1、第十四章第十四章 微机继电保护原理微机继电保护原理第十四章 微机继电保护原理第一节 概述第二节 微机继电保护装置硬件的构成原理第三节 数字滤波器第四节 微机继电保护的算法第五节 微机保护的软件第六节 提高危机继电保护装置可靠性的措施本章学习要求1、了解微机保护装置硬件构成原理。重点掌握数据采集系统。2、掌握数字滤波器的基本概念和几种基本数字滤波器。3、掌握微机保护的几种基本算法，并比较各种算法的优缺点。4、了解微机保护软件构成原理。掌握流程图的设计方法。5、了解微机抗干扰的基本措施和具体实施方法。第十四章 微机继电保护原理第一节第一节 概述概述一、一、微机微机继电继电保护发展保护发展概述概述二
2、、二、微机保护的特点微机保护的特点 一、一、微机微机继电继电保护发展保护发展概况概况l 微机计算机继电保护，简称微机保护，是数字式继电保护，是基微机计算机继电保护，简称微机保护，是数字式继电保护，是基于可编程数字电路技术和实时数字信号处理技术实现的电力系统于可编程数字电路技术和实时数字信号处理技术实现的电力系统继电保护。对于微机保护的一些基本概念在第一章第三节中数字继电保护。对于微机保护的一些基本概念在第一章第三节中数字型的微机继电保护中已作了简要介绍。型的微机继电保护中已作了简要介绍。l 继电保护装置按其实现技术可分为机电型、整流型、晶体管型、继电保护装置按其实现技术可分为机电型、整流型、晶
3、体管型、集成电路型和微机型五大类，虽然目前这五类保护在电力系统中集成电路型和微机型五大类，虽然目前这五类保护在电力系统中都在使用，但微机保护装置在电力系统中已占主导地位，在发达都在使用，但微机保护装置在电力系统中已占主导地位，在发达国家，微机保护占现有保护的国家，微机保护占现有保护的70%70%以上。以上。l 目前，国内外已研制出以目前，国内外已研制出以3232位数字信号处理器为硬件基础的保护、位数字信号处理器为硬件基础的保护、控制、测量及数据通信一体化的微机保护综合控制装置。一些人控制、测量及数据通信一体化的微机保护综合控制装置。一些人工智能技术引入继电保护中，如用人工神经网络、模糊理论实现
4、工智能技术引入继电保护中，如用人工神经网络、模糊理论实现故障类型判别、故障测距、方向保护、主设备保护等新方法。用故障类型判别、故障测距、方向保护、主设备保护等新方法。用小波理论的数字手段分析故障产生信号的整个频带信息并用于实小波理论的数字手段分析故障产生信号的整个频带信息并用于实现故障检测。这些人工智能技术不仅为提高故障判别精确度提供现故障检测。这些人工智能技术不仅为提高故障判别精确度提供了手段，而且使某些基于单一工频信号的传统算法难以识别的问了手段，而且使某些基于单一工频信号的传统算法难以识别的问题得到解决。目前，微机继电保护正沿着微机保护网络化、智能题得到解决。目前，微机继电保护正沿着微机
5、保护网络化、智能化、自适应和保护、控制、测量、信号、数据通信一体化的方向化、自适应和保护、控制、测量、信号、数据通信一体化的方向发展。发展。二、二、微机保护的特点微机保护的特点(1)(1)维修调试方便维修调试方便(2)(2)可靠性高可靠性高(3)(3)易于获得各种附加功能易于获得各种附加功能(4)(4)灵活性大灵活性大（5 5）保护性能易于改善保护性能易于改善(6 6)经济性好经济性好 第二节 微机保护装置的硬件构成原理一、数据采集系统一、数据采集系统二、计算机系统二、计算机系统三、开关量输入输出单元三、开关量输入输出单元四、通讯单元四、通讯单元五、电源五、电源 微机保护装置的结构如图微机保护
6、装置的结构如图14-014-0所示：所示：图图14-0 微机保护装置硬件原理框图微机保护装置硬件原理框图第二节第二节 微机保护装置的硬件构成原理微机保护装置的硬件构成原理第二节第二节 微机保护装置的硬件构成微机保护装置的硬件构成原理原理 微机保护装置的硬件结构如图微机保护装置的硬件结构如图14-014-0所示，由数据采集所示，由数据采集单系统，即模拟量输入部分；数据处理系统，即计算单系统，即模拟量输入部分；数据处理系统，即计算机系统；开关量输入机系统；开关量输入/输出通道；外部通信接口和电源输出通道；外部通信接口和电源构成。构成。（1 1）数据采集系统数据采集系统。模拟量输入通道为电流、电压。
7、模拟量输入通道为电流、电压信号，由于电流、电压为随时间变化的连续信号，而信号，由于电流、电压为随时间变化的连续信号，而计算机只接收数字信号，因此，需要将这种类型的模计算机只接收数字信号，因此，需要将这种类型的模拟信号转变为数字信号，完成模拟量到数字量的转换。拟信号转变为数字信号，完成模拟量到数字量的转换。包括电流、电压形成和模数转换模块，完成模拟输入包括电流、电压形成和模数转换模块，完成模拟输入量准确地转换为数字信号的功能；量准确地转换为数字信号的功能；（2 2）计算机系统计算机系统。计算机系统包括微处理器、存储器、。计算机系统包括微处理器、存储器、随机存储器、定时器及并行口等。微处理器执行存
8、放随机存储器、定时器及并行口等。微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序，对由数据采集系统输入在程序存储器中的保护程序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护功能；种继电保护功能；第二节第二节 微机保护装置的硬件构成微机保护装置的硬件构成原理原理（3 3）开关量输入输出通道开关量输入输出通道。微机继电保护装置。微机继电保护装置通过数字量输出实现对断路器等控制。由若干通过数字量输出实现对断路器等控制。由若干并行接口、光电耦合器件及中间继电器等组成，并行接口、光电耦合器件及中间继电器等组成，完成各种保护出口跳闸、信
9、号报警、外部触点完成各种保护出口跳闸、信号报警、外部触点输入及人机对话等功能；输入及人机对话等功能；（4 4）通信接口通信接口。包括通信接口电路和接口，以。包括通信接口电路和接口，以实现多机通信或联网；实现多机通信或联网；（5 5）电源电源。电源的作用是将。电源的作用是将220V220V或或110V110V直流电直流电源变换成供给微处理器、数字电路、模数转换源变换成供给微处理器、数字电路、模数转换芯片及继电器所需要的弱电电压，有芯片及继电器所需要的弱电电压，有12V12V、24V24V、5V5V等。等。微机保护模数变换方式主要有两种，一种是微机保护模数变换方式主要有两种，一种是ADCADC方方
10、式，另一种是式，另一种是VFCVFC方式。对于中低压电力系统，这方式。对于中低压电力系统，这两种方式都在使用，而高压或超过高压的保护装两种方式都在使用，而高压或超过高压的保护装置，我国目前采用置，我国目前采用VFCVFC变换方式。变换方式。ADCADC方式是将模方式是将模拟量直接转换为数字量的方法，而拟量直接转换为数字量的方法，而VFCVFC是将模拟量是将模拟量先转变为频变脉冲量，再通过脉冲计数变换为数先转变为频变脉冲量，再通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式。字量的一种变换方式。ADCADC式数据采集系统如图式数据采集系统如图14-1(a)14-1(a)所示。所示。图图14-1(a)ADC
11、14-1(a)ADC数据采集系统框图数据采集系统框图一、数据采集系统一、数据采集系统比较式（ADC）数据采集系统VFC型数据采集系统示意图VFCVFC型数据采集系统如图型数据采集系统如图14-114-1（b b）所示）所示图14-1（b）压频转换式（压频转换式（VFCVFC）数据采集系）数据采集系统统(一)ADC式数据采集系统1 1、电压电压形成回路形成回路1、电压形成回路l 交流电流变换一般采用电流变换器（交流电流变换一般采用电流变换器（UAUA），并），并在其二次侧并联电阻以取得微机保护装置硬件在其二次侧并联电阻以取得微机保护装置硬件电路所需要的电压信号，只要铁心不饱和，其电路所需要的电压
12、信号，只要铁心不饱和，其二次电流及并联电阻上电压波形就可保持与一二次电流及并联电阻上电压波形就可保持与一次电流波形相同且同相，可以做到不失真变换。次电流波形相同且同相，可以做到不失真变换。电流变换器在非周期分量的作用下容易饱和。电流变换器在非周期分量的作用下容易饱和。其线性度变差，动态范围也变小。其线性度变差，动态范围也变小。l 电压形成回路除了起电量变换外，还起到隔离电压形成回路除了起电量变换外，还起到隔离作用，它使微机保护装置在电路上与电力系统作用，它使微机保护装置在电路上与电力系统二次回路隔离，在变换器初级与次级绕组之间二次回路隔离，在变换器初级与次级绕组之间通常有接地的屏蔽绕组以防止来
13、自高压系统的通常有接地的屏蔽绕组以防止来自高压系统的电磁干扰。电磁干扰。1、电压形成回路l 电抗变换器（电抗变换器（UXUX）的优点是：线性范围大，铁芯不易的优点是：线性范围大，铁芯不易饱和。有移相作用，它能抑制低频分量，放大高频分饱和。有移相作用，它能抑制低频分量，放大高频分量，因此，二次侧电压波形在暂态时会发生畸变。量，因此，二次侧电压波形在暂态时会发生畸变。l 电流变换器、电压变换器和电抗变换器的工作原理在电流变换器、电压变换器和电抗变换器的工作原理在第二章第三节已详细分析过，这里不再介绍。第二章第三节已详细分析过，这里不再介绍。电流、电压变换器2 2、采样保持（、采样保持（S/HS/H
14、）电路和模拟）电路和模拟滤波器滤波器（1 1）采样保持（）采样保持（S/HS/H）电路电路 采样保持电路的作用是采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模数转的瞬时值，并在模数转换器进行转换的期间内换器进行转换的期间内保持输出不变。把随时保持输出不变。把随时间连续变化的电气量离间连续变化的电气量离散化。散化。采样保持电路的工作原采样保持电路的工作原理可用图理可用图14-314-3说明。说明。图图14-3 14-3 采样保持电路采样保持电路图图14-3 14-3 采样保持电路采样保持电路u采样保持电路由一个电采样保持电路由
15、一个电子模拟开关子模拟开关ASAS、电容、电容C C和和两个阻抗变换器构成。开两个阻抗变换器构成。开关关ASAS受逻辑输入端电平控受逻辑输入端电平控制。在高压平时制。在高压平时AS“AS“闭闭合合”，此时电路处于采样，此时电路处于采样状态，状态，C C迅速充电或放电迅速充电或放电到采样时刻电压值。到采样时刻电压值。ASAS的的闭合时间应满足使闭合时间应满足使C C有足有足够的充电和放电时间，即够的充电和放电时间，即采样时间。为缩短采样时采样时间。为缩短采样时间采用阻抗变换器，间采用阻抗变换器，（1 1）采样保持（）采样保持（S/HS/H）电路）电路（1 1）采样保持（）采样保持（S/HS/H）
16、电路）电路为缩短采样时间采用阻抗变换器，它在输入端呈现为缩短采样时间采用阻抗变换器，它在输入端呈现高阻抗，输出端呈现低阻抗，使电容高阻抗，输出端呈现低阻抗，使电容C C上电压能迅上电压能迅速跟踪值。速跟踪值。ASAS打开时，电容打开时，电容C C上保持住上保持住ASAS打开瞬时打开瞬时的电压，电路处于保持状态。的电压，电路处于保持状态。同样，为提高保持能力，电路同样，为提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器，中应用了另一个阻抗变换器，它对它对C C呈现高阻抗，而输出阻抗呈现高阻抗，而输出阻抗低，以增强带负荷能力。低，以增强带负荷能力。图图14-314-3采样保持电路工作原理采样保持电路工作
17、原理（2）模拟低通滤波器（ALF）n 电力系统在发生故障时，故障瞬间的电压或电流里一电力系统在发生故障时，故障瞬间的电压或电流里一般含有各种高频分量，而目前微机保护原理大部分是般含有各种高频分量，而目前微机保护原理大部分是反映工频分量的，同时任何实际的变换器所能达到最反映工频分量的，同时任何实际的变换器所能达到最高采样频率总是有限的。高采样频率总是有限的。由奈奎斯特采样定理可知，由奈奎斯特采样定理可知，如果被采样信号为有限带宽的连续信号，其所含的最如果被采样信号为有限带宽的连续信号，其所含的最高频率成分为高频率成分为fmaxfmax；则采样频率应不小于；则采样频率应不小于2fmax2fmax，
18、原来，原来的模拟信号就可以完全恢复而不会畸变。否则将产生的模拟信号就可以完全恢复而不会畸变。否则将产生频率混叠现象，使原来的信号波形发生畸变频率混叠现象，使原来的信号波形发生畸变。（2）模拟低通滤波器（ALF）n 为了防止频率混叠，微机保护系统采样频率必为了防止频率混叠，微机保护系统采样频率必须高达须高达4k4kMHzMHz，这样对微机中央处理单元（，这样对微机中央处理单元（CPUCPU）的速度提出了过高要求，因为数据采集系统是的速度提出了过高要求，因为数据采集系统是以采样频率向以采样频率向CPUCPU输入数据，而输入数据，而CPUCPU必须在两次必须在两次采样间隔时间（采样周期等于采样间隔时
19、间（采样周期等于1/f1/fmaxmax）内，处）内，处理完对一组采样值必须作的各种操作及运算，理完对一组采样值必须作的各种操作及运算，否则，否则，CPUCPU将跟不上时钟节拍而无法正常工作。将跟不上时钟节拍而无法正常工作。故故f fmasmas越高，则要求越高，则要求CPUCPU的速度越快。的速度越快。（2）模拟低通滤波器（ALF）u如果在故障电压或电流等模拟量进入采样保持器之前，如果在故障电压或电流等模拟量进入采样保持器之前，用一个模拟低通滤波器（用一个模拟低通滤波器（ALFALF）将高频分量滤掉，仅让）将高频分量滤掉，仅让低频分量通过，就可降低采样频率低频分量通过，就可降低采样频率f f
20、s s的值。从而降低的值。从而降低了对微机硬件系统的过高要求。使用采样频率通常按了对微机硬件系统的过高要求。使用采样频率通常按保护原理所用信号频率的保护原理所用信号频率的4 41010倍来选择。例如常用采倍来选择。例如常用采样频率为样频率为fsfs=Nf=Nf1 1，（f f1 1=50Hz=50Hz）fsfs=600Hz=600Hz（N=12N=12），），fsfs=800Hz 800Hz（N=16N=16），），fsfs=1000Hz=1000Hz（N=20N=20）fsfs=1200Hz=1200Hz（N=2N=24 4）等，其中）等，其中N N为采样频率相对于基波频率的倍数，为采样频率
21、相对于基波频率的倍数，N N 称为每基频周期采样点数。称为每基频周期采样点数。u前置模拟低通滤波器通常分为两大类。一类是由前置模拟低通滤波器通常分为两大类。一类是由RLCRLC元元件构成的件构成的无源滤波器无源滤波器；另一类是由集成运算放大器与；另一类是由集成运算放大器与R RC C元件构成的元件构成的有源滤波器有源滤波器。1）无源滤波器1）无源滤波器无源滤波器无源低通滤波器电路图和幅频无源低通滤波器电路图和幅频特性如图特性如图14-414-4所示。是采用所示。是采用电阻电容电阻电容C C串联构成的滤波电串联构成的滤波电路路。无源滤波器无源滤波器幅频特性幅频特性有源滤波器有源滤波器幅频特性幅频
22、特性 H a0图14-4(b)滤波器的幅频特性图图14-4 14-4 电电路路图图(a)(a)2）有源滤波器a.a.如图如图14-514-5所示，有源滤波器原理电路。这种滤波所示，有源滤波器原理电路。这种滤波器是由器是由RCRC网络与运算放大器构成，具有良好的滤网络与运算放大器构成，具有良好的滤波性能，且阶数越高，它的频率响应就越具有十波性能，且阶数越高，它的频率响应就越具有十分平坦的通带和陡峭的过滤带，但会增加装置的分平坦的通带和陡峭的过滤带，但会增加装置的复杂性和时延，故滤波器阶数不宜过高。复杂性和时延，故滤波器阶数不宜过高。b.b.图图14-514-5是常用二阶有滤低通滤波电路，称为单端
23、是常用二阶有滤低通滤波电路，称为单端正反馈低通滤波器，它的优点是仅用一个运算放正反馈低通滤波器，它的优点是仅用一个运算放大器，结构简单，所用大器，结构简单，所用RCRC元件较少，当运算放大元件较少，当运算放大器频率偏离滤波器频率特性时不会引起振荡。其器频率偏离滤波器频率特性时不会引起振荡。其缺点是元件参数变化对滤波器滤波效果影响较大。缺点是元件参数变化对滤波器滤波效果影响较大。有源滤波器原理电路1R2R3R1C2CinUoutU431RRK图14-5 有源滤波器原理电路 1212211222212121111outinUK R R C CH SUKSSRCR CR CR R C C3模拟量多路
24、转换开关（MPX）n 保护装置通常需要对多个模拟量同时采样，以准确得到各个保护装置通常需要对多个模拟量同时采样，以准确得到各个电气量之间的相位关系并且使相位关系经过采样后保持不变。电气量之间的相位关系并且使相位关系经过采样后保持不变。故硬件中对每个模拟量设置一套电压形成回路，故硬件中对每个模拟量设置一套电压形成回路，ALFALF回路及回路及S/S/H H回路。但由于回路。但由于A/DA/D转换器价格较贵，为了降低成本，采用多转换器价格较贵，为了降低成本，采用多路采样，通道共用一个路采样，通道共用一个A/DA/D转换器。用多路转换开关实现通道转换器。用多路转换开关实现通道切换。常用的多路转换开关
25、包括选择接通路数的二进制译码切换。常用的多路转换开关包括选择接通路数的二进制译码电路和由它控制的各路电子开关。它们被集成在一个芯片中。电路和由它控制的各路电子开关。它们被集成在一个芯片中。n 图图14-614-6为常用为常用1616路多路转换开关芯片路多路转换开关芯片AD7506AD7506内部电路组成框内部电路组成框图。它有图。它有A0-A3A0-A3四个路数选择线以便由四个路数选择线以便由CPUCPU通过并行接口芯片通过并行接口芯片或其它硬件电路给或其它硬件电路给A0-A3A0-A3赋以不同的二进制码，选通赋以不同的二进制码，选通S1-S16S1-S16中中相应的一路电子开关。中中相应的一
26、路电子开关。3模拟量多路转换开关（MPX）l将被选中的某一路模拟量，接通至公共的输出端供给将被选中的某一路模拟量，接通至公共的输出端供给A/DA/D转换器。转换器。为芯片选择线，只有为芯片选择线，只有 端接入高电平时端接入高电平时MPXMPX才处于工作状态，否则不论才处于工作状态，否则不论A0-A3A0-A3在什么状态，在什么状态，S1-S16S1-S16均均处于断开状态。设置处于断开状态。设置 是为了可将多个芯片并联使用是为了可将多个芯片并联使用以扩充多路转换开关的路数。以扩充多路转换开关的路数。NE0A1A2A3A1A16A1S16S15ssUV15ppUV图图14-614-6多路转换开关
27、原理图多路转换开关原理图NENENE为最高位（为最高位（MSBMSB）为最低位（为最低位（LSBLSB）。）。B B1 1-B-Bn n均为二进制码，均为二进制码，其值只能是其值只能是“1”1”或或“0”0”。式（。式（14-514-5）又可写为：）又可写为：4模数转换器（A/D）实现模拟量变换成数字量的硬件芯片称为模数转换器，也称实现模拟量变换成数字量的硬件芯片称为模数转换器，也称为为A/DA/D转换器。转换器。A/DA/D转换器可以认为是一种译码电路，它将输转换器可以认为是一种译码电路，它将输入的模拟量相对于模拟参考量经译码电路转换成数字量入的模拟量相对于模拟参考量经译码电路转换成数字量D
28、 D输输出。一个理想的出。一个理想的A/DA/D转换器，其输入和输出关系式为：转换器，其输入和输出关系式为：ARUDU1212222nnDBBB1BnB1212222nARnUUBBB式中式中D D为小于为小于1 1的数，的数，可用二进制表示为：可用二进制表示为：式（式（14-714-7）即为）即为A/DA/D转换器中模拟信号量化的表达式。转换器中模拟信号量化的表达式。(14-7)（14-5）（14-6）模数转换器可分为两大类型l 模数转换器可分为两大类型，即比较式和积分式模数转换器可分为两大类型，即比较式和积分式 ，下，下面对这两种方式的原理进行简单说明。面对这两种方式的原理进行简单说明。（
29、1 1）逐位比较式逐位比较式A/DA/D转换器转换器比较式有逐位比较式和并联比较式。以下介绍逐位比较比较式有逐位比较式和并联比较式。以下介绍逐位比较式式A/DA/D转换器的工作原理。转换器的工作原理。1 1）数模转换器（）数模转换器（DACDAC或或D/AD/A转换器）转换器）由于逐位比较式由于逐位比较式A/DA/D转换器要用到数模转换器转换器要用到数模转换器D/AD/A，因此，因此先介绍先介绍D/AD/A数模转换器。数模转换器。数模转换器作用是将数字量数模转换器作用是将数字量D D经解码电路变成模拟量输出。经解码电路变成模拟量输出。图图14-714-7为一个四位数模转换器的原理图。为一个四位
30、数模转换器的原理图。模数转换器模数转换器可分为两大类，即比较式和积分式。比较式又分模数转换器可分为两大类，即比较式和积分式。比较式又分为逐位比较式和和并联比较式。这里只介绍逐位比较式，由为逐位比较式和和并联比较式。这里只介绍逐位比较式，由于逐位比较式于逐位比较式A/D转换器由数模转换器构成，因此先介绍转换器由数模转换器构成，因此先介绍数数模转换器模转换器4 4模模数转换数转换器（器（A/DA/D）逐位比较式A/D转换器p 图中电子开关分别受四位数字量控制。当某一位为图中电子开关分别受四位数字量控制。当某一位为“0”0”时，则时，则对应开关向右（接地）；而为对应开关向右（接地）；而为“1”1”时
31、，则会向左接通运算放大时，则会向左接通运算放大器器A A的反相输入端（虚地）。流向运算放大器反相端的总电流反的反相输入端（虚地）。流向运算放大器反相端的总电流反映了四位输入数字量的大小，它经过总反馈电阻变换成电压输出。映了四位输入数字量的大小，它经过总反馈电阻变换成电压输出。由于运算放大器由于运算放大器A A的的“+”+”接参考地，所以其负端为接参考地，所以其负端为“虚地虚地”，运，运算放大器算放大器A A的反相输入端电位实际上也是地电位，因此不论图中的反相输入端电位实际上也是地电位，因此不论图中各开关合向那侧，对电阻网络中电流分配都不会有影响从图各开关合向那侧，对电阻网络中电流分配都不会有影
32、响从图14-714-7中的、中的、a a、b b、c c四点分别向右看，网络等值电阻都是四点分别向右看，网络等值电阻都是R R，因而，因而a a点点的电位必定是的电位必定是 b b点电位为点电位为 ,c,c点电位为点电位为 。相应电流。相应电流分别为分别为1 2RU1 4RU1 8RU12131411 82,1 2,1 4,1 8RRU IUR II II II输出总电流和输出电压输出总电流和输出电压1 1223 3441 121314101231234123412341112482222222222RRRIB IB IB IB IB IBIBIBIUBBBBRUUBBBBDRR输出电压为：输
33、出电压为：输出总电流为：输出总电流为：RFoutFU RUI RDR逐位比较式逐位比较式A/DA/D转换器工作原理转换器工作原理比较器控制器数码设定器D/A转换器输入电压UAUoutl由控制器首先在数码设定器中设置一个数码，并经由控制器首先在数码设定器中设置一个数码，并经D/AD/A转换器转换为模拟量转换器转换为模拟量U Uoutout ，使之与模拟量输入电压，使之与模拟量输入电压U Uoutout相比较。若相比较。若U UoutoutUUA A，则重新设定极小的数码，则重新设定极小的数码，转换成极小电压转换成极小电压U Uoutout与与U UA A比较。如比较。如U UoutoutUUA
34、A,则保留设置数码，并附加一个较小的则保留设置数码，并附加一个较小的数码，使总数码转换成数码，使总数码转换成U Uoutout 与与U UA A再进行比较，并根据比较结果重复上述过程。再进行比较，并根据比较结果重复上述过程。直到直到U Uoutout与与U UA A接近到误差小于所允许的设定数码中可改变的最小值，则数码设定接近到误差小于所允许的设定数码中可改变的最小值，则数码设定器此时的数码总值即为转换结果。器此时的数码总值即为转换结果。图图14-8 14-8 逐位比较式逐位比较式A/DA/D转换器原理框图转换器原理框图图图14-1014-10（a a）为每个输入量设置为每个输入量设置VFC
35、VFC 及计数器及计数器(二二)VFC)VFC模数转换器模数转换器n间接型间接型VFCVFC模数转换器的作用是也是完成对交流输入变换器输模数转换器的作用是也是完成对交流输入变换器输出的模拟量进行数字量的转化。出的模拟量进行数字量的转化。VFCVFC型模数转换器各路采样并行型模数转换器各路采样并行工作，不再需要采样保持器。图工作，不再需要采样保持器。图14-1014-10（a a）为每个输入量设置）为每个输入量设置VFC VFC 及计数器。及计数器。图图14-10(b)14-10(b)多多CPUCPU共用共用VFC VFC 型型A/D A/D 的接线图的接线图(二二)VFC)VFC模模数转换数转
36、换器器典型电荷平衡式典型电荷平衡式V/FV/F转换转换器器电电路路结构图结构图图图14-11 V/F14-11 V/F转换器电路结构图转换器电路结构图U UininU U0 0UcUcE Er r(二二)VFC)VFC模数转换器模数转换器p 典型的电荷平衡式典型的电荷平衡式VFCVFC器件内部电路如图器件内部电路如图14-1114-11所示。所示。这种转换器的工作原理是产生频率正比于输入电压的这种转换器的工作原理是产生频率正比于输入电压的脉冲序列，然后在固定时间内对脉冲序列计数，除计脉冲序列，然后在固定时间内对脉冲序列计数，除计数器和定时器外，该电路可看作一个振荡频率受输入数器和定时器外，该电
37、路可看作一个振荡频率受输入电压控制的多谐振荡器。电压控制的多谐振荡器。A A1 1为运算放大器，为运算放大器，A A1 1与与R R1 1、C C共同构成一个积分器，共同构成一个积分器，A A2 2为零电压比较器。为零电压比较器。pVFCVFC器件电路设计时，要求器件电路设计时，要求 I I1max1maxII2 2=E=Er r/R/R2 2：即：即U Uinmaxinmax UUinin/R R1 1。因此，在期间积分器一定以反充电为主，使。因此，在期间积分器一定以反充电为主，使U UC C上升到上升到某一电压值，某一电压值，T T0 0结束后，由于只有正的输入电压结束后，由于只有正的输入
38、电压U Uinin作用，作用，使积分器充电，输出电压使积分器充电，输出电压U UC C沿负斜线下降。当下降至沿负斜线下降。当下降至0V0V时，时，比较器翻转，再次触发脉冲发生器，产生一个宽度为比较器翻转，再次触发脉冲发生器，产生一个宽度为T T0 0的的脉冲，再次反充电，如此反复振荡不止，其波形如图脉冲，再次反充电，如此反复振荡不止，其波形如图14-114-12 2所示。所示。经过数学分析，可得到输出电压的振荡频率与输入电压的关经过数学分析，可得到输出电压的振荡频率与输入电压的关系为：系为：图14-12 波形图21 01inVinrRfUK UTRT E(二二)VFC)VFC模模数转换数转换器
39、器这样只要测量这样只要测量VFCVFC输出端方波脉冲频率，就可以反映输入电压的大小，通过计数输出端方波脉冲频率，就可以反映输入电压的大小，通过计数器统计脉冲器统计脉冲“个数个数”，取计数器输出的是数字量，取计数器输出的是数字量D D，便于计算机读取。在一个采，便于计算机读取。在一个采样间隔内对计数器计数结果进行读数，相当于在这个间隔时间内对脉冲样间隔内对计数器计数结果进行读数，相当于在这个间隔时间内对脉冲“个数个数”进行求值计算可等效为积分。有：进行求值计算可等效为积分。有：这说明，这说明，VFCVFC模数转换器的输出值与输入信号的积分成正比，且比例系数为常数，模数转换器的输出值与输入信号的积
40、分成正比，且比例系数为常数，由积分关系可知由积分关系可知VFCVFC系统具有低通滤波的效果。系统具有低通滤波的效果。sstTtTVinttDfd tKUd t图14-13 VFC的幅频特性 Hf3SNTf f4SNT1SNT2SNT(二二)VFC)VFC模模数转换数转换器器（14-9）由由VFCll0VFCll0芯片构成的数据采集系芯片构成的数据采集系统电路统电路IinVin5VOV-EBCosDGNDICOMAGNDVoCOMPV+NCfoVFC1101234567891011121314123456786N137+15V15VGND-15VVin5VGND+5VFoutCB1RB1CA1R
41、A1CC1RW1RN1RC1CD1RD1RE1RF1CE1图1-16 VFC110数据采集系统二、计算机系统二、计算机系统计算机系统是由计算机系统是由MPUMPU微处理器、存储器、定时器微处理器、存储器、定时器/计数器等构成计数器等构成C CPUPU主系统、接口板以及打印机等外围设备组成。下面简单介主系统、接口板以及打印机等外围设备组成。下面简单介绍各部分的主要内容。绍各部分的主要内容。1 1中央微处理器（中央微处理器（CPUCPU）CPUCPU是计算机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的运行依赖是计算机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的运行依赖于于CPUCPU来实现。因此，来实现。因此，C
42、PUCPU的性能好坏在很大程度上决定了计的性能好坏在很大程度上决定了计算机系统性能的优劣。当前应用于电力系统中的微机继电保算机系统性能的优劣。当前应用于电力系统中的微机继电保护所采用的护所采用的CPUCPU多种多样，且多为多种多样，且多为8 8位或位或1616位位CPUCPU，如，如IntelIntel公公司的司的8086808680888088、803l803l系列及其兼容产品系列及其兼容产品80988098、80968096以及以及80C80C196196等等。这一类等等。这一类CPUCPU均是均是8080、9090年代的主流年代的主流CPUCPU。其中，。其中，80C180C19696系
43、列系列CPUCPU是目前国内微机继电保护装置中最常采用的一种是目前国内微机继电保护装置中最常采用的一种CPCPU U。一方面这一系列。一方面这一系列CPUCPU具有较高的性能价格比，另一方面这具有较高的性能价格比，另一方面这一系列一系列CPUCPU的指令、结构以及寻址方式等均与早期较流行的的指令、结构以及寻址方式等均与早期较流行的8080989880968096相似，使早期基于相似，使早期基于8098809880968096的微机继电保护装置的微机继电保护装置可以较顺利地移植到可以较顺利地移植到80C19680C196上来。随着微电子技术近几年来上来。随着微电子技术近几年来突飞猛进的发展，突飞
44、猛进的发展，二、计算机系统二、计算机系统 新一代新一代3232位的位的CPUCPU伴随着大规模超大规模集伴随着大规模超大规模集成电路的广泛应用而被新一代微机继电保护装成电路的广泛应用而被新一代微机继电保护装置中普遍采用。这一类置中普遍采用。这一类CPUCPU品种较多，如品种较多，如MotorMotorolaola公司的公司的MC863XXMC863XX系列就是目前使用较多的一系列就是目前使用较多的一类。另一方面，随着数字信号处理器类。另一方面，随着数字信号处理器(DSP)(DSP)的的广泛应用，微机继电保护装置采用广泛应用，微机继电保护装置采用DSPDSP来完成来完成保护功能、实现保护算法已成
45、为一种发展趋势。保护功能、实现保护算法已成为一种发展趋势。下面我们就来具体介绍一下下面我们就来具体介绍一下DSPDSP的特点及其作的特点及其作为微机继电保护装置中为微机继电保护装置中CPUCPU主系统的优势。主系统的优势。微机继电保护装置的微机继电保护装置的CPUCPU主系统主系统二、计算机系统二、计算机系统（1 1）数字信号处理器的概念及其特点）数字信号处理器的概念及其特点（2 2）以数字信号处理器为核心的微机保护典型结构）以数字信号处理器为核心的微机保护典型结构 （3 3）微机保护的）微机保护的CPUCPU组合方案组合方案 1 1）单单CPUCPU的结构的结构。单。单CPUCPU的微机保护
46、装置是指整套微机的微机保护装置是指整套微机保护共用一个单片微机完成数据采集、逻辑运算、人保护共用一个单片微机完成数据采集、逻辑运算、人机接口、出口信号等任务。这是第一代微机保护装置机接口、出口信号等任务。这是第一代微机保护装置的特点。如的特点。如WBZ-01WBZ-01型微机变压器保护装置，主保护和型微机变压器保护装置，主保护和后备保护共用一个后备保护共用一个CPUCPU，可靠性不高。对于比较简单的，可靠性不高。对于比较简单的微机保护，为了简化保护结构可以采用单微机保护，为了简化保护结构可以采用单CPUCPU系统。系统。2 2）多多CPUCPU系统结构系统结构。多。多CPUCPU的微机保护装置
47、中，按功能的微机保护装置中，按功能配置多个配置多个CPUCPU模块，分别完成不同保护原理的多重主保模块，分别完成不同保护原理的多重主保护、后备保护及人机对话等功能。多护、后备保护及人机对话等功能。多CPUCPU结构的组合方结构的组合方式有很多，主要有下面几种式有很多，主要有下面几种 二、计算机系统二、计算机系统(1)(1)多个多个CPUCPU的方案。的方案。(2)CPU+DSP(2)CPU+DSP 方案。方案。(3)DSP+DSP(3)DSP+DSP的方案的方案3 3定时器定时器/计数器计数器定时器定时器/计数器在微机保护中十分重要，除计时作用外，计数器在微机保护中十分重要，除计时作用外，它还
48、有两个主要用途：它还有两个主要用途：（1 1）触发采样信号，引起中断采样；）触发采样信号，引起中断采样；（2 2）在）在V/FV/F变换式变换式A/DA/D中，是把频率信号转换为数字信号中，是把频率信号转换为数字信号的关键部件。的关键部件。二、计算机系统二、计算机系统4 4复位电路（复位电路（WatchdogWatchdog）当微机保护装置受到干扰导致运行程序跑飞后，当微机保护装置受到干扰导致运行程序跑飞后，系统可能陷入死循环，装置处于瘫痪状态。复系统可能陷入死循环，装置处于瘫痪状态。复位电路的作用就是监视程序运行情况，当发生位电路的作用就是监视程序运行情况，当发生失控时，则立即动作使程序重新
49、开始运行，以失控时，则立即动作使程序重新开始运行，以避免微机系统产生死机或误动作。避免微机系统产生死机或误动作。三、开关量输入输出单元三、开关量输入输出单元1 1开关量输入回路开关量输入回路 对微机保护装置的开关量输入，即触点状态（接通或对微机保护装置的开关量输入，即触点状态（接通或断开）的输入可以分为以下两大类：断开）的输入可以分为以下两大类：安装在装置面板上的触点。安装在装置面板上的触点。这类触点也叫低电平（这类触点也叫低电平（5V5V）开关量输入，包括在装）开关量输入，包括在装置调试时或运行中定期检查装置用的键盘触点以及切置调试时或运行中定期检查装置用的键盘触点以及切换装置工作方式用的转
50、换开关等。对于装在装置面板换装置工作方式用的转换开关等。对于装在装置面板上的触点可以直接接至微机的并行接口。如图上的触点可以直接接至微机的并行接口。如图14-1514-15所所示。在初始化时规定图中可编程并行接口的为输入方示。在初始化时规定图中可编程并行接口的为输入方式，则微机通过软件查询，随时知道图式，则微机通过软件查询，随时知道图14-1514-15中外部触中外部触点的状态。闭合，；断开，其中电阻称为上拉电阻，点的状态。闭合，；断开，其中电阻称为上拉电阻，为保证断开时，被拉到为保证断开时，被拉到“1”1”电平。电平。安装在装置面板上的触点。安装在装置面板上的触点。图12-13 装置面板上的
