【文章內容簡介】 離處理，各保護具有自檢與互檢功能，能將故障定位到插件或芯片，從而大大地提高了保護裝置運行的可靠性。但對于比較簡單的微機保護，由于保護功能較少，多數還是采用單CPU主要包括微機處理器（CPU）、只讀存儲器（一般用EPROM）、隨機存取存儲器（RAM）以及定時器等。CPU執(zhí)行存放在EPROM中的程序，對數據采集系統(tǒng)輸入到RAM中的數據進行分析處理，以完成繼電保護的功能。 微機保護的抗干擾措施① 干擾對微機保護的影響比較大，主要有以下幾個方面：a、計算或邏輯錯誤。微機保護中的輸出數據、計算中間結果和控制標志字都放在RAM中，強干擾引起RAM數據發(fā)生改變是可能的。另外，當CPU正在讀（或寫）一個數據時，數據線或地址線受干擾發(fā)生改變，就會造成讀（或寫）一個壞數據或者對一個錯誤的地址讀（或寫）。如果這是一個中間結果或者采樣數據，就會造成計算錯誤；如果這是一個標志字就會造成邏輯紊亂，這都有可能引起裝置誤動或拒動。b、程序運行出軌。這是由于隨機干擾破壞了程序執(zhí)行的正常順序而造成程序執(zhí)行卡死的現(xiàn)象。如當CPU正通過地址總線送出一相地址以便從EPROM獲取指令操作碼。如果由于干擾使傳送地址出錯，它將從下一個錯誤的地址取得一個錯誤的操作碼。如果這個誤碼CPU不認識，程序運行將發(fā)生中斷；如果這個誤碼是可執(zhí)行碼，那么在執(zhí)行了一系列非預期的指令后往往最終碰到一個CPU不認識的指令操作碼而停止工作。由此看出，在程序運行出軌后引起誤動作的機會是很小的，但會造成CPU停止執(zhí)行繼電保護任務的規(guī)定任務，在發(fā)生系統(tǒng)故障時，保護裝置將拒動。c、元件損壞。嚴重的干擾還可能造成元件損壞。② 硬件設計時應使微機保護和外接端子同微機弱電系統(tǒng)之間沒有電的聯(lián)系，系統(tǒng)的正確運行，應采取以下抗干擾措施。如：a、交流輸入端子：采用電壓形成回路中的小變壓器隔離，一次和二次繞組間有屏蔽層。b、開關量輸入端子：采用光電耦合器隔離。c、開關量輸出端子：采用光電隔離和繼電器繞組與接地之間隔離。d、直流電源端子：逆變電源中的高頻變壓器隔離，線圈間有屏蔽層。e、交直流來線（交流電壓、交流電流、直流電源）先經抗干擾電容再進裝置。f、將弱電系統(tǒng)的插件遠離同外接端子有直接電聯(lián)系的各插件（如：電壓形成回路、開關量輸入和開關量輸出回路等）.g、裝置后底板的配線也應使強電和弱電嚴格分開h、各弱電電源不共地等第五章 微機保護的硬件設計 微機保護系統(tǒng)的基本結構微機保護裝置主要是以微處理器為基礎的數字電路構成的。它的核心是中央處理單元CPU及其數字邏輯電路和實時處理程序。在微機保護中廣泛采用插件式結構，微機保護裝置包括以下印制板插件：①模擬量輸入變換插件；②前置模擬低通濾波插件；③采樣及A/D轉換插件；④CPU及人機對話插件；⑤開關量輸入/輸出插件。，這種硬件模塊化體現(xiàn)了微機保護結構的特點。①模 擬量 輸變 換②模 擬低 通濾 波③采 樣A / D轉 換④CPU 及 人 機對話⑤I / O接 口開關量輸入數據線控制線開關量輸出地址線 微機保護裝置硬件示意框圖 數據采集系統(tǒng) 模擬量輸入變換微機保護要從被保護的電力設備的電流互感器和電壓互感器上獲得信息，但這些互感器的二次側電流或電壓不能適應模數變換器的輸入范圍要求，故需要對它們降低和變換，在微機保護中通常要求輸入信號為177。5V和177。10V的電壓信號，具體決定于所用的模數轉換器，因此一般采用中間變換器來實現(xiàn)以上的變換，交流電流的變換一般采用電流中間變換器并在其二次側并電阻以取得所需變電壓的方式。此外，也有采用電抗變換器的。二者各有其優(yōu)缺點，電抗變換器的優(yōu)點是線性范圍較大，鐵芯不容易飽和，有移相作用，另外其抑制非周期分量的作用在某些應用中也可能成為優(yōu)點。電流中間變換器的最大優(yōu)點是只要鐵芯不飽和，則其二次電流及并聯(lián)電阻上的二次電壓的波形可基本保持與一次電流波形相同且同相，即它的傳變可使原信息不失真，這對微機保護是很重要的，因為只有在這種條件下作精確的運算或定量分析才是有意義的。至于移相，提取某些分量或抑制某些分量等，在微機保護系統(tǒng)中，根據需要可以容易地通過軟件來實現(xiàn)。電流中間變換器的缺點是在非周期分量的作用下容易飽和，線性度較差，動態(tài)范圍也較小。該變換除了起電量變換的作用外，還起到隔離的作用。它使微機電路在電氣上與強電系統(tǒng)相隔離，從而在較大程度上減弱了來自高壓系統(tǒng)的電磁干擾。 前置模擬低通濾波器模擬低通濾波器的作用是濾掉電壓和電流中的高頻分量以降低采樣頻率fs。濾波器有有源濾波和無源濾波兩種，對要求快速動作的保護及控制裝置而言，為防止無源模擬低通濾波中電阻和電容對信號造成衰減和時間延遲，可以采用有源模擬低通濾波器；一般情況下采用無源模擬低通濾波器 即可。，只要調整R、C的數值就可以改變低通濾波器的截 止頻率取f=50工頻，任取R=,那么電容的容量為：C＝ CR 模擬低通濾波器 （） （） （） （） （） （） （） 采樣保持電路。阻抗變換器IUiAS阻抗變換器IIChU0邏輯輸入 采樣保持電路原理圖它由一個電子模擬開關AS ,電容Ch及兩個阻抗變換器組成。阻抗變換器由運算放大器構成的電壓跟隨器實現(xiàn)的，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點。開關AS受邏輯輸入端采樣脈沖的電平控制，高電平時AS閉合。此時，電路處于采樣狀態(tài)，Ch迅速充電到Ui在采樣時刻的電壓值。As的閉合時間應滿足使Ch有足夠的充電時間即采樣時間。為了正確采到Ui在采樣時刻的值，顯然希望采樣時間越短越好，因而，應用阻抗變換器I，它在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，而輸出阻抗低，使Ch上的電壓能迅速跟蹤到Ui的值。AS打開時，電容Ch 上保持住AS打開瞬間的電壓，電路處于保持狀態(tài)。同樣，為了提高保持能力，電路中應用了另一個阻抗變換器II，它對Ch呈現(xiàn)高阻抗，而輸出阻抗（側U0）很低，以增強帶負載能力。采樣/保持電路（S/H）有兩方面的作用：首先是在一個極短的時間內測量模擬輸入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內保持其輸出不變；其次是由于微機保護系統(tǒng)中要保證各模擬量的相位關系經過采樣后保持不變，各通道必須同步采樣。在本系統(tǒng)中采用的是LF398采樣保持器來實現(xiàn)采樣的。（a）、（b） LF398典型連線圖和結構框圖。LF398有8個引腳，（a）、（b）所示。第2腳接1kΩ電阻，用于調節(jié)漂移電壓，7腳和8腳是兩個控制端，控制開關的關斷。7腳接參考電壓，8腳接控制信號。參考電壓應根據控制信號的電平來選擇。如7腳接地，則8腳接控制信號大于1．4V時，LF398處于采樣狀態(tài)；如8腳為低電平， 則LF398處于保持狀態(tài)。6腳外接保持電容，即可構成完整的采樣保持電路，它是一種具備放大功能的采樣保持電路,具有較低的捕捉時間：當Ch=1000pF，采集時間為25μs，可滿足12位A／D要求。它的選取對采樣保持電路的技術性能指標至關重要，大電容可使系統(tǒng)得到較高精度，但采樣時間加長。小電容可提高采樣頻率，但精度較低。同時，電容的選擇應綜合考慮精度要求和采樣頻率等因素。 （a）LF398典型連接圖 (b) LF398結構框圖（a）、（b） LF398典型連線圖和結構框圖采用多片采樣保持器LF398，可同時采樣多路模擬信號，同時采樣保持電路是通過雙穩(wěn)觸發(fā)器電路控制的，每個采樣保持器均有獨立的調零控制電路。采樣頻率的選擇是微機保護硬件設計和軟件設計中的一個關鍵問題，這個問題涉及到采樣信號是否真實的反映輸入的信號。采樣頻率越高，要求CPU的速度越高。因為微機保護是一個實時系統(tǒng)，數據采集系統(tǒng)以采樣頻率不斷地向CPU輸入數據，CPU必須要來得及在兩個相鄰采樣間隔時間內處理完每一組采樣值所必須做的各種操作和運算，否則CPU將跟不上實時節(jié)拍而無法工作。 采樣邏輯圖采樣頻率的選擇是微機保護硬件設計和軟件設計中的一個關鍵問題，這個問題涉及到采樣信號是否真實的反映輸入的信號。采樣頻率越高，要求CPU的速度越高。因為微機保護是一個實時系統(tǒng)，數據采集系統(tǒng)以采樣頻率不斷地向CPU輸入數據，CPU必須要來得及在兩個相鄰采樣間隔時間內處理完每一組采樣值所必須做的各種操作和運算，否則CPU將跟不上實時節(jié)拍而無法工作。相反采樣頻率過低將不能真實地反映被采樣信號的情況。如果被采樣信號中所含最高頻率成分頻率為，則采樣頻率必須大于的二倍，否則將造成頻率混疊。設被采樣信號中含有的最高頻率為。（a）所示，（b）中可以看出當時，采樣所看到的為一直流成分，（c）中，當略大于時，采樣所看到的是一個差拍低頻信號，即一個高于的頻率成分在采樣后將被錯誤地認為是一個低頻信號，或稱高頻信號“混疊”到了低頻段。顯然當后，將不會出現(xiàn)這種混疊現(xiàn)象。采樣/保持電路（S/H）有兩方面的作用：首先是在一個極短的時間內測量模擬輸入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內保持其輸出不變；其次是由于微機保護系統(tǒng)中要保證各模擬量的相位關系經過采樣后保持不變，各通道必須同步采樣。fs=fmaxfsfmaxabxfmax(t)c 圖 頻率混疊示意圖對微機保護系統(tǒng)來說，在故障初瞬，電壓、電流中可能含有相當高的頻率分量，為防止混疊， 不得不用得很高，從而對硬件速度提出過高的要求，但實際上目前大多數的微機保護原理都是反映工頻量的，在這種情況下可以在采樣前用一個模擬低通濾波器將高頻濾掉，這樣就可以降低了，從而降低對硬件提出的要求。根據數字濾波器的優(yōu)點可知，通常并不要求ALF濾掉所有的高頻分量，而僅用它濾掉以上的分量，以消除頻率混疊，防止高頻分量混到工頻附近來。低于的其它暫態(tài)頻率分量，可以通過數字濾波器來濾除。 多路轉換電路多路轉換開關是對于反映兩個量以上的繼電保護裝置，如阻抗、功率方向等都要求對某個模擬量同時采樣，以獲得各個量之間的準確的相位關系，因而對每個輸入量設置一套電壓形成，抗混疊低通濾波和采樣保持電路。所有采樣保持器的邏輯輸入需并聯(lián)后由定時器供給采樣脈沖，由于模數轉換器價格較昂貴，為了節(jié)約經費簡化結構我們選擇共用一個A/D轉換器，經多路轉換開關，在某時刻控制某一通道開通，從而完成該路的輸入選通過程。微機具有很強的數據處理功能，能快速處理多路信息，但在某時刻只能處理某一路信息，若有多路信號輸入就必須設置多路轉換開關。在該系統(tǒng)中采用模擬多路轉換開關AD7506來實現(xiàn)模擬量的轉換。AD7506為單端16選一多路。其內部包含16路模擬通道，信號經過采樣電路，加在多路開關AD7506的輸入端。Upp+(15V)EN A0 A1 A2 A3 Uss(15V)）116 AD7506多路轉換開關輸出輸入U0 A 1 … … A16 多路轉換開關 AD7506原理圖在該系統(tǒng)中采用模擬多路轉換開關AD7506來實現(xiàn)模擬量的轉換。AD7506為單端16選一多路。其內部包含16路模擬通道，信號經過采樣電路，加在多路開關AD7506的輸入端。通過CPU對其地址譯碼端(A0～A3)進行地址譯碼，并使其使能端(EN)為高電平，就可以實現(xiàn)16路通道的切換。在本系統(tǒng)中，來自采樣電路的8路信號經AD7506多路轉換開關輸出，輸出信號經射極跟隨器LM310接至A/D轉換器的模擬輸入端。AD7506輸入通道的選擇占用數據線低四位(A0～A3)，數據線上的信號經觸發(fā)器74LS175鎖存后提供給AD7506。 A/D轉換電路在本系統(tǒng)中采用AD574型逐次轉換A/D轉換器，28腳雙列直插式封裝。其分辨率為12位，轉換速度為25us，輸出12位二進制編碼，該電路中輸入電壓極性和量程選擇177。5V，同時設置了相應的調速電路。各引腳信號功能如下。 AD574功能引腳圖：片選，低電平有效； CE：片允許，高有效，允許對該芯片的操作；/：讀/轉換，高讀A/D轉換結果，低啟動A/D轉換；：數據格式，高為12并行輸出，低為8位（4位）并行輸出；A0 ：字節(jié)地址/短周期，高為8位轉換/輸出低4位，低為12位轉換/輸出高8位；STS：轉換狀態(tài)，高為正在轉換，低為轉換結束；REF IN：基準輸入；REF OUT:基準輸出；BIP OFF:單極性補償；DB11～DB0：12位數據線；10Vin，20Vin：模擬量輸入；DC,AC：數字地與模擬地；,VEE:電源。 A/D轉換電路分為以下幾部分：① 電源AD574需要三種電壓即177。15V及+5V，其數字量輸出為0～5V的TTL電平，而其D/A轉換用的＋10V參考電壓，在芯片內部由＋15V經過降壓電阻和一個帶溫度補償的齊納二極管產生。為了對參考電壓進行微調，以調整D/A轉換器的比例常數，從而達到微調A/D轉換器的轉換比例常數的目的。此10V參考電壓并不是在內部直接引向D/A轉換器，而是先從端引出，以便在外部經過一個100歐的微調電位計再從端接入，供給內部D/A轉換器。另外AD574內部還包括偏置部分，在用于雙極性模擬量時即可將＋10V的參考電壓（）經一個10