微型机继电保护基础1微机保护的硬件原理和设计选择原则.docx
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微型机继电保护基础1微机保护的硬件原理和设计选择原则
第一章微机保护的硬件原理及设计选择原则
1-1概述
微机保护出现20年来,得到了快速的发展,现有多个专业厂家生产微机保护装置,其硬件系统各有特点。
华北电力大学、杨奇逊院士:
第一代(84-90年)MPD-1、单CPU结构、硬件示意图如下:
第二代不同之处在于
接口
(1)CPU采用不扩展的单片机,即构成微机系统所需的微处理器、RAM、EPROM等全部集中在一个芯片内部,总线不出芯片,具有很高的抗干扰能力。
(2)VFC采用第三代VFC芯片VFC110最高震荡频率为4M,相当于A/D精度的14位。
(3)设有高频、距离、零序和录波CPU插件,重合闸不包括在保护之中。
南京电力自动化研究院、南瑞公司LFP-900系列(沈国荣院士)
LFP-900系列包括从35KV~66KV中低压线路保护220KV~500KV线路高压超高压线路保护,用于不同电压等级时,保护的配置情况有所不同。
以LFP-901为例,说明配置情况。
采用多CPU结构,含有三个CPU,两个用于构成保护,一个用
于人机接口CPU均为Intel80196KC
CPU3:
人机对话、起动、为出口提供?
电压
CPU1、CPU2采用VFC型A/D转换,CPU3采用逐次逼近式A/D
转换
最近又推出RCS-9000系列保护(单片机加DSP结构)
此外,还有许继电器股份有限公司生产的WXH-800系列微机保护、国家电力公司南京电力自动化设备总厂生产的PSL601(602)数字式咼压线路保护的等,都各有特点,不再一一—论述。
各种微机保护硬件虽各不相同但一般均包括以下三大部分:
(1).模拟量输入系统(数据采集系统)
作用:
TA输出电流](计算机能辨识
TV输出电压-处理的数字量)
构成:
A/D型:
电压形成、ALF、S/H、MPX、A/D
VFC型:
电压形成、VFC、光隔、计数器
(2).CPU主系统
作用:
对采集系统采集到的数据分析计算、完成各种继电保护功能。
构成:
CPU、EPROM、RAM、E2PROM目前的保护都有
多个CPU
(3).开关量输入输出系统
厂开关量输入:
断路器位置等
作用:
Y
开关量输出:
继电器输出
(4)人机接口
(5)通讯接口
1-2模拟量输入系统(数据采集系统)
1-2-1A/D型模拟量输入系统
一、基本框图:
总线
>或即
一般小于额定值。
系统故障时其二次电流可在1—20倍额定范围内变化。
ALF、S/H、MPX及A/D等电子回路允许的输入信号的
范围一般为-5V—+5V或-10V—+10V(也有0—5V,0—10V者)
因而需要变换。
电压:
100V>
实现:
(1)电流变换器
各变换器除具有电平变换作用外,还具有隔离的作用,
使TA、TV二次回路和微电子电路之间没有电的联系
三、采样保持电路(S/H)和模拟低通滤波器ALF
(一)S/H电路的作用和原理。
作用:
在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值,并在
模数转换器转换期间保持其输出不变。
阻抗变换器:
实际是电压跟随器(运放型),有很大的输入阻抗和很小的输出阻抗。
AS:
受控电子开关,逻辑输入高电平,AS接通。
逻辑输入低电平,AS断开。
I:
保持电容,
AS接通时,Ch快速充放电,使Use二Uch二Usr
称为采样或跟踪
AS断开时,Ch放电回路电阻很大,短时间内可认为不变。
Use一Ucn_Usr
AS在处于接通和断开交替的状态,则整个电路不断工作在采样、保持状态。
采样过程的示意图如下:
书上P4页图1-3为理想化情况,实际情况下,采样脉冲必须有一定的宽度,使Ch有足够的时间跟踪Usr的变化。
信号
逻辑输入(采样脉冲)
2)保持时间尽量长
3)模拟开关动作时间延时小,Ron小,Roff大。
(三)采样频率的选择和ALF的使用
单位时间内米样的点数,称为米样频率,它等于米样间隔
(周期)Ts的倒数,既f
ss
优:
可以准确的还原波形
采样频率的选择:
fs(i)T八Ts时间内完成所有计算困难
(2)同样的输入,采样得数据量多,运算复杂,占内存多。
fs^Ts数据量减小,运算时间充裕。
f太低,将无法由采样数据还原出原波形。
s
f的两倍,既max
要求:
f必须大于被采样信号中存含最高频率成分
■S
否则会产生叠影现象。
见P7,图1-6
(a).被采信号
(b).fs=fmax,还原为直流信号
(C).书上图C对应fsVfmax
fmax 只有fs>2fmax时,才能换远处被采信号 系统短路,U,l中既包含工频量,还含有高频信号,即fmax较大,而 这些高频信号为无用信号,为防叠频 增大fs,使fs>2fmax,往往导致fs太大 ALF,将高频信号滤掉,即减小fmax,使fs>2fmax 目前一般均采用方法 (2),即ALF法,当前A/D快,DSP快,也可增大fs法,ALF的具体电路一般可以为无源RC或有源滤波,此处不在细论。 四、模拟多路开关 许多继电保护装置,需要输入多个电气量可有三种方式: (1).同时采样,同时A/D转换 (2)•同时采样,依次A/D转换 (3)顺序采样 总线 4转1 8转1 16转1 16转1多路开关芯片AD7506的逻辑框图如下: EnAoA1A2A3 0—所有开关均断 1—由Ao~A3决定 +15V EN 要求: 时间快、Ron小、Roff大 五、A/D转换器 作用: 将S/H离散化的模拟信号变换为离散化的数字信号,既 对模拟信号大小编码。 模拟量数字信号 *A/D 两者之间的关系为: D理 Ur Ur参考电压,般UR”UA所以D〈1,既为小数,可 表示为D二Bi2‘B2^Bn2』 n为数据编码位数,也就是A/D转换位数,它是A/D的一个重 要指标 n有限,D必须为舍去比LSB更小的数,带来误差,成为量化误 差,n增加量化误差减小。 一般n=8、10、12、14、16等。 常用的A/D转换器有逐次比较式和并联比较式两种,此处只讨 论逐次比较式: (设n=8) 由D/A输出一个对应的模拟电压u0 (2)比较Ua和U。 UA〉U0: 保留最高位1,下一位设为1uA〈u0: 最高位变零,下一位设为1 D/A输出一个和新编码对应的模拟量U1 (3)比较Ua和U" uA〉u1: 保留次高位1,设第三位为1 < Ua〈u1: 次高位取0,设第三位为1。 经n次比较后,最终可以确定出和U对应的数字编码。 AD574简介 (1)基本指标: 精度: 12位 转换时间: 25微秒 (2)电源电压: 戶5v严「模拟地 [agnd]agndw L数字地 (3)模拟输入: +20V: 卩一20V I-10V—+10V +10V(0—+10V 1-5V—+5V (4)数据量输出: 12位f8位机,分两次读 "16位机,一次读。 (5)控制状态线 控制: CE—控制时钟 CS—片选输入,来自译码器 R/C—厂1,读转换结果 0,启动转换 /CE=1 读结果: cs=o -R/C=1 A/D在微机系统中的地址。 rCE=0 启动转换: yCS=o Be=0 CS来自译码电路,反映了 12/8 16位CPU时S—次读取12位结果 "12/0=1 状态输出端: STS二40,不忙 1,忙 六: 数据采集系统和微机的接口 (1)程序查询方式 硬件接口图见P16图1—18 硬件包括: 电压形成,ALF、S/H、MPX、A/D、并行口、数据线、定时器。 软件包括: 并行口初始化。 采样数据寄存器地址指针初始化。 定时器初始化。 开放中断。 定时器中断时,执行中断服务程序。 中断服务程序包括以下内容: 1)清中断请求,准备下一次中断。 2)命令AD574开始转换,读STS状态 STS=0,已换完,读结果,存入RAM STS=1,未转换完,等待。 3)更新地址指针的指向。 每读一个结果,地址加2,判是否 到达存储区末端,如果不到,顺序下存,如果到,贝用地 址指针指向初地址,循环存取,初地址 末地址 4)控制MPX,指向下一个通道,A/D转换……共16个通道 (最多)最好个通道转换完后,重新切回0通道 5)执行中断服务程序中的其他内容。 6)中断返回 要求: 整个中断服务程序必须在两个采样时间间隔内完 成。 特点: 每次启动A/D后,CPU就开始不断查询STS的状 态,耗时较多,要求A/D快。 确保Ti〈Ts,对硬件要求较高。 (二)中断方式 启动A/D后,CPU无须等待,转去处理其它事件,A/D转换结束后,发出中断,读取转换结果,更新地址指针,更新通道,启动下通道A/D转换,从A/D转换中断返回,再去处理其它程序。 A/D转换结束中断嵌套在定时器中断之中,要求其优先级高于定时器中断。 (三)直接存储器存取方式(DMA) 用硬件的方法完成A/D转换和数据存取,无须占用CPU时间,具体办法不讲。 1-2-2VFC型模拟量输入系统 基本框图: 固定时间ts 关系。 计数器: 用来记数VFC输出脉冲的个数,CPU每经一个固定的时间 读一次计数器中的记数值。 显然,在时间固定的情况下,记 数值N正比于VFC的输出频率f,而f又正比于输入电压u, 所以: N=Kif=K1K2U=KU VFC型模拟量输入系统的特点: 1.CPU仅需定时读取计数器的记数值,控制接口非常简单。 2.N正比于时间ts内的u的平均值,而不是某一点的瞬时值。 稳定性好,自身具有一定的低通滤波功能,不必再加专门的模拟低通滤波器。 3提高VFC的输出频率和增加采样时间ts,都可以提高模拟转换的精度。 4.VFC的输出为脉冲信号,可以方便的利用光电隔离元件将模拟电 路和数字电路隔离,避免相互影响。 厂||I u +模拟电路一n□・光隔一数字电路・计数器| 目前国内多个厂家生产的微机保护都采用VFC型模拟量输入系统 1-3幵关量输入及输出回路I- 一、开关量输入回路 开关量输入即接点状态输入,包括面板接点和装置外部接点 1).面板接点(键盘接点、转换开关等) 1J+5V PA0 /Ki可直接经并行口接入 2).外部接点(断路器、隔离开关辅助接点等) 一般引线较长,干扰较大,需经光电隔离后引 [一+220V PA0r、z-220V K闭合丄光二极管发光,光敏三极管导通,PAo输入低电平 K断开: 发光二极管不亮,光敏三极管截止,PAo输入高电平 PAo电平反映了K的通断状态 经光电隔离后,外部干扰无法窜入微机系统 、开关量输出回路 保护的跳合闸输出、作信号等一般用并行接口来驱动继电器, YFi输出0,LED亮,T通,J动作 用两位来驱动一个继电器的的目的是增加可靠性,经光电隔离的 目的: (数字地、功率地分开 '■防止外引线干扰窜入微机 三、定值输入 目前普遍采用E2PROM,从前EPROM设几组可能的定值,由拨码开关选择 四、打印机输出 综合后,不在接打印机。 '并行 串行大多数采用并行光电隔离。 1—4.CPU选择原则 M6800一8031一M77 Z80—Z
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