第五讲微机保护的数据采集系统.ppt

电压形成回路
（1）输入电压的电压形成回路 把 一 次 电 压 互 感 器 输 出 的 二 次 额 定 100V 电 压 变 换 成 最 大
±5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用。 可以采用电压变换器实现。
（2）输入电流的电压形成回路 把一次电流互感器输出的二次额定5A/1A电流变换成最大
±5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用。 可以采用电流变换器或电抗变换器实现。
抗
usc
变
换
器
II
逻辑输入 TC TS
(a)
采 样 脉 冲
采 样 信 号
保 采持 样信 和号
usr
TC TS
usc
(b)
采样保持电路：
t
输入电压：usr
t
输出电压：usc
采用保持电路输 t 出了一个阶梯电压
波形。在保持阶段 无论何时进行模数 t 转换，都反映了采 样值。
2、对采样保持电路的要求 a）截获时间（Tc）尽量短，以便采用很短采样脉冲。 b）保持时间长，在保持期间输出电压变化小。 c）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。
第五讲 微机保护数据采集系统
微机继电保护举例
CPU板
微机保护 的结构
一、 概述
微机保护的硬件构成由三部分组成
1、模拟量输入系统（数据采集系统）：电压形成、模拟 滤波、采样保持(S/H)、多路转换(MPX)以及模数转换(A/D)， 完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量
2、CPU主系统：微处理器(MPU)、只读存储器(ROM)或 闪存内存单元(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、定时器、 并行以及串行接口等。MPU执行编制好的程序，以完成各 种继电保护测量、逻辑和控制功能
1、输入电压的电压形成回路 通过电压变换器实现，即一种变压器（但是，原边与付
边之间应当设置一个屏蔽层，提高抗共模干扰的能力）。
电压变换器（TV）
U1 :U2 n :1
共模干扰源
屏蔽层
W1
W2
（a)
共模干扰源
ZL
C1
C2
Zg
Zf
（b)
2、输入电流的电压形成回路，有以下2种方法实现
（1）电抗变换器 电抗变换器是一种铁心中有气隙的变压器。优点是铁心不
3 、 开 关 量 （ 数 字 量 ） 输 入 / 输 出 系 统 ： 并 行 接 口 (PIA 或 PIO)、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，完成保 护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话等功能
) )
) )
微机保护的硬件构成
模
拟
电压形成
LPF
S/H
量
输
入由
T
A 和
T
V
二
次
电压形成
LPF
是二次侧并联电阻，很小。
RLH
输出电压
u2

RLH i2

RLH
i1 n
（二）采样保持电路和模拟低通滤波器
1、采样保持电路的作用及原理
采用保持电路（S/H），作用是采集模拟输入电压在某一 时刻的瞬时值，并在模数转换器进行转换期间保持输出电压
不变，以供模数转换。
信 号
阻
usr 抗 AS
变
换
器
I
Ch
阻
采样保持电路的典型芯片
2
模拟量输入
usr
3 A1
逻辑输入
S/H
8
A3 7
1
LF398
+U
-U
R
R1 R2
AS
输出
A2 5
usc
1
usr
24
3
5
usc
6
6
7 8
Ch
Ch
4
“1”采样
“0”保持
(a)
(b)
3、模拟低通滤波器
电力系统故障初期，电流、电压中可能含有相当高的频率分 量（如2 kHZ以上）。而目前大多数微机保护原理都是反映 50HZ工频分量的。因此，在采样保持前用一个模拟低通滤波器 把高频分量过滤掉，防止高频分量混叠到工频来。
（四）模数转换器
1、模数转换器的一般原理 模数转换器（A/D转换器，或简称ADC）是实现计算机控
制的关键技术，是将模拟量转变成计算机能够识别的数字量的 桥梁。
模数转换器是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。
模数转换器把输入的模拟量 Usr相对于模拟参考 U R 转化
成数字量D输出，输出数字量D和输入模拟量Usr 之间关系式为：
EN A0 A1 A2 A3
16路多路转换开关
UPP (+15V)
USS (-15V)
译码/驱动
输入模拟量通道：A1～A16;
AS16 输出模拟量通道：输出
AS1
控制由四个路数选择线来控制。
输出 A1
A16
模拟量多路转换开关的应用。
模拟量多路转换开关（MPX）中最重要的部分是电子开关AS， 它是用数字电子逻辑控制模拟信号通、断的一种电路，通常是 由双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（J-FET）或金属 氧化物半导体场效应管（MOS-FET）等类型组成的电子开关。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。
R
R
其中 R 4.3k
C
C
C 0.1F
（三）模拟量多路转换开 关
当需要对多个模拟量进行模数变换时，由于模数转换器 （A/D转换器）的价格较贵，通常不是每个模拟量输入通道设置 一个A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经过多路转 换开关切换。
S/H
侧
来
数据采集系统
总线 串行接口
多
路
转
换
开
关
A/D
M P X
MPU FLASH RAM 并行接口
采样脉冲
定时器 微型机系统
光电隔离
通信
人机对话
开关量输入
光
打印机
电 隔 离
出
口 电 路
开关量输出 （跳闸、信号）
输入/输出系统
二、 数据采集系统（模拟量输入系统）
（一）电压形成回路
微机保护要从被保护电力线路的电流互感器、电压互感器取 得电流、电压信息，必须把这些电流互感器、电压互感器的 二次电流、电压（5A或1A、100V）进一步变换降低为±5V 或±10V范围内的电压信号，供微机保护的模数转换芯片使用。
模数转换器的工作原理
把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。 以kTs时刻为例分析：
D

U U
sr R

，其中 U R 是模拟参考电压，一般 UR Usr
D是小于1的二进制数， D B1 21 B2 22 Bn 2n D是一个n位二进制数字。
Usr UR D U R (B1 21 B2 22 Bn 2n )
易饱和，线性变换范围大。缺点是阻止直流、放大高频分量， 使二次侧电压波形发生严重畸变。 （2）电流变换器
电流变换器是一种铁心闭合无气隙的变压器。优点是当铁 心不饱和时，二次电流波形与一次侧相同。缺点是在电流非 周期分量作用下容易饱和，线性度差。微机保护中一般采用 电流变换器。
Z是模数转换器的输入阻抗；