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微机保护装置硬件与采样

微机保护由硬件和软件组成，硬件指模拟和数字电子电路，提供软件运行的平台，并且提供微机保护与外部系统的电气联系。软件是指计算机程序，由它按照保护原理和功能的要求对硬件进行控制，有序地完成数据采集、外部信息交换、数字运算和逻辑判断、动作指令执行等各项操作。

微机保护装置的硬件组成如图所示。微机保护装置的硬件是由模拟量输入系统、CPU主系统、开关量输入/输出回路、人机接口回路、串行通讯和电源六部分组成。

一、模拟量输入系统

模拟量输入系统的作用是采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，将此信号经过滤波，然后转换为所需的数字量。它的类型有基于逐次逼近型模数转换（即A/D转换）方式和利用电压/频率变换（VFC）原理进行模数转换。

基于逐次逼近型模数转换（（即A/D转换）的模拟量输入系统是由电压形成回路、模拟低通滤波器ALF、采样及采样保持（S/H）、多路转换开关（MPX）、模数变换（A/D）五部分组成。

①电压形成回路的作用是电量变换、屏蔽和隔离。

它由电压变换器和电抗变换器组成。因微机保护装置采集的电气量有电压与电流，而电压互感器副边输出的额定电压为100V或V，电流互感器副边输出的额定电流为5A或1A，对于保护装置的插件来说，其值太大，因此需要进一步的变换成更小的电压和电流；另外，互感器副边输出的是交流强电，而保护装置需要用的是直流弱电，因此需要用变换器进行隔离；又因互感器副边为了安全需进行保护接地，而电子元件不能接地的，因此需要对变换器副边进行屏蔽，防止强电对弱电形成干扰。

②模拟低通滤波器（ALF）作用：为了满足采样定理，必须限制输入信号的Zui高频率，也就是给输入信号一定的带宽。

当采样频率过高时，采样周期就越短。而数据处理和相应的设备自检程序必须在一个采样周期内完成，否则将造成采样数据的积压。

在电力系统故障时，故障电压和电流中含有一定的高次谐波分量，而这些高次谐波分量并不一定都是保护所需，如不加以滤除，则采样频率过高。为确保采样数据的质量，必须将高于某一频率的信号加以滤除。因此要求滤除以上的高频。

③采样（S/H）

采样过程：采样是离散化过程的第一步，通过采样保持器（S/H）对时间进行离散化，即把时间连续的信号变为时间离散的信号。如图所示，在一个连续的时间函数x(t)中，有无穷多个值，而一个周期只有20ms，在20ms内，装置要完成采样、自检、数据处理等工作，如果被采样的值太多，就会导致装置无法完成其它的事情，所以只能采集有限个点。

采样周期是指相邻两个采样间隔时间TS，在微机继电保护中对电压和电流量的采样是以等采样周期间隔来表示的。

采样频率:。

每基频周期采样的点数:。

例如，对某一工频电流进行采样，每周采10个点，则此时的采样频率为500Hz，采样周期2ms。

乃奎斯特采样定理：保证采样后不丢失其中信息的充分必要条件，或者说由采样值能完整、正确和唯一地恢复输入连续信号的充分必要条件是:

否则，会产生频率混叠，即混入低频信号。

④采样保持

保护装置往往要反映多个系统参数而工作，由于模数转换A/D芯片的价格较贵，同时也为了简化硬件电路，一般都是多个模拟通道共用一个模数转换器。每个通道采样是同时的，而各通道的采样信号是依次通过A/D回路进行转换的，每转换一路信号都需要一定的转换时间。为保证各通道采样的同时性，在等待模数转换的过程中，必须保持采样值不变，即采样保持。

如图所示，它由一个电子模拟开关AS、保持电容CH及两个阻抗变换器（一般由运算放大器构成）组成。开关AS受采样脉冲控制，开关AS闭合时电容充电到输入电压ui在采样时刻的电压值，即电路处于采样状态；在AS断开时（脉冲控制端为低电平），电容CH上保持住原采样电压，电路处在保持状态。

⑤模拟多路转换开关（MPX）作用

轮流切换各被测量与模数转换A/D的通路，达到分时转换的目的。多路转换开关由AD7506的芯片组成，ES为始能端，在高电平1的情况下才能工作，A0到A3为输入端，当A0到A3分别置1时，代表1到16，此时进行1到16路通道的切换。

⑥模数转换器（A/D回路）作用

是将模拟通道中已离散化的信号(保存在S／H器中的模拟量UK)转化为计算机所需要的数字量，以便计算机进行处理、存储、控制和显示。

⑦数模转换器（DAC）作用：将数字量D转换成模拟量。如图所示，在图中，在数字量B1-B4某一位为“0”时接地，为“1”时接至运算放大器A的反相输入端。流向运算放大器反相端的总电流I∑反映了4位数字量的大小，总电流的计算如公式所示。

⑧逐次逼近模数转换原理

如图所示，图中，D/A是数模转换回路，其作用是把数字信号转换成模拟信号，SAR为暂存器。要把模拟信号（采样信号）转换成数字量D，先由置数逻辑送出一个数字量D，采用二分搜索法，即先将Zui高位置1，将此数字量D经D/A回路转换成模拟量。再加到比较器的反相输入端，比较器的同相输入端为模拟信号，比较器比较这两个值的大小。若大于采样信号，则比较器输出低电平，控制置数逻辑使SAR中的数字量D减小，然后再比较；如小于采样信号，比较器输出高电平，控制逻辑使SAR中的数字量D增大，再次比较，如此反复，直到找到一个数字量D使之与采样信号相等或相近，则此时的D就是采样信号转换成的数字量。这个比较过程，是在ADC芯片内自动完成的。

⑨数据采集系统与微机接口

如图所示，为保证定时采样，数据采集系统与微机接口一般采用中断方式。外部实时时钟的周期即为采样周期，实时时钟到达一方面向采样保持器发出采样保持信号，另一方面向CPU发出外部中断请求信号。CPU收到中断请求后，转入采样中断服务程序，并通过总线发出让多路转换开关MPX接通第一路采样通道的信号，同时起动AD转换。AD转换器完成模数转换后向CPU发出转换结束信号，CPU查询到转换结束信号后通过数据总线读取转换数据，并起动第二路的AD转换，直到所有通道的AD转换完成。

⑩基于压频V/F转换的数据采集系统:

如图所示，这种方法的原理是产生频率正比于输入电压的脉冲序列，然后在固定的时间内对脉冲进行计数。该电路实际上可视为一个振荡频率受输入电压Uin控制的多谐振荡器。

脉冲频率:

结论：当电路各参数一定时，输出脉冲的频率f与输入电压的大小成比例。

压频变换（VFC）的组成如图所示。

二、CPU主系统

CPU主系统包括微处理器CPU，只读存储器（EPROM）、随机存取存储器（RAM）及定时器（TIMER）等。

CPU执行存放在EPROM中的程序，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理，并与存放于EEPROM中的定值比较，以完成各种保护功能。

三、开关量输入/输出回路

开关量输入/输出回路由并行口、光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号指示及外部接点输入等工作。

四、人机接口部分

包括打印、显示、键盘、各种面板开关等，其主要功能用于人机对话，如调试、定值调整等。

五、通讯接口

用于保护之间通讯及远动的要求

六、电源

采用逆变电源，提供整个装置的直流电源。