《微機保護構成及數據采集系統(tǒng).ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《微機保護構成及數據采集系統(tǒng).ppt（66頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。
1、第二章 微機保護的數據采集系統(tǒng),2.1 微機保護系統(tǒng)構成 微機保護是以電壓、電流的采樣值為輸入量，以微機為控制器，以電氣設備的斷路器為被控對象的一個開環(huán)離散控制系統(tǒng)。 微機保護是將被保護設備輸入的模擬量經模數轉換器后變?yōu)閿底至?，再送入計算機進行分析和處理的保護裝置。 微機保護由硬件和軟件兩部分構成。微機保護整套硬件通常是用單獨的專用機箱組裝，包括數據采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關量輸出、輸入系統(tǒng)及外圍設備等。 微機保護的軟件由初始化模塊、數據采集管理模塊、故障檢出模塊、故障計算模塊與自檢模塊等組成。,微機保護的硬件系統(tǒng)包括以下五部分： 1.數據采集系統(tǒng)（或稱模擬量輸入系統(tǒng)）：包括電壓形成、采樣保
2、持、多路開關及數模轉換。 2.微型機（或微處理器）主系統(tǒng)：包括微處理器、程序存儲器（ROM）、數據存儲器（RAM）、定時器、并串接口等。 3.開關量輸入輸出系統(tǒng)：由微型機的并行接口、光電隔離器件及有觸點的中間繼電器等組成。完成保護需要的外部觸點接入、出口跳閘、人機對話等功能。 4.通信接口。包括通信接口電路及接口以實現多機通信或聯(lián)網 5.逆變穩(wěn)壓電源（5V 15V、24V）,微機保護硬件構成框圖（書）,2. 微機保護用硬件特點 集成微處理器（MPU）、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、定時器、模數轉換器(AD)、并行接口(PIO)、閃存單元(FLASH)、數字信號處理器(DSP)
3、、通信接口等多種功能集成在一個芯片內的單片機系統(tǒng)。 把所有總線連同單片機都集成在一個芯片內的總線不出片技術。 不區(qū)分微機、單片機、微處理器,微機保護的軟件包括 數字濾波器，如減法濾波器、加法濾波器等。像有些不便于采用模擬濾波器的場合，如傅立葉濾波、小波變換等; 微機保護算法，像幅值和相位計算、選相算法、濾序算法等; 保護動作判據，保護基本原理的具體體現; 邏輯輸出，執(zhí)行跳閘、告警等數字信號輸出。,2.2 數據采集系統(tǒng),為模數轉換（AD）做準備、轉換模擬量為數字量 適應電力系統(tǒng)故障信號特點 頻譜分布寬廣：從直流、衰減直流、工頻基波分量到各次諧波（最高到數百千赫茲）在內的暫態(tài)信號 動態(tài)范圍寬廣：從
4、正常運行的幾十安培到短路狀態(tài)下的幾萬安培甚至幾十萬安培 微機保護常用的數據采集系統(tǒng)有兩種： 一是采用逐次逼近原理的A/D芯片構成的數據采集系統(tǒng)； 另一種是采用VFC芯片構成的壓頻變換式數據采集系統(tǒng),對于中低壓電力系統(tǒng)這兩種方式都在使用，而高壓或超高壓的保護裝置我國大都采用VFC變換方式。 ADC方式是將模擬量直接轉變?yōu)閿底至康姆椒ǎ?VFC方式是將模擬量先轉變?yōu)轭l變脈沖量，再通過脈沖計數變換為數字量的一種變換方法。,適應繼電保護特點要求 模擬量設置應滿足繼電保護功能要求為準則 典型的高壓線路保護需要：三相電流、零序電流；三相電壓、線路側線間電壓； 典型的三繞組變壓器差動保護需要：每一繞組側的三
5、相電流 因此，微機保護是一個多模擬量輸入系統(tǒng),包括電壓形成電路、模擬低通濾波器、采樣保持、多路開關、A/D轉換等部分,采集量的選擇,以高壓線路保護和三繞組變壓器差動保護為例，由于高壓線路保護一般具備全線速動保護（如高頻保護或光纖電流縱差保護）、距離保護、零序保護和重合閘功能。所以模擬量一般設置為以下8個量,前7個量用于構成保護功能，最后的量為斷路器的另一側電壓，用于實現重合閘功能； 對于三繞組變壓器的的差動保護，至少應該接入三側的三相電流，共9個模擬量。,繼電保護所使用的電壓、電流都是來自于電壓互感器（100V、線間電壓）和電流互感器（額定電流5安或1A，短路電流100A） 電流(電壓)變換器
6、再將TA(TV)二次側電流(電壓)均變換為適合AD轉換需要的2.5V、 5V、 10V的電壓；,1. 電壓形成回路,電壓、電流變換器,電流變換器（TA）、電壓變換器（TV）和電抗變換器（TX）。 作用：變換、隔離。在原副邊可加一屏蔽層，有利于抗干擾。 電抗變換器具有阻止直流、放大高頻分量的作用，優(yōu)點是線性范圍大，鐵芯不易飽和，有移相作用。,電流變換器特點,優(yōu)點：只要鐵芯不飽和，其二次電流及并聯(lián)電阻上的二次電壓波形基本保持與一次電流波形相同且同相。 缺點：再非周期分量的作用下容易飽和，線性度較差，動態(tài)范圍較小。 電流變換器二次測的并聯(lián)電阻數值為幾歐到十幾歐姆。,前置低通濾波器的設置, 濾波器是一
7、種能使有用頻率信號通過，同時擬制無用頻率信號的電路。低通濾波器是只讓低于截至頻率通過的濾波器。 前置低通濾波器又稱為抗混疊濾波器，廣泛應用于采樣電路前，濾除高于采樣頻率一半的信號，因此截至頻率被設置為1/2fs。 低通濾波器可以采用有源的、也可以采用無源的。 無源濾波器由RLC元件構成；有源的由運放和RC元件構成；,模擬低通濾波器(ALF),ALF(Analog Low-pass Filter) 無源特點：無源濾波器構成簡單，頻率特性單調衰減的，不能做到通帶平坦和過渡帶陡峭，可用于反映基波分量的保護；且電阻和電容回路對信號有衰減作用，并會帶來時間延遲，僅適用于對速度和性能要求不高的微機保護。
8、有源特點：濾波性能好且階數越高，它的頻率響應越具有十分平坦的通帶和陡峭的過渡帶，但會增加裝置的復雜性和時延，故階數不宜過高。但抗沖擊干擾能力差。,二階無源低通濾波器 原理電路與幅頻特性曲線,通常R1=R2=R，則,二階有源低通濾波器,僅使用一個運算放大器，結構簡單，RC元件少。缺點是元件參數的變化對濾波器濾波效果影響較大。該濾波器的傳遞函數為,式中K=1+R4/R3 通過參數的合理選擇，有源濾波器可以得到更理想的頻率特性。,截止頻率,模擬低通濾波器常常采用普通的一階（最高二階的有源或無源）RC阻容濾波器來限制接近工頻分量的諧波信號混進來！ 模擬濾波器的幅頻特性的最大截止頻率，必須根據采樣頻率的
9、取值來確定，當fs1000Hz時，即交流工頻50Hz每個周期采樣20個點，則要求濾除模擬輸入信號中大于500Hz的高頻分量。,采樣頻率的選擇,1. 必須滿足采樣定理，即采樣頻率必須大于原始信號中最高頻率的二倍。 2. 采樣頻率的選擇與保護原理和采樣的算法有關； 3. 采樣頻率還與模擬量的數量，數據傳送方式有關 工程中一般取fs(2.53) fmax 采樣周期Ts：相鄰兩個采樣時刻的時間間隔稱為采樣周期采樣周期的倒數稱為采樣頻率，記為fs。,采樣頻率的選擇,高采樣頻率要求CPU的處理和運算速度快；低采樣頻率可能會造成頻率混疊，因為電力系統(tǒng)故障后的電壓電流是一個寬頻譜信號。 目前的繼電保護主要是基
10、于工頻故障信息構成的，那么，高頻故障信息應該可以濾除，這樣將降低對CPU和采樣速率的要求。 目前微機保護普遍采用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的故障信號怎么辦呢？,多個模擬通道的采樣方式,等間隔采樣和不等間隔采樣。微機保護大多數采用等間隔采樣方式。 跟蹤采樣和定位采樣。跟蹤采樣是不等間隔采樣方式，需要測頻方法。 多通道同時采樣、順序采樣、分組順序采樣。 輸電線路保護通常需引入9個模擬量： 微機保護中廣泛采用多通道同時采樣方式。,對于電
11、網頻率波動小，采樣精度要求不是很高的場合，常采用等步長采樣； 對于電網頻率波動大，采樣精度要求高的場合，需要變步長采樣，變步長的采樣間隔時間（采樣脈沖發(fā)出時間）要隨時調整。,多通道同時采樣方式的硬件電路,采樣定理,從信號處理的角度看，采樣可看成是采樣序列s(t)與原始信號f(t)相乘后得到的新信號。 用矩形脈沖對原始信號進行采樣時，可表示為： 用沖激序列對原始信號進行采樣時，可表示為：,采樣后信號的頻譜分析,根據頻域卷積定理，兩個時域函數乘積的傅立葉變換等于他們各自的傅立葉變換的卷積。 式中 分別是 采樣信號、原始信號、門函數序列、沖激函數序列的傅立葉變換。,采樣保持電路作用及原理,定義：采樣
12、保持電路（S/H,Sampling and Holding）是在極短時間內測量模擬量在該時刻的瞬時值，并在模擬數字轉換器進行轉換的期間保持輸出不變的一個電路。 目前，采樣保持電路大多集成在單一芯片中，但芯片內不設保持電容，需用戶外設，常選0.01F左右。常用的采樣保持芯片有LF198、LF298、LF398等。,采樣保持電路組成,組成：由電子模擬開關AS、保持電容器Ch及兩個阻抗變換器組成。,Ch的作用是記憶AS閉合時刻的電壓，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，而在輸入端呈現高阻抗，以盡量減少對輸入回路的影響； 阻抗變換器II在Ch端提供高阻抗，使
13、得Ch衰減緩慢，而在后邊呈現低阻抗以提高帶負載的能力。,采樣保持電路及工作過程,采樣保持過程示意圖,微機采樣定時器等間隔地產生采樣脈沖進行采樣，得到采樣信號，采樣后信號在下次采樣脈沖到來之前應保持不變，形成穩(wěn)定的階梯狀采樣保持信號，等待A/D轉換。,采樣保持工作過程,對采樣保持電路的要求,Ch上的電壓按照一定的精度跟蹤Usr，跟蹤時間盡量短，以適應最小采樣寬度Tc 保持時間要長，通常用下降率來表示保持能力；模擬開關的動作延時、閉合電阻和開斷時的漏電流要小。 前兩個指標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。 一般來講，要求快速捕獲，采樣周期短，電容要小一些；
14、 慢速捕獲，采樣周期長，電容大一些，穩(wěn)定性好，抗雜散電容影響能力強。,采樣保持電路的性能與電容的關系曲線,1保持下降率 2保持跳變誤差 30.1誤差的截獲時間 4充電速率 5頻帶 例子：若取Ch為0.01uf，則保持下降率為2mV/S，微機保護采樣速率高于2mS，沒問題；而截獲時間為20微妙，誤差相當于工頻0.36度，也沒有問題。 但是對于高頻采集行波采集就不行了！ 需要提醒的是：Ch經常需要外接。,模擬量多路轉換開關,繼電保護需要多的模擬量 數模轉換器是貴重的元器件 電路布板希望少的芯片 多路轉換器是一個理想的、經常采用的芯片 定義：是一個開關電路；接入很多模擬量；僅僅把其中的一路送給數模轉
15、換器去轉換。 不同的模擬量通過“分時”方式完成模數轉換過程。,多路轉換開關,組成：包括選擇接通路數的二進制譯碼電路和多路電子開關。 二進制譯碼電路決定哪個電子開關接通接入相應的待轉換模擬量 多路電子開關起分斷其它回路而僅僅接通待轉換的哪一路模擬量作用 16路多路轉換開關例(AD7506) A0A3是路數選擇線 接CPU，控制哪一路選通 A1A16是模擬量入 AS1AS16是電子開關 En是始能端,2.3 A/D式逐次逼近型數據采集系統(tǒng),A/D轉換器定義：是一個硬件電路，用于實現模擬量到數字量的轉換，也稱為A/D轉換器。它是把模擬量變成能讓計算機識別的數字量的橋梁。 應用范圍及其寬廣：隨時間連續(xù)
16、變化的模擬量、需要計算機來處理的都必須經過這個環(huán)節(jié)。像電壓、電流、溫度、壓力、速度等。 分類： 直接型：直接把模擬量轉換成數字代碼（逐次逼近型） 間接型：首先把模擬量轉換成某種變量（比如頻率），再轉換成數字代碼輸出（VFC壓頻變換式）,模數轉換器的一般原理,將輸入的模擬量Usr相對于模擬參考量UR經編碼電 路轉換成數字量D輸出 D可以表示為 B1Bn均為二進制碼。,數模轉換器，D/A轉換器,數模轉換器的作用是將數字量經解碼電路變成模擬 電壓或電流輸出。每位數字量都有一定的權，不同的權 就代表一個具體的數值。,4位數模轉換器說明圖,ADC轉換舉例,若待轉換的模擬量所對應的未知數字量應是DOH，逐
17、次逼近式8位A/D轉換器轉換過程如下：首先將D7置為1，輸出鎖存器輸出數字是10000000= 80H。經D/A轉換為模擬量并與Uin相比較，由于推測信號小于模擬輸入信號，所以，比較器輸出為1，則D7保持為1。再將D6置1，鎖存器輸出為11000000= C0H，小于D0H，則D6也保持為1。再將D5置1，鎖存器輸出為11100000=E0H，大于D0H，則D5應置為0。再將D4置1，鎖存器輸出為11010000=D0H，D4保持為1。再將D3置1，鎖存器輸出為11001000=D8H，大于D0H則D3位置為0。依次類推直至D0位，可得轉換結果為11000000=D0H。,電子開關K0K3分別
18、受4位輸入數字量B1B4控制。 在某位為零時，開關合向左側，即接地；為1時，合向右側，即接運放反相輸入端。 流向運算放大器反相輸入端的總電流反映了4位輸入數字量的大小，經帶有負反饋電阻的放大器放大后變換成電壓輸出。 圖中的特殊網絡結構和參數選擇使得各個電子開關所接通的回路具有不同的“權”值。 所以，運放輸入電流為,將一待轉換的模擬輸入信號Uin與一推測信號Ui相比較，根據推測信號大于還是小于輸入信號來決定是增大還是減小該推測信號，直至逼近輸入信號為止。推測信號由D/A轉換器的輸出獲得。,逐次逼近式模數轉換器原理,偏置結果變成單極性,轉換時間 精度要求 微機保護要承受100A電流，還要正確分辨1
19、0額定電流（精工電流）0.5安培。 12位AD可以滿足要求。如采用16位更好。,微機保護對模數轉換器的要求,A/D轉換器的主要技術指標,AD變換器的主要技術指標是分辨率、精度和變換速度。 分辨率是反映AD對輸入電壓信號微小變化的響應能力。AD變換器分辨率的計算公式為： AD滿量程電壓值2n (V) 式中，AD滿量程電壓值為變換器最大允許的輸入信號電壓范圍，n為變換器最大可輸出數字量對應的二進制位數。 以滿量程電壓值為土5V、最大可輸出數字量對應的二進制位數n12的AD變換器為例，其分辨率為：10212V104096V000244V,通常又用AD變換器的二進制位數來表示其分辨率在微機型保護中多使
20、用12位、14位或16位的AD變換器。如12位AD7847芯片、16位的AD7665。 AD變換器的精度是指AD變換的結果與實際輸入的接近程度，也就是準確度精度通常用最低有效位(LSB)來表征，即當AD變換結果用二進制數來表示時，其低位端最大可能有幾位是不準確的。 AD變換器的變換時間指的是進行一次AD變換所需的時間，目前微機型保護中常用的AD變換器的轉換時間為幾微秒至十幾微秒,2.4 VFC型數據采集系統(tǒng),VFC（Voltage Frequency Converter），電壓頻率轉換器 。 電壓、電流信號經電壓形成回路后，均變換成與輸入信號成比例的電壓量，經過VFC，將模擬電壓變換為脈沖信號
21、，該脈沖信號的頻率與輸入電壓成正比，經快速光電耦合器隔離后，由計數器進行計數。隨后，微型機在采樣間隔Ts內讀取的計數值就與輸入模擬量在Ts內的積分成正比，達到了將模擬量轉換為數字量的目的，實現了數據采集系統(tǒng)的功能。,信息共享,VFC轉換器,VFC轉換器是把電壓信號轉變?yōu)轭l率信號的器件，其輸出為一個等幅脈沖串，其頻率隨時間正比于輸入電壓瞬時值。它有良好的精度和線性度。此外，它的應用電路簡單對外圍元件性能要求不高，對環(huán)境適應能力強。,VFC工作原理,由輸入運放A1、過零檢測器A2、受控單穩(wěn)觸發(fā)器、電子開關及電阻電容組成。,VFC模數轉換,VFC工作原理,A1是一個積分運算放大器，它具有反饋電容Ci
22、nt和輸入電阻Rin。積分器的輸出電壓與存儲在Cint的電荷成正比。當輸入為電壓信號時，這個電壓通過Rin產生一個電流，對Cint進行充電，從而在輸出端產生一個負的斜坡電壓，當輸出電壓為零時，過零檢測器A2翻轉，其輸出端觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器，單穩(wěn)觸發(fā)器產生一個單脈沖信號。脈沖信號的寬度為Tos。 該脈沖信號一方面通過輸出驅動電路在Fout端產生一個脈沖信號，另一方面控制電子開關K。在Tos期間，電子開關K閉合，于是通過這個開關的電流IR對電容器反充電，積分器的輸出電壓變?yōu)檎?，直到Tos結束，電子開關斷開，輸入電壓又對電容器充電，運算放大器A1的輸出電壓再次從正變?yōu)榱?，過零檢測器再次觸發(fā)單穩(wěn)，單穩(wěn)觸發(fā)
23、器又產生一個脈沖信號，這個過程不斷重復，在輸出端產生一個脈沖序列。,當輸入電壓變高時，由于充電電流增大，充電速度快，A1輸出端的電壓下降也變快，于是脈沖信號的頻率增加，可見，該脈沖信號的頻率與輸入電壓的瞬時值成正比。從而將輸入電壓轉換成一系列等幅脈沖信號，計數器記錄一定的時間間隔內的脈沖數，從而實現了模擬信號到數字信號的轉換。 單穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈沖信號的寬度受RT和CT兩個參數的影響。通常在生產 VFC芯片時將RT固定，而CT由用戶外接，通過改變CT的大小，可改變輸出脈沖的寬度。當輸入電壓為最大值時，如果脈沖信號的寬度太 大，會使脈沖信號無法分辨，因而，每一種VFC芯片都有一個最高轉換頻率。例
24、如 VFCAD654芯片的最高轉換頻率為500kHz。,VFC數據采集系統(tǒng)特點,VFC數據采集系統(tǒng)特點 低通濾波 抗干擾能力強 位數可調 與微機接口簡單 多微機共享 不適于高速采樣,ADC式與VFC式數據采集系統(tǒng)比較,采用逐次逼近AD芯片構成的數據采集系統(tǒng)經AD轉換的結果可直接用于微機保護中的數字運算，而采用VFC芯片構成的數據采集系統(tǒng)中，由于計數器采用了減法計數器，所以每次采樣中斷從計數器讀出的計數值與模擬信號沒有對應關系。必須將相鄰幾次讀出的計數值相減后才能用于數字運算。 AD式芯片構成的數據采集系統(tǒng)的分辨率決定于AD芯片的位數。位數越高，分辨率也越高。但硬件一經選定則分辨率便固定。而由V
25、FC芯片構成的數據采集系統(tǒng)的分辨率不僅與VFC芯片的最高轉換頻率有關，而且還與軟件計算時所選取的計算間隔有關。計算間隔越長，分辨率越高。, AD式芯片構成的數據采集系統(tǒng)對瞬時的高頻干擾信號敏感，而VFC芯片構成的數據采集系統(tǒng)具有平滑高頻干擾的作用。采樣間隔越大，這種平滑作用越明顯。因此，在需要提取高次諧波時，如果采用VFC式數據采集系統(tǒng)，采樣頻率不應過低。 在硬件設計上，VFC式數據采集系統(tǒng)便于實現模擬系統(tǒng)與數字系統(tǒng)的隔離。便于 實現多個單片機共享同一路轉換結果。而AD式數據采集系統(tǒng)不便于數據共享和光電隔離。 在設計微機保護系統(tǒng)時，采用AD式數據采集系統(tǒng)時，至少應設有兩個中斷，即采樣中斷和AD
26、轉換結束中斷。對于多個模擬信號公用一片AD芯片時， 應考慮數據處理占用采樣中斷的時間。而VFC式可只設一個采樣中斷 (不考慮其他功能時)，軟件在采樣中斷中的任務是鎖存計數器，并讀計數器的值后存到循環(huán)存儲區(qū)。,采樣頻率的選擇 模擬低通濾波器 逐次逼近式模數轉換器 VFC式模數轉換器 作業(yè) 1 VFC電路中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用是什么？,小結,2.5 開關量輸入、輸出系統(tǒng) 微機保護所采集的信息通?？煞譃槟M量和開關量。無論何種類型的信息，在微機系統(tǒng)內部都是以二進制的形式存放在存儲器中。斷路器和隔離開關、繼電器的接點、按鈕和普通的開關、刀閘等都具有分、合兩種工作狀態(tài)，可以用0、1表示，因此，對它們的工作
27、狀態(tài)的輸入和控制命令的輸出都可以表示為數字量的輸入和輸出。 開關量輸入有兩類： 1.可以與CPU主系統(tǒng)使用共同電源，無需電氣隔離的開關量輸入。 2.與CPU主系統(tǒng)使用不同電源，需要電氣隔離的開關量輸入。如斷路器、隔離開關的輔助觸點，繼電器觸點等。,具有光電耦合器件的開關量輸入回路接線圖,開關量輸入回路,裝在面板上的接點5V系統(tǒng) 裝在端子排上的接點24V、48V、220V等，需要光電隔離,把發(fā)光器件（發(fā)光二極管）和光敏器件（受光導通）組合，可以實現光媒介的電信號傳變，這種器件被稱為光電耦合器；光隔離器；光傳感器； 光敏集成塊 常見光隔離器，二極管型、三極管型、達林頓型晶閘管型，驅動功率大小區(qū)分。
28、,光耦合器,開關量輸出主要包括保護的跳閘出口以及本地和中央信號輸出等。,采用光電耦合器件的開關量輸出回路,開關量輸出回路,保護的跳閘出口、本地信號和中央信號。 一般由并行輸出口、邏輯與非門、光電隔離器、有接點的繼電器組成。,2.6 WXB-11型線路保護裝置 WXB-11型微機保護裝置是用于110500kV各級電壓的輸電線路成套保護，能正確反映輸電線路的各種相間故障和接地故障，并進行一次重合閘。四個用于保護和重合閘功能的CPU1CPU4分別用來實現高頻、距離、零序和重合閘，它們被設計成四個獨立的插件，硬件電路完全相同，只是不同軟件實現不同的功能。,WXB-11型微機保護裝置硬件框圖,WXB-11型微機保護裝置面板圖,
微機保護構成及數據采集系統(tǒng).ppt
