鑒定數(shù)字保護(hù)課件

1、 微機(jī)繼電保護(hù) 第一節(jié) 數(shù)字繼電保護(hù)的發(fā)展與特點(diǎn)1 數(shù)字繼電保護(hù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 數(shù)字繼電保護(hù)是指基于可編程數(shù)字電路技術(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的學(xué)術(shù)界和工程技術(shù)界，數(shù)字繼電保護(hù)又常被稱作計(jì)算機(jī)型繼電保護(hù)、微型計(jì)算機(jī)型繼電保護(hù)、微處理器型繼電保護(hù)，或簡(jiǎn)稱為微機(jī)保護(hù) 第一節(jié) 數(shù)字繼電保護(hù)的發(fā)展與特點(diǎn)1 數(shù)字繼電保護(hù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 數(shù)字繼電保護(hù)是指基于可編程數(shù)字電路技術(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的學(xué)術(shù)界和工程技術(shù)界，數(shù)字繼電保護(hù)又常被稱作計(jì)算機(jī)型繼電保護(hù)、微型計(jì)算機(jī)型繼電保護(hù)、微處理器型繼電保護(hù)，或簡(jiǎn)稱為微機(jī)保護(hù) 數(shù)字繼電保護(hù)

2、區(qū)別于前四類繼電保護(hù)的本質(zhì)特征在于它是建立在數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)上的：數(shù)字繼電保護(hù)裝置先將各種類型的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)再加以處理，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)其它種類保護(hù)裝置難以實(shí)現(xiàn)的保護(hù)原理，還能提供簡(jiǎn)化調(diào)試及整定、自身工作狀態(tài)監(jiān)視、事故記錄及分析等高級(jí)輔助功能，還可以完成電力自動(dòng)化要求的各種智能化測(cè)量、控制、通信及管理等任務(wù)。目前上述五類繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)中都有使用，但數(shù)字繼電保護(hù)裝置已在電力系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，它也代表了現(xiàn)代繼電保護(hù)發(fā)展的方向。 數(shù)字繼電保護(hù)的歷史最早可以追溯到二十世紀(jì)60年代中末期，國(guó)外起先在英國(guó)、澳大利亞和美國(guó)的一些學(xué)者的倡導(dǎo)下開始進(jìn)行研究，當(dāng)時(shí)首先提出了用小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝

3、置的設(shè)想。因當(dāng)時(shí)小型計(jì)算機(jī)在價(jià)格、體積、性能方面種種原因而未能使數(shù)字繼電保護(hù)投入實(shí)用，但卻由此開始了對(duì)數(shù)字繼電保護(hù)的算法、實(shí)現(xiàn)技術(shù)以及工業(yè)試驗(yàn)方面的大量研究，為后來(lái)數(shù)字繼電保護(hù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。 二十世紀(jì)70年代微型計(jì)算機(jī)（微處理器）的出現(xiàn)，極大地推動(dòng)了數(shù)字繼電保護(hù)的實(shí)用化。二十世紀(jì)90年代數(shù)字繼電保護(hù)成為了繼電保護(hù)裝置的主要型式。二十世紀(jì)80年代數(shù)字繼電保護(hù)在硬件結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)方面已趨成熟，在世界上很多國(guó)家（包括我國(guó)）逐步得到推廣應(yīng)用。70年代后半期，出現(xiàn)了比較完善的基于微機(jī)的數(shù)字繼電保護(hù)樣機(jī)，并投入電力系統(tǒng)運(yùn)行。我國(guó)在微機(jī)保護(hù)方面的研究工作起步較晚，但進(jìn)展較快，并卓有成效。第一代198

4、4年 華北電力學(xué)院（楊奇遜等）微機(jī)距離保護(hù)裝置MDP-1型，通過科研鑒定并投入試運(yùn)行。1987年 投入批量生產(chǎn)。特點(diǎn)：采用單CPU總線結(jié)構(gòu)，多路轉(zhuǎn)換式ADC模式CPU PDP-11型16位小型機(jī)第三代90年代中期 華北電大和北京哈得威四方保護(hù)與設(shè)備控制公司研制的CS系列。典型產(chǎn)品代表：CSL-101系列（線路），CST-200特點(diǎn)：采用不擴(kuò)展的單片機(jī)，總線不引出芯片，具有先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)（RS-485/422，CAN BUS，PROFIBUS等總線接口）支持變電站綜合自動(dòng)化。CPU Intel8031 Intel8096微機(jī)保護(hù)具有巨大的計(jì)算、分析和邏輯判斷能力，具有優(yōu)良的存儲(chǔ)記憶功能，因而

5、可以實(shí)現(xiàn)性能完善且復(fù)雜的保護(hù)原理；微機(jī)保護(hù)可連續(xù)不斷地對(duì)本身的工作情況進(jìn)行自檢，其工作可靠性很高。此外，微機(jī)保護(hù)可用同一硬件實(shí)現(xiàn)不同的保護(hù)原理，這使保護(hù)裝置的制造大為簡(jiǎn)化，也容易實(shí)行保護(hù)裝置的標(biāo)準(zhǔn)化。微機(jī)保護(hù)除了具有保護(hù)功能外，還可兼有故障錄波、故障測(cè)距、事件順序記錄以及網(wǎng)絡(luò)通信等輔助功能，這對(duì)簡(jiǎn)化保護(hù)的調(diào)試、事故分析和事故后的處理等都有重大意義。由于微機(jī)保護(hù)裝置的巨大優(yōu)越性和潛力，因而受到了運(yùn)行人員的廣泛歡迎。可以說微機(jī)保護(hù)代表著電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的未來(lái)。微機(jī)保護(hù)的技術(shù)進(jìn)步由軟件實(shí)現(xiàn)的功能性能穩(wěn)定，優(yōu)越。邏輯判斷清楚、正確。微機(jī)保護(hù)不考慮個(gè)別元件功能的失靈。進(jìn)行數(shù)值計(jì)算完成特殊功能（測(cè)距、錄波

6、）。增加功能實(shí)現(xiàn)多重判別，完善保護(hù)原理。完善的保護(hù)裝置和原理雙重化。數(shù)字繼電保護(hù)的基本構(gòu)成繼電保護(hù)的任務(wù)是判斷電力系統(tǒng)有關(guān)設(shè)備是否發(fā)生故障而決定是否發(fā)出跳閘命令，使發(fā)生故障的設(shè)備盡量迅速地與電力系統(tǒng)隔離。為此，首先要取得與被保護(hù)設(shè)備有關(guān)的信息，根據(jù)這些信息，根據(jù)不同的原理，進(jìn)行綜合和邏輯判斷，最后作出決斷，并付諸執(zhí)行。繼電保護(hù)的基本結(jié)構(gòu)大致上可以為三部分：決斷結(jié)果的執(zhí)行。信息的綜合、分析與邏輯加工、決斷；信息獲取與初步加工；信息要通過電壓、電流傳送，有時(shí)還通過一些開關(guān)量傳遞。早期，在機(jī)電型繼電器中，電流、電壓直接加到繼電器的測(cè)量機(jī)構(gòu)，變換成機(jī)械力。然后在機(jī)械力的層次上進(jìn)行比較判別，中間并不需設(shè)

7、置其他的變換、隔離等環(huán)節(jié)。隨著電子技術(shù)的引入，為了適應(yīng)電子器件的弱信號(hào)的要求，在電流互感器、電壓互感器與電子電路之間要求設(shè)置一些傳變環(huán)節(jié)，通常使用所謂的電流變換器、電壓變換器以至電抗變換器等等。這些環(huán)節(jié)，可以稱為“信息預(yù)處理”環(huán)節(jié)。 1)信息預(yù)處理“信息預(yù)處理”環(huán)節(jié)通常包括：（1）將一次設(shè)備的電流，電壓等信號(hào)經(jīng)TA，TV變成二次信號(hào)。（2）將二次信號(hào)經(jīng)電流電抗器，電壓電抗器進(jìn)一步變換，滿足電子器件對(duì)輸入信號(hào)的要求。（3）硬件濾波（4）采樣保持（5）多路轉(zhuǎn)換（6）AD變換（7）轉(zhuǎn)換結(jié)果存入內(nèi)存（8）軟件濾波（9）通過采樣算法計(jì)算信號(hào)的有效值及故障參量。2)信息的綜合、分析與邏輯加工、決斷根據(jù)不同

8、的保護(hù)原理，給出其動(dòng)作方程，把信息預(yù)處理中得到的數(shù)據(jù)代入動(dòng)作方程，決斷保護(hù)的動(dòng)作行為。3)決斷結(jié)果的執(zhí)行通過大功率驅(qū)動(dòng)器件驅(qū)動(dòng)斷路器跳閘，通信接口部件競(jìng)爭(zhēng)總線把故障和狀態(tài)改變信息迅速通告相關(guān)部件。繼電保護(hù)的主要任務(wù)是操作，控制有關(guān)斷路器，使發(fā)生故障的設(shè)備迅速與電力系統(tǒng)其余健全的部分隔離開來(lái)，最大限度地減輕故障對(duì)電力系統(tǒng)的影響，減輕故障設(shè)備的損壞程度。這種操作是通過控制跳閘線圈實(shí)現(xiàn)的，也就是給線圈通入電流實(shí)現(xiàn)的。電流可以由接點(diǎn)控制，也可以由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體器件控制。出于可靠性的考慮，目前，基本上仍是采有觸點(diǎn)的小型中間繼電器，組成必要的出口邏輯。這個(gè)方面，計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)與模擬式繼電保護(hù)也是基本一致的

9、。 計(jì)算機(jī)式繼電保護(hù)是由“硬件”和“軟件”兩部分組成的，硬件是實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能的基礎(chǔ)。而繼電保護(hù)原理是直接由軟件，即由計(jì)算程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，程序的不同可以實(shí)現(xiàn)不同的原理。程序的好壞、正確與錯(cuò)誤都直接影響著保護(hù)的性能優(yōu)劣、正確或錯(cuò)誤。第二節(jié)數(shù)字繼電保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)1.數(shù)字繼電保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)框圖 輸出通道開關(guān)量輸出通道等人機(jī)接口鍵盤、顯示器及打印機(jī)等微機(jī)保護(hù)主要包括近些年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。通信系統(tǒng)也日益成為微機(jī)保護(hù)裝置必不可少的部分。 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的輸入通道模擬量輸入變換與低通濾波回路、采樣保持與多路轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及開關(guān)量輸入通道等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及相應(yīng)判斷的數(shù)字核心部

10、分CPU、存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、WATCHDOG等一個(gè)IED的硬件原理框圖2.數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理 微機(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般包括：模擬量輸入變換回路低通濾波回路采樣保持回路多路轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）回路2 VFC原理的A/D轉(zhuǎn)換方式模擬量輸入系統(tǒng) CSC系列模擬量輸入變換前置低通濾波回路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)A/DCPU保存數(shù)據(jù)用的RAM存放程序用EPROM/FLASH來(lái)自電力系統(tǒng)的電壓電流信號(hào)存放整定值用EEPROM/FLASHWATCHDOG實(shí)時(shí)時(shí)鐘開關(guān)量輸入信號(hào)處理繼電器邏輯回路光電 隔離手分/手合信號(hào)壓板投退信號(hào)狀態(tài)信號(hào)斷路器及重合閘操作機(jī)構(gòu)告警信號(hào)數(shù)字繼電保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)要求繼電保護(hù)所使用的電

11、壓、電流都是來(lái)自于電壓互感器（100伏、線間電壓）和電流互感器（額定電流5安或1安，短路電流100安）把100伏左右的電壓變換為適合AD轉(zhuǎn)換需要的正負(fù)2.5伏、正負(fù)5伏、正負(fù)10伏的電壓；把小于1安100安的電流變換為適合AD轉(zhuǎn)換需要的正負(fù)2.5伏、正負(fù)5伏、正負(fù)10伏的電壓將TV、TA二次側(cè)的電壓、電流變換為滿足A/D量程的電壓量。隔離和屏蔽作用，以減小高壓設(shè)備對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的干擾。1 電壓形成回路來(lái)自電流互感器電流變換器 C R電壓變換器TV用于將一次電壓變換成微機(jī)保護(hù)模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）用的電壓，普通變壓器原理。電流變換器TA：用于電流電流電壓用于將一次電流變換成微機(jī)保護(hù)模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）用的

12、電壓。普通變壓器原理，把電流變換成電流，再把一個(gè)小電阻并聯(lián)在該變壓器的二次側(cè)，形成電壓。要求該變壓器的鐵心不飽和。在設(shè)計(jì)電流變換器應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：（1） 優(yōu)先保證在輸出為最小工作電流時(shí)，對(duì)應(yīng)AD變換的結(jié)果應(yīng)具有足夠的分辨能力；（2） 保證在可能出現(xiàn)的最大短路電流條件下，電流變換器輸出的電壓不應(yīng)使AD變換出現(xiàn)溢出，從而避免造成數(shù)字量紊亂；（3） 適當(dāng)選擇電流變換器二次側(cè)負(fù)載，使電流變換器在一次側(cè)出現(xiàn)最大短路電流時(shí)不至于出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。2 模擬低通濾波器 作用：濾除短路電流中的高次諧波，消除采樣中的頻率問題濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過，同時(shí)擬制無(wú)用頻率信號(hào)的電路。低通濾波器是只讓低于截止頻率通過

13、的濾波器。 前置模擬低通濾波器又稱為抗混疊濾波器，廣泛應(yīng)用于各種消息、控制電路中的采樣電路前，濾除高于2倍采樣頻率的信號(hào)，因此截至頻率被設(shè)置為1/2fs。低通濾波器可以采用有源的、也可以采用無(wú)源的。無(wú)源濾波器構(gòu)成簡(jiǎn)單，但電阻和電容回路對(duì)信號(hào)有衰減作用，并會(huì)帶來(lái)時(shí)間延遲，僅適用于對(duì)速度和性能要求不高的微機(jī)保護(hù)有源濾波器抗沖擊干擾能力差，但濾波性能好。性能越好的濾波器延時(shí)越長(zhǎng)，造成信號(hào)不同步的可能性越大。繼電保護(hù)常常采用普通的一階（最高二階的有源或無(wú)源）濾波器來(lái)限制接近工頻分量的諧波信息混進(jìn)來(lái)?。?）無(wú)源低通濾波器 在微機(jī)保護(hù)中常采用的一種二階RC濾波器如圖所示。其傳遞函數(shù)為：RC無(wú)源濾波器C2C

14、1R1R2理想低通濾波器的頻率響應(yīng)特性曲線如圖中曲線a所示，信號(hào)頻率低于理想低通濾波器的截止頻率fc的部分無(wú)任何衰減，而高于截止頻率fc的信號(hào)被完全濾除。 實(shí)際低通濾波器的特性曲線如圖中曲線b所示，顯然，實(shí)際低通濾波器截止頻率的過渡帶遠(yuǎn)沒有理想低通濾波器那么陡。 ba輸出信號(hào)/輸入信號(hào)通帶阻帶 fC低通濾波特性f2.1 有源低通濾波器 有源低通濾波器的設(shè)計(jì)就是通過選擇不同的傳遞函數(shù)去逼近理想低通特性?？捎玫谋平瘮?shù)有：Butterworth（巴特沃斯最平幅度特性）Cheybyshev（切比雪夫等波汶特性）Bessel（最平延遲特性）當(dāng)前模擬濾波器的設(shè)計(jì)較為成熟，有大量的設(shè)計(jì)成果及專用集成電路（

15、如MAX系列）可供選擇，詳細(xì)內(nèi)容可參考相關(guān)資料。 3）采樣保持所謂采樣，就是將一個(gè)在時(shí)間上連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為在時(shí)間上離散的模擬量。 采樣的過程相當(dāng)于一個(gè)受控理想開關(guān)的快速開閉的過程。采樣控制信號(hào)s(t)可表示為一個(gè)以Ts為周期的脈沖序列信號(hào)，其中脈沖的寬度為（即理想開關(guān)每隔Ts秒短暫閉合的時(shí)間為）。Ts f(t)為輸入連續(xù)信號(hào)，fs(t)為采樣輸出的信號(hào)。當(dāng)s(t)=1時(shí),開關(guān)閉合，此時(shí)fs(t)= f(t)。當(dāng)s(t)=0時(shí),開關(guān)打開，此時(shí)fs(t)= 0用數(shù)學(xué)形式可表示為：fs(t)= f(t)s(t)其中s(t)=0或1。當(dāng)s(t)=1時(shí)，輸出fs(t)跟蹤輸入f(t)的變化。采樣

16、脈沖的寬度越小，采樣輸出的脈沖的幅度就越準(zhǔn)確反映了輸入信號(hào)在該離散時(shí)刻上的瞬時(shí)值。說明采樣定理的示意圖當(dāng)輸入的信號(hào)被記錄下來(lái)后，為了保證A/D轉(zhuǎn)換的正確進(jìn)行。這些信號(hào)必須在A/D轉(zhuǎn)換過程中保持恒定，保持電路就是為實(shí)現(xiàn)這一功能的。 我們把采樣和保持電路結(jié)合在一起，稱為采樣保持電路。 典型采樣保持電路典型芯片 LF398 1 2 3 4 8 7 6 5+U調(diào)零Usr-UUscChGNDSnLF398+U-UChR1R2UscUsrSnGND調(diào)零LF398雙列直插，8引腳。R1， R2用于內(nèi)部調(diào)零。一般取2kCh外接保持電容，通常Ch取0.01u。采樣保持電路由MOS管采樣開關(guān)T、保持電容Ch和作為

17、跟隨器的運(yùn)放構(gòu)成。當(dāng)s(t)=1時(shí)，采樣開關(guān)T導(dǎo)通，輸入信號(hào)Vi向Ch充電，V0和Vc跟隨Vi的變化，即對(duì)Vi采樣。當(dāng)s(t)=0時(shí)，T截止，在Ch的漏電電阻、跟隨器的輸入電阻以及MOS管T的截止電阻都足夠大，Ch的放電電流可以被忽略的情況下，V0將保持T截止前一刻的電壓基本不變，直至下一次采樣開關(guān)導(dǎo)通，新一輪采樣從新開始。 S（t）Vi f（t）TVcChVo fs（t）O采樣保持電路原理圖采樣開關(guān)保持電容跟隨器為了使采樣所得到的信號(hào)能準(zhǔn)確、真實(shí)的反映原始信號(hào)，除了上述采樣保持電路外，還必須對(duì)采樣的頻率做出一些要求 如輸入信號(hào)u，如果按“”所示頻率采樣，基本可以反映u的變化情況。而若按“”所

18、示頻率采樣，同樣的采樣值所對(duì)應(yīng)的波形卻不是唯一的，所以根本無(wú)法恢復(fù)原始波形。ut采樣定理及頻率混疊現(xiàn)象示意圖這種由于采樣頻率不夠高，導(dǎo)致采樣值對(duì)應(yīng)多種的可能波形的現(xiàn)象稱為頻率混疊。 NiaIbIc010.56-6.495.7602-3.05-4.177.0303-5.85-0.736.3704-7.102.904.0205-6.465.730.5806-4.107.03-3.0207-0.656.42-5.83082.974.07-7.10095.780.65-6.46107.05-2.95-4.10116.39-5.78-0.65124.02-7.102.95130.56-6.465.761

19、4-3.07-4.127.0315-5.88-0.706.3716-7.122.904.0017-6.465.730.5818-4.077.03-3.0519-0.636.42-5.85203.004.07-7.10215.780.63-6.46227.03-3.00-4.10236.37-5.81-0.63244.00-7.102.971）每工頻周期采樣點(diǎn)數(shù)為12。2）外加電流值為5A。3）可以看出，電流回路接線（即由保護(hù)盤端子排至中間TA二次）有誤，因?yàn)椴蓸又档南嘈驗(yàn)榉聪嘈?。要用采樣值?zhǔn)確無(wú)誤的表示原始輸入信號(hào)，采樣頻率必須大于原始信號(hào)中最高次頻率分量的兩倍即: 這就是采樣定理。實(shí)際應(yīng)用中

20、所取倍數(shù)往往大于4、5倍，才有利于改善測(cè)量精度。 很多的微機(jī)保護(hù)算法往往要利用多個(gè)模擬量來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于每個(gè)模擬量通道用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器成本太高而且實(shí)現(xiàn)電路較復(fù)雜，所以一般采用各模擬量通道通過多路轉(zhuǎn)換器共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。 4)多路轉(zhuǎn)換器 O 輸出OOOO控制信號(hào)多路轉(zhuǎn)換器示意圖離散值輸入多路轉(zhuǎn)換器是一種通過控制邏輯從多路輸入模擬信號(hào)中選一路作為輸出的器件。將多路離散值分時(shí)輪流送至A/D進(jìn)行變換。并行口發(fā)出5)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）回路 模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)的基本原理 由于微機(jī)系統(tǒng)只能對(duì)數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算， 而微機(jī)保護(hù)所能取得的電壓、電流信號(hào)均為模擬信號(hào)，因此必須將采樣所得到的模擬量經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量

21、。模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程實(shí)質(zhì)上就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行量化和編碼的過程。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種編碼電路，將輸入的模擬量UA相對(duì)于模擬參考量UR經(jīng)一編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D輸出。 D=UA/ UR所謂量化 就是把時(shí)間上離散而數(shù)值上連續(xù)的模擬信號(hào)以一定的準(zhǔn)確度變?yōu)闀r(shí)間上和數(shù)字上都離散化、或量級(jí)化的等效數(shù)值。量級(jí)化通常有只舍不入和四舍五入兩種方法。顯然經(jīng)過量級(jí)化后的結(jié)果可能僅是輸入模擬信號(hào)的近似值。這種由于量化而產(chǎn)生的誤差，稱為量化誤差。量化誤差直接影響了A/D轉(zhuǎn)換的精度。這種影響只能減小，不能消除。 編碼 就是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值用二進(jìn)制數(shù)、BCD碼或其它碼來(lái)表示。 經(jīng)過量化和編碼，就完成了A/D轉(zhuǎn)換的全過程，將各采

22、樣點(diǎn)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。 3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100 原始信號(hào) PAM脈沖（采樣） PCM 脈沖(量化) 有量化差錯(cuò)011100011011001100 PCM 輸出(編碼)上述種種A/D變換中，以逐次逼近式和V/F轉(zhuǎn)換式在微機(jī)保護(hù)中應(yīng)用最廣。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的原理和特點(diǎn)的不同，可將A/D轉(zhuǎn)換分為：直接式A/D轉(zhuǎn)換間接式A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量將模擬信號(hào)先變成中間變量，再將這些中間變量變成數(shù)字量直接式A/D轉(zhuǎn)換比較式A/D記數(shù)式A/D并行轉(zhuǎn)換式A/D間接式A/D轉(zhuǎn)換單積分式A/D雙積分式A/DV/F（壓頻）轉(zhuǎn)

23、換式A/D當(dāng)出現(xiàn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換脈沖時(shí)，輸出緩沖鎖存器和逐次逼近寄存器均清零，故D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為零。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，逐次逼近寄存器的最高位置1，即為1000，此時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器將逐次逼近寄存器的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電壓Vf輸出（這里Vf為A/D輸入的滿刻度值的一半）。然后將Vf與輸入信號(hào)VI比較，如果VfVi(max)/R，故在t0這段時(shí)間里，IR使積分器放電，使VINT線性上升到某一正電壓。到t0結(jié)束的時(shí)候，只有正的輸入電壓Vi作用于積分器，使其充電，此時(shí)輸出電壓VINT沿斜線下降。當(dāng)VINT下降到0V時(shí)，電壓比較器翻轉(zhuǎn)，又使單穩(wěn)定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)t0寬的脈沖，再次反充電，如此反復(fù)。簡(jiǎn)而言之，整個(gè)

24、電路可以看成一個(gè)振蕩頻率受輸入電壓Vi控制的振蕩器。 tt0u-URtuV/F轉(zhuǎn)換器光電隔離輸出脈沖計(jì)數(shù)器保護(hù)CPU保護(hù)中典型V/F模數(shù)轉(zhuǎn)換原理圖保護(hù)CPU定時(shí)讀取計(jì)數(shù)器在若干個(gè)采樣周期內(nèi)的計(jì)數(shù)值。模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果R相當(dāng)于輸出電壓VINT的頻率在某一時(shí)段內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分，即： 。上式中R相當(dāng)于從時(shí)刻 到時(shí)刻 所讀到的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。 V/F模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)精度較高，與CPU接口簡(jiǎn)單，易于為多CPU共享，抗干擾能力強(qiáng)，現(xiàn)在應(yīng)用的比較廣泛。A/D變換器的主要性能參數(shù)分辨率 是反映A/D對(duì)輸入電壓信號(hào)微小變化的響應(yīng)能力的一種度量 A/D轉(zhuǎn)換分辨率=（輸入信號(hào)的滿刻度值/2n）。以滿刻度為10V的12位A/D

25、轉(zhuǎn)換器為例：10V/212=10V/40960.00244V。 精度 是指A/D變換的結(jié)果與實(shí)際輸入的接近程度，也就是準(zhǔn)確度 轉(zhuǎn)換時(shí)間 指的是進(jìn)行一次A/D變換所需的時(shí)間 分辨率精度轉(zhuǎn)換時(shí)間A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)性能（1）分辨率：分辨率反映A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)微小變化響應(yīng)的能力，通常以數(shù)字量輸出的最低位（LSB）所對(duì)應(yīng)的模擬輸入電平值表示。N位A/D轉(zhuǎn)換能反映1/2n滿量程的模擬量輸入電壓。一般用A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示分辨率。A/D位數(shù) 分辨率 8 10 12 14 16 1/28=1/256 1/210=1/1024 1/212=1/4096 1/214=1/16384 1

26、/216=1/65536 5)采樣方式通常微機(jī)保護(hù)在一個(gè)工頻周期內(nèi)的采樣次數(shù)是固定的。例如：每周波12個(gè)點(diǎn)（1）單一通道的采樣方式根據(jù)采樣點(diǎn)的位置及采樣間隔時(shí)間與輸入波形在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可分為同步和異步采樣。a)異步采樣采樣頻率固定為fs =N f0 (f0為工頻50Hz)，當(dāng)基頻f1發(fā)生變化而偏移工頻時(shí)，fs相對(duì)于f1不再是整倍數(shù)的關(guān)系，即采樣信號(hào)與輸入信號(hào)在時(shí)間位置上發(fā)生異步。每個(gè)周波雖然均采樣N個(gè)點(diǎn)，但各采樣點(diǎn)相對(duì)于輸入信號(hào)在位置上發(fā)生了變化。b) 同步采樣跟蹤采樣定位采樣跟蹤采樣使采樣頻率fs跟蹤系統(tǒng)基頻f1的變化， 始終保持fs =N f1，通過硬件或軟件測(cè)得基頻周期的變化來(lái)動(dòng)態(tài)

27、調(diào)整采樣周期，使每個(gè)周波的采樣點(diǎn)均位于輸入波形的某些固定位置。（動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣間隔和采樣起點(diǎn)）定位采樣在任何情況下，不但要始終保持fs/ f1=N為一不變的常數(shù)，而且采樣點(diǎn)總位于基波中事先確定的固定位置上，發(fā)生故障時(shí)信號(hào)波形突變，相位同步破壞，立刻重新同步定位。同步定位方法：利用硬件或軟件方法檢測(cè)基波和其導(dǎo)數(shù)的過零點(diǎn)。（2）多通道的采樣方式微機(jī)保護(hù)中通常要對(duì)多個(gè)模擬量進(jìn)行采樣（ia，ib ， ic ， ua ， ub ， uc ， ux 等）a) 同時(shí)采樣DBS/HS/HA/DA/DCPUui1uin采樣脈沖啟動(dòng)轉(zhuǎn)換在同一時(shí)刻對(duì)所有信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，各通道信號(hào)之間沒有相角差，同時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，

28、各信號(hào)的衰減相同，不會(huì)造成幅值誤差。.a) 同時(shí)采樣S/HS/Hui1uin采樣脈沖在同一時(shí)刻對(duì)所有信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，各通道信號(hào)之間沒有相角差，通過MPX分時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，由于保持電容的漏電流，可能會(huì)造成幅值誤差。MPXA/DCPU啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換.b) 順序采樣ui1uin采樣脈沖MPXA/DCPU啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換.S/H結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于各輸入信號(hào)的采樣時(shí)刻不同，將產(chǎn)生一定的相角差，設(shè)單通道采樣時(shí)間為 單通道A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為則第一通道與第n通道的角度差為：T1基頻周期(ms)c) 分組同時(shí)采樣將所有輸入信號(hào)分成若干組，組內(nèi)各通道同時(shí)采樣，組間人為的增加一段時(shí)延再開始采樣，在某些算法中需要把其中

29、一些量滯后一個(gè)角度，以利于計(jì)算。3.中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)字繼電保護(hù)裝置的中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成盡管多種多樣、各不相同，但它們一般由CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、Watchdog等組成 根據(jù)采樣數(shù)據(jù)完成不同的保護(hù)功能根據(jù)開入量狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)功能。持續(xù)自檢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與中央處理系統(tǒng)的接口電路CPU（中央處理器） CPU是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)工作的指揮中樞，計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)行依賴于CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，CPU的性能好壞在很大程度上決定了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。 當(dāng)前應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的微機(jī)繼電保護(hù)所采用的CPU多種多樣，且多為8位或16位CPU，如Intel 公司的8086/8088，8031系列及其兼容產(chǎn)品、80

30、98、8096以及80C196等等。這一類 CPU均是八、九十年代的主流CPU。其中，80C196系列CPU是目前國(guó)內(nèi)微機(jī)繼電保護(hù)裝置中最常采用的一種CPU。這一方面是這一系列CPU具有較高的性能價(jià)格比，另一方面這一系列CPU指令、結(jié)構(gòu)以及尋址方式等均于早期較流行的8098/8096相似，使早期基于8098/8096的微機(jī)繼電保護(hù)裝置可以較順利地移植到80C196上來(lái)。隨著微電子技術(shù)近幾年來(lái)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，新一代32位的CPU伴隨著大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用而被新一代微機(jī)繼電保護(hù)裝置中普遍采用。這一類CPU品種較多，如Motorola公司的MC863XX系列就是目前使用較多的一類。另一

31、方面，隨著數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的廣泛應(yīng)用，微機(jī)繼電保護(hù)裝置采用DSP來(lái)完成保護(hù)功能、實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法已成為一種發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)利用存儲(chǔ)器把程序和數(shù)據(jù)保存起來(lái)，使計(jì)算機(jī)可以在脫離人的干預(yù)下自動(dòng)地工作，它的存儲(chǔ)容量和訪問時(shí)間直接影響著整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能 微機(jī)保護(hù)運(yùn)行程序和一些固定不變的數(shù)據(jù)通常保存在EPROM中，這是由于EPROM的可靠性較高，通常只有紫外線長(zhǎng)時(shí)間照射才可以擦除保存在EPROM中的內(nèi)容。由于EEPROM可以在運(yùn)行時(shí)在線改寫，而且掉電后又可保證內(nèi)容不丟失，因此，在微機(jī)繼電保護(hù)中通常用來(lái)保存整定值。SRAM主要作用是保存程序運(yùn)行過程中臨時(shí)需要暫存的數(shù)據(jù)。NVRAM和FLASH都是近幾年

32、來(lái)迅速發(fā)展的非易失性存儲(chǔ)器，由于它們具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失，而且讀寫簡(jiǎn)單方便等優(yōu)勢(shì)，在微機(jī)繼電保護(hù)中通常將它們用作保存故障數(shù)據(jù)，以便事后分析事故時(shí)用。 存儲(chǔ)器 EPROM（紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器）EEPROM（電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）NVRAM（非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在微機(jī)保護(hù)中十分重要，除計(jì)時(shí)作用外，它還有兩個(gè)主要用途，一是用來(lái)觸發(fā)采樣信號(hào)，引起中斷采樣。另外，在V/F變換式A/D中，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器也是把頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的關(guān)鍵部件。 Watchdog 當(dāng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置受到干擾導(dǎo)致運(yùn)行程序彈飛后，系統(tǒng)可能陷入癱瘓。Watchdo

33、g的作用就是監(jiān)視程序的運(yùn)行情況，若微機(jī)繼電保護(hù)裝置受到干擾而失控，則立即動(dòng)作以使程序重新開始運(yùn)行，以避免微機(jī)系統(tǒng)失控后產(chǎn)生死機(jī)或誤動(dòng)作 CLR定時(shí)脈沖發(fā)生器 Watchdog原理OUT可被清除的定時(shí)脈沖發(fā)生器通常由單穩(wěn)觸發(fā)器或計(jì)數(shù)器構(gòu)成。若無(wú)CLR清除脈沖信號(hào)，則定時(shí)脈沖發(fā)生器按一定頻率輸出脈沖。通常將此輸出脈沖引到微機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位端。當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，不斷發(fā)出CLR清除脈沖信號(hào)，使脈沖發(fā)生器沒有輸出。當(dāng)運(yùn)行程序受干擾失控后，無(wú)法按時(shí)發(fā)出CLR清除脈沖信號(hào)，于是脈沖發(fā)生器產(chǎn)生輸出，復(fù)位微機(jī)系統(tǒng) 。二.開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)開關(guān)量指那些反映“是”或“非”兩種狀態(tài)的邏輯變量，如斷路器的“合閘”或“分閘

34、”狀態(tài)、控制信號(hào)的“有”或“無(wú)”狀態(tài)等。繼電保護(hù)裝置常常需要確知開關(guān)量的狀態(tài)才能正確地動(dòng)作。 1 安裝在裝置面板上的觸點(diǎn)，如工作方式開關(guān)、鍵盤觸點(diǎn)、復(fù)位按鈕等。2 從裝置外部經(jīng)過端子排引入的觸點(diǎn)，如各種保護(hù)的功能壓板、轉(zhuǎn)換開關(guān)、操作繼電器觸點(diǎn)。1) 開關(guān)量輸入接口部件外部設(shè)備一般通過其輔助繼電器接點(diǎn)的“閉合”與“斷開”來(lái)提供開關(guān)量狀態(tài)信號(hào)。開關(guān)量輸入接口部件的作用是為正確地反映開關(guān)量提供輸入通道，并在微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)外部之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減少外部干擾。由于開關(guān)量的狀態(tài)正好對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字的“1”或“0”，所以開關(guān)量可作為二進(jìn)制數(shù)字量讀入，每一路開關(guān)量信號(hào)占用二進(jìn)制數(shù)字

35、的一位 PA0O并列接口4.7k5VK1裝置內(nèi)接點(diǎn)輸入回路OOoPA05V o oK1外部觸點(diǎn)裝置端子裝置外接點(diǎn)輸入回路光電耦合器件內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。當(dāng)外部繼電器接點(diǎn)閉合時(shí)，電流流過發(fā)光二極管使其發(fā)光，光敏晶體管受光照射而導(dǎo)通，其輸出端呈現(xiàn)低電平“0”；反之，當(dāng)外部繼電器接點(diǎn)斷開時(shí)，無(wú)電流流過發(fā)光二極管，光敏晶體管無(wú)光照射而截止，其輸出端呈現(xiàn)高電平“1”。該“0”、“1”狀態(tài)可作為數(shù)字量由CPU直接讀入并依據(jù)狀態(tài)進(jìn)行處理；也可控制中斷控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷再進(jìn)行相應(yīng)的處理 使用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)電氣隔離采用光電隔離的開關(guān)量輸入方式采用繼電器隔離的開關(guān)量輸入方式3 開關(guān)

36、量采集回路開關(guān)量、數(shù)字量輸入的后續(xù)輸入回路一種開關(guān)量光耦輸入前置抗擾動(dòng)處理回路2)開關(guān)量輸出接口部件 微機(jī)保護(hù)通過開關(guān)量輸出的狀態(tài)來(lái)控制執(zhí)行回路、信號(hào)回路以及完成其它操作的繼電器的動(dòng)作。開關(guān)量輸出接口部件的作用是為正確地發(fā)出開關(guān)量操作命令提供輸出通道，并在微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)外部之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減少外部干擾 主要包括保護(hù)的跳閘出口、合閘出口以及本地和中央信號(hào)等。采用光電耦合器件的開關(guān)量輸出回路B1H1 PB0 PB1O O +5vO&O VCKO O K11空接點(diǎn)輸出續(xù)流二極管繼電器繞組當(dāng)CPU輸出為“0”（低電平）時(shí)，執(zhí)行回路的出口繼電器常開接點(diǎn)閉合；反之，當(dāng)CPU

37、輸出為“1”（高電平）時(shí)，出口繼電器常開接點(diǎn)斷開。繼電器線圈兩端并聯(lián)的二極管稱為續(xù)流二極管。它在CPU輸出由“0”變?yōu)椤?”，光敏晶體管突然由“導(dǎo)通”變?yōu)椤敖刂埂睍r(shí)為繼電器線圈釋放儲(chǔ)存的能量提供電流通路，這樣一方面加快繼電器的返回，另一方面避免電流突變產(chǎn)生較高的反向電壓而引起相關(guān)元件的損壞和產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾信號(hào)。 在重要的開關(guān)量輸出回路如跳閘回路中，往往采用數(shù)字邏輯編碼形成開關(guān)量輸出信號(hào)，目的是為了防止因強(qiáng)烈干擾甚至元件損壞在CPU輸出回路出現(xiàn)不正常狀態(tài)改變時(shí)，以及因直流工作電源拉合在CPU輸出回路出現(xiàn)不確定狀態(tài)時(shí)而導(dǎo)致保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)。 繼電器輸出回路設(shè)計(jì)4.4 開關(guān)量輸出回路VCC24VQD

38、QDJVCC24VBSBSJVCC24VTZTZJoR4&oR3oR6&oR5oR2&oR11o微機(jī)保護(hù)內(nèi)部工作電源來(lái)自CPU光隔采用邏輯編碼的開關(guān)量輸出回路o啟動(dòng)繼電器開放保護(hù)5.人機(jī)聯(lián)系與調(diào)試接口1)人機(jī)對(duì)話接口部件 人機(jī)對(duì)話（也可稱為人機(jī)聯(lián)系）接口部件的作用是建立起微機(jī)保護(hù)裝置與使用者之間的信息聯(lián)系，以便對(duì)裝置進(jìn)行人工操作、調(diào)試和得到反饋信息。 繼電保護(hù)的操作主要包括整定值和控制命令的輸入等；而反饋信息主要包括被保護(hù)的一次設(shè)備是否發(fā)生故障、何種性質(zhì)的故障、保護(hù)裝置是否已發(fā)生動(dòng)作以及保護(hù)裝置本身是否運(yùn)行正常等。 微機(jī)保護(hù)采用智能化人機(jī)界面使人機(jī)信息交換功能大為豐富、操作更為方便。 微機(jī)保護(hù)

39、人機(jī)對(duì)話接口部件通常包括以下幾個(gè)部分： 鍵盤輸入電路：用來(lái)修改整定值和輸入控制命令，必要時(shí)輔之以切換開關(guān)；液晶顯示回路：通常采用圖形化液晶顯示屏（LCD），用來(lái)實(shí)現(xiàn)漢字、數(shù)據(jù)及圖形的顯示,如整定值、控制命令、采樣值、測(cè)量值、電力系統(tǒng)故障報(bào)告（含故障發(fā)生的時(shí)間、性質(zhì)、保護(hù)動(dòng)作情況）及保護(hù)裝置運(yùn)行狀態(tài)的報(bào)告等；指示燈：通常采用發(fā)光二極管（LED），可對(duì)一些非常重要的事件，如保護(hù)已動(dòng)作、裝置運(yùn)行正常、裝置故障等提供更明顯的監(jiān)視信號(hào)；硬件自復(fù)位電路：防止人機(jī)接口CPU程序出格而裝設(shè)的。 打印機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：用來(lái)驅(qū)動(dòng)打印機(jī)形成文字報(bào)告；串行通訊接口電路：與保護(hù)CPU的通訊實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話和巡檢功能；與系統(tǒng)機(jī)的通

40、信，用于向RTU設(shè)備或系統(tǒng)機(jī)傳送數(shù)據(jù)，并與變電站綜合自動(dòng)化相配套。硬件時(shí)鐘電路：校對(duì)保護(hù)CPU的軟件時(shí)鐘，以確保保護(hù)的軟件時(shí)鐘的正確性；并可修改時(shí)間；在保護(hù)裝置直流電源掉電時(shí)使保護(hù)軟件時(shí)鐘不丟失。825580318279MC146818RAMEPROMEEPROM三總線鍵盤顯示至ADC插件單CPU結(jié)構(gòu)保護(hù)的人機(jī)接口芯片與保護(hù)CPU的連接接口CPU就由保護(hù)CPU兼任。為減輕保護(hù)CPU的負(fù)擔(dān)，可由可編鍵盤、顯示器專用接口芯片8279來(lái)完成鍵盤、顯示器與保護(hù)CPU的接口任務(wù)，時(shí)鐘校對(duì)由MC146818獨(dú)立完成在多CPU結(jié)構(gòu)的保護(hù)中，另設(shè)有專用的人機(jī)接口CPU插件。接口CPU除了要完成人機(jī)接口的任務(wù)外

41、，還要完成與各CPU通信管理、巡檢及時(shí)間校對(duì)、程序出格復(fù)位等多項(xiàng)任務(wù)。 8031硬件自復(fù)位EPROMRAMRTU光電隔離至RTU時(shí)鐘PPI光電隔離呼喚至CPU插件總告警開入外部觸點(diǎn)復(fù)位各CPU鍵盤多CPU結(jié)構(gòu)保護(hù)的人機(jī)接口插件框圖BUS至各CPU2）鍵盤輸入電路鍵輸入的接口功能 （1）鍵開關(guān)狀態(tài)的可靠輸入 （2）按鍵編碼 為了識(shí)別按鍵，通常都對(duì)每個(gè)鍵進(jìn)行編碼，即給定鍵值，不同的鍵盤結(jié)構(gòu)采用不同的編碼方法。軟件中根據(jù)鍵值安排執(zhí)行程序的地址，按鍵值執(zhí)行不同的功能程序。（3）鍵盤檢測(cè)功能 對(duì)是否有鍵按下的監(jiān)測(cè)方式，通常有中斷方式和查詢兩種方式 為了簡(jiǎn)便操作，單片機(jī)鍵盤不必像PC機(jī)那么繁雜，保護(hù)裝置鍵

42、盤的數(shù)量應(yīng)盡可能減少。人機(jī)接口的面板上鍵盤只有七個(gè)鍵：上、下、左、右、返回、復(fù)位和確認(rèn)鍵。復(fù)位和確認(rèn)鍵用于裝置復(fù)位和操作確認(rèn)。 按鍵或鍵盤大都是利用機(jī)械觸點(diǎn)的合斷作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。 3）液晶顯示回路 5V 8256 P2 P1 CBLS245A07 CB LCDDB07 CB液晶顯示回路液晶顯示器是一種極低功耗的顯示器件，在低功耗保護(hù)中應(yīng)用較廣 液晶顯示接口電路由接口芯片8256的P1、P2端口，驅(qū)動(dòng)芯片74LS245及一塊416字符的LCD液晶顯示器組成。接口芯片8256在接口CPU的控制下輸出P2和P1并行端口，分別作為L(zhǎng)CD液晶顯示器的控制線CB和數(shù)據(jù)線DB，其DB通過總線驅(qū)動(dòng)芯片74LS24

43、5驅(qū)動(dòng)，接至LCD數(shù)據(jù)端DB07。在控制線CB的控制下，選通LCD行、列及其電極。 4） 硬件時(shí)鐘電路（1）正常運(yùn)行方式 當(dāng)接口CPU復(fù)位重新開始執(zhí)行程序初始化工作完成后，從硬件時(shí)鐘時(shí)間值通過CPU串行通信口送到保護(hù)CPU插件內(nèi)部時(shí)鐘存儲(chǔ)單元，去校對(duì)保護(hù)CPU的軟件時(shí)鐘。此外每隔一定時(shí)間，該硬件時(shí)鐘對(duì)保護(hù)內(nèi)部時(shí)鐘的存儲(chǔ)單元同步校正一次，以確保保護(hù)的軟件時(shí)鐘的正確性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各CPU軟件時(shí)鐘的同步校對(duì)。 （2）修改時(shí)間 運(yùn)行人員欲修改時(shí)間，可在運(yùn)行方式下按提示的格式輸入正確時(shí)間，確認(rèn)后硬件時(shí)鐘按輸入的時(shí)間開始運(yùn)行。 （3）保護(hù)裝置直流電源掉電時(shí) 保護(hù)軟件時(shí)鐘丟失，但接口硬件時(shí)鐘由電池供電繼續(xù)運(yùn)行

44、，直流恢復(fù)后又重新把接口硬件時(shí)鐘的時(shí)間通過串行通信送入保護(hù)內(nèi)部軟件時(shí)鐘存儲(chǔ)單元，確保時(shí)鐘不間斷計(jì)時(shí)。 6.數(shù)字通信接口 1）人機(jī)接口與保護(hù)CPU之間的串行通信 人機(jī)接口與保護(hù)CPU之間的串行通信的作用是人機(jī)對(duì)話和巡檢，這個(gè)串行通信系統(tǒng)是主從分布式的系統(tǒng)，接口CPU是主機(jī)，保護(hù)CPU是從機(jī)。主機(jī)發(fā)訊的T端接從機(jī)收訊的R端，從機(jī)發(fā)訊的T端接主機(jī)收訊的R端 8256T RT RT RT RCPU1CPU2CPU3CPU4CPU保護(hù)裝置的串行通信框圖RT接口插件的串行通信回路，由接口CPU的串行接口與各保護(hù)插件的串行接口按輻射狀相連，每個(gè)保護(hù)插件都可以同人機(jī)接口進(jìn)行雙向的串行通信，而各種插件之間不能互

45、相通信。8256、CPU1、CPU2、CPU3、CPU4分別代表人機(jī)串行通信接口的鍵盤命令或接受保護(hù)CPU插件的數(shù)據(jù)。在運(yùn)行狀態(tài)下，用于巡檢各保護(hù)CPU插件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，則能通過串行口向主機(jī)傳送故障報(bào)告，并通過顯示器顯示出來(lái)。正常運(yùn)行狀態(tài)，接口插件不斷的通過串行口向各CPU插件發(fā)出巡檢命令，當(dāng)各CPU均為正常時(shí)，分別作出回答。如某一保護(hù)CPU插件自檢硬件出錯(cuò)，一方面驅(qū)動(dòng)本CPU告警繼電器切斷跳閘出口繼電器。另一方面在收到巡檢命令后向接口插件傳送故障信息及出錯(cuò)碼，接口插件收到出錯(cuò)碼后，驅(qū)動(dòng)總告警繼電器，并顯示或打印出故障信息。 如果接口插件發(fā)巡檢命令，某一保護(hù)CPU未作回答，則接口插件通過

46、外部復(fù)位開出，強(qiáng)制該CPU復(fù)位，然后再發(fā)巡檢命令，如果仍得不到回答，則驅(qū)動(dòng)總告警開出，并顯示或打印CPU出錯(cuò)信息。 采用先復(fù)位后報(bào)警是為了防止某一保護(hù)插件因干擾造成出格，但并無(wú)硬件損壞時(shí)，可在復(fù)位后使其恢復(fù)正常工作，不必告警。 如果人機(jī)接口插件發(fā)生故障而不能執(zhí)行循環(huán)檢測(cè)程序時(shí)，各保護(hù)CPU插件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收不到巡檢命令，就驅(qū)動(dòng)巡檢中斷繼電器告警。 2）人機(jī)接口與系統(tǒng)機(jī)的通信電路 人機(jī)接口與系統(tǒng)機(jī)的通信，用于向RTU設(shè)備或系統(tǒng)機(jī)傳送數(shù)據(jù)，為設(shè)備的集中管理提供了方便，并與變電站綜合自動(dòng)化相配套。由于通信線路較長(zhǎng)，因此有必要采用光電隔離，以防干擾。當(dāng)系統(tǒng)機(jī)有通信信息傳至保護(hù)時(shí)，接收端通過光隔連接CP

47、U的INT0端申請(qǐng)串行中斷服務(wù)，相應(yīng)中斷時(shí)接受系統(tǒng)機(jī)信息或向系統(tǒng)機(jī)傳送保護(hù)信息。為抗干擾，串行通信的專用電源由保護(hù)電源通過逆變器件DC/DC隔離后供電。 電源系統(tǒng)-IED的“心臟”完成高電壓小電流輸入到低壓大電流輸出的轉(zhuǎn)換完成外部電源系統(tǒng)與IED內(nèi)部系統(tǒng)的隔離抑制外部高頻干擾信號(hào)對(duì)IED內(nèi)部系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制內(nèi)部高頻信號(hào)對(duì)外部電源系統(tǒng)的干擾實(shí)現(xiàn)過流、過壓、過熱保護(hù)在電源輸入較大波動(dòng)下，仍然維持輸出穩(wěn)定逆變電源系統(tǒng)元器件等降額使用（整流器件、電容、MOSFET）電源輸出功率降額使用電解電容原理發(fā)熱器件優(yōu)化散熱條件考慮EMI和EMS壽命計(jì)算和等壽命法則運(yùn)用電源系統(tǒng)工作原理X-Y濾波及共模抑制全橋整流高

48、頻振蕩及過載檢測(cè)高頻變壓器隔離高頻整流及濾波電壓反饋電源輸入多路低壓電源輸出第二節(jié) 數(shù)字繼電保護(hù)的常 用算法及功能模塊 在微機(jī)保護(hù)中，模擬電壓、電流輸入信號(hào)經(jīng)過離散采樣和模數(shù)變換成為可用于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字量，計(jì)算機(jī)將對(duì)這些數(shù)字量(采樣值)進(jìn)行計(jì)算和分析，得到保護(hù)所需的電氣量參數(shù)，再將這些參數(shù)代入保護(hù)的動(dòng)作特性方程并與整定值進(jìn)行比較和判斷，決定保護(hù)裝置的動(dòng)作行為。而完成上述分析計(jì)算和比較判斷以實(shí)現(xiàn)各種繼電保護(hù)功能的方法，通稱為保護(hù)算法。 在電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)的種類很多，保護(hù)原理也各不相同，因此，相應(yīng)有各種不同的保護(hù)算法。但無(wú)論何種算法，其核心都可歸結(jié)為如何計(jì)算能表征被保護(hù)對(duì)象運(yùn)行特點(diǎn)的各種電氣

49、量參數(shù)，如電壓、電流的基波或某次諧波分量的幅值與相位、測(cè)量阻抗、功率及各種序分量的幅值與相位等。有了這些基本的電氣量參數(shù)，才能構(gòu)成保護(hù)的動(dòng)作特性方程，實(shí)現(xiàn)各種不同的保護(hù)原理。因此，電氣量參數(shù)的計(jì)算方法是微機(jī)保護(hù)算法的基礎(chǔ)。 一.概述 大多數(shù)微機(jī)保護(hù)原理，是以故障信號(hào)中的穩(wěn)態(tài)基頻分量或某種特定諧波分量為基礎(chǔ)構(gòu)成。而在實(shí)際故障情況下，輸入的電流、電壓信號(hào)中，除了保護(hù)所需的有用成分外，還包含有許多無(wú)效的“噪聲”分量，如衰減直流分量和各種高頻分量等。保護(hù)算法的主要任務(wù)之一就是從包含有噪聲分量的輸入信號(hào)中，快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出所需的各種電氣量參數(shù)。 參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性關(guān)系到保護(hù)裝置動(dòng)作行為的正確性。 消除噪

50、聲分量的影響，提高參數(shù)計(jì)算的精度，有兩種途徑： 采用濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理，然后對(duì)濾波后的有效信號(hào)進(jìn)行電氣參數(shù)計(jì)算 設(shè)計(jì)電氣參數(shù)的算法時(shí)使其本身具有良好的濾波性能 算法的計(jì)算速度則直接決定著保護(hù)的動(dòng)作速度。 算法計(jì)算速度包含 一是指算法的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度，即需要采用多少個(gè)采樣數(shù)據(jù)才能計(jì)算出所需的參數(shù)值； 二是指算法的計(jì)算量，算法越復(fù)雜，運(yùn)算量也越大，在相同的硬件條件下，計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)。 通常，算法的計(jì)算精度與計(jì)算速度之間總是相互矛盾的，若要計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，往往需要利用更多的采樣值，即增大算法的數(shù)據(jù)窗。 三. 基于正弦交流信號(hào)的基本量算法 數(shù)字濾波 是將含有各種頻率成分的采樣序列變換成只含特定頻率

51、信號(hào)的輸出序列，是序列到序列的變換 算法 則是要從數(shù)字濾波器的輸出序列或直接從采樣序列中求取電氣信號(hào)的特征參數(shù)并且進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保護(hù)原理 微機(jī)保護(hù)算法 基本算法 保護(hù)原理算法 基本算法 用來(lái)計(jì)算保護(hù)所需的各種電氣量的特征參數(shù)，如交流 電流和電壓的幅值及相位、功率、阻抗、序分量等； 保護(hù)原理算法 用基本算法的結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)原理，因此與具體 的保護(hù)功能密切相關(guān)：它不僅要求解特定保護(hù)的 動(dòng)作方程，還需要完成各種邏輯處理、時(shí)序配合 算法及故障判定。 正弦函數(shù)模型算法 假設(shè)提供給算法的電流、電壓數(shù)據(jù)為純正弦函數(shù)序列。以電壓信號(hào)為例，設(shè)輸入序列為 ： 角頻率； 、 電壓的幅值、相位 在實(shí)際故障情況下，輸入電壓或

52、電流信號(hào)中除基頻分量外，還包含有其它暫態(tài)噪聲分量，如衰減直流分量和各種高頻分量等，并且，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還會(huì)引入各種測(cè)量噪聲。因此，采用這類算法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)，必須與數(shù)字濾波器配合使用，即所用信號(hào)應(yīng)是經(jīng)過數(shù)字濾波后的輸出序列，它也可以視為采樣值，但不是原始采樣值。 1.半周絕對(duì)值積分算法 設(shè) ，令 ，則：設(shè) 為估值，離散化后得到： 令 ：則 ：由于用采樣值求和代替積分，所以也帶來(lái)誤差，此誤差隨 值而變化。仍以上述參數(shù)為例。當(dāng) N=12 ， ， 時(shí)，可算得 ；而當(dāng) ， 時(shí)故 ：舉例說明設(shè)輸入相電壓、電流分別為21.13057.72878.85878.85857.72821.1301 數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度為10

53、ms，對(duì)工頻而言延時(shí)10ms.2 由于進(jìn)行的是積分運(yùn)算，故具有濾波功能，對(duì)高頻分量有抑制作用，能濾除2、4次諧波，但不能濾除直流分量，對(duì)其有放大作用。3 算法的精度與采樣頻率、系統(tǒng)頻率、初相角有關(guān)。4 由于只進(jìn)行加法運(yùn)算，計(jì)算工作量小。5 通常作為保護(hù)的起動(dòng)元件計(jì)算或簡(jiǎn)單的電流保護(hù)計(jì)算。半周絕對(duì)值積分算法的特點(diǎn)： 二、兩點(diǎn)乘積算法：假設(shè)u(t)為輸入數(shù)據(jù)，u1為在采樣時(shí)刻t1的采樣值， u2為在采樣時(shí)刻t2的采樣值;滯后的時(shí)間為3個(gè)采樣周期，角度為/2。同理可得相角差阻抗寫為代數(shù)表達(dá)式只要知道兩個(gè)相隔/2的采樣值，就可按上述方法計(jì)算出有效值。1 數(shù)據(jù)窗為1/4周期，延時(shí)5ms。2 此算法是基于

54、正弦波基礎(chǔ)上，因此要與帶通濾波器配合使用。3 算法本身與采樣頻率無(wú)關(guān)、算法不存在誤差。4 算法中要進(jìn)行較多的乘除法，運(yùn)算工作量較大。123456u21.13057.72878.85878.85857.72821.130I03.5356.1237.076.1233.535設(shè)輸入相電壓、電流分別為并已知，現(xiàn)取每工頻周期采樣次數(shù)N=12， 舉例說明有功、無(wú)功功率電阻、電抗3.傅氏算法 傅氏算法的基本思想源于傅里葉級(jí)數(shù)。該算法假設(shè)輸入信號(hào)為一周期性函數(shù)信號(hào)，即輸入信號(hào)中除基頻分量外，還包含直流分量和各種整次諧波分量。 X0 直流分量； 基頻角頻率； 、 為第k次諧波分量的幅值和相位。 輸入信號(hào)可表示為

55、： (1)tttttttX(t)X0X1X2X3X4X5將上式展開，并用復(fù)相量的實(shí)、虛部形式表示，則有 :(2) 為第k次諧波分量的實(shí)部 為第k次諧波分量的虛部 根據(jù)三角函數(shù)系在區(qū)間 (T1為基頻周期)上的正交性和傅里葉系數(shù)的計(jì)算方法，可直接導(dǎo)出實(shí)、虛部計(jì)算式為 (3)(4)在數(shù)字計(jì)算中，式(3)和(4)用采樣值序列計(jì)算，并取每基頻周期N點(diǎn)采樣，則有: (5)(6)式(5)、(6)所示即為傅氏算法。由于該算法的數(shù)據(jù)窗為一個(gè)基頻周期，故也稱之為全周波傅氏算法。根據(jù)三角函數(shù)系的正交性，當(dāng)輸入信號(hào)為周期性信號(hào)時(shí)，采用富氏算法可準(zhǔn)確地求出信號(hào)中的某次諧波分量，并保證使其它整次諧波分量及恒定直流分量衰減

56、到零。 在式(5)、(6)中，k為整數(shù)，表示諧波次數(shù)。當(dāng)k取不同的數(shù)值，可求出不同次諧波分量的實(shí)部和虛部。例如，取k=1，則基頻分量的實(shí)部和虛部為: (7)(8)由所求得的實(shí)、虛部值，可進(jìn)一步計(jì)算出基頻分量的幅值和相位： (9)(10)X1XI1XR1+R+j由式(7)(8)可準(zhǔn)確地求出信號(hào)中的基頻分量，其計(jì)算精度不受恒定直流分量和整次諧波分量的影響。傅氏算法不能完全濾除非整次諧波分量，但有一定的抑制作用，尤其對(duì)高頻分量的濾波能力相當(dāng)強(qiáng)；而對(duì)于低頻分量(主要由衰減的非周期分量產(chǎn)生)的濾波效果相對(duì)較差。仿真計(jì)算表明，在最嚴(yán)重情況下，由衰減非周期分量引起的計(jì)算誤差可能超過10%。 實(shí)際故障情況下，

57、故障信號(hào)通常并不是呈周期性變化，如非周期分量不是恒定不變的純直流分量，而是依指數(shù)規(guī)律衰減。對(duì)于輸電線路上的故障，故障暫態(tài)信號(hào)中的高頻分量與故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處之間的距離有關(guān)，也不一定是整次諧波分量，并且，這些高頻分量也都是隨時(shí)間不斷衰減的。因此，采用傅氏算法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定誤差。為減小誤差，一個(gè)簡(jiǎn)單可行的方法是對(duì)輸入信號(hào)的原始采樣數(shù)據(jù)先進(jìn)行一次差分濾波，以削弱衰減的非周期分量的影響，然后再進(jìn)行富氏計(jì)算。 傅氏算法原理簡(jiǎn)單，計(jì)算精度高，因此在微機(jī)保護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用。不過該算法的數(shù)據(jù)窗較長(zhǎng)(一個(gè)基頻周期)，從而降低了保護(hù)的動(dòng)作速度。 XmsXmcXmm傅氏算法Xm 和 m 可以由 Xms

58、和 Xmc 求出求 Xms 和 Xmc的方法 : 根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)的理論， Xms 和 Xmc 可以表示為:傅氏算法在微機(jī)保護(hù)中，輸入函數(shù)x(t)的確切表達(dá)式是不知道的，只知道它在一系列離散點(diǎn)上的采樣值，所以并不能直接求出積分值，這時(shí)可以應(yīng)用積分的近似計(jì)算法來(lái)近似地計(jì)算上述積分。由數(shù)學(xué)知識(shí)，常用的近似積分算法有矩形積分法和梯形積分法兩種。下面以矩形積分法為例，進(jìn)行討論傅氏算法sin mttx(t)tnTstx(t) sin mtData WindowConcept of rectangle method矩形積分法圖解sin mttx(t)tnTsx(t) sin mttXms will be d

59、ifferent for different nTs, So do Xmc數(shù)據(jù)窗移動(dòng)由圖可以得到面積的計(jì)算公式當(dāng) m=1，可以算出基波，這時(shí)公式變?yōu)?：若采樣頻率為 600Hz, 即 N=12, 則公式變?yōu)?1020t (ms)舉例n012345678A105000866710000866750000-5000-8667A3033330-3333033330-33330A501000-17322000-173210000-10001732Samp.0933369358667693593330-9333-6935n91011121314151617A1-10000-8667-5000050008

60、6671000086675000A333330-3333033330-333303333A5-20001732-100001000-17322000-17321000Samp.-8667-6935-9333093336935866769359333For n=12，粉紅框?yàn)閿?shù)據(jù)窗實(shí)際值應(yīng)該是 10000, 產(chǎn)生誤差的原因是 0.8667,0.3333等小數(shù)的截?cái)嗾`差.For n=13:The actual number should be 10000,phase angle should be 30, the error comes from round off of 0.8667,0.333