微机继电保护装置的硬件原理学习教案.pptx

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1、会计学1微机继电保护装置的硬件微机继电保护装置的硬件(yn jin)原理原理第一页，共56页。1.2 1.2 1.2 1.2 比较式数据比较式数据比较式数据比较式数据(shj)(shj)(shj)(shj)采集系统采集系统采集系统采集系统 数据采集系统的作用：数据采集系统的作用：为模数转换（为模数转换（ADAD）做准备、转换模拟量为数字量）做准备、转换模拟量为数字量数据采集系统的特点：数据采集系统的特点：适应电力系统故障信号特点适应电力系统故障信号特点频谱分布宽广：从直流、衰减直流、工频基波分量频谱分布宽广：从直流、衰减直流、工频基波分量(fn ling)(fn ling)到各次谐波到各次谐波

2、（最高到数百千赫兹）在内的暂态信号（最高到数百千赫兹）在内的暂态信号动态范围宽广：从正常运行的几十安培到短路状态下的几万安培甚至几十动态范围宽广：从正常运行的几十安培到短路状态下的几万安培甚至几十万安培万安培适应继电保护特点要求适应继电保护特点要求模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则典型的高压线路保护需要：三相电流、零序电流；三相电压、线路侧线间典型的高压线路保护需要：三相电流、零序电流；三相电压、线路侧线间电压；电压；典型的三绕组变压器差动保护需要：每一绕组侧的三相电流典型的三绕组变压器差动保护需要：每一绕组侧的三相电流因此，微机保护是一个多模拟量输入

3、系统因此，微机保护是一个多模拟量输入系统第2页/共56页第二页，共56页。1.2 1.2 1.2 1.2 比较式数据比较式数据比较式数据比较式数据(shj)(shj)(shj)(shj)采集系统采集系统采集系统采集系统 微机保护装置中的数据采集系统按模数转换器的类型分为：微机保护装置中的数据采集系统按模数转换器的类型分为：采用逐次逼近式模数转换的比较式数据采集系统，采用逐次逼近式模数转换的比较式数据采集系统，采用采用VFVF变换器（变换器（VFCVFC）实现）实现(shxin)(shxin)数据转换的压频转换式数数据转换的压频转换式数据采集系统。据采集系统。本节将介绍比较式数据采集系统本节将介

4、绍比较式数据采集系统 第3页/共56页第三页，共56页。电压形成回路电压形成回路 要求要求继电保护所使用的电压、电流都是来自继电保护所使用的电压、电流都是来自于电压互感器（于电压互感器（100100伏、线间电压）伏、线间电压）和电流互感器（额定电流和电流互感器（额定电流5 5安或安或1 1安，安，短路电流短路电流100100安）安）把把100100伏左右的电压变换为适合伏左右的电压变换为适合ADAD转换转换(zhunhun)(zhunhun)需要的正负需要的正负2.52.5伏、正伏、正负负5 5伏、正负伏、正负1010伏的电压；伏的电压；把小于把小于1 1安安100100安的电流变换为适合安的

5、电流变换为适合ADAD转换转换(zhunhun)(zhunhun)需要的正负需要的正负2.52.5伏、伏、正负正负5 5伏、正负伏、正负1010伏的电压伏的电压隔离和屏蔽作用，以减小高压设备对微隔离和屏蔽作用，以减小高压设备对微机保护装置的干扰。机保护装置的干扰。第4页/共56页第四页，共56页。n n电压变换电压变换(binhun)(binhun)器器n n用于将一次电压变换用于将一次电压变换(binhun)(binhun)成微机保护模数转换成微机保护模数转换（ADAD）用的电）用的电n n压，普通变压器原理。压，普通变压器原理。n n电流变换电流变换(binhun)(binhun)器：用于

6、电流电流电压器：用于电流电流电压n n用于将一次电流变换用于将一次电流变换(binhun)(binhun)成微机保护模数转换成微机保护模数转换（ADAD）用的电）用的电n n压。普通变压器原理，把电流变换压。普通变压器原理，把电流变换(binhun)(binhun)成电流，成电流，再把一个小电阻再把一个小电阻n n并联在该变压器的二次侧，形成电压。并联在该变压器的二次侧，形成电压。n n要求该变压器的铁心不饱和。要求该变压器的铁心不饱和。第5页/共56页第五页，共56页。为了保证电压或电流变换的准确性，通常在设计变换器时，为了保证电压或电流变换的准确性，通常在设计变换器时，为了保证电压或电流变

7、换的准确性，通常在设计变换器时，为了保证电压或电流变换的准确性，通常在设计变换器时，应考虑满足以下原则：应考虑满足以下原则：应考虑满足以下原则：应考虑满足以下原则：（1 1 1 1）电压变换器之间、电流变换器之间以及电压变换器与）电压变换器之间、电流变换器之间以及电压变换器与）电压变换器之间、电流变换器之间以及电压变换器与）电压变换器之间、电流变换器之间以及电压变换器与电流变换器之间的原副方相位移要一致。电流变换器之间的原副方相位移要一致。电流变换器之间的原副方相位移要一致。电流变换器之间的原副方相位移要一致。（2 2 2 2）变换器的铁芯磁导率要选取适当，在整个工作范围内变换器的铁芯磁导率要

8、选取适当，在整个工作范围内变换器的铁芯磁导率要选取适当，在整个工作范围内变换器的铁芯磁导率要选取适当，在整个工作范围内保持线性传变，输入小信号时不失真，输入大信号时不饱和。保持线性传变，输入小信号时不失真，输入大信号时不饱和。保持线性传变，输入小信号时不失真，输入大信号时不饱和。保持线性传变，输入小信号时不失真，输入大信号时不饱和。（3 3 3 3）变换器本身的损耗要小，使变换器在传变过程变换器本身的损耗要小，使变换器在传变过程变换器本身的损耗要小，使变换器在传变过程变换器本身的损耗要小，使变换器在传变过程(guchng)(guchng)(guchng)(guchng)中一次、二次侧电量的相角

9、差尽可能的小。中一次、二次侧电量的相角差尽可能的小。中一次、二次侧电量的相角差尽可能的小。中一次、二次侧电量的相角差尽可能的小。第6页/共56页第六页，共56页。n n在设计电流变换器应考虑以下几点：在设计电流变换器应考虑以下几点：n n（1 1）优优先先保保证证在在输输出出为为最最小小工工作作电电流流时时，对对应应ADAD变变换换的的结结果果应应具具有有足足够够的的分分辨辨能力；能力；n n（2 2）保保证证在在可可能能(knng)(knng)出出现现的的最最大大短短路路电电流流条条件件下下，电电流流变变换换器器输输出出的的电电压压不不应使应使ADAD变换出现溢出，从而避免造成数字量紊乱；变

10、换出现溢出，从而避免造成数字量紊乱；n n（3 3）适适当当选选择择电电流流变变换换器器二二次次侧侧负负载载，使使电电流流变变换换器器在在一一次次侧侧出出现现最最大大短短路路电电流流时不至于出现饱和现象。时不至于出现饱和现象。第7页/共56页第七页，共56页。前置前置前置前置(qin zh)(qin zh)(qin zh)(qin zh)模拟低通滤波器模拟低通滤波器模拟低通滤波器模拟低通滤波器 滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时拟制无用频率信号的电路。滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时拟制无用频率信号的电路。滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时拟制无用频率信号的电路。滤波器是一种能使

11、有用频率信号通过，同时拟制无用频率信号的电路。低通滤波器是只让低于截止频率通过的滤波器。低通滤波器是只让低于截止频率通过的滤波器。低通滤波器是只让低于截止频率通过的滤波器。低通滤波器是只让低于截止频率通过的滤波器。前置模拟低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于各种消费、控前置模拟低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于各种消费、控前置模拟低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于各种消费、控前置模拟低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于各种消费、控制电路中的采样电路前，滤除高于制电路中的采样电路前，滤除高于制电路中的采样电路前，滤除高于制电路中的采样电路前，滤除高于2 2 2 2倍采样频率的

12、信号，因此截至频率被设置倍采样频率的信号，因此截至频率被设置倍采样频率的信号，因此截至频率被设置倍采样频率的信号，因此截至频率被设置为为为为1/2fs1/2fs1/2fs1/2fs。低通滤波器可以采用低通滤波器可以采用低通滤波器可以采用低通滤波器可以采用(ciyng)(ciyng)(ciyng)(ciyng)有源的、也可以采用有源的、也可以采用有源的、也可以采用有源的、也可以采用(ciyng)(ciyng)(ciyng)(ciyng)无源的。无源的。无源的。无源的。无源滤波器构成简单，但电阻和电容回路对信号有衰减作用，并会带来无源滤波器构成简单，但电阻和电容回路对信号有衰减作用，并会带来无源滤

13、波器构成简单，但电阻和电容回路对信号有衰减作用，并会带来无源滤波器构成简单，但电阻和电容回路对信号有衰减作用，并会带来时间延迟，仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护时间延迟，仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护时间延迟，仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护时间延迟，仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护有源滤波器抗冲击干扰能力差，但滤波性能好。性能越好的滤波器延时有源滤波器抗冲击干扰能力差，但滤波性能好。性能越好的滤波器延时有源滤波器抗冲击干扰能力差，但滤波性能好。性能越好的滤波器延时有源滤波器抗冲击干扰能力差，但滤波性能好。性能越好的滤波器延时越长，造成信号不同步的可能性越大。越长，造

14、成信号不同步的可能性越大。越长，造成信号不同步的可能性越大。越长，造成信号不同步的可能性越大。继电保护常常采用继电保护常常采用继电保护常常采用继电保护常常采用(ciyng)(ciyng)(ciyng)(ciyng)普通的一阶（最高二阶的有源或无源）滤普通的一阶（最高二阶的有源或无源）滤普通的一阶（最高二阶的有源或无源）滤普通的一阶（最高二阶的有源或无源）滤波器来限制接近工频分量的谐波信息混进来！波器来限制接近工频分量的谐波信息混进来！波器来限制接近工频分量的谐波信息混进来！波器来限制接近工频分量的谐波信息混进来！第8页/共56页第八页，共56页。1.1.1.1.无源无源无源无源(w yun)(

15、w yun)(w yun)(w yun)低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器 n n在在微微机机保保护护中中常常采采用用(ciyng)(ciyng)的的一一种种二二阶阶RCRC滤滤波波器器如如图图1-31-3所所示示。其传递函数为：其传递函数为：第9页/共56页第九页，共56页。2.有源低通滤波器有源低通滤波器 n n有源低通滤波器的设计就是通过选择不同的传递函数去逼近理想低通特有源低通滤波器的设计就是通过选择不同的传递函数去逼近理想低通特性性(txng)(txng)。可用的逼近函数有：。可用的逼近函数有：n nButterworthButterworth（最平幅度特性（最平幅度特性(tx

16、ng)(txng)）n nCheybyshevCheybyshev（等波汶特性（等波汶特性(txng)(txng)）n nBesselBessel（最平延迟特性（最平延迟特性(txng)(txng)）n n当前模拟滤波器的设计较为成熟，有大量的设计成果及专用集成电路当前模拟滤波器的设计较为成熟，有大量的设计成果及专用集成电路（如（如MAXMAX系列）可供选择，详细内容可参考相关资料。系列）可供选择，详细内容可参考相关资料。第10页/共56页第十页，共56页。n n1.1.1.1.采样保持（采样保持（采样保持（采样保持（S/H,Sampling and HoldingS/H,Sampling a

17、nd HoldingS/H,Sampling and HoldingS/H,Sampling and Holding）电路）电路）电路）电路(dinl)(dinl)(dinl)(dinl)基本原理基本原理基本原理基本原理n n 采样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为在时间上离散的采样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为在时间上离散的采样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为在时间上离散的采样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为在时间上离散的模拟量。模拟量。模拟量。模拟量。n n 采样过程是将模拟信号首先通过采样保持器，每隔采样过程是将模拟信号首先通过采样保持器，每隔采样过程是将模拟信号

18、首先通过采样保持器，每隔采样过程是将模拟信号首先通过采样保持器，每隔TsTsTsTs采样一次采样一次采样一次采样一次（定时采样）输入信号的即时幅度，并把它存放在保持电路（定时采样）输入信号的即时幅度，并把它存放在保持电路（定时采样）输入信号的即时幅度，并把它存放在保持电路（定时采样）输入信号的即时幅度，并把它存放在保持电路(dinl)(dinl)(dinl)(dinl)里，供里，供里，供里，供A/DA/DA/DA/D换器使用。换器使用。换器使用。换器使用。采样采样(ci(ci yn)yn)保持保持电路电路第11页/共56页第十一页，共56页。组成：它由电子模拟开关组成：它由电子模拟开关ASAS

19、、保持电容器、保持电容器ChCh及两个阻抗变及两个阻抗变换器组成。换器组成。ChCh的作用是记忆的作用是记忆ASAS闭合时刻的电压，并在闭合时刻的电压，并在ASAS打开后保持该打开后保持该电压。电压。阻抗变换器阻抗变换器I I在在ChCh端提供低阻抗，使得端提供低阻抗，使得ChCh电压建立迅速，电压建立迅速，而在输入端呈现高阻抗，以尽量减少对输入回路的影响；而在输入端呈现高阻抗，以尽量减少对输入回路的影响；阻抗变换器阻抗变换器在在ChCh端提供高阻抗，使得端提供高阻抗，使得ChCh衰减缓慢，而在衰减缓慢，而在后边呈现低阻抗以提高带负载后边呈现低阻抗以提高带负载(fzi)(fzi)的能力。的能力

20、。采样电路采样电路的工作的工作(gngzu)(gngzu)原理原理第12页/共56页第十二页，共56页。图16 采样(ci yn)保持过程第13页/共56页第十三页，共56页。2.采样采样(ci yn)方式方式 n n（1 1）单一通道的采样）单一通道的采样(ci yn)(ci yn)方式方式 n n1)1)异步采样异步采样(ci yn)(ci yn)。异步采样。异步采样(ci yn)(ci yn)也称定时采样也称定时采样(ci yn)(ci yn)。等间。等间隔采样隔采样(ci yn)(ci yn)周期周期 永远保持固定不变，即永远保持固定不变，即 为常数。微机继电保护中的为常数。微机继电保

21、护中的采样采样(ci yn)(ci yn)频率通常取为电力系统工频的整数倍频率通常取为电力系统工频的整数倍N N，但电力系统运行中，基，但电力系统运行中，基频可能发生变化而偏离工频，故障状态下偏离甚至很严重。这时采样频可能发生变化而偏离工频，故障状态下偏离甚至很严重。这时采样(ci(ci yn)yn)频率相对于基频不再是整数倍关系，因此这种采样频率相对于基频不再是整数倍关系，因此这种采样(ci yn)(ci yn)方式会给许方式会给许多算法带来误差，微机保护中已经不再使用这种方式。多算法带来误差，微机保护中已经不再使用这种方式。n n 2)2)同步采样同步采样(ci yn)(ci yn)。同步

22、采样。同步采样(ci yn)(ci yn)的主要方式为同步跟踪采样的主要方式为同步跟踪采样(ci yn)(ci yn)。跟踪采样。跟踪采样(ci yn)(ci yn)的采样的采样(ci yn)(ci yn)周期周期 不再恒定，而是使不再恒定，而是使采样采样(ci yn)(ci yn)频率频率 跟踪系统基频跟踪系统基频 的变化，始终保持的变化，始终保持 (不变整数不变整数)。为。为了实现这一目的，通常是通过硬件或软件测取基频的变化，然后动态调整采样了实现这一目的，通常是通过硬件或软件测取基频的变化，然后动态调整采样(ci yn)(ci yn)周期来实现。周期来实现。第14页/共56页第十四页，共

23、56页。（2 2）多通道间的采样）多通道间的采样(ci(ci yn)yn)方式方式 n n1 1）同时）同时(tngsh)(tngsh)采样采样 图1-7 同时采样电路结构原理图a)同时采样，同时AD转换(zhunhun)b)同时采样，依次AD转换(zhunhun)第15页/共56页第十五页，共56页。n n2 2）顺序采样）顺序采样(c(c i yni yn)n n在每一个采样在每一个采样(c(c i yni yn)周期内，对上一个通道完成采周期内，对上一个通道完成采样样(c(c i yni yn)及及ADAD转换后，再开始对下一个通道进行采转换后，再开始对下一个通道进行采样样(c(c i

24、yni yn)及转换的方式叫顺序采样及转换的方式叫顺序采样(c(c i yni yn).).第16页/共56页第十六页，共56页。2.采样采样(ci yn)频率的频率的选择选择 采样频率的选择必须满足采样频率的选择必须满足(mnz)(mnz)采样定理的要求，即采样频率必须大于采样定理的要求，即采样频率必须大于原始信号中最高频率的二倍，否则将造成频率混叠，采样后的信号不能真原始信号中最高频率的二倍，否则将造成频率混叠，采样后的信号不能真实代表原始信号。实代表原始信号。采样频率的高限受到采样频率的高限受到CPUCPU的速度、被采集的模拟信号的路数、的速度、被采集的模拟信号的路数、A AD D转换后

25、转换后的数据与存储器的数据传送方式的制约。的数据与存储器的数据传送方式的制约。如果考虑目前的继电保护主要是基于工频故障信息构成的，那么，高频故如果考虑目前的继电保护主要是基于工频故障信息构成的，那么，高频故障信息应该障信息应该/可以滤除，这样将降低对可以滤除，这样将降低对CPUCPU和采样速率的要求。目前微机保和采样速率的要求。目前微机保护普遍采用护普遍采用600Hz600Hz（1.6671.667毫秒）、毫秒）、1kHz1kHz（1 1毫秒）、毫秒）、1.8kHz1.8kHz（0.550.55毫秒）的毫秒）的采样频率，它们都能够满足采样频率，它们都能够满足(mnz)(mnz)工频故障信息和工

26、频故障信息和3 3次、次、5 5次谐波的采样和次谐波的采样和分辨要求。分辨要求。第17页/共56页第十七页，共56页。继电保护需要多的模拟量继电保护需要多的模拟量模数转换器是贵重的元器件模数转换器是贵重的元器件电路布板希望少的芯片电路布板希望少的芯片多路转换器是一个理想的、经常采用的芯片多路转换器是一个理想的、经常采用的芯片定义：是一个开关电路；接入很多模拟量；仅仅把定义：是一个开关电路；接入很多模拟量；仅仅把其中的一路送给模数转换器去转换。不同的模拟量其中的一路送给模数转换器去转换。不同的模拟量通过通过(tnggu)“(tnggu)“分时分时”方式完成模数转换过程。方式完成模数转换过程。模拟

27、量多路转换开关模拟量多路转换开关模拟量多路转换开关模拟量多路转换开关 第18页/共56页第十八页，共56页。模拟量多路转换开关模拟量多路转换开关模拟量多路转换开关模拟量多路转换开关n n组成：包括选择接通路数的二进制译码电路和多路电子开关。组成：包括选择接通路数的二进制译码电路和多路电子开关。组成：包括选择接通路数的二进制译码电路和多路电子开关。组成：包括选择接通路数的二进制译码电路和多路电子开关。n n二进制译码电路决定哪个电子开关接通二进制译码电路决定哪个电子开关接通二进制译码电路决定哪个电子开关接通二进制译码电路决定哪个电子开关接通接入相应的待转换模拟量接入相应的待转换模拟量接入相应的待

28、转换模拟量接入相应的待转换模拟量n n多路电子开关起分断其它回路多路电子开关起分断其它回路多路电子开关起分断其它回路多路电子开关起分断其它回路(hul)(hul)(hul)(hul)而仅仅接通待转换的哪一路模而仅仅接通待转换的哪一路模而仅仅接通待转换的哪一路模而仅仅接通待转换的哪一路模拟量作用拟量作用拟量作用拟量作用n n常用的多路开关有常用的多路开关有常用的多路开关有常用的多路开关有8 8 8 8通道的通道的通道的通道的AD7501AD7501AD7501AD7501、CD4501CD4501CD4501CD4501，16161616通道的通道的通道的通道的AD7506AD7506AD750

29、6AD7506等。等。等。等。以以以以16161616路多路转换开关例路多路转换开关例路多路转换开关例路多路转换开关例n nA0A0A0A0A3A3A3A3是路数选择线是路数选择线是路数选择线是路数选择线n n接接接接CPUCPUCPUCPU，控制哪一路选通，控制哪一路选通，控制哪一路选通，控制哪一路选通n nA1A1A1A1A16A16A16A16是模拟量入是模拟量入是模拟量入是模拟量入n nAS1AS1AS1AS1AS16AS16AS16AS16是电子开关是电子开关是电子开关是电子开关n nEnEnEnEn是始能端是始能端是始能端是始能端第19页/共56页第十九页，共56页。n n 定义：

30、是一个硬件电路，用于实现模拟量到数字量的转换，也称为定义：是一个硬件电路，用于实现模拟量到数字量的转换，也称为A/DA/D转换器。它转换器。它将输入的模拟量相对于模拟参考量（模拟基准量）进行比较，经过译码电路转换成数字将输入的模拟量相对于模拟参考量（模拟基准量）进行比较，经过译码电路转换成数字量输出。它是把模拟量变成能让计算机识别的数字量的桥梁量输出。它是把模拟量变成能让计算机识别的数字量的桥梁(qioling)(qioling)。n n 应用范围及其宽广：随时间连续变化的模拟量、需要计算机来处理的都必须经过应用范围及其宽广：随时间连续变化的模拟量、需要计算机来处理的都必须经过这个环节。像电压

31、、电流、温度、压力速度等这个环节。像电压、电流、温度、压力速度等.模数转换器模数转换器 第20页/共56页第二十页，共56页。n n模数转换器的一般模数转换器的一般(ybn)(ybn)原原理理 n n 将输入的模拟量将输入的模拟量U U相对于相对于模拟参考量模拟参考量URUR经编码电路转换经编码电路转换成数字量成数字量D D输出输出n n n n D D可以表示为可以表示为n n n nB1B1BnBn均为二进制码。均为二进制码。第21页/共56页第二十一页，共56页。模数转制模数转制(zhun zh)(zhun zh)器的主要技术指标有：器的主要技术指标有：n n1.1.分分辨辨率率。模模数

32、数转转换换时时，模模数数转转换换器器对对模模拟拟(mn)(mn)量量的的辨辨别别能能力力称称为为分分辨辨率率。分分辨辨率率通通常常用用二二进进制制数数字字量量的的位位数数来来表表示示。它它表表明明了了模模数数转转换换器器能能对对其其满满量量的的变变化化量量作作出出反反应应。例例如如1212位位的的模模数数转转换换器器的的满满量量程程为为10V10V，则则有有V V，如果输入电压的变化量低于，如果输入电压的变化量低于0.0024V0.0024V，则模数转换器将无法分辨。，则模数转换器将无法分辨。n n2.2.输输入入模模拟拟(mn)(mn)量量的的极极性性。指指模模数数转转换换器器要要求求输输入

33、入的的信信号号是是单单极极性性还还是双极性的电压。是双极性的电压。n n3.3.量量程程。指指模模数数转转换换器器输输入入模模拟拟(mn)(mn)电电压压转转换换的的范范围围，如如0 0+5V+5V，0 0+10V+10V，-5V-5V+5V+5V等。等。n n4.4.精精度度。模模数数转转换换器器的的转转换换精精度度有有绝绝对对精精度度和和相相对对精精度度两两种种表表示示方方法法。通通常常用用数数字字量量的的位位数数来来表表示示绝绝对对精精度度单单位位，如如精精度度是是最最低低位位的的1/21/2位位即即1/2LSB1/2LSB；而用百分比来表示满量程的相对误差，如；而用百分比来表示满量程的

34、相对误差，如0.05%0.05%。n n5.5.转转换换时时间间与与速速率率。指指模模数数转转换换器器完完成成一一次次将将模模拟拟(mn)(mn)量量转转换换为为数数字字量的过程所需要的时间。量的过程所需要的时间。第22页/共56页第二十二页，共56页。微机保护中较常用微机保护中较常用(chn yn)(chn yn)的的A AD D转转换器芯片换器芯片:n nMAX125,ADS8364MAX125,ADS8364，AD7656 AD7656 等等n nADS8364ADS8364框图框图(kungt)(kungt)第23页/共56页第二十三页，共56页。ADS 8364主要主要(zhyo)特

35、性特性:n n1 16 6路全差分输入通道。路全差分输入通道。n n2 26 6个个模模拟拟输输入入端端都都有有一一个个ADCsADCs保保持持信信号号，可可实实现现所所有有通通道道的的同同步采样与转换。步采样与转换。n n3 3每个通道都有独立的每个通道都有独立的1616位位ADCADC，确保无误差的，确保无误差的1414位转换精度。位转换精度。n n4 4同同步步运运行行下下250kHz250kHz的的最最大大采采样样速速度度，5OkHz5OkHz的的采采样样频频率率下下共共模模抑制比抑制比80dB80dB，确保在高噪声环境，确保在高噪声环境(hunjng)(hunjng)下的高速可靠运行

36、。下的高速可靠运行。n n5 5并行数据接口。并行数据接口。n n6 6模模拟拟与与数数字字逻逻辑辑电电源源均均采采用用单单+5V+5V电电压压供供电电，而而数数字字接接口口缓缓冲冲电电源源采采用用3 35V5V，可可灵灵活活地地与与各各种种电电压压类类型型的的DSPDSP器器件件进进行行接接口口设计。设计。第24页/共56页第二十四页，共56页。n n微机保护对模数转换器的要微机保护对模数转换器的要求求n n转换时间转换时间n n精度要求精度要求n n微机保护要承受微机保护要承受100A电流，电流，还要正确分辨还要正确分辨10额定电流额定电流（精工（精工(jn n)电流）电流）0.5安培。安

37、培。n n12位位AD可以满足要求。如采可以满足要求。如采用用16位更好位更好第25页/共56页第二十五页，共56页。1.3 1.3 压频转换式压频转换式（VFCVFC）数据采集）数据采集(cij)(cij)系统系统VFC-Voltage Frequency Converter,VFC-Voltage Frequency Converter,VFC-Voltage Frequency Converter,VFC-Voltage Frequency Converter,电电电电压频率转换器压频率转换器压频率转换器压频率转换器经电压形成回路后，经过经电压形成回路后，经过经电压形成回路后，经过经电压

38、形成回路后，经过VFCVFCVFCVFC，将模拟，将模拟，将模拟，将模拟电压变换为脉冲电压变换为脉冲电压变换为脉冲电压变换为脉冲(michng)(michng)(michng)(michng)信号，由计数信号，由计数信号，由计数信号，由计数器进行计数。这样在采样间隔内的计数值器进行计数。这样在采样间隔内的计数值器进行计数。这样在采样间隔内的计数值器进行计数。这样在采样间隔内的计数值就与采样对象的积分值成比例。实现了模就与采样对象的积分值成比例。实现了模就与采样对象的积分值成比例。实现了模就与采样对象的积分值成比例。实现了模数转换。数转换。数转换。数转换。第26页/共56页第二十六页，共56页。

39、VFC模数转换基本原理模数转换基本原理 n n 采用电荷平衡原理的采用电荷平衡原理的VFCVFC模数转换电路如图模数转换电路如图1-101-10所示，主要包所示，主要包括括(boku)(boku)输入运算放大器输入运算放大器A1A1、过零检测器、过零检测器A2A2、受控高精度的单稳、受控高精度的单稳触发器和输出驱动电路。触发器和输出驱动电路。第27页/共56页第二十七页，共56页。n n图中运放A1、R、C组成一个积分器，运放A2为过零电压比较器。开关S受单稳态触发器输出控制。当单稳在稳态期间，S打开；当单稳在暂稳态期间，S闭合。单稳的输出经三极管放大后为脉冲信号输出。整个(zhngg)电路可

40、视为一个振荡频率受输入电压控制的多谐振荡器。第28页/共56页第二十八页，共56页。电荷平衡式电荷平衡式VFC模数转模数转换波形换波形(b xn)：n n 设脉冲设脉冲(michng)(michng)信号的周期为信号的周期为T T，其中低脉，其中低脉冲冲(michng)(michng)的宽度为的宽度为t0t0，根据电荷平衡原理有如，根据电荷平衡原理有如下关系下关系:第29页/共56页第二十九页，共56页。n n 输出脉冲信号的频率与输入电压的瞬时值成正比。而单稳触发器的输出脉冲信号的宽度(kund)受RT和CT两个参数的影响。n n 例如AD654芯片的最高转换频率为500kHz。最高转换频率

41、与输入回路等效电阻和CT的关系如下:第30页/共56页第三十页，共56页。常用常用VFCVFC芯片芯片(xn(xn pin)pin)简介简介 n n1 1AD654AD654芯片芯片n n AD654AD654是是美美国国模模拟拟器器件件公公司司生生产产的的一一种种低低成成本本，8 8脚脚封封装装的的电电压压频频率率(pnl)(V/F)(pnl)(V/F)转转换换器器。它它由由低低漂漂移移输输入入放放大大器器、精精密密振振荡荡器器系系统统和和输输出出驱驱动动级级组组成成，使使用用时时只只需需一一个个RCRC网网络络，即即可可构构成成应应用用电电路路。其其管管脚脚及及内内部部电电路路如如图图1-

42、1-1212所示。所示。第31页/共56页第三十一页，共56页。AD654AD654AD654AD654芯片芯片芯片芯片(xn pin)(xn pin)(xn pin)(xn pin)主要参数如下：主要参数如下：主要参数如下：主要参数如下：n n电源电压电源电压(Vs)(Vs)：单端：单端536V536V；双端；双端(5V 18V)(5V 18V)；n n满刻度输出频率：满刻度输出频率：500kHz500kHz；n n模模拟拟信信号号输输入入(shr)(shr)方方式式：负负端端电电流流输输入入(shr)(shr)方方式式，正正或或负负端端电电压压输输入入(shr)(shr)方式；方式；n n

43、模模拟拟电电压压信信号号输输入入(shr)(shr)范范围围：单单端端供供电电方方式式时时，0V(+US-4V)0V(+US-4V)；双双端端供供电电方方式式时时，-Us(+Us-4V)-Us(+Us-4V)；n n最大输入最大输入(shr)(shr)电流：电流：1mA1mA；n n输入输入(shr)(shr)阻抗：阻抗：250M250Mn n输出方式及负载能力：开路集电极输出，可驱动输出方式及负载能力：开路集电极输出，可驱动1212个个TTLTTL负载；负载；n n输出频率与输入输出频率与输入(shr)(shr)电压关系：电压关系：第32页/共56页第三十二页，共56页。2 2 2 2VFC

44、ll0VFCll0VFCll0VFCll0芯片芯片芯片芯片(xn pin)(xn pin)(xn pin)(xn pin)n nVFCll0电压频率变换芯片是第三代VFC芯片。采用电荷平衡原理(yunl)实现电压到频率的转换。对10V的输入满刻度输出频率为4MHz。第33页/共56页第三十三页，共56页。3.3.由由VFCVFC芯片构成的数芯片构成的数据据(shj)(shj)采集系统电采集系统电路路n n变换器：输入为电压互感器的二次电压或电流互感器的二次电流。变换器：输入为电压互感器的二次电压或电流互感器的二次电流。n n浪涌吸收器：由浪涌吸收器：由RCRC网络构成，可吸收高频干扰信号。网络

45、构成，可吸收高频干扰信号。n n电电压压频频率率变变换换器器：由由电电荷荷平平衡衡式式VFCVFC芯芯片片实实现现电电压压到到频频率率的的转转化化。将将模模拟拟信号变为数字信号。信号变为数字信号。n n光光电电隔隔离离器器；由由光光电电隔隔离离芯芯片片实实现现模模拟拟系系统统与与数数字字系系统统的的隔隔离离，具具有有抗抗干扰的作用干扰的作用(zuyng)(zuyng)。n n 计计数数器器：由由可可编编程程的的计计数数器器芯芯片片构构成成。通通常常为为1616值值计计数数器器如如82C5382C53，82C5482C54等。等。第34页/共56页第三十四页，共56页。由由VFCll0VFCll

46、0芯片构成芯片构成(guchng)(guchng)的数据采集的数据采集系统电路系统电路 第35页/共56页第三十五页，共56页。逐次逼近逐次逼近(bjn)(bjn)式模数式模数转换和压频转换式两种转换和压频转换式两种模数转换方式的分析模数转换方式的分析n n 1采用逐次逼近A/D芯片构成的数据采集系统经A/D转换的结果可直接用于微机保护中的数字运算，n n 采用VFC芯片构成的数据采集系统中，由于计数器采用了减法计数器，所以每次采样中断从计数器读出的计数值与模拟信号没有对应关系。必须将相邻几次读出的计数值相减后才能用于数字运算。n n 2A/D芯片构成的数据采集系统的分辨率决定于A/D芯片的位

47、数。位数越高，分辨率也越高。但硬件(yn jin)一经选定则分辨率便固定。n n 由VFC芯片构成的数据采集系统的分辨率不仅与VFC芯片的最高转换频率有关，而且还与软件计算时所选取的计算间隔有关。计算间隔越长，分辨率越高。第36页/共56页第三十六页，共56页。n n3 3A/DA/D芯芯片片构构成成的的数数据据采采集集系系统统对对瞬瞬时时的的高高频频干干扰扰信信号号敏敏感感，而而VFCVFC芯芯片片构构成成的的数数据据采采集集系系统统具具有有平平滑滑高高频频干干扰扰的的作作用用。采采样样间间隔隔越越大大，这这种种平平滑滑作用越明显。作用越明显。n n4 4在在硬硬件件设设计计上上，VFCVF

48、C式式数数据据采采集集系系统统便便于于实实现现模模拟拟系系统统与与数数字字系系统统的的隔隔离离。便便于于实实现现多多个个单单片片机机共共享享同同一一路路转转换换结结果果。而而A/DA/D式式数数据据采采集集系系统统不不便于数据共享和光电隔离。便于数据共享和光电隔离。n n5 5在在设设计计微微机机保保护护系系统统时时，采采用用A/DA/D式式数数据据采采集集系系统统时时，至至少少应应设设有有两两个个中中断断，一一个个是是采采样样中中断断，另另一一个个是是A/DA/D转转换换结结束束中中断断。对对于于多多个个模模拟拟信信号号公公用用一一片片A/DA/D芯芯片片时时，应应考考虑虑数数据据处处理理占

49、占用用采采样样中中断断的的时时间间。而而VFCVFC式式数数据据采采集集系系统统中中可可只只设设一一个个采采样样中中断断(不不考考虑虑其其他他功功能能时时)，软软件件在在采采样样中中断断中中的任务是锁存计数器，并读计数器的值后存到循环的任务是锁存计数器，并读计数器的值后存到循环(xnhun)(xnhun)存储区。存储区。第37页/共56页第三十七页，共56页。1.4 微机继电保护微机继电保护(j din bo h)装置的装置的CPU主系统主系统 n nCPUCPU主系统是微机继电保护装置主系统是微机继电保护装置(zhungzh)(zhungzh)的核心部分，包括中央处理器单的核心部分，包括中央

50、处理器单元（元（CPUCPU）、只读存储器（一般用）、只读存储器（一般用EPROMEPROM）、随机存取存储器（）、随机存取存储器（RAM RAM）以及定时）以及定时器等。器等。n n中央处理器单元（中央处理器单元（CPUCPU）的不同结构，可以分为以下几种形式：）的不同结构，可以分为以下几种形式：第38页/共56页第三十八页，共56页。1单单CPU结构结构(jigu)n n 单单CPUCPU结构是指整套微机保护装置共用一个单片微机，结构是指整套微机保护装置共用一个单片微机，无论是数据采集无论是数据采集(cij)(cij)、数据处理、开关量输入输出及、数据处理、开关量输入输出及人机接口等均由一