微機(jī)保護(hù)硬件系統(tǒng)

1、1第三章第三章 微機(jī)繼電保護(hù)硬件系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成與原理的構(gòu)成與原理23.1 傳統(tǒng)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成傳統(tǒng)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，有關(guān)參數(shù)將發(fā)生變化。例如，電流增大、電壓降低以及電流與電壓之間的相位角變化等。利用故障與正常運(yùn)行時(shí)這些基本參數(shù)的差別，就可構(gòu)成不同原理的繼電保護(hù)裝置，如：1）反應(yīng)電流變化的有電流速斷、定時(shí)限過電流保護(hù)、反時(shí)限過電流保護(hù)。2）反應(yīng)電壓變化的有低電壓、或過電壓保護(hù)、或電壓閉鎖電流保護(hù)。3）既反應(yīng)電流變化又反應(yīng)輸送功率方向的有方向過電流保護(hù)。4）反應(yīng)輸入電流與輸出電流之差值變化的有差動(dòng)保護(hù)。5）反應(yīng)電壓與電流比值變化的有距離保護(hù)。3根據(jù)不同原理

2、構(gòu)成的繼電保護(hù)裝置種類雖然很多，但一般情況下，它們都是由三個(gè)基本部分組成，即測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分，其原理方框圖如下所示：各基本部分的作用是：測量部分的作用是測量被保護(hù)設(shè)備工作狀態(tài)（正常狀態(tài)、故障狀態(tài)或不正常工作狀態(tài)）的一個(gè)或幾個(gè)有關(guān)的電氣量。邏輯部分的作用是根據(jù)各測量元件輸出量的大小、性質(zhì)、組合方式、出現(xiàn)的順序，來判斷被保護(hù)設(shè)備的工作狀態(tài)，以決定保護(hù)是否應(yīng)該動(dòng)作。執(zhí)行部分的作用是根據(jù)邏輯部分所作出的決定，執(zhí)行保護(hù)裝置所承擔(dān)的任務(wù)，即發(fā)出信號(hào)、跳閘或不動(dòng)作。4現(xiàn)以輸電線路的電流保護(hù)為例，說明傳統(tǒng)保護(hù)裝置的基本工作原理及其組成元件。圖1為方向過電流保護(hù)裝置的單相原理示意圖。圖中的機(jī)構(gòu)及觸點(diǎn)

3、狀態(tài)是按斷路器在分閘狀態(tài)，保護(hù)在非動(dòng)作狀態(tài)下繪制的。在正常運(yùn)行時(shí)，斷路器處在合閘位置，線路中只有負(fù)荷電流，因而電流互感器的二次側(cè)的電流較小，流過電流繼電器線圈的電流所產(chǎn)生的電磁力不足以吸動(dòng)銜鐵，其動(dòng)合觸點(diǎn)打開著，即繼電器處于不動(dòng)作狀態(tài)。當(dāng)線路上發(fā)生故障時(shí)，線路上流過很大短路電流，因此繼電器線圈中的電流也按比例地增大。當(dāng)此電流足夠大時(shí)，產(chǎn)生的電磁力吸動(dòng)銜鐵，使繼電器觸點(diǎn)閉合，若功率方向元件判定故障為正方向，接通斷路器的跳閘回路（正電源繼電器的觸點(diǎn)斷路器的輔助觸點(diǎn)跳閘線圈負(fù)電源），跳閘線圈中便有直流電流通過，其鐵芯磁化并撞開鎖扣機(jī)構(gòu)，于是斷路器在跳閘彈簧的作用下，迅速斷開，將故障切除。5圖1 方向

4、過電流保護(hù)的原理示意圖6在圖1中，電流互感器LH和電壓互感器YH、功率方向繼電器和電流繼電器的電壓線圈、電流線圈是保護(hù)裝置的測量部分。它監(jiān)視著被保護(hù)設(shè)備的工作狀態(tài)，只有在發(fā)生故障時(shí)，短路功率方向?yàn)檎较虿⑶译娏髟龃蟮酱笥陬A(yù)定整定值時(shí)才動(dòng)作。因此，測量部分根據(jù)所反應(yīng)的電氣量的大小可處于動(dòng)作或不動(dòng)作兩種狀態(tài)。繼電器的觸點(diǎn)回路和延時(shí)元件是保護(hù)裝置的邏輯部分。邏輯部分接受測量部分送來的信號(hào)，再根據(jù)信號(hào)的組合和順序來確定是否能使邏輯部分構(gòu)成回路，如能構(gòu)成通路，則向執(zhí)行部分送出執(zhí)行信號(hào)。 執(zhí)行部分一般是由中間繼電器擔(dān)任，它接到邏輯部分送來的信號(hào)后，發(fā)出使斷路器跳閘或動(dòng)作于音響信號(hào)的脈沖，以完成整套保護(hù)裝置

5、的動(dòng)作。73.2 微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成 微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)包含以下五個(gè)部分：（1）數(shù)據(jù)采集單元即模擬量輸入系統(tǒng)。包括電壓形成、模擬濾波、采樣保持、多路轉(zhuǎn)換以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能塊，完成將模擬輸入量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字量的功能。（2）數(shù)據(jù)處理單元即微機(jī)主系統(tǒng)。包括微處理器、只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器以及定時(shí)器等微處理器執(zhí)行存放在只讀存儲(chǔ)器中的程序，對(duì)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以完成各種繼電保護(hù)的功能。（3）數(shù)字量輸入/輸出接口即開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)。由若干并行接口、光電隔離器及中間繼電器等組成，以完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號(hào)警報(bào)、外部接點(diǎn)輸

6、入及人機(jī)對(duì)話等功能。（4）通信接口。包括通信接口電路及接口以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信或聯(lián)網(wǎng)。（5） 電源。供給微處理器、數(shù)字電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片及繼電器所需的電源。保護(hù)裝置的硬件示意圖如下所示 ：8 圖2 微機(jī)保護(hù)硬件示意框圖9下面分別介紹各子系統(tǒng)的電路構(gòu)成原理 ：一一 數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)采集單元（l）電壓變換 微機(jī)保護(hù)要從被保護(hù)的電力線路或設(shè)備的電流互感器、電壓互感器或其它變換器上取得信息，但這些互感器的二次數(shù)值的輸入范圍對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置硬件電路并不適用，故需要降低和變換。在微機(jī)保護(hù)中通常要求輸入信號(hào)為5V或10V的電壓信號(hào)，具體取決于所用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此，一般采用中間變換器來實(shí)現(xiàn)以上的變換。例如電流變換

7、器和電壓變換器。交流電流的變換一般采用電流變換器，在其二次側(cè)并聯(lián)電阻取得所需電壓。改變電阻值就可以改變輸入電流范圍的大小。例如，當(dāng)圖3中R和R2阻值相等，若R2斷開時(shí)電流允許輸入范圍為050A，則R2并聯(lián)接入后，電流的輸入范圍為0100A。電流變換器最大的優(yōu)點(diǎn)是，只要鐵芯不飽和，其二次電流及并聯(lián)電阻上電壓的波形就可基本與一次電流成比例且同相，即可以做到不失真變換。這一點(diǎn)對(duì)微機(jī)保護(hù)是很重要的。因?yàn)橹挥性谶@種條件下作精確的運(yùn)算與定量分析才是有意義的。電流變換器的缺點(diǎn)是在非周期分量的作用下容易飽和，線性度差，動(dòng)態(tài)范圍也小。但只要妥善設(shè)計(jì)是可以克服這個(gè)缺點(diǎn)的。 10電流電壓變換回路除了起電量變換作用外

8、，還起到隔離作用。它使微機(jī)電路在電氣上與電力系統(tǒng)隔離，在初級(jí)和次級(jí)繞組之間應(yīng)有接地的屏蔽繞組以防止來自高壓系統(tǒng)的電磁干擾。 圖3 電流輔助變換電路 11（2）采樣保持（）采樣保持（SH）電路及采樣頻率的選擇）電路及采樣頻率的選擇采樣保持電路的作用是在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)測量模擬輸入量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間內(nèi)保持其輸出不變。即把隨時(shí)間連續(xù)變化的電氣量離散化。采樣保持電路的工作原理可用圖4說明。 圖4 采樣保持電路原理 12它由一個(gè)電子模擬開關(guān)K，電容C以及兩個(gè)阻抗變換器組成。開關(guān)K受邏輯輸入端電平控制。在高電平時(shí)K閉合，此時(shí)，電路處于采樣狀態(tài)，C迅速充電或放電到電容上電

9、壓等于該采樣時(shí)刻的電壓值(Ui)。K的閉合時(shí)間應(yīng)滿足使C有足夠的充電或放電時(shí)間即采樣時(shí)間。為了縮短采樣時(shí)間，這里采用阻抗變換器l，它在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，輸出端呈現(xiàn)低阻抗，使C上電壓能迅速跟蹤等于Ui值。K打開時(shí)，電容C上保持住K打開瞬間的電壓，電路處于保持狀態(tài)。同樣為了提高保持能力，電路中亦采用了另一個(gè)阻抗變換器2，它對(duì)C呈現(xiàn)高阻抗。采樣保持的過程如圖5所示。 13圖5 采樣保持過程示意圖 Tc為采樣脈沖寬度，Ts為采樣周期（或稱采樣間隔）?？梢?，采樣保持輸出信號(hào)已經(jīng)是離散化的模擬量，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后就成為離散化的數(shù)字量。 14圖5所示采樣間隔Ts的倒數(shù)稱為采樣頻率fs。采樣頻率的選擇是微機(jī)保

10、護(hù)硬件設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。采樣頻率越高，要求微處理器的速度越高。因?yàn)槲C(jī)保護(hù)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采樣的頻率不斷地向微處理器輸入數(shù)據(jù)，微處理器必須要來得及在兩個(gè)相鄰采樣間隔時(shí)間Ts內(nèi)處理完對(duì)每一組采樣值所必須作的各種操作和運(yùn)算，否則,微處理器將跟不上實(shí)時(shí)節(jié)拍而無法工作。相反，采樣頻率過低，將不能真實(shí)反映被采樣信號(hào)的情況。 15采樣定理： 如果被采樣信號(hào)中的最高頻率分量為fmax，則采樣率應(yīng)大于fmax的二倍，否則信號(hào)失真。 即 fs2fmax16微機(jī)保護(hù)所反應(yīng)的電力系統(tǒng)參數(shù)是經(jīng)過采樣離散化之后的數(shù)字量。那么，連續(xù)時(shí)間信號(hào)經(jīng)采樣離散化成為離散時(shí)間信號(hào)后是否會(huì)丟失一些信息，也就是說這離散

11、信號(hào)能否真實(shí)地反映被采樣的連續(xù)信號(hào)呢？為此可分析圖6所示的采樣頻率選擇的示意圖。 圖6 采樣頻率選擇示意圖 （a）被采樣信號(hào)；（b）采樣頻率fs= fo（c）采樣頻率fs= 1.5fo；（d）采樣頻率fs= 2fo 17設(shè)被采樣信號(hào)X（t）的頻率為fo，對(duì)其進(jìn)行采樣。若每周采一點(diǎn)，即fs= fo ，由圖6b可見，采樣所得到的為一個(gè)直流量。若每周采15點(diǎn)，即fs= 1.5fo時(shí)，采樣得到的是一個(gè)頻率比fo低的低頻信號(hào), 如圖6c所示。當(dāng)fs= 2fo時(shí)，采樣所得波形的頻率為fo，雖然這時(shí)波形已接近原信號(hào)波形但仍然有失真現(xiàn)象。顯然，只有fs2fo，則采樣后所得到的信號(hào)才有可能較為真實(shí)地代表輸入信號(hào)

12、X（t）。也就是說，一個(gè)高于fs/2的頻率成分在采樣后將被錯(cuò)誤地認(rèn)為是一個(gè)低頻信號(hào)。只有在fs2fo后，才不會(huì)出現(xiàn)這種失真現(xiàn)象。因此若要不丟失信息，完好地對(duì)輸入信號(hào)采樣，就必須滿足fs2fo這一條件。fs愈高，能反應(yīng)的高頻成分愈多亦即失真愈小?？傊?，為了使信號(hào)采樣后能夠不失真地還原，采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率兩倍以上，這就是乃奎斯特采樣定理。 18（3）模擬低通濾波器（）模擬低通濾波器（ALF） 濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過，同時(shí)抑制無用頻率信號(hào)的電路。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，除了模擬濾波器之外，還出現(xiàn)了數(shù)字濾波器。對(duì)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)來說，在故障初瞬間，電壓、電流信號(hào)中可能含有相當(dāng)高的頻

13、率分量，為防止頻率混疊，fs不得不用得很高，從而對(duì)硬件速度提出過高的要求。但實(shí)際上目前大多數(shù)的微機(jī)保護(hù)原理都是反映工頻量的，在這種情況下,可以在采樣前用一個(gè)模擬低通濾波器將高頻分量濾掉，這樣就可以降低fs，從而降低對(duì)硬件提出的要求。以后我們將介紹，由于數(shù)字濾波器的作用，通常并不要求低通濾波器濾掉所有的高額分量而僅用它濾掉fs2以上的分量，以消除頻率混疊，防止高頻分量混到工頻附近來。低于fs2的其它暫態(tài)頻率分量，可以通過數(shù)字濾波來濾除。 19模擬低通濾波器分無源和有源兩種。圖7是常用的無源低通濾波器原理及特性圖。圖中無源低通濾波器由兩級(jí)RC濾波電路構(gòu)成。只要調(diào)整RC數(shù)值就可改變低通濾波器的截止頻

14、率。此時(shí)截止頻率可設(shè)計(jì)為fs2，以限制輸入信號(hào)的最高頻率。 這種濾波器接線簡單，但電阻與電容回路對(duì)信號(hào)有衰減作用，并會(huì)帶來延遲，對(duì)快速保護(hù)不利，僅適用于對(duì)速度和性能要求不高的微機(jī)保護(hù)。對(duì)于要求高性能又快速的保護(hù)，必須采用有源的低通濾波器。有源低通濾波器通常由上述無源濾波器加上運(yùn)算放大器構(gòu)成，此時(shí)電容可取較小的數(shù)值，從而加快了保護(hù)動(dòng)作速度。 圖7無源低通濾波器原理電路及其特性(a)電路圖；(b)特性曲線 20（4）模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（）模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MPX） 保護(hù)裝置通常需對(duì)多個(gè)模擬量同時(shí)采樣，以準(zhǔn)確獲得各個(gè)量之間的相位關(guān)系并使相位關(guān)系經(jīng)過采樣后保持不變，這就要對(duì)每個(gè)模擬輸入量設(shè)置一套電壓

15、形成、模擬低通濾波和采樣保持電路。所有采樣保持器的邏輯輸入端并聯(lián)后由定時(shí)器同時(shí)供給采樣脈沖。由于模數(shù)變換器復(fù)雜及價(jià)格昂貴，通常不宜對(duì)各路電壓、電流模擬量采用同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換，而是采用多路S/H共用一個(gè)A/D變換器，中間經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切換，輪流由公用的A/D變換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。由于保護(hù)裝置所需同時(shí)采樣的電流和電壓模擬量不會(huì)很多，只要A/D變換器的轉(zhuǎn)換速度足夠高，上述同時(shí)采樣的要求是能夠滿足的。 21多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的原理圖如圖8所示。這里的多路開關(guān)（1 n）是電子型的，通道切換受微機(jī)控制。它把多個(gè)模擬量通道按順序賦與不同的二進(jìn)制地址在微機(jī)輸出地址信號(hào)后，MPX通過譯碼電路選通某一通道時(shí)，對(duì)應(yīng)于

16、S/H的這一通道開關(guān)也就接通。 圖8 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)原理圖 22（5）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD） 在單片機(jī)的實(shí)時(shí)測控和智能化儀表等應(yīng)用系統(tǒng)中，常需將檢測到的連續(xù)變化的模擬量如：電壓、電流、溫度、壓力、速度等轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字量，才能輸入到單片微機(jī)中進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量的硬件芯片稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。也稱為A/D轉(zhuǎn)換器。根據(jù)AD轉(zhuǎn)換器的原理可將其分成兩大類。一類是直接型AD轉(zhuǎn)換器，另一類是間接型AD轉(zhuǎn)換器。在直接型AD轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何中間變量；在間接型AD轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量（頻率），然后再把這個(gè)中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼輸出

17、。目前AD轉(zhuǎn)換器的種類很多。這里僅就直接型的逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器和間接型的 VFC變換式 AD轉(zhuǎn)換器為例加以介紹。 23（i）逐次逼近式）逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理 對(duì)其工作原理為：將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)Uin與一個(gè)推測信號(hào)Ui相比較，根據(jù)推測信號(hào)大于還是小于輸入信號(hào)來決定增大還是減小該推測信號(hào)，以便向模擬輸入信號(hào)逼近。推測信號(hào)由DA轉(zhuǎn)換器的輸出獲得。其推測值的取值方法如下：使二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中（輸出鎖存器）的每一位從最高位起依次置1，每置一位時(shí)都要進(jìn)行測試若模擬輸入信號(hào)Uin小于推測信號(hào)Ui，則比較器輸出為零，同時(shí)使計(jì)數(shù)器該位清零；若模擬輸入信號(hào)Uin大于推測信號(hào)Ui，比較器輸出為1，

18、并使計(jì)數(shù)器該位保持為1。無論哪種情況，均應(yīng)繼續(xù)比較下一位，直到最末位為止。此時(shí)，DA轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入即為對(duì)應(yīng)模擬輸入信號(hào)的數(shù)字量。對(duì)微機(jī)保護(hù)來說，選擇AD轉(zhuǎn)換芯片時(shí)要考慮的兩個(gè)主要指標(biāo)是：AD轉(zhuǎn)換的分辯率和轉(zhuǎn)換速率。 24圖 9 逐次逼近式 A D轉(zhuǎn)換器工作原理圖25分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為滿刻度電壓與2*之比。其中 n為 A/D的位數(shù)。具有 12位分辨率的A/D能夠分辨出滿刻度的1/2*12或滿刻度的0.0245。例如，一個(gè)10V滿刻度的12位A/D能夠分辨輸入電壓變化的最小值為2.4mV。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高

19、，轉(zhuǎn)換出的數(shù)字量的舍入誤差越小。A/D的轉(zhuǎn)換速率是指重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度。即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。而完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，就是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。 26（ii）變換式）變換式AD轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理VFC轉(zhuǎn)換器是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào)的器件，其輸出為一個(gè)等幅脈沖串，重復(fù)頻率隨時(shí)正比于輸入電壓瞬時(shí)值，如圖10所示。它有良好的精度、線性度此外，它的應(yīng)用電路簡單，對(duì)外圍元件性能要求不高，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。 圖10 VFC輸入輸出關(guān)系圖 27將模擬電壓轉(zhuǎn)換成頻率的方法很多，這里只介紹一種簡單的電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換電路的工作原理。圖11中，A1和RC構(gòu)成一個(gè)積分器，A2是零電壓比較器，恒流源和模擬開關(guān)

20、S構(gòu)成積分器反充電回路。當(dāng)模擬開關(guān)S處于2位置即與運(yùn)放A1輸出端接通時(shí)，積分器處于充電過程，積分器輸出電壓不斷下降，當(dāng)積分器輸出電壓下降至零伏時(shí)，A2發(fā)生跳變觸發(fā)單穩(wěn)定時(shí)器，使其產(chǎn)生一個(gè)脈寬為tos的脈沖，此脈沖使模擬開關(guān)S接通至1位置與運(yùn)放A1的反相輸入端導(dǎo)通tos時(shí)間，對(duì)C進(jìn)行反充電，使VOLTS上升。到tos結(jié)束時(shí)又使模擬開關(guān)S處于2位置，C再次進(jìn)入充電階段，VOLTS下降，當(dāng)VOLTS下降至零伏又使單穩(wěn)定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)tos 脈沖。如此反復(fù)形成頻率輸出，波形如圖12所示。 28圖11 電荷平衡式VFC電路結(jié)構(gòu)圖 圖12 電荷平衡式VFC波形圖 29VFC輸出的脈沖信號(hào)頻率與電路中電阻的關(guān)

21、系為由上式可見，輸出頻率fout與輸入電壓Uin呈線性關(guān)系。 VFC從原理上不能反映輸入電壓的極性。而保護(hù)裝置的電壓信號(hào)都是雙極性的。因而用于雙極性輸入時(shí)都要設(shè)置個(gè)偏置電壓，使雙極性信號(hào)變成單極性。例如，某一VFC芯片，采用負(fù)極性接線時(shí)，其直流偏置電壓為-5V，保證了輸入電壓可以有5伏峰峰值的線性測量范圍。如圖13所示。 osRinouttRIUf30圖13 VFC外部接線圖 31Rp1用來調(diào)整偏置值，使無外部輸入電壓時(shí)輸出頻率為250kHZ，從而使輸入交流電壓的測量范圍控制在5V的峰值內(nèi)，這也叫做零源調(diào)整。各通道的平衡度及刻度比可用電位器Rp2來調(diào)整。R1和C1為浪涌吸收回路。VFC的變換特

22、性與輸入交流信號(hào)的變換關(guān)系如圖14所示。圖14 VFC變換關(guān)系圖 32當(dāng)輸入電壓Uin =0時(shí)，由于偏置電壓-5V加在輸入端3上，輸出信號(hào)是頻率為250kHZ的等幅等寬的脈沖波，如圖15-(a)所示。當(dāng)輸入信號(hào)是交變信號(hào)時(shí)，經(jīng)VFC變換后輸出的信號(hào)是被Uin交變信號(hào)調(diào)制了的等幅脈沖調(diào)頻波，如圖15-（b）所示?？梢奦FC的功能是將輸入電壓變換成一連串重復(fù)頻率正比于輸入電壓的等幅脈沖波。VFC芯片的中心頻率越高，其轉(zhuǎn)換的精度也就越高。在四方公司新型的第三代微機(jī)保護(hù)中采用的VFC芯片其中心頻率為2MHZ，因此變換精度有了較大提高。 圖15 VFC工作原理和計(jì)數(shù)采樣（a）Uin =0；（b）Uin交

23、流電壓； 33計(jì)算間隔計(jì)算間隔NTs的選擇的選擇 用VFC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換需要與頻率計(jì)數(shù)器配合使用，電路原理如圖16所示。 圖16 VFC型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖 34設(shè)Ck為tk時(shí)刻讀得計(jì)數(shù)器的數(shù)值，Ck-N 為tk-N時(shí)刻讀得的計(jì)數(shù)器的數(shù)值，則有：DK = CK-N CK式中Dk為在NTs期間內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖個(gè)數(shù)。此脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)于NTs期間模擬信號(hào)的積分。 KSKtNTtfKdttuKINTD)(式中：INT表示取整數(shù)。因?yàn)橛?jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值只能是整數(shù)，而不可能有小于1的值。Kf是VFC芯片的轉(zhuǎn)換常數(shù)。u（t）為輸入VFC芯片的模擬電壓信號(hào)。 35當(dāng)K變化時(shí)，Dk是對(duì)輸入電壓的移動(dòng)積分，每一次

24、積分相當(dāng)于一個(gè)寬度為NTs高度為1的矩形函數(shù)H（t）與輸入電壓u（t）進(jìn)行卷積分。由數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)可以知道，時(shí)間函數(shù)H（t）的頻譜H（f）如圖17（b）所示。 圖17 H（t）與H（f）的對(duì)應(yīng)函數(shù)圖像 36由此看來，它具有低通濾波器的特性，其截止頻率為1/ NTs 。由以上分析可知，盡管VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中沒有象直接型A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中那樣設(shè)置低通濾波器，但頻率記數(shù)的效果相當(dāng)于有一個(gè)等效低通濾波器。根據(jù)采樣定理，低通濾波器的截止頻率應(yīng)小于等于采樣頻率的一半。即：可見N應(yīng)選取大于等于2的值。即為使VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的數(shù)字信號(hào)不失真地代表模擬信號(hào)，在用于各種算法時(shí)，至少要用2Ts期間的

25、脈沖數(shù)計(jì)算。ssffN21137VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率 微機(jī)繼電保護(hù)對(duì)模數(shù)變換器的主要要求是分辨率。直接型A/D芯片以其輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來衡量分辨率。例如某一芯片，輸出數(shù)字量為12位，去除符號(hào)位，其表示的數(shù)的范圍是2048，顯然位數(shù)越多測量范圍越大，量化誤差相對(duì)越小。 VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率決定于兩個(gè)因素，其一是VFC芯片輸出的最高頻率，二是計(jì)算間隔NTs的大小。在NTs期間計(jì)數(shù)的最大值為：DK = Fmax* NTs 若Ts=5/3ms, Fmax=500kHz, 考慮符號(hào)后為250kHz，則Fmax Ts=416, 當(dāng)N=2時(shí), Dk=833, 相當(dāng)于

26、常規(guī)10.5位的A/D芯片. 當(dāng)N=4時(shí), Dk=1666, 相當(dāng)于常規(guī)A/D芯片的位數(shù)為11.5位。 可見，欲提高VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率，一是選擇最高轉(zhuǎn)換頻率高的芯片，這要增加硬件成本；二是增大計(jì)算間隔NTs 的值。這只需要在軟件中改變即可實(shí)現(xiàn)，但代價(jià)是增加了保護(hù)的延時(shí)。實(shí)際上任何控制系統(tǒng)中速度和精度總是一對(duì)矛盾。實(shí)際中可以根據(jù)故障的嚴(yán)重程度實(shí)時(shí)改變計(jì)算間隔。 38光隔處理光隔處理 由于經(jīng)VFC變換后摸擬電壓信號(hào)變成數(shù)字脈沖，因此就使得其抗干擾光隔處理變得十分容易。光隔芯片由發(fā)光二極管和光敏三極管組成（見圖16）。VFC輸出的頻率信號(hào)是數(shù)字脈沖量。該數(shù)字脈沖輸入光隔芯片的快速發(fā)光二極管

27、時(shí)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)脈沖發(fā)出一個(gè)光脈沖，當(dāng)光脈沖照射在光隔芯片內(nèi)輸出放大器的快速光敏三極管時(shí)，三極管導(dǎo)通使輸出放大器輸出一個(gè)同相脈沖。由于發(fā)光二極管及光敏三極管均具有快速響應(yīng)特性，因此能適應(yīng)VFC輸出的高頻脈沖要求，所以光隔芯片的輸入與輸出波形完全相同并幾乎沒有延遲。光隔電路實(shí)際上是光電耦合電路，其輸入與輸出既無電的聯(lián)系，也無磁的聯(lián)系，起到了極好的抗干擾及隔離作用。 39以上我們介紹了兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并分析了它們的工作原理，通過上述分析，可知兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都可用于微機(jī)繼電保護(hù)裝置中實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。但在以下幾方面兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有所區(qū)別。（1）A/D式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果可直接用于

28、保護(hù)的有關(guān)算法。而VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)屬于計(jì)數(shù)式V/F轉(zhuǎn)換芯片。單片機(jī)每隔一定時(shí)間讀得的計(jì)數(shù)器的記數(shù)值不能直接用于算法，必須取相隔NTs的計(jì)數(shù)值相減后才能用于各種算法。（2）A/D芯片一經(jīng)選定，其數(shù)字輸出位數(shù)不可改變，即分辨率不可能變化。而 VFC系統(tǒng)中，可通過增大計(jì)算間隔提高分辨率。 40（3）對(duì) A/D式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，A/D芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間必須小于中斷時(shí)間。而 VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對(duì)輸入脈沖不斷計(jì)數(shù)，不存在轉(zhuǎn)換速度問題。但應(yīng)注意輸入到VFC芯片的脈沖頻率不能超過其極限計(jì)數(shù)頻率。（4）A/D式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需由定時(shí)器按規(guī)定的采樣間隔給采樣/保持芯片發(fā)出采樣脈沖，而VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需按采樣

29、間隔讀計(jì)數(shù)器的值就可以。 （5）采用VFC與計(jì)數(shù)器之間的光電耦合器，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與CPU系統(tǒng)在電氣上完全隔離。抗干擾能力強(qiáng)。 （6）VFC的工作根本不需CPU控制，多個(gè)CPU可以共享一套VFC，且接口簡單。 41如前所述，一般的單片機(jī)都有一定的內(nèi)部寄存器、存貯器和輸入、輸出口。但當(dāng)單片機(jī)用于實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能時(shí)，首先遇到的問題就是存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。單片機(jī)內(nèi)部雖然設(shè)置了一定容量的存儲(chǔ)器，但這種存儲(chǔ)器一般容量較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)際需要，因此需要從外部進(jìn)行擴(kuò)展，配置外部存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。為了滿足繼電保護(hù)定值設(shè)置的需求，還配置了電可擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器。程序常駐于只讀存儲(chǔ)器（EPROM）中

30、，計(jì)算過程和故障數(shù)據(jù)記錄所需要的臨時(shí)存儲(chǔ)是由隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）實(shí)現(xiàn)。設(shè)定值或其它重要信息則放在電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）中。它可在5V電源下反復(fù)讀寫，無需特殊讀寫電路，寫入成功后即使斷電也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。處理器通過其數(shù)據(jù)線、地址線、控制線及譯碼器來與存儲(chǔ)器部件進(jìn)行通訊。根據(jù)不同保護(hù)功能的要求，一般還要擴(kuò)展一些并行口等。 42（1）開關(guān)量輸入回路 微機(jī)保護(hù)裝置的開關(guān)量輸入即接點(diǎn)狀態(tài)（接通或斷開）的輸入電路見圖18。包括斷路器和隔離開關(guān)的輔助接點(diǎn)或跳合閘位置繼電器接點(diǎn)，外部裝置閉鎖接點(diǎn)，氣體繼電器接點(diǎn)。還包括某些裝置上壓板位置輸入等。 43圖中虛線框內(nèi)是一個(gè)光電耦合器件，集成在一

31、個(gè)芯片內(nèi)。當(dāng)外部接點(diǎn)K1接通時(shí)，有電流通過光電器件的發(fā)光二極管回路，使光敏三極管導(dǎo)通，P點(diǎn)電位為0電位。K1打開時(shí)，則光敏三極管截止，P點(diǎn)電位為+5V。因此三極管的導(dǎo)通和截止完全反映了外部接點(diǎn)的狀態(tài)。光電耦合芯片的兩個(gè)互相隔離部分間的分布電容僅僅是幾個(gè)微微法，因此可大大削弱干擾。由于一般光電耦合芯片發(fā)光二極管的反向擊穿電壓較低，為防止開關(guān)量輸入回路電源極性接反時(shí)損壞光電耦合器，圖中二極管V對(duì)光隔芯片起保護(hù)作用。 圖18 開關(guān)量輸入電路 44（2）開關(guān)量輸出回路）開關(guān)量輸出回路開關(guān)量輸出主要包括保護(hù)的跳閘出口信號(hào)以及本地和中央信號(hào)等。一般都采用并行接口的輸出口來控制有接點(diǎn)繼電器（干簧或密封小中間

32、繼電器）的方法，但為提高抗干擾能力，最好也經(jīng)過一級(jí)光電隔離如圖19所示。只要由軟件使并行口的PB0輸出“0”，PB1輸出“1”，便可使與非門輸出低電平，光敏三極管導(dǎo)通。繼電器K被吸合。 圖19 開關(guān)量 輸出回路接線圖 45在初始化和需要繼電器K返還時(shí)，應(yīng)使PBO輸出“l(fā)”， PB1輸出“0”。設(shè)置反相器B及與非門H而不是將發(fā)光二極管直接同并行口相連，一方面是因?yàn)椴⑿锌趲ж?fù)載能力有限，不足以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二級(jí)管，另一方面因?yàn)椴捎门c非門后要滿足兩個(gè)條件才能使K動(dòng)作，增加了抗干擾能力。最后應(yīng)當(dāng)注意圖19中的PB0經(jīng)一反相器，而PB1卻不經(jīng)反相器，這樣設(shè)計(jì)可防止拉合直流電源的過程中繼電器K的短時(shí)誤動(dòng)。因?yàn)樵?/p>

33、拉合直流電源過程中，當(dāng)5V電源處在中間某一臨界電壓值時(shí)，可能由于邏輯電路的工作紊亂而造成保護(hù)誤動(dòng)作，特別是保護(hù)裝置的電源往往接有大量的電容器，所以拉合直流電源時(shí)，無論是5V電源還是驅(qū)動(dòng)繼電器用的電源E，都可能相當(dāng)緩慢的上升或下降，從而完全可能來得及使繼電器K的接點(diǎn)短時(shí)閉合，采用圖19的接法后，由于兩個(gè)相反的條件的互相制約，可以可靠的防止繼電器的誤動(dòng)作。 46（3）打印機(jī)并行接口回路）打印機(jī)并行接口回路 打印機(jī)作為微機(jī)保護(hù)裝置的輸出設(shè)備，在調(diào)試狀態(tài)下，輸入相應(yīng)的鍵盤命令，微機(jī)保護(hù)裝置可將執(zhí)行結(jié)果通過打印機(jī)打印出來，以了解裝置是否正常。在運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)發(fā)生故障后，可將有關(guān)故障信息，保護(hù)動(dòng)作行為及

34、采樣報(bào)告打印出來，為分析事故提供依據(jù)。由于繼電保護(hù)對(duì)可靠性要求特別高，而它的工作環(huán)境電磁干擾比較嚴(yán)重，打印機(jī)引線可引入干擾，因此，微機(jī)保護(hù)裝置與打印機(jī)數(shù)據(jù)線連接均經(jīng)光電隔離。 47（4）人機(jī)對(duì)話接口回路）人機(jī)對(duì)話接口回路 人機(jī)對(duì)話接口回路主要包括以下兩部分內(nèi)容：1）對(duì)顯示器和鍵盤的控制，為調(diào)試、整定與運(yùn)行提供簡易的人機(jī)對(duì)話功能。2) 由硬件時(shí)鐘芯片提供日歷與計(jì)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)從毫秒到月份的自動(dòng)計(jì)時(shí)。48隨著微機(jī)特別是單片機(jī)的發(fā)展，其應(yīng)用已從單機(jī)逐漸轉(zhuǎn)向多機(jī)或聯(lián)網(wǎng)。而多機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵在于微機(jī)之間的相互通信，互傳數(shù)字信息。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU與外部的基本通信方式有兩種：并行通信數(shù)據(jù)各位同時(shí)傳送串行通

35、信一數(shù)據(jù)一位一位順序傳送 49圖20是這兩種通信方式的示意圖。前面涉及的單片機(jī)與存儲(chǔ)器、單片機(jī)與打印機(jī)之間的通信的數(shù)據(jù)傳送，都是采用并行通信方式。從圖20可以看到，在并行通信中，數(shù)據(jù)有多少位就需要多少根數(shù)據(jù)傳送線。而串行通信只需要一對(duì)數(shù)據(jù)傳送線，故串行通信能節(jié)省傳送線，尤其是當(dāng)數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送時(shí)，這優(yōu)點(diǎn)更加突出。串行通信的主要缺點(diǎn)是傳送速度比并行通信要慢。 圖20 并行通訊與串行通訊 50并行通信的硬件連接及數(shù)據(jù)傳送比較簡單。這里主要介紹串行通信?；诖型ㄐ诺奶攸c(diǎn)，它常用于保護(hù)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。串行通信是指將構(gòu)成字符的每個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)位，依據(jù)一定的順序逐位進(jìn)行傳送的通信方法。

36、在串行通信中，有二種基本的通信方式：1）異步通信異步串行通信規(guī)定了字符數(shù)據(jù)的傳送格式，即每個(gè)數(shù)據(jù)以相同的幀格式傳送。如圖21所示。每一幀信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成。51a. 起始位：在通信線上沒有數(shù)據(jù)傳送時(shí)處于邏輯“ l”狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送設(shè)備要發(fā)送一個(gè)字符數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)出一個(gè)邏輯“0”信號(hào)，這個(gè)邏輯低電平就是起始位。起始位通過通信線傳向接收設(shè)備，當(dāng)接收設(shè)備檢測到這個(gè)邏輯低電平后，就開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位信號(hào)。因此，起始位所起的作用就是表示字符傳送開始。b. 數(shù)據(jù)位：當(dāng)接收設(shè)備收到起始位后，緊接著就會(huì)收到數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)可以是5、6、7或8位的數(shù)據(jù)。在字符數(shù)據(jù)傳送過程中，數(shù)據(jù)位從最

37、小有效位（最低位）開始傳送。c. 奇偶校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位發(fā)送完之后，可以發(fā)送奇偶校驗(yàn)位。奇偶校驗(yàn)用于有限差錯(cuò)檢測，通信雙方在通信時(shí)須約定一致的奇偶校驗(yàn)方式。就數(shù)據(jù)傳送而言，奇偶校驗(yàn)位是冗余位，但它表示數(shù)據(jù)的一種性質(zhì)。這種性質(zhì)用于檢措，雖有限但很容易實(shí)現(xiàn)。d. 停止位：在奇偶位或數(shù)據(jù)位（當(dāng)無奇偶校驗(yàn)時(shí)）之后發(fā)送的是停止位?？梢允?位或2位。停止位是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。52在異步通信中，字符數(shù)據(jù)以圖21所示的格式一個(gè)接一個(gè)的傳送。在發(fā)送間隙，即空閑時(shí)，通信線路總是處于邏輯“1”狀態(tài)（高電平），每個(gè)字符數(shù)據(jù)的傳送均以邏輯“0”（低電平）開始。圖21 異步通信的數(shù)據(jù)傳送格式 53(2) 同步通信同步通

38、信 在異步通信中，每一個(gè)字符要用起始位和停止位作為字符開始和結(jié)束的標(biāo)志，以致占用了時(shí)間。所以在數(shù)據(jù)塊傳送時(shí)，為了提高通信速度，常去掉這些標(biāo)志，而采用同步傳送。同步通信不像異步通信那樣，靠起始位在每個(gè)字符數(shù)據(jù)開始時(shí)使發(fā)送和接收同步，而是通過同步字符在每個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送開始時(shí)使收發(fā)雙方同步，其通信格式如圖 22所示。 圖22 同步通信的數(shù)據(jù)傳送格式 54同步通信的特點(diǎn)是： a以同步字符作為傳送的開始，從而使收發(fā)雙方取得同步； b每位占用的時(shí)間都相等； c字符數(shù)據(jù)之間不允許有空隙，當(dāng)線路空閑或沒有字符可發(fā)時(shí)，發(fā)送同步字符。 同步字符可由用戶選擇一個(gè)或二個(gè)特殊的8位二進(jìn)制碼作為同步字符。與異步通信收/發(fā)雙方必須