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1、第二章 微機(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),2.1 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成 微機(jī)保護(hù)是以電壓、電流的采樣值為輸入量，以微機(jī)為控制器，以電氣設(shè)備的斷路器為被控對(duì)象的一個(gè)開(kāi)環(huán)離散控制系統(tǒng)。 微機(jī)保護(hù)是將被保護(hù)設(shè)備輸入的模擬量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后變?yōu)閿?shù)字量，再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和處理的保護(hù)裝置。 微機(jī)保護(hù)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。微機(jī)保護(hù)整套硬件通常是用單獨(dú)的專(zhuān)用機(jī)箱組裝，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量輸出、輸入系統(tǒng)及外圍設(shè)備等。 微機(jī)保護(hù)的軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集管理模塊、故障檢出模塊、故障計(jì)算模塊與自檢模塊等組成。,微機(jī)保護(hù)的硬件系統(tǒng)包括以下五部分： 1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（或稱(chēng)模擬量輸入系統(tǒng)）：包括電壓形成、采樣保
2、持、多路開(kāi)關(guān)及數(shù)模轉(zhuǎn)換。 2.微型機(jī)（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。 3.開(kāi)關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)：由微型機(jī)的并行接口、光電隔離器件及有觸點(diǎn)的中間繼電器等組成。完成保護(hù)需要的外部觸點(diǎn)接入、出口跳閘、人機(jī)對(duì)話(huà)等功能。 4.通信接口。包括通信接口電路及接口以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信或聯(lián)網(wǎng) 5.逆變穩(wěn)壓電源（5V 15V、24V）,微機(jī)保護(hù)硬件構(gòu)成框圖（書(shū)）,2. 微機(jī)保護(hù)用硬件特點(diǎn) 集成微處理器（MPU）、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)、并行接口(PIO)、閃存單元(FLASH)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)
3、、通信接口等多種功能集成在一個(gè)芯片內(nèi)的單片機(jī)系統(tǒng)。 把所有總線(xiàn)連同單片機(jī)都集成在一個(gè)芯片內(nèi)的總線(xiàn)不出片技術(shù)。 不區(qū)分微機(jī)、單片機(jī)、微處理器,微機(jī)保護(hù)的軟件包括 數(shù)字濾波器，如減法濾波器、加法濾波器等。像有些不便于采用模擬濾波器的場(chǎng)合，如傅立葉濾波、小波變換等; 微機(jī)保護(hù)算法，像幅值和相位計(jì)算、選相算法、濾序算法等; 保護(hù)動(dòng)作判據(jù)，保護(hù)基本原理的具體體現(xiàn); 邏輯輸出，執(zhí)行跳閘、告警等數(shù)字信號(hào)輸出。,2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),為模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）做準(zhǔn)備、轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量 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
4、正常運(yùn)行的幾十安培到短路狀態(tài)下的幾萬(wàn)安培甚至幾十萬(wàn)安培 微機(jī)保護(hù)常用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有兩種： 一是采用逐次逼近原理的A/D芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 另一種是采用VFC芯片構(gòu)成的壓頻變換式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對(duì)于中低壓電力系統(tǒng)這兩種方式都在使用，而高壓或超高壓的保護(hù)裝置我國(guó)大都采用VFC變換方式。 ADC方式是將模擬量直接轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量的方法； VFC方式是將模擬量先轉(zhuǎn)變?yōu)轭l變脈沖量，再通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)變換為數(shù)字量的一種變換方法。,適應(yīng)繼電保護(hù)特點(diǎn)要求 模擬量設(shè)置應(yīng)滿(mǎn)足繼電保護(hù)功能要求為準(zhǔn)則 典型的高壓線(xiàn)路保護(hù)需要：三相電流、零序電流；三相電壓、線(xiàn)路側(cè)線(xiàn)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
5、相電流 因此，微機(jī)保護(hù)是一個(gè)多模擬量輸入系統(tǒng),包括電壓形成電路、模擬低通濾波器、采樣保持、多路開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換等部分,采集量的選擇,以高壓線(xiàn)路保護(hù)和三繞組變壓器差動(dòng)保護(hù)為例，由于高壓線(xiàn)路保護(hù)一般具備全線(xiàn)速動(dòng)保護(hù)（如高頻保護(hù)或光纖電流縱差保護(hù)）、距離保護(hù)、零序保護(hù)和重合閘功能。所以模擬量一般設(shè)置為以下8個(gè)量,前7個(gè)量用于構(gòu)成保護(hù)功能，最后的量為斷路器的另一側(cè)電壓，用于實(shí)現(xiàn)重合閘功能； 對(duì)于三繞組變壓器的的差動(dòng)保護(hù)，至少應(yīng)該接入三側(cè)的三相電流，共9個(gè)模擬量。,繼電保護(hù)所使用的電壓、電流都是來(lái)自于電壓互感器（100V、線(xiàn)間電壓）和電流互感器（額定電流5安或1A，短路電流100A） 電流(電壓)變換器
6、再將TA(TV)二次側(cè)電流(電壓)均變換為適合AD轉(zhuǎn)換需要的2.5V、 5V、 10V的電壓；,1. 電壓形成回路,電壓、電流變換器,電流變換器（TA）、電壓變換器（TV）和電抗變換器（TX）。 作用：變換、隔離。在原副邊可加一屏蔽層，有利于抗干擾。 電抗變換器具有阻止直流、放大高頻分量的作用，優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)性范圍大，鐵芯不易飽和，有移相作用。,電流變換器特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：只要鐵芯不飽和，其二次電流及并聯(lián)電阻上的二次電壓波形基本保持與一次電流波形相同且同相。 缺點(diǎn)：再非周期分量的作用下容易飽和，線(xiàn)性度較差，動(dòng)態(tài)范圍較小。 電流變換器二次測(cè)的并聯(lián)電阻數(shù)值為幾歐到十幾歐姆。,前置低通濾波器的設(shè)置, 濾波器是一
7、種能使有用頻率信號(hào)通過(guò)，同時(shí)擬制無(wú)用頻率信號(hào)的電路。低通濾波器是只讓低于截至頻率通過(guò)的濾波器。 前置低通濾波器又稱(chēng)為抗混疊濾波器，廣泛應(yīng)用于采樣電路前，濾除高于采樣頻率一半的信號(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(wú)源的。 無(wú)源濾波器由RLC元件構(gòu)成；有源的由運(yùn)放和RC元件構(gòu)成；,模擬低通濾波器(ALF),ALF(Analog Low-pass Filter) 無(wú)源特點(diǎn)：無(wú)源濾波器構(gòu)成簡(jiǎn)單，頻率特性單調(diào)衰減的，不能做到通帶平坦和過(guò)渡帶陡峭，可用于反映基波分量的保護(hù)；且電阻和電容回路對(duì)信號(hào)有衰減作用，并會(huì)帶來(lái)時(shí)間延遲，僅適用于對(duì)速度和性能要求不高的微機(jī)保護(hù)。
8、有源特點(diǎn)：濾波性能好且階數(shù)越高，它的頻率響應(yīng)越具有十分平坦的通帶和陡峭的過(guò)渡帶，但會(huì)增加裝置的復(fù)雜性和時(shí)延，故階數(shù)不宜過(guò)高。但抗沖擊干擾能力差。,二階無(wú)源低通濾波器 原理電路與幅頻特性曲線(xiàn),通常R1=R2=R，則,二階有源低通濾波器,僅使用一個(gè)運(yùn)算放大器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，RC元件少。缺點(diǎn)是元件參數(shù)的變化對(duì)濾波器濾波效果影響較大。該濾波器的傳遞函數(shù)為,式中K=1+R4/R3 通過(guò)參數(shù)的合理選擇，有源濾波器可以得到更理想的頻率特性。,截止頻率,模擬低通濾波器常常采用普通的一階（最高二階的有源或無(wú)源）RC阻容濾波器來(lái)限制接近工頻分量的諧波信號(hào)混進(jìn)來(lái)！ 模擬濾波器的幅頻特性的最大截止頻率，必須根據(jù)采樣頻率的
9、取值來(lái)確定，當(dāng)fs1000Hz時(shí)，即交流工頻50Hz每個(gè)周期采樣20個(gè)點(diǎn)，則要求濾除模擬輸入信號(hào)中大于500Hz的高頻分量。,采樣頻率的選擇,1. 必須滿(mǎn)足采樣定理，即采樣頻率必須大于原始信號(hào)中最高頻率的二倍。 2. 采樣頻率的選擇與保護(hù)原理和采樣的算法有關(guān)； 3. 采樣頻率還與模擬量的數(shù)量，數(shù)據(jù)傳送方式有關(guān) 工程中一般取fs(2.53) fmax 采樣周期Ts：相鄰兩個(gè)采樣時(shí)刻的時(shí)間間隔稱(chēng)為采樣周期采樣周期的倒數(shù)稱(chēng)為采樣頻率，記為fs。,采樣頻率的選擇,高采樣頻率要求CPU的處理和運(yùn)算速度快；低采樣頻率可能會(huì)造成頻率混疊，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障后的電壓電流是一個(gè)寬頻譜信號(hào)。 目前的繼電保護(hù)主要是基
10、于工頻故障信息構(gòu)成的，那么，高頻故障信息應(yīng)該可以濾除，這樣將降低對(duì)CPU和采樣速率的要求。 目前微機(jī)保護(hù)普遍采用600Hz（1.667毫秒）、1kHz（1毫秒）、1.8kHz（0.55毫秒）的采樣頻率，它們都能夠滿(mǎn)足工頻故障信息和3次、5次諧波的采樣和分辨要求。但是高于300Hz、500Hz、900Hz的故障信號(hào)怎么辦呢？,多個(gè)模擬通道的采樣方式,等間隔采樣和不等間隔采樣。微機(jī)保護(hù)大多數(shù)采用等間隔采樣方式。 跟蹤采樣和定位采樣。跟蹤采樣是不等間隔采樣方式，需要測(cè)頻方法。 多通道同時(shí)采樣、順序采樣、分組順序采樣。 輸電線(xiàn)路保護(hù)通常需引入9個(gè)模擬量： 微機(jī)保護(hù)中廣泛采用多通道同時(shí)采樣方式。,對(duì)于電
11、網(wǎng)頻率波動(dòng)小，采樣精度要求不是很高的場(chǎng)合，常采用等步長(zhǎng)采樣； 對(duì)于電網(wǎng)頻率波動(dòng)大，采樣精度要求高的場(chǎng)合，需要變步長(zhǎng)采樣，變步長(zhǎng)的采樣間隔時(shí)間（采樣脈沖發(fā)出時(shí)間）要隨時(shí)調(diào)整。,多通道同時(shí)采樣方式的硬件電路,采樣定理,從信號(hào)處理的角度看，采樣可看成是采樣序列s(t)與原始信號(hào)f(t)相乘后得到的新信號(hào)。 用矩形脈沖對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，可表示為： 用沖激序列對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，可表示為：,采樣后信號(hào)的頻譜分析,根據(jù)頻域卷積定理，兩個(gè)時(shí)域函數(shù)乘積的傅立葉變換等于他們各自的傅立葉變換的卷積。 式中 分別是 采樣信號(hào)、原始信號(hào)、門(mén)函數(shù)序列、沖激函數(shù)序列的傅立葉變換。,采樣保持電路作用及原理,定義：采樣
12、保持電路（S/H,Sampling and Holding）是在極短時(shí)間內(nèi)測(cè)量模擬量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間保持輸出不變的一個(gè)電路。 目前，采樣保持電路大多集成在單一芯片中，但芯片內(nèi)不設(shè)保持電容，需用戶(hù)外設(shè)，常選0.01F左右。常用的采樣保持芯片有LF198、LF298、LF398等。,采樣保持電路組成,組成：由電子模擬開(kāi)關(guān)AS、保持電容器Ch及兩個(gè)阻抗變換器組成。,Ch的作用是記憶AS閉合時(shí)刻的電壓，并在AS打開(kāi)后保持該電壓。阻抗變換器I在Ch端提供低阻抗，使得Ch電壓建立迅速，而在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，以盡量減少對(duì)輸入回路的影響； 阻抗變換器II在Ch端提供高阻抗，使
13、得Ch衰減緩慢，而在后邊呈現(xiàn)低阻抗以提高帶負(fù)載的能力。,采樣保持電路及工作過(guò)程,采樣保持過(guò)程示意圖,微機(jī)采樣定時(shí)器等間隔地產(chǎn)生采樣脈沖進(jìn)行采樣，得到采樣信號(hào)，采樣后信號(hào)在下次采樣脈沖到來(lái)之前應(yīng)保持不變，形成穩(wěn)定的階梯狀采樣保持信號(hào)，等待A/D轉(zhuǎn)換。,采樣保持工作過(guò)程,對(duì)采樣保持電路的要求,Ch上的電壓按照一定的精度跟蹤Usr，跟蹤時(shí)間盡量短，以適應(yīng)最小采樣寬度Tc 保持時(shí)間要長(zhǎng)，通常用下降率來(lái)表示保持能力；模擬開(kāi)關(guān)的動(dòng)作延時(shí)、閉合電阻和開(kāi)斷時(shí)的漏電流要小。 前兩個(gè)指標(biāo)取決于阻抗變換器和保持電容的性能，就捕獲而言，越小越好；就保持而言越大越好。 一般來(lái)講，要求快速捕獲，采樣周期短，電容要小一些；
14、 慢速捕獲，采樣周期長(zhǎng)，電容大一些，穩(wěn)定性好，抗雜散電容影響能力強(qiáng)。,采樣保持電路的性能與電容的關(guān)系曲線(xiàn),1保持下降率 2保持跳變誤差 30.1誤差的截獲時(shí)間 4充電速率 5頻帶 例子：若取Ch為0.01uf，則保持下降率為2mV/S，微機(jī)保護(hù)采樣速率高于2mS，沒(méi)問(wèn)題；而截獲時(shí)間為20微妙，誤差相當(dāng)于工頻0.36度，也沒(méi)有問(wèn)題。 但是對(duì)于高頻采集行波采集就不行了！ 需要提醒的是：Ch經(jīng)常需要外接。,模擬量多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),繼電保護(hù)需要多的模擬量 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是貴重的元器件 電路布板希望少的芯片 多路轉(zhuǎn)換器是一個(gè)理想的、經(jīng)常采用的芯片 定義：是一個(gè)開(kāi)關(guān)電路；接入很多模擬量；僅僅把其中的一路送給數(shù)模轉(zhuǎn)
15、換器去轉(zhuǎn)換。 不同的模擬量通過(guò)“分時(shí)”方式完成模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程。,多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),組成：包括選擇接通路數(shù)的二進(jìn)制譯碼電路和多路電子開(kāi)關(guān)。 二進(jìn)制譯碼電路決定哪個(gè)電子開(kāi)關(guān)接通接入相應(yīng)的待轉(zhuǎn)換模擬量 多路電子開(kāi)關(guān)起分?jǐn)嗥渌芈范鴥H僅接通待轉(zhuǎn)換的哪一路模擬量作用 16路多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)例(AD7506) A0A3是路數(shù)選擇線(xiàn) 接CPU，控制哪一路選通 A1A16是模擬量入 AS1AS16是電子開(kāi)關(guān) En是始能端,2.3 A/D式逐次逼近型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),A/D轉(zhuǎn)換器定義：是一個(gè)硬件電路，用于實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，也稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器。它是把模擬量變成能讓計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字量的橋梁。 應(yīng)用范圍及其寬廣：隨時(shí)間連續(xù)
16、變化的模擬量、需要計(jì)算機(jī)來(lái)處理的都必須經(jīng)過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)。像電壓、電流、溫度、壓力、速度等。 分類(lèi)： 直接型：直接把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼（逐次逼近型） 間接型：首先把模擬量轉(zhuǎn)換成某種變量（比如頻率），再轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼輸出（VFC壓頻變換式）,模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一般原理,將輸入的模擬量Usr相對(duì)于模擬參考量UR經(jīng)編碼電 路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D輸出 D可以表示為 B1Bn均為二進(jìn)制碼。,數(shù)模轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器,數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量經(jīng)解碼電路變成模擬 電壓或電流輸出。每位數(shù)字量都有一定的權(quán)，不同的權(quán) 就代表一個(gè)具體的數(shù)值。,4位數(shù)模轉(zhuǎn)換器說(shuō)明圖,ADC轉(zhuǎn)換舉例,若待轉(zhuǎn)換的模擬量所對(duì)應(yīng)的未知數(shù)字量應(yīng)是DOH，逐
17、次逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：首先將D7置為1，輸出鎖存器輸出數(shù)字是10000000= 80H。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量并與Uin相比較，由于推測(cè)信號(hào)小于模擬輸入信號(hào)，所以，比較器輸出為1，則D7保持為1。再將D6置1，鎖存器輸出為11000000= C0H，小于D0H，則D6也保持為1。再將D5置1，鎖存器輸出為11100000=E0H，大于D0H，則D5應(yīng)置為0。再將D4置1，鎖存器輸出為11010000=D0H，D4保持為1。再將D3置1，鎖存器輸出為11001000=D8H，大于D0H則D3位置為0。依次類(lèi)推直至D0位，可得轉(zhuǎn)換結(jié)果為11000000=D0H。,電子開(kāi)關(guān)K0K3分別
18、受4位輸入數(shù)字量B1B4控制。 在某位為零時(shí)，開(kāi)關(guān)合向左側(cè)，即接地；為1時(shí)，合向右側(cè)，即接運(yùn)放反相輸入端。 流向運(yùn)算放大器反相輸入端的總電流反映了4位輸入數(shù)字量的大小，經(jīng)帶有負(fù)反饋電阻的放大器放大后變換成電壓輸出。 圖中的特殊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇使得各個(gè)電子開(kāi)關(guān)所接通的回路具有不同的“權(quán)”值。 所以，運(yùn)放輸入電流為,將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)Uin與一推測(cè)信號(hào)Ui相比較，根據(jù)推測(cè)信號(hào)大于還是小于輸入信號(hào)來(lái)決定是增大還是減小該推測(cè)信號(hào)，直至逼近輸入信號(hào)為止。推測(cè)信號(hào)由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得。,逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理,偏置結(jié)果變成單極性,轉(zhuǎn)換時(shí)間 精度要求 微機(jī)保護(hù)要承受100A電流，還要正確分辨1
19、0額定電流（精工電流）0.5安培。 12位AD可以滿(mǎn)足要求。如采用16位更好。,微機(jī)保護(hù)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求,A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),AD變換器的主要技術(shù)指標(biāo)是分辨率、精度和變換速度。 分辨率是反映AD對(duì)輸入電壓信號(hào)微小變化的響應(yīng)能力。AD變換器分辨率的計(jì)算公式為： AD滿(mǎn)量程電壓值2n (V) 式中，AD滿(mǎn)量程電壓值為變換器最大允許的輸入信號(hào)電壓范圍，n為變換器最大可輸出數(shù)字量對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)。 以滿(mǎn)量程電壓值為土5V、最大可輸出數(shù)字量對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)n12的AD變換器為例，其分辨率為：10212V104096V000244V,通常又用AD變換器的二進(jìn)制位數(shù)來(lái)表示其分辨率在微機(jī)型保護(hù)中多使
20、用12位、14位或16位的AD變換器。如12位AD7847芯片、16位的AD7665。 AD變換器的精度是指AD變換的結(jié)果與實(shí)際輸入的接近程度，也就是準(zhǔn)確度精度通常用最低有效位(LSB)來(lái)表征，即當(dāng)AD變換結(jié)果用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示時(shí)，其低位端最大可能有幾位是不準(zhǔn)確的。 AD變換器的變換時(shí)間指的是進(jìn)行一次AD變換所需的時(shí)間，目前微機(jī)型保護(hù)中常用的AD變換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾微秒至十幾微秒,2.4 VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),VFC（Voltage Frequency Converter），電壓頻率轉(zhuǎn)換器 。 電壓、電流信號(hào)經(jīng)電壓形成回路后，均變換成與輸入信號(hào)成比例的電壓量，經(jīng)過(guò)VFC，將模擬電壓變換為脈沖信號(hào)
21、，該脈沖信號(hào)的頻率與輸入電壓成正比，經(jīng)快速光電耦合器隔離后，由計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。隨后，微型機(jī)在采樣間隔Ts內(nèi)讀取的計(jì)數(shù)值就與輸入模擬量在Ts內(nèi)的積分成正比，達(dá)到了將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的目的，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。,信息共享,VFC轉(zhuǎn)換器,VFC轉(zhuǎn)換器是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào)的器件，其輸出為一個(gè)等幅脈沖串，其頻率隨時(shí)間正比于輸入電壓瞬時(shí)值。它有良好的精度和線(xiàn)性度。此外，它的應(yīng)用電路簡(jiǎn)單對(duì)外圍元件性能要求不高，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。,VFC工作原理,由輸入運(yùn)放A1、過(guò)零檢測(cè)器A2、受控單穩(wěn)觸發(fā)器、電子開(kāi)關(guān)及電阻電容組成。,VFC模數(shù)轉(zhuǎn)換,VFC工作原理,A1是一個(gè)積分運(yùn)算放大器，它具有反饋電容Ci
22、nt和輸入電阻Rin。積分器的輸出電壓與存儲(chǔ)在Cint的電荷成正比。當(dāng)輸入為電壓信號(hào)時(shí)，這個(gè)電壓通過(guò)Rin產(chǎn)生一個(gè)電流，對(duì)Cint進(jìn)行充電，從而在輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的斜坡電壓，當(dāng)輸出電壓為零時(shí)，過(guò)零檢測(cè)器A2翻轉(zhuǎn)，其輸出端觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器，單穩(wěn)觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)單脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的寬度為T(mén)os。 該脈沖信號(hào)一方面通過(guò)輸出驅(qū)動(dòng)電路在Fout端產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，另一方面控制電子開(kāi)關(guān)K。在Tos期間，電子開(kāi)關(guān)K閉合，于是通過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)的電流IR對(duì)電容器反充電，積分器的輸出電壓變?yōu)檎?，直到Tos結(jié)束，電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，輸入電壓又對(duì)電容器充電，運(yùn)算放大器A1的輸出電壓再次從正變?yōu)榱?，過(guò)零檢測(cè)器再次觸發(fā)單穩(wěn)，單穩(wěn)觸發(fā)
23、器又產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)脈沖序列。,當(dāng)輸入電壓變高時(shí)，由于充電電流增大，充電速度快，A1輸出端的電壓下降也變快，于是脈沖信號(hào)的頻率增加，可見(jiàn)，該脈沖信號(hào)的頻率與輸入電壓的瞬時(shí)值成正比。從而將輸入電壓轉(zhuǎn)換成一系列等幅脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器記錄一定的時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 單穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈沖信號(hào)的寬度受RT和CT兩個(gè)參數(shù)的影響。通常在生產(chǎn) VFC芯片時(shí)將RT固定，而CT由用戶(hù)外接，通過(guò)改變CT的大小，可改變輸出脈沖的寬度。當(dāng)輸入電壓為最大值時(shí)，如果脈沖信號(hào)的寬度太 大，會(huì)使脈沖信號(hào)無(wú)法分辨，因而，每一種VFC芯片都有一個(gè)最高轉(zhuǎn)換頻率。例
24、如 VFCAD654芯片的最高轉(zhuǎn)換頻率為500kHz。,VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特點(diǎn),VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特點(diǎn) 低通濾波 抗干擾能力強(qiáng) 位數(shù)可調(diào) 與微機(jī)接口簡(jiǎn)單 多微機(jī)共享 不適于高速采樣,ADC式與VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)比較,采用逐次逼近AD芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果可直接用于微機(jī)保護(hù)中的數(shù)字運(yùn)算，而采用VFC芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由于計(jì)數(shù)器采用了減法計(jì)數(shù)器，所以每次采樣中斷從計(jì)數(shù)器讀出的計(jì)數(shù)值與模擬信號(hào)沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。必須將相鄰幾次讀出的計(jì)數(shù)值相減后才能用于數(shù)字運(yùn)算。 AD式芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率決定于AD芯片的位數(shù)。位數(shù)越高，分辨率也越高。但硬件一經(jīng)選定則分辨率便固定。而由V
25、FC芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率不僅與VFC芯片的最高轉(zhuǎn)換頻率有關(guān)，而且還與軟件計(jì)算時(shí)所選取的計(jì)算間隔有關(guān)。計(jì)算間隔越長(zhǎng)，分辨率越高。, AD式芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)瞬時(shí)的高頻干擾信號(hào)敏感，而VFC芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有平滑高頻干擾的作用。采樣間隔越大，這種平滑作用越明顯。因此，在需要提取高次諧波時(shí)，如果采用VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率不應(yīng)過(guò)低。 在硬件設(shè)計(jì)上，VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的隔離。便于 實(shí)現(xiàn)多個(gè)單片機(jī)共享同一路轉(zhuǎn)換結(jié)果。而AD式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不便于數(shù)據(jù)共享和光電隔離。 在設(shè)計(jì)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，采用AD式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，至少應(yīng)設(shè)有兩個(gè)中斷，即采樣中斷和AD
26、轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。對(duì)于多個(gè)模擬信號(hào)公用一片AD芯片時(shí)， 應(yīng)考慮數(shù)據(jù)處理占用采樣中斷的時(shí)間。而VFC式可只設(shè)一個(gè)采樣中斷 (不考慮其他功能時(shí))，軟件在采樣中斷中的任務(wù)是鎖存計(jì)數(shù)器，并讀計(jì)數(shù)器的值后存到循環(huán)存儲(chǔ)區(qū)。,采樣頻率的選擇 模擬低通濾波器 逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器 VFC式模數(shù)轉(zhuǎn)換器 作業(yè) 1 VFC電路中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用是什么？,小結(jié),2.5 開(kāi)關(guān)量輸入、輸出系統(tǒng) 微機(jī)保護(hù)所采集的信息通常可分為模擬量和開(kāi)關(guān)量。無(wú)論何種類(lèi)型的信息，在微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部都是以二進(jìn)制的形式存放在存儲(chǔ)器中。斷路器和隔離開(kāi)關(guān)、繼電器的接點(diǎn)、按鈕和普通的開(kāi)關(guān)、刀閘等都具有分、合兩種工作狀態(tài)，可以用0、1表示，因此，對(duì)它們的工作
27、狀態(tài)的輸入和控制命令的輸出都可以表示為數(shù)字量的輸入和輸出。 開(kāi)關(guān)量輸入有兩類(lèi)： 1.可以與CPU主系統(tǒng)使用共同電源，無(wú)需電氣隔離的開(kāi)關(guān)量輸入。 2.與CPU主系統(tǒng)使用不同電源，需要電氣隔離的開(kāi)關(guān)量輸入。如斷路器、隔離開(kāi)關(guān)的輔助觸點(diǎn)，繼電器觸點(diǎn)等。,具有光電耦合器件的開(kāi)關(guān)量輸入回路接線(xiàn)圖,開(kāi)關(guān)量輸入回路,裝在面板上的接點(diǎn)5V系統(tǒng) 裝在端子排上的接點(diǎn)24V、48V、220V等，需要光電隔離,把發(fā)光器件（發(fā)光二極管）和光敏器件（受光導(dǎo)通）組合，可以實(shí)現(xiàn)光媒介的電信號(hào)傳變，這種器件被稱(chēng)為光電耦合器；光隔離器；光傳感器； 光敏集成塊 常見(jiàn)光隔離器，二極管型、三極管型、達(dá)林頓型晶閘管型，驅(qū)動(dòng)功率大小區(qū)分。
28、,光耦合器,開(kāi)關(guān)量輸出主要包括保護(hù)的跳閘出口以及本地和中央信號(hào)輸出等。,采用光電耦合器件的開(kāi)關(guān)量輸出回路,開(kāi)關(guān)量輸出回路,保護(hù)的跳閘出口、本地信號(hào)和中央信號(hào)。 一般由并行輸出口、邏輯與非門(mén)、光電隔離器、有接點(diǎn)的繼電器組成。,2.6 WXB-11型線(xiàn)路保護(hù)裝置 WXB-11型微機(jī)保護(hù)裝置是用于110500kV各級(jí)電壓的輸電線(xiàn)路成套保護(hù)，能正確反映輸電線(xiàn)路的各種相間故障和接地故障，并進(jìn)行一次重合閘。四個(gè)用于保護(hù)和重合閘功能的CPU1CPU4分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻、距離、零序和重合閘，它們被設(shè)計(jì)成四個(gè)獨(dú)立的插件，硬件電路完全相同，只是不同軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。,WXB-11型微機(jī)保護(hù)裝置硬件框圖,WXB-11型微機(jī)保護(hù)裝置面板圖,
微機(jī)保護(hù)構(gòu)成及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).ppt
