(t)与H(f)的对应函数图像 由此看来,它具有低通滤波器的特性,其截止频率为1/NTs。由以上分析可知,尽管VFC式数据采集系统中没有象直接型A/D数据采集系统中那样设置低通滤波器,但频率记数的效果相当于有一个
17、等效低通滤波器。根据采样定理,低通滤波器的截止频率应小于等于采样频率的一半。即:可见N应选取大于等于2的值。即为使VFC数据采集系统得到的数字信号不失真地代表模拟信号,在用于各种算法时,至少要用2Ts期间的脉冲数计算。ssffN211VFC式数据采集系统的分辨率式数据采集系统的分辨率 微机继电保护对模数变换器的主要要求是分辨率。直接型A/D芯片以其输出的数字信号的位数来衡量分辨率。例如某一芯片,输出数字量为12位,去除符号位,其表示的数的范围是2048,显然位数越多测量范围越大,量化误差相对越小。VFC式数据采集系统的分辨率决定于两个因素,其一是VFC芯片输出的最高频率,二是计算间隔NTs的大
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