微機(jī)保護(hù)的硬件原理new

微機(jī)保護(hù)的硬件原理new第一頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1－1微機(jī)保護(hù)硬件構(gòu)成框圖第二頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日微機(jī)保護(hù)的模擬量輸入方式：逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換VFC原理A/D轉(zhuǎn)換第三頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日2.微機(jī)保護(hù)用硬件特點(diǎn)集成微處理器（MPU）、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨即存取存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)、并行接口(PIO)、閃存單元(FLASH)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、通信接口等多種功能集成在一個(gè)芯片內(nèi)的單片機(jī)系統(tǒng)。把所有總線連同單片機(jī)都集成在一個(gè)芯片內(nèi)的總線不出片技術(shù)。不區(qū)分微機(jī)、單片機(jī)、微處理器第四頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）做準(zhǔn)備、轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量適應(yīng)電力系統(tǒng)故障信號(hào)特點(diǎn)頻譜分布寬廣：從直流、衰減直流、工頻基波分量到各次諧波（最高到數(shù)百千赫茲）在內(nèi)的暫態(tài)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍寬廣：從正常運(yùn)行的幾十安培到短路狀態(tài)下的幾萬(wàn)安培甚至幾十萬(wàn)安培第五頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日適應(yīng)繼電保護(hù)特點(diǎn)要求模擬量設(shè)置應(yīng)滿足繼電保護(hù)功能要求為準(zhǔn)則典型的高壓線路保護(hù)需要：三相電流、零序電流；三相電壓、線路側(cè)線間電壓；典型的三繞組變壓器差動(dòng)保護(hù)需要：每一繞組側(cè)的三相電流

因此，微機(jī)保護(hù)是一個(gè)多模擬量輸入系統(tǒng)第六頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日2－1電壓形成回路要求繼電保護(hù)所使用的電壓、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伏的電壓第七頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第八頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日電壓形成回路（1）輸入電壓的電壓形成回路把一次電壓互感器輸出的二次額定100V電壓變換成最大±5V模擬電壓信號(hào)，供模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片使用。可以采用電壓變換器實(shí)現(xiàn)。（2）輸入電流的電壓形成回路把一次電流互感器輸出的二次額定5A/1A電流變換成最大±5V模擬電壓信號(hào)，供模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片使用。可以采用電流變換器或電抗變換器實(shí)現(xiàn)。第九頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日（一）輸入電壓的電壓形成回路通過電壓變換器實(shí)現(xiàn)，即一種變壓器（但是，原邊與付邊之間應(yīng)當(dāng)設(shè)置一個(gè)屏蔽層，提高抗共模干擾的能力）。電壓變換器（TV）第十頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日（二）輸入電流的電壓形成回路，有以下2種方法實(shí)現(xiàn)（1）電抗變換器電抗變換器是一種鐵心中有氣隙的變壓器。優(yōu)點(diǎn)是鐵心不易飽和，線性變換范圍大。缺點(diǎn)是阻止直流、放大高頻分量，使二次側(cè)電壓波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。（2）電流變換器電流變換器是一種鐵心閉合無(wú)氣隙的變壓器。優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)鐵心不飽和時(shí)，二次電流波形與一次側(cè)相同。缺點(diǎn)是在電流非周期分量作用下容易飽和，線性度差。微機(jī)保護(hù)中一般采用電流變換器。Z是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗；是二次側(cè)并聯(lián)電阻，很小。輸出電壓第十一頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日各變換器工作特性電壓變換器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：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。第十二頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日電抗變壓器：用于直接獲取電壓

它的原理結(jié)構(gòu)、原理圖及等值電路如圖1－2所示

圖1－2電抗變壓器的原理結(jié)構(gòu)與等值電路圖第十三頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日

它的鐵心帶有氣隙、具有三個(gè)繞組的變壓器。由于存在氣隙，勵(lì)磁電抗數(shù)值很小，相對(duì)而言很大的二次負(fù)載阻抗可忽略不及，故一次電流全部作為勵(lì)磁電流。此時(shí)有以下關(guān)系：總體效果相當(dāng)于第十四頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日

因此電抗變能夠?qū)⒁淮坞娏鞯幕ǚ至砍杀壤剞D(zhuǎn)換成二次側(cè)電壓。但放大了諧波分量，阻止了直流和低頻分量。嚴(yán)格講是失真變換。電流變換器和電抗變壓器的比較電流變換器能夠不失真地變換電流成為電壓，但是在出現(xiàn)非周期分量、衰減直流分量時(shí)，容易飽和，線性度差，動(dòng)態(tài)范圍小電抗變壓器具有阻止直流、放大諧波的作用，因此當(dāng)一次波形為非正弦時(shí)，二次將發(fā)生嚴(yán)重畸變。但是它的動(dòng)態(tài)范圍寬廣、鐵心不易飽和、具有移相作用。在某些場(chǎng)合下還是有用的。第十五頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日2－2采樣保持電路和模擬低通濾波器采樣保持電路的作用及原理定義：采樣保持電路（S/H,SamplingandHolding）是在極短時(shí)間內(nèi)測(cè)量模擬量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間保持輸出不變的一個(gè)電路采用保持電路輸出了一個(gè)階梯電壓波形。在保持階段無(wú)論何時(shí)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，都反映了采樣值。第十六頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日組成：它由電子模擬開關(guān)AS、保持電容器及兩個(gè)阻抗變換器組成。Ch的作用是記憶AS閉合時(shí)刻的電壓，并在AS打開后保持該電壓。阻抗變換器I在Ch端提供低阻抗，使得Ch電壓建立迅速，而在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，以盡量減少對(duì)輸入回路的影響；阻抗變換器11在Ch端提供高阻抗，使得Ch衰減緩慢，而在后邊呈現(xiàn)低阻抗以提高帶負(fù)載的能力。第十七頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1－3采樣保持電路及工作過程第十八頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日工作過程：微機(jī)采樣定時(shí)器等間隔地產(chǎn)生采樣脈沖進(jìn)行采樣，得到采樣信號(hào)，采樣后信號(hào)在下次采樣脈沖到來(lái)之前應(yīng)保持不變，形成穩(wěn)定的階梯狀采樣保持信號(hào)，等待A/D轉(zhuǎn)換。第十九頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)采樣保持電路的要求Ch上的電壓按照一定的精度跟蹤Usr，跟蹤時(shí)間盡量短，以適應(yīng)最小采樣寬度要求Tc保持時(shí)間要長(zhǎng)，通常用下降率來(lái)表示保持能力模擬開關(guān)的動(dòng)作延時(shí)、閉合電阻和開斷時(shí)的漏電流要小

前兩個(gè)指標(biāo)取決于阻抗變換器和保持電容的性能，就捕獲而言，越小越好；就保持而言越大越好。一般來(lái)講，要求快速捕獲，采樣周期短，電容要小一些；慢速捕獲，采樣周期長(zhǎng)，電容大一些，穩(wěn)定性好，抗雜散電容影響能力強(qiáng)。第二十頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日

采樣保持電路的典型芯片第二十一頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用等步長(zhǎng)采樣和變步長(zhǎng)采樣

對(duì)于電網(wǎng)頻率波動(dòng)小，采樣精度要求不是很高的場(chǎng)合，常采用等步長(zhǎng)采樣對(duì)于電網(wǎng)頻率波動(dòng)大，采樣精度要求高的場(chǎng)合，需要變步長(zhǎng)采樣，變步長(zhǎng)的采樣間隔時(shí)間（采樣脈沖發(fā)出時(shí)間）要隨時(shí)調(diào)整采樣定理

被采樣信號(hào)的頻率最高不超過1/2采樣頻率，否則會(huì)造成頻譜混疊。fs>2fmax合適的保護(hù)采樣頻率選擇

高采樣頻率要求CPU的處理和運(yùn)算速度快；低采樣頻率可能會(huì)造成頻率混疊，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障后的電壓電流是一個(gè)寬頻譜信號(hào)。第二十二頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日合適的保護(hù)采樣頻率選擇

如果考慮目前的繼電保護(hù)主要是基于工頻故障信息構(gòu)成的，那么，高頻故障信息應(yīng)該/可以濾除，這樣將降低對(duì)CPU和采樣速率的要求。目前微機(jī)保護(hù)普遍采用600Hz（1.667毫秒）、1kHz（1毫秒）、1.8kHz（0.55毫秒）的采樣頻率，它們都能夠滿足工頻故障信息和3次、5次諧波的采樣和分辨要求。但是高于300Hz、500Hz、900Hz的故障信號(hào)怎么辦呢？第二十三頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日前置低通濾波器的設(shè)置

電力系統(tǒng)故障初期，電流、電壓中可能含有相當(dāng)高的頻率分量（如2kHZ以上）。而目前大多數(shù)微機(jī)保護(hù)原理都是反映50HZ工頻分量的。因此，在采樣保持前用一個(gè)模擬低通濾波器把高頻分量過濾掉，防止高頻分量混疊到工頻來(lái)。最簡(jiǎn)單的模擬低通濾波器是RC低通濾波器。其中第二十四頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日

濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過，同時(shí)抑制無(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的濾波器。前置低通濾波器又稱為抗混疊濾波器，廣泛應(yīng)用于各種保護(hù)、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)，因此截止頻率被設(shè)置為1/2fs。

第二十五頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日

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)！第二十六頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1－5二階無(wú)源低通濾波器第二十七頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1－6二階無(wú)源低通濾波器第二十八頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日2－3模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)繼電保護(hù)需要多的模擬量模數(shù)轉(zhuǎn)換器是貴重的元器件電路布板希望少的芯片多路轉(zhuǎn)換器是一個(gè)理想的、經(jīng)常采用的芯片定義：是一個(gè)開關(guān)電路；接入很多模擬量；僅僅把其中的一路送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器去轉(zhuǎn)換。不同的模擬量通過“分時(shí)”方式完成模數(shù)轉(zhuǎn)換過程。第二十九頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日組成：包括選擇接通路數(shù)的二進(jìn)制譯碼電路和多路電子開關(guān)。二進(jìn)制譯碼電路決定哪個(gè)電子開關(guān)接通——接入相應(yīng)的待轉(zhuǎn)換模擬量多路電子開關(guān)起分?jǐn)嗥渌芈范鴥H僅接通待轉(zhuǎn)換的哪一路模擬量作用16路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)例A0～A3是路數(shù)選擇線接CPU，控制哪一路選通A1～A16是模擬量入AS1～AS16是電子開關(guān)En是始能端圖1－716路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)第三十頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的應(yīng)用。模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MPX）中最重要的部分是電子開關(guān)AS，它是用數(shù)字電子邏輯控制模擬信號(hào)通、斷的一種電路，通常是由雙極型晶體管（BJT）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（J-FET）或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOS-FET）等類型組成的電子開關(guān)。第三十一頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日2－4模數(shù)轉(zhuǎn)換器定義：是一個(gè)硬件電路，用于實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，也稱為A/D轉(zhuǎn)換器。它是把模擬量變成能讓計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字量的橋梁。把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)。應(yīng)用范圍及其寬廣：隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量、需要計(jì)算機(jī)來(lái)處理的都必須經(jīng)過這個(gè)環(huán)節(jié)。像電壓、電流、溫度、壓力速度等分類：直接型：直接把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼間接型：首先把模擬量轉(zhuǎn)換成某種變量（比如頻率），再轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼輸出第三十二頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一般原理

將輸入的模擬量Usr相對(duì)于模擬參考量UR經(jīng)編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D輸出.一般

一般D可以表示為（D是小于1的二進(jìn)制數(shù)，是一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)字。）

B1～Bn均為二進(jìn)制碼。第三十三頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)。以kTs時(shí)刻為例分析：該時(shí)刻瞬時(shí)電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量第三十四頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一般原理數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器，或簡(jiǎn)稱DAC）是把數(shù)字量D轉(zhuǎn)變成模擬電壓或電流輸出。模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般都要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器。輸入數(shù)字量：

，上圖n=4。輸出模擬電壓：，正比于輸入數(shù)字量D。第三十五頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作過程：通過并行接口向16位D/A轉(zhuǎn)換器試探性送數(shù)。每送一次數(shù)，微型機(jī)通過讀取PA0端口的狀態(tài)判斷試送的16位數(shù)相對(duì)于模擬輸入量是偏大還是偏小。如果偏大，則減小試送的16位數(shù)，直至找到最相近的二進(jìn)制數(shù)，這個(gè)16位二進(jìn)制數(shù)就是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果。試探送數(shù)采樣逐次逼近的二分搜索法。第三十六頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日雙極性模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換雙極性模擬量：正、負(fù)極性變化的模擬量。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雙極性模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換，需要設(shè)置一個(gè)直流偏置量，其值為最大允許輸入量的一半。以輸入雙極性電壓最大范圍為5V的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例。

以上A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)是16位。最高位是符號(hào)位，有效位只有后面的15位。一個(gè)n位的A/D轉(zhuǎn)換器，其十進(jìn)制數(shù)的范圍是第三十七頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日模數(shù)轉(zhuǎn)換的溢出模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溢出：輸入模擬電壓超過了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大允許輸入電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溢出可能有兩種情況：（1）平頂溢出，危害不大。(A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果保持在最大值11111111)（2）清零溢出，危害很大。(A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果保持在最小值00000000)第三十八頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日A/D轉(zhuǎn)換器舉例

以模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665為例進(jìn)行分析。數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7665是一種逐次逼近型的16位快數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率是500kSPS（SamplesPerSecond），即進(jìn)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間為1/500K=2uS。

A/D7665模數(shù)轉(zhuǎn)換器是由AnalogDevices公司生產(chǎn)。芯片外觀芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖第三十九頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日A/D轉(zhuǎn)換器與微型機(jī)的接口

模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能必須由微型機(jī)執(zhí)行軟件程序來(lái)控制，即微型機(jī)通過總線控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665。模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665與微型機(jī)的接口如下圖所示。第四十頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日微機(jī)保護(hù)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的主要要求（1）轉(zhuǎn)換位數(shù)（分辨率），通常用數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示。（2）轉(zhuǎn)換時(shí)間（轉(zhuǎn)換頻率），A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間，其轉(zhuǎn)換頻率為。1）轉(zhuǎn)換位數(shù)（分辨率），即數(shù)字量的位數(shù)。

當(dāng)用有限位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示連續(xù)的模擬量瞬時(shí)值，不可避免地要舍去比最低位（LSB）更小的數(shù)，從而引入一定誤差。對(duì)于一個(gè)n位的A/D轉(zhuǎn)換器，其量化誤差其中，是A/D轉(zhuǎn)換器最大允許輸入的正電壓。

12位AD可以滿足要求。如采用16位更好2）轉(zhuǎn)換時(shí)間，影響A/D的最高采樣頻率。第四十一頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日2－5VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC（VoltageFrequencyConverter）是另一種實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件，將模擬電壓量變換為脈沖信號(hào)，該輸出脈沖信號(hào)的頻率與輸入電壓的大小成正比。（1）VFC的工作原理VFC把輸入的交流模擬電壓量轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)輸出。輸出脈沖信號(hào)的頻率與輸入電壓成正比。是常數(shù)。第四十二頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日VFC的工作原理

電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC輸出脈沖方波的頻率和輸入交流模擬電壓信號(hào)的大小成正比，即：

在一段時(shí)間（采樣時(shí)間）內(nèi)，對(duì)VFC輸出的脈沖方波進(jìn)行計(jì)數(shù)（即計(jì)算上升沿的個(gè)數(shù)），得到數(shù)字量D。則該數(shù)字量D和輸入模擬信號(hào)之間的關(guān)系是：

當(dāng)采樣時(shí)間很小時(shí)，且輸入模擬信號(hào)中沒有高頻分量時(shí)，可以認(rèn)為在采樣時(shí)間內(nèi)輸入模擬電壓也不變。則有：

所以最終輸出的數(shù)字量D也正比于輸入的模擬信號(hào)。第四十三頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日VFC的分辨率與采樣頻率的關(guān)系

分辨率一般用VFC轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量D的位數(shù)來(lái)衡量。

VFC輸出的位數(shù)取決于兩個(gè)因素：（1）VFC輸出脈沖的最高頻率；（2）采樣間隔Ts的大小和積分間隔個(gè)數(shù)N。

VFC轉(zhuǎn)換器輸出的最大數(shù)字量最高頻率之間關(guān)系為：以最高頻率4MHz為例分析：取Ts＝5/3mS，N=1其最大輸出數(shù)字量為：這個(gè)數(shù)字量相當(dāng)于12.7位的A/D輸出。第四十四頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日（2）VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)

VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下所示?？梢娕c普通A/D型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是不一樣的。第四十五頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)：

（1）有低通濾波的作用，可以大大抑制噪聲；普通A/D轉(zhuǎn)換器是對(duì)模擬量瞬時(shí)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對(duì)模擬量的連續(xù)積分，具有低通濾波作用，并可大大抑制噪聲。（2）抗干擾能力強(qiáng)，在VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端和CPU主系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器之間接入光電耦合器；（3）輸出數(shù)字量D的位數(shù)可調(diào)；（4）與微型機(jī)的接口簡(jiǎn)單；（5）可實(shí)現(xiàn)多微機(jī)共享數(shù)據(jù)采集；（6）易于實(shí)現(xiàn)同步采樣；（7）但不適用于高頻采樣。第四十六頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第四十七頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換與VFC轉(zhuǎn)換分析第四十八頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第四十九頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)開關(guān)量輸入及輸出回路一、光電耦合器

光電耦合器：把發(fā)光器件和光敏器件組合在一起，實(shí)現(xiàn)以光信號(hào)為媒介的電信號(hào)變換。由于發(fā)光器件和光敏器件之間相互絕緣，所以可以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出兩側(cè)電路之間的電氣隔離。在微機(jī)保護(hù)中常用光電耦合器來(lái)輸入或輸出開關(guān)量信號(hào)。第五十頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日

二、開關(guān)量輸入回路

開關(guān)量：即接點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)，接通或斷開（識(shí)別外部條件）。第五十一頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日

對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的開關(guān)量輸入可以分為2類：

（1）安裝在裝置面板上的接點(diǎn)信號(hào)輸入（——5伏系統(tǒng)）；如用于人機(jī)對(duì)話的鍵盤上的接點(diǎn)信號(hào)。這類信號(hào)可以直接接至微型機(jī)的并行口。（2）從裝置外部經(jīng)過端子排引入的接點(diǎn)信號(hào)輸入（——24伏、48伏、220伏等）；如保護(hù)屏上的各種硬壓板、轉(zhuǎn)換開關(guān)等。為了抑制干擾，這類接點(diǎn)必須要經(jīng)過光電耦合器進(jìn)行電氣隔離，然后接至并行口。第五十二頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日三、開關(guān)量輸出回路第五十三頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日需要輸出的開關(guān)量（開出量）：保護(hù)的跳閘信號(hào)、通信接口。（一）通信接口（包括打印機(jī)接口）可用一個(gè)并行口來(lái)控制輸出數(shù)字信號(hào)。輸出回路中也加光電耦合器，提高抗干擾能力。

將并行接口的PA口設(shè)置為輸出方式；將PB口設(shè)置為輸入方式。在開關(guān)量輸出回路中加入光電耦合器，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)電氣回路的電氣隔離，同時(shí)可以進(jìn)行不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換。并行接口側(cè)的電源電壓是＋5V，而右側(cè)輸入回路中電源電壓可以是＋24V或其它電壓等級(jí)。第五十四頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日（二）保護(hù)的跳閘出口信號(hào)對(duì)于保護(hù)跳閘出口信號(hào)（及本地信號(hào)）的輸出，一般采樣并行口經(jīng)過光電耦合器控制繼電器的方式。對(duì)于重要的保護(hù)跳閘出口信號(hào)，為了防止誤發(fā)信號(hào)，還需要增加與非門環(huán)節(jié)。第五十五頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第五十六頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日典型微機(jī)保護(hù)出口控制回路第五十七頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日K1為常閉接點(diǎn)（線圈不帶電狀況下閉合），是一個(gè)閉鎖告警信號(hào)K2、K3、K4、KN為常開接點(diǎn)（線圈不帶電狀況下打開）K2是故障啟動(dòng)信號(hào)K3、K4是跳閘出口接點(diǎn)V1～V5是光隔出口接點(diǎn)出口條件1）無(wú)告警信號(hào)2）啟動(dòng)繼電器動(dòng)作出口繼電器所在光隔導(dǎo)通－計(jì)算機(jī)輸出跳閘信號(hào)圖1-31第五十八頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日四、出口閉鎖1、自檢告警閉鎖圖1-31AXJN——+24V閉鎖2、三取二啟動(dòng)回路圖1-32KST2、KST3、KST4三取二

——-24V閉鎖第五十九頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)電源電源插件一般均采用逆變開關(guān)電源，提供多組穩(wěn)壓電源。第六十頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第五節(jié)人機(jī)接口鍵盤顯示器接口CPU插件第六十一頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第六節(jié)CPU主系統(tǒng)

微機(jī)保護(hù)裝置的核心是單片機(jī)系統(tǒng)，它是由單片微機(jī)和擴(kuò)展芯片構(gòu)成的一臺(tái)小型工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)，除了硬件之外，還有存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器里的軟件系統(tǒng)。這些硬件和軟件構(gòu)成的整個(gè)單片微機(jī)系統(tǒng)主要任務(wù)是完成數(shù)值測(cè)量、邏輯運(yùn)算及控制和記錄等智能化任務(wù)。除此之外，現(xiàn)代的微機(jī)保護(hù)應(yīng)具備各種遠(yuǎn)程功能，它包括發(fā)送保護(hù)信息并上傳給變電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，接收集控站、調(diào)度所的控制和管理信息。

這種單片微機(jī)系統(tǒng)可以是單CPU也可以是多CPU系統(tǒng)。一般為了提高保護(hù)裝置的容錯(cuò)水平，目前大多數(shù)保護(hù)裝置已采用多CPU系統(tǒng)。尤其是較復(fù)雜的保護(hù)裝置，其主要保護(hù)和后備保護(hù)都是相互獨(dú)立的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。它們的CPU是相互獨(dú)立的，任何一個(gè)保護(hù)的CPU或芯片損壞均不影響其他保護(hù)。除此之外，各保護(hù)的CPU總線均不引出，輸入及輸出的回路均經(jīng)光隔離處理，能將故障定位到插件或芯片，從而大大提高了保護(hù)裝置運(yùn)行的可靠性。第六十二頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日1、單CPU結(jié)構(gòu)第六十三頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日微機(jī)保護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)典型微機(jī)保護(hù)裝置包括——CPU插件及人機(jī)對(duì)話輔助插件模擬量輸入變換插件前置模擬低通濾波器插件采樣及A/D變換插件開關(guān)（數(shù)字量）輸入輸出插件出口繼電器插件電源插件典型插件式結(jié)構(gòu)第六十四頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日這種結(jié)構(gòu)把整個(gè)硬件邏輯網(wǎng)絡(luò)按照功能和電路特點(diǎn)劃分為若干部分，每個(gè)部分做在一塊印刷電路插件板上，板上對(duì)外聯(lián)系的引線通過插頭引出。微機(jī)保護(hù)機(jī)箱內(nèi)裝有相應(yīng)的插座，印制板均可方便地插入和拔出，通過機(jī)箱插座間的連線將各個(gè)印制板連成整體并實(shí)現(xiàn)到端子排的輸入輸出線的連接。典型插件式結(jié)構(gòu)第六十五頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日典型插件式結(jié)構(gòu)一般采用配線形式進(jìn)行連接。定義：不再遵循總線規(guī)約，每根引線的意義以及信號(hào)時(shí)序要求根據(jù)實(shí)際電路確定，引線的物理位置也不作硬性規(guī)定。優(yōu)點(diǎn)：（1）各印制板引出線可根據(jù)需要引出，引線數(shù)目可減少，從而可采用總線數(shù)較少的插座，這對(duì)提高可靠性有利（2）印制板布線可就近上插頭，可簡(jiǎn)化布線和減少布線長(zhǎng)度，這對(duì)降低板上相互干擾有利（3）插座間連線可實(shí)現(xiàn)軟連接，這樣在插拔時(shí)有一定緩沖作用，這對(duì)改善接觸和減少插撥磨損有利（4）目前軟連接線與插座相連時(shí)所采用的卷繞工藝，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明其可靠性較高典型插件式結(jié)構(gòu)第六十六頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日2、多CPU結(jié)構(gòu)（圖1-3）第六十七頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日3、DSP結(jié)構(gòu)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP，即DigitalSignalProcessor）是進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的專用芯片，是伴隨著微電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的新器件。DSP的特點(diǎn)：1、哈佛結(jié)構(gòu)，獲得高速運(yùn)算能力。浮點(diǎn)運(yùn)算90億次/S。2、采樣流水線技術(shù)，保證取指令和執(zhí)行支路同時(shí)進(jìn)行。3、具有獨(dú)立的硬件乘法器。4、具有多處理器接口。DSP具有強(qiáng)大、快速的數(shù)據(jù)處理能力和定點(diǎn)、浮點(diǎn)運(yùn)算功能，因此將DSP融合到微機(jī)保護(hù)中，將大大提高微機(jī)保護(hù)的性能。第六十八頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第六十九頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日4、ARM＋DSP結(jié)構(gòu)第七十頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日DSP技術(shù)的應(yīng)用DSP－數(shù)字信號(hào)處理器（Digitalsignalprocessor）是專用數(shù)字信號(hào)處理器芯片。特別用于執(zhí)行快速運(yùn)算內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)空間分為兩個(gè)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。允許同時(shí)訪問。獨(dú)立的硬件乘法器。第七十一頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日哈佛結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的微處理器采用的馮·諾依曼（VonNeuman）結(jié)構(gòu)將指令和數(shù)據(jù)存放在同一存儲(chǔ)空間中，統(tǒng)一編址，指令和數(shù)據(jù)通過同一總線訪問同一地址空間上的存儲(chǔ)器。而DSP芯片采用的哈佛結(jié)構(gòu)則是不同于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的一種并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編制、獨(dú)立訪問。與之相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置的兩條總線棗程序總線和數(shù)據(jù)總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。在哈佛結(jié)構(gòu)中，由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開的空間里，因此取指和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行。第七十二頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日專用的硬件乘法器

在通用微處理器中算法指令需要多個(gè)指令周期，如MCS-51的乘法指令需4個(gè)周期。相比而言，DSP芯片的特征就是有一個(gè)專用的硬件乘法器，乘法可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，還可以與加法并行進(jìn)行，完成一個(gè)乘法和一個(gè)加法只需一個(gè)指令周期。第七十三頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日特殊的DSP指令DSP芯片的另一個(gè)特點(diǎn)是采用特殊的指令，這些特殊指令進(jìn)一步提高了DSP芯片的處理能力。第七十四頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第七節(jié)網(wǎng)絡(luò)化硬件電路7－1問題的提出主保護(hù)、后備保護(hù)、開出、開入、監(jiān)控需要CPU多CPU工作，通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)起來(lái)第七十五頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日7－2網(wǎng)絡(luò)化硬件電路將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能化輸入/輸出（I/O）技術(shù)引入微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部硬件電路設(shè)計(jì)，使內(nèi)部模塊之間連接簡(jiǎn)單、方便，并獲得良好的可擴(kuò)展性、升級(jí)特性，并可提高抗干擾能力。

CPU插件；開入插件；開出插件；CAN總線第七十六頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日第七十七頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日定義：是指一組事先約定了結(jié)構(gòu)與通信方式的并行信息連接線，其特點(diǎn)是對(duì)插座的每一根引線的意義和物理位置都作了嚴(yán)格的規(guī)定，與之相關(guān)的插件都需按總線規(guī)約設(shè)計(jì)并通過總線傳遞信息網(wǎng)絡(luò)形式的插件結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：（1）互換性強(qiáng)（2）按照標(biāo)準(zhǔn)總線規(guī)約設(shè)計(jì)，得到在數(shù)據(jù)、地址、控制線之間的合理布置，避免引線間的相互干擾。第七十八頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日7－3CAN總線特點(diǎn)1.采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短2.差分信號(hào)傳遞方式，抗干擾能力強(qiáng)第七十九頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)傳遞“0”信號(hào)時(shí)，差分電壓差大；當(dāng)傳遞“1”信號(hào)時(shí)，差分電壓差低。差分電壓高低取決于如下電路第八十頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日發(fā)送“0”時(shí)，V1導(dǎo)通，總線Vh被鉗位高電平；V2截至，總線Vl被置位低電平，壓差大，總線呈現(xiàn)“0”發(fā)送“1”時(shí)，V1截至，總線Vh被鉗位低電平；V2導(dǎo)通，總線Vl被置位高電平，壓差小，總線呈現(xiàn)“1”VHVL第八十一頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日采用非破壞性總線仲裁技術(shù)當(dāng)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)送00，01，10，11時(shí)，首先00，01，0電平被接受；然后再發(fā)送00，01，第二位是0的第一通路被選中不同的節(jié)點(diǎn)按照設(shè)定好的優(yōu)先級(jí)工作二進(jìn)制表示時(shí)，數(shù)值越小，優(yōu)先級(jí)越高第八十二頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日7－4網(wǎng)絡(luò)化硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多CPU、多任務(wù)協(xié)調(diào)工作，可靠性高擴(kuò)展性好升級(jí)方便第八十三頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日微機(jī)保護(hù)的電磁兼容性問題

電磁兼容（EMC）：——各設(shè)備和系統(tǒng)在共同電磁環(huán)境中互不干擾，各自正常工作。不受干擾；非干擾源第八十四頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日提高微機(jī)保護(hù)裝置可靠性的重點(diǎn)在抗干擾上。干擾形式有兩種：橫（差）模干擾和共模干擾。第八十五頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日1）差模干擾

差模干擾是串聯(lián)于信號(hào)源回路之中的干擾。其中Uia,Uib,Uic,Uio表示串聯(lián)于各相電壓回路中的干擾電壓，Ua,Ub,Uc表示有用信號(hào)源。差模干擾主要是由于各信號(hào)線對(duì)干擾源的相對(duì)位置不對(duì)稱因而受干擾源電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)產(chǎn)生的，干擾電壓大小不等，相位不同。干擾源可以是高壓母線或其它高壓帶電體。

抑制方法：在信號(hào)回路接入低通濾波器。

第八十六頁(yè)，共九十五頁(yè)，2022年，8月28日2）共模干擾共模干擾是作用在裝置或系統(tǒng)的對(duì)外引線端子和機(jī)殼之間的干擾。產(chǎn)生的原因與差模干擾相似，只是信號(hào)線距干擾源較遠(yuǎn)，因而各相信號(hào)線對(duì)干擾源的相對(duì)位置基本上是對(duì)稱的，如圖所示。因此，干擾源以同樣的方式和強(qiáng)度與所有信號(hào)線耦合，對(duì)各相電壓、電流信號(hào)線的干擾電壓也完全相同，使所有信號(hào)線對(duì)地電壓發(fā)生同樣變化。共模干擾可為直流，亦可為交流，它是造成微機(jī)保護(hù)裝置損壞或工作不正常的重要原因。消除共模干擾的方法主要有：①浮空隔離技術(shù)；②雙層屏蔽技術(shù)；③二次系統(tǒng)一點(diǎn)接地；④低阻匹配傳輸、電流傳輸代替電壓傳輸；⑤采用隔離變壓器；⑥采用光電耦合芯片等。第八