【正文】 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件的基本結(jié)構(gòu) 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件包括以下五個(gè)部分： – 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（或稱模擬量輸入系統(tǒng)）：包括電壓形成、采樣保持、多路開關(guān)及模數(shù)轉(zhuǎn)換。 – CPU（或微處理器）主系統(tǒng)：包括微處理器、程序存儲(chǔ)器（ ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）、定時(shí)器、并串接口等。 – 開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)：并行接口、光電耦合器及中間繼電器等組成。完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號(hào)警報(bào)、外部接點(diǎn)輸入等功能 。 – 人機(jī)接口與通信系統(tǒng)：由液晶顯示器、鍵盤、打印機(jī)及通信芯片等組成。完成裝置調(diào)試、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、定值整定及實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備通信等功能。 – 電源系統(tǒng)：提供整個(gè)裝置所需要的直流穩(wěn)壓電源。 圖 1－ 1 示出了微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 圖 1－ 1微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 電壓形成CT 、 PTALF S / H多路轉(zhuǎn)換開關(guān)A / D CPUEPROMRAM 通信接口并行接口并行接口輸出電路光電隔離開關(guān)量輸入人機(jī)接口光電隔離模擬量輸入電壓形成CT 、 PTALF S / H 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 比較式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用： 為模數(shù)轉(zhuǎn)換（ AD）做準(zhǔn)備、轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)： ? 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)下的幾萬安培甚至幾十萬安培 ? 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 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 比較式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 微機(jī)保護(hù)裝置中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按模數(shù)轉(zhuǎn)換器的類型分為： ? 采用逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換的比較式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， ? 采用 V∕F 變換器（ VFC）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的壓頻轉(zhuǎn)換式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 本節(jié)將介紹比較式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 電壓形成回路 要求 – 繼電保護(hù)所使用的電壓、電流都是來自于電壓互感器（ 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) 、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)、正負(fù) 5伏、正負(fù) 10伏的電壓 – 隔離和屏蔽作用 ， 以減小高壓設(shè)備對微機(jī)保護(hù)裝置的干擾 。 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 – 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。 來自電壓互感器來自電流互感器電壓變換器 電流變換器 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 為了保證電壓或電流變換的準(zhǔn)確性，通常在設(shè)計(jì)變換器時(shí)，應(yīng)考慮滿足以下原則： （ 1）電壓變換器之間、電流變換器之間以及電壓變換器與電流變換器之間的原副方相位移要一致。 （ 2） 變換器的鐵芯磁導(dǎo)率要選取適當(dāng)，在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持線性傳變，輸入小信號(hào)時(shí)不失真，輸入大信號(hào)時(shí)不飽和。 （ 3） 變換器本身的損耗要小，使變換器在傳變過程中一次、二次側(cè)電量的相角差盡可能的小。 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 在設(shè)計(jì)電流變換器應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： （ 1） 優(yōu)先保證在輸出為最小工作電流時(shí) ， 對應(yīng) A∕D 變換的結(jié)果應(yīng)具有足夠的分辨能力； （ 2） 保證在可能出現(xiàn)的最大短路電流條件下 ， 電流變換器輸出的電壓不應(yīng)使 A∕D 變換出現(xiàn)溢出 ， 從而避免造成數(shù)字量紊亂； （ 3） 適當(dāng)選擇電流變換器二次側(cè)負(fù)載 ， 使電流變換器在一次側(cè)出現(xiàn)最大短路電流時(shí)不至于出現(xiàn)飽和現(xiàn)象 。 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 前置模擬低通濾波器 濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過，同時(shí)擬制無用頻率信號(hào)的電路。低通濾波器是只讓低于截止頻率通過的濾波器。 前置模擬低通濾波器又稱為抗混疊濾波器，廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)、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)，因此截至頻率被設(shè)置為 1/2fs。 低通濾波器可以采用有源的、也可以采用無源的。 無源濾波器構(gòu)成簡單，但電阻和電容回路對信號(hào)有衰減作用，并會(huì)帶來時(shí)間延遲，僅適用于對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，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源）濾波器來限制接近工頻分量的諧波信息混進(jìn)來！ 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 在微機(jī)保護(hù)中常采用的一種二階RC濾波器如圖 13所示 。 其傳遞函數(shù)為： iu ouRC CR圖 1 3 二 階 R C 濾 波 器2)(311)()()(R C sR C ssUsUsHio ???? 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 有源低通濾波器的設(shè)計(jì)就是通過選擇不同的傳遞函數(shù)去逼近理想低通特性?？捎玫谋平瘮?shù)有： Butterworth（最平幅度特性） Cheybyshev（等波汶特性） Bessel（最平延遲特性） 當(dāng)前模擬濾波器的設(shè)計(jì)較為成熟，有大量的設(shè)計(jì)成果及專用集成電路（如 MAX系列）可供選擇，詳細(xì)內(nèi)容可參考相關(guān)資料。 第 1章 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理 （ S/H,Sampling and Holding）電路基本原理 采樣就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間上離散的模擬量。 采樣過程是將模擬信號(hào)首先通過采樣保持器，每隔Ts采樣一次（定時(shí)采樣）輸入信號(hào)的即時(shí)幅度，并把它存放在保持電路里，供 A/D換