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1、第五讲微机保护数据采集系统,微机继电保护举例,微机保护的结构,CPU板,一、 概述,微机保护的硬件构成由三部分组成,1、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 2、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 3、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
2、跳闸、信号、外部接点输入及人机对话等功能,微机保护的硬件构成,二、 数据采集系统（模拟量输入系统）,（一）电压形成回路,微机保护要从被保护电力线路的电流互感器、电压互感器取得电流、电压信息，必须把这些电流互感器、电压互感器的二次电流、电压（5A或1A、100V）进一步变换降低为5V或10V范围内的电压信号，供微机保护的模数转换芯片使用。,电压形成回路,（1）输入电压的电压形成回路 把一次电压互感器输出的二次额定100V电压变换成最大5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用。 可以采用电压变换器实现。（2）输入电流的电压形成回路 把一次电流互感器输出的二次额定5A/1A电流变换成最大5V模拟电压信号
3、，供模数转换芯片使用。 可以采用电流变换器或电抗变换器实现。,1、输入电压的电压形成回路 通过电压变换器实现，即一种变压器（但是，原边与付边之间应当设置一个屏蔽层，提高抗共模干扰的能力）。,电压变换器（TV）,2、输入电流的电压形成回路，有以下2种方法实现,（1）电抗变换器 电抗变换器是一种铁心中有气隙的变压器。优点是铁心不易饱和，线性变换范围大。缺点是阻止直流、放大高频分量，使二次侧电压波形发生严重畸变。（2）电流变换器 电流变换器是一种铁心闭合无气隙的变压器。优点是当铁心不饱和时，二次电流波形与一次侧相同。缺点是在电流非周期分量作用下容易饱和，线性度差。微机保护中一般采用电流变换器。,Z是
4、模数转换器的输入阻抗； 是二次侧并联电阻，很小。,输出电压,（二）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 采用保持电路（S/H），作用是采集模拟输入电压在某一时刻的瞬时值，并在模数转换器进行转换期间保持输出电压不变，以供模数转换。,采样保持电路：输入电压：输出电压：,采用保持电路输出了一个阶梯电压波形。在保持阶段无论何时进行模数转换，都反映了采样值。,2、对采样保持电路的要求 a）截获时间（Tc）尽量短，以便采用很短采样脉冲。 b）保持时间长，在保持期间输出电压变化小。 c）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。,采样保持电路的典型芯片,3、模拟低通滤波器,电力
5、系统故障初期，电流、电压中可能含有相当高的频率分量（如2 kHZ以上）。而目前大多数微机保护原理都是反映50HZ工频分量的。因此，在采样保持前用一个模拟低通滤波器把高频分量过滤掉，防止高频分量混叠到工频来。 最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。,其中,（三）模拟量多路转换开关,当需要对多个模拟量进行模数变换时，由于模数转换器（A/D转换器）的价格较贵，通常不是每个模拟量输入通道设置一个A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经过多路转换开关切换。,16路多路转换开关输入模拟量通道：A1A16;输出模拟量通道：输出控制由四个路数选择线来控制。,模拟量多路转换开关的应用。,模拟量多路转换
6、开关（MPX）中最重要的部分是电子开关AS，它是用数字电子逻辑控制模拟信号通、断的一种电路，通常是由双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（J-FET）或金属氧化物半导体场效应管（MOS-FET）等类型组成的电子开关。,（四）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，或简称ADC）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。 模数转换器是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。,模数转换器把输入的模拟量 相对于模拟参考 转化,成数字量D输出，输出数字量D和输入模拟量 之间关系式为：,，其中 是模拟参考电压，一般,D是小于1的二进制数，,D是一
7、个n位二进制数字。,模数转换器的工作原理,把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。,以kTs时刻为例分析：,该时刻瞬时电压值,转变为数字量,2、数模转换器的一般原理 数模转换器（D/A转换器，或简称DAC）是把数字量D转变成模拟电压或电流输出。 模数转换器中一般都要用到数模转换器。,输入数字量：,，上图n=4。,输出模拟电压：,，正比于输入数字量D。,3、逐次逼近式模数转换器的工作原理 数模转换器的工作过程：通过并行接口向16位D/A转换器试探性送数。每送一次数，微型机通过读取PA0端口的状态判断试送的16位数相对于模拟输入量是偏大还是偏小。如果偏大，则减小试送的16位数，直至找到最相近的二进制
8、数，这个16位二进制数就是A/D转换器的输出结果。试探送数采样逐次逼近的二分搜索法。,双极性模拟量的模数转换,双极性模拟量：正、负极性变化的模拟量。,为了实现对双极性模拟量的模数转换，需要设置一个直流偏置量，其值为最大允许输入量的一半。,以输入双极性电压最大范围为5V的模数转换器为例。,以上A/D转换器的位数是16位。最高位是符号位，有效位只有后面的15位。一个n位的A/D转换器，其十进制数的范围是,模数转换的溢出,模数转换器的溢出：输入模拟电压超过了模数转换器的最大允许输入电压 。,模数转换器的溢出可能有两种情况：（1）平顶溢出，危害不大。（2）清零溢出，危害很大。,4、A/D转换器举例,以
9、模数转换器AD7665为例进行分析。 数模转换器AD7665是一种逐次逼近型的16位快数数模转换器，转换速率是500kSPS（Samples Per Second），即进行一次模数转换的时间为1/500K=2uS。,A/D7665模数转换器是由 Analog Devices 公司生产。,芯片外观,芯片内部结构示意图,5、A/D转换器与微型机的接口,模数转换器AD7665的模数转换功能必须由微型机执行软件程序来控制，即微型机通过总线控制模数转换器AD7665。 模数转换器AD7665与微型机的接口如下图所示。,6、微机保护对A/D转换器的主要要求,（1）转换位数（分辨率），通常用数字量的位数来表
10、示。（2）转换时间（转换频率），A/D转换器进行模数转换的时间 ，其转换频率为 。,1）转换位数（分辨率） ，即数字量的位数。,当用有限位数的二进制数来表示连续的模拟量瞬时值，不可避免地要舍去比最低位（LSB）更小的数，从而引入一定误差。 对于一个n位的A/D转换器，其量化误差 其中， 是A/D转换器最大允许输入的正电压。,2）转换时间，影响A/D的最高采样频率。,（五）VFC型数据采集系统,电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）是另一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。,（1）VFC的工作原
11、理,VFC把输入的交流模拟电压量 转变为脉冲信号 输出。输出脉冲信号 的频率 与输入电压 成正比。,是常数。,VFC的工作原理,电压频率转换器VFC输出脉冲方波的频率 和输入交流模拟电压信号 的大小成正比，即：,在一段时间（采样时间） 内，对VFC输出的脉冲方波进行计数（即计算上升沿的个数），得到数字量D。则该数字量D和输入模拟信号 之间的关系是：,当采样时间 很小时，且输入模拟信号中没有高频分量时，可以认为在采样时间内输入模拟电压 也不变。则有：,所以最终输出的数字量D也正比于输入的模拟信号 。,VFC的分辨率与采样频率的关系,分辨率一般用VFC转换器输出的数字量D的位数来衡量。 VFC输出
12、的位数取决于两个因素： VFC输出脉冲的最高频率 ； 采样间隔Ts 的大小和积分间隔个数N。,VFC转换器输出的最大数字量 最高频率 之间关系为：,以最高频率4MHz为例分析：取Ts5/3mS，N=1,其最大输出数字量为：,这个数字量相当于12.7位的A/D输出。,（2）VFC型数据采集系统的特点,VFC型数据采集系统结构简图如下所示。可见与普通A/D型的数据采集系统是不一样的。,VFC型数据采集系统的特点：,有低通滤波的作用，可以大大抑制噪声； 普通A/D转换器是对模拟量瞬时值进行转换，而VFC型数据采集系统是对模拟量的连续积分，具有低通滤波作用，并可大大抑制噪声。 抗干扰能力强，在VFC数
13、据采集系统的输出端和CPU主系统的计数器之间接入光电耦合器； 输出数字量D的位数可调； 与微型机的接口简单； 可实现多微机共享数据采集； 易于实现同步采样； 但不适用于高频采样。,三、 开关量输入及输出回路,（一）光电耦合器,光电耦合器：把发光器件和光敏器件组合在一起，实现以光信号为媒介的电信号变换。 由于发光器件和光敏器件之间相互绝缘，所以可以实现输入和输出两侧电路之间的电气隔离。在微机保护中常用光电耦合器来输入或输出开关量信号。,（二）开关量输入回路,开关量：即接点状态信号，接通或断开（识别外部条件）。 对微机保护装置的开关量输入可以分为2类：,（1）安装在装置面板上的接点信号输入；如用于
14、人机对话的键盘上的接点信号。这类信号可以直接接至微型机的并行口。 （2）从装置外部经过端子排引入的接点信号输入；如保护屏上的各种硬压板、转换开关等。为了抑制干扰，这类接点必须要经过光电耦合器进行电气隔离，然后接至并行口。,（三）开关量输出回路,需要输出的开关量（开出量）：保护的跳闸信号、通信接口。,1、通信接口（包括打印机接口） 可用一个并行口来控制输出数字信号。输出回路中也加光电耦合器，提高抗干扰能力。,将并行接口的PA口设置为输出方式；将PB口设置为输入方式。 在开关量输出回路中加入光电耦合器，实现两侧电气回路的电气隔离，同时可以进行不同逻辑电平的转换。并行接口侧的电源电压是5V，而右侧输
15、入回路中电源电压可以是24V或其它电压等级。,2、保护的跳闸出口信号 对于保护跳闸出口信号（及本地信号）的输出，一般采样并行口经过光电耦合器控制继电器的方式。 对于重要的保护跳闸出口信号，为了防止误发信号，还需要增加与非门环节。,四、 DSP技术的应用,数字信号处理器（DSP，即Digital Signal Processor）是进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的新器件。DSP的特点：1、哈佛结构，获得高速运算能力。浮点运算90亿次/S。2、采样流水线技术，保证取指令和执行支路同时进行。3、具有独立的硬件乘法器。4、具有多处理器接口。DSP
16、具有强大、快速的数据处理能力和定点、浮点运算功能，因此将DSP融合到微机保护中，将大大提高微机保护的性能。,五、网络化硬件结构,将网络技术、智能化输入/输出（I/O）技术引入微机保护装置内部硬件电路设计，使内部模块之间连接简单、方便，并获得良好的可扩展性、升级特性，并可提高抗干扰能力。,定义：是指一组事先约定了结构与通信方式的并行信息连接线，其特点是对插座的每一根引线的意义和物理位置都作了严格的规定，与之相关的插件都需按总线规约设计并通过总线传递信息,网络形式的插件结构,优点：（1）互换性强（2）按照标准总线规约设计，得到在数据、地址、控制线之间的合理布置，避免引线间的相互干扰。,典型插件式结构一般采用配线形式进行连接。定义：不再遵循总线规约，每根引线的意义以及信号时序要求根据实际电路确定，引线的物理位置也不作硬性规定。优点：（1）各印制板引出线可根据需要引出，引线数目可减少，从而可采用总线数较少的插座，这对提高可靠性有利（2）印制板布线可就近上插头，可简化布线和减少布线长度，这对降低板上相互干扰有利（3）插座间连线可实现软连接，这样在插拔时有一定缓冲作用，这对改善接触和减少插拨磨损有利（4）目前软连接线与插座相连时所采用的卷绕工艺，运行经验表明其可靠性较高,典型插件式结构,