第五讲微机保护的数据采集系统.ppt
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第五讲微机保护数据采集系统,微机继电保护举例,微机保护的结构,CPU板,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,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。
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。
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),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;是二次侧并联电阻,很小。
输出电压,
(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。
采样保持电路:
输入电压:
输出电压:
采用保持电路输出了一个阶梯电压波形。
在保持阶段无论何时进行模数转换,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。
采样保持电路的典型芯片,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2kHZ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。
最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。
其中,(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。
16路多路转换开关输入模拟量通道:
A1A16;输出模拟量通道:
输出控制由四个路数选择线来控制。
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。
(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相对于模拟参考转化,成数字量D输出,输出数字量D和输入模拟量之间关系式为:
,其中是模拟参考电压,一般,D是小于1的二进制数,,D是一个n位二进制数字。
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:
该时刻瞬时电压值,转变为数字量,2、数模转换器的一般原理数模转换器(D/A转换器,或简称DAC)是把数字量D转变成模拟电压或电流输出。
模数转换器中一般都要用到数模转换器。
输入数字量:
,上图n=4。
输出模拟电压:
,正比于输入数字量D。
3、逐次逼近式模数转换器的工作原理数模转换器的工作过程:
通过并行接口向16位D/A转换器试探性送数。
每送一次数,微型机通过读取PA0端口的状态判断试送的16位数相对于模拟输入量是偏大还是偏小。
如果偏大,则减小试送的16位数,直至找到最相近的二进制数,这个16位二进制数就是A/D转换器的输出结果。
试探送数采样逐次逼近的二分搜索法。
双极性模拟量的模数转换,双极性模拟量:
正、负极性变化的模拟量。
为了实现对双极性模拟量的模数转换,需要设置一个直流偏置量,其值为最大允许输入量的一半。
以输入双极性电压最大范围为5V的模数转换器为例。
以上A/D转换器的位数是16位。
最高位是符号位,有效位只有后面的15位。
一个n位的A/D转换器,其十进制数的范围是,模数转换的溢出,模数转换器的溢出:
输入模拟电压超过了模数转换器的最大允许输入电压。
模数转换器的溢出可能有两种情况:
(1)平顶溢出,危害不大。
(2)清零溢出,危害很大。
4、A/D转换器举例,以模数转换器AD7665为例进行分析。
数模转换器AD7665是一种逐次逼近型的16位快数数模转换器,转换速率是500kSPS(SamplesPerSecond),即进行一次模数转换的时间为1/500K=2uS。
A/D7665模数转换器是由AnalogDevices公司生产。
芯片外观,芯片内部结构示意图,5、A/D转换器与微型机的接口,模数转换器AD7665的模数转换功能必须由微型机执行软件程序来控制,即微型机通过总线控制模数转换器AD7665。
模数转换器AD7665与微型机的接口如下图所示。
6、微机保护对A/D转换器的主要要求,
(1)转换位数(分辨率),通常用数字量的位数来表示。
(2)转换时间(转换频率),A/D转换器进行模数转换的时间,其转换频率为。
1)转换位数(分辨率),即数字量的位数。
当用有限位数的二进制数来表示连续的模拟量瞬时值,不可避免地要舍去比最低位(LSB)更小的数,从而引入一定误差。
对于一个n位的A/D转换器,其量化误差其中,是A/D转换器最大允许输入的正电压。
2)转换时间,影响A/D的最高采样频率。
(五)VFC型数据采集系统,电压频率转换器VFC(VoltageFrequencyConverter)是另一种实现模数转换功能的器件,将模拟电压量变换为脉冲信号,该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。
(1)VFC的工作原理,VFC把输入的交流模拟电压量转变为脉冲信号输出。
输出脉冲信号的频率与输入电压成正比。
是常数。
VFC的工作原理,电压频率转换器VFC输出脉冲方波的频率和输入交流模拟电压信号的大小成正比,即:
在一段时间(采样时间)内,对VFC输出的脉冲方波进行计数(即计算上升沿的个数),得到数字量D。
则该数字量D和输入模拟信号之间的关系是:
当采样时间很小时,且输入模拟信号中没有高频分量时,可以认为在采样时间内输入模拟电压也不变。
则有:
所以最终输出的数字量D也正比于输入的模拟信号。
VFC的分辨率与采样频率的关系,分辨率一般用VFC转换器输出的数字量D的位数来衡量。
VFC输出的位数取决于两个因素:
VFC输出脉冲的最高频率;采样间隔Ts的大小和积分间隔个数N。
VFC转换器输出的最大数字量最高频率之间关系为:
以最高频率4MHz为例分析:
取Ts5/3mS,N=1,其最大输出数字量为:
这个数字量相当于12.7位的A/D输出。
(2)VFC型数据采集系统的特点,VFC型数据采集系统结构简图如下所示。
可见与普通A/D型的数据采集系统是不一样的。
VFC型数据采集系统的特点:
有低通滤波的作用,可以大大抑制噪声;普通A/D转换器是对模拟量瞬时值进行转换,而VFC型数据采集系统是对模拟量的连续积分,具有低通滤波作用,并可大大抑制噪声。
抗干扰能力强,在VFC数据采集系统的输出端和CPU主系统的计数器之间接入光电耦合器;输出数字量D的位数可调;与微型机的接口简单;可实现多微机共享数据采集;易于实现同步采样;但不适用于高频采样。
三、开关量输入及输出回路,
(一)光电耦合器,光电耦合器:
把发光器件和光敏器件组合在一起,实现以光信号为媒介的电信号变换。
由于发光器件和光敏器件之间相互绝缘,所以可以实现输入和输出两侧电路之间的电气隔离。
在微机保护中常用光电耦合器来输入或输出开关量信号。
(二)开关量输入回路,开关量:
即接点状态信号,接通或断开(识别外部条件)。
对微机保护装置的开关量输入可以分为2类:
(1)安装在装置面板上的接点信号输入;如用于人机对话的键盘上的接点信号。
这类信号可以直接接至微型机的并行口。
(2)从装置外部经过端子排引入的接点信号输入;如保护屏上的各种硬压板、转换开关等。
为了抑制干扰,这类接点必须要经过光电耦合器进行电气隔离,然后接至并行口。
(三)开关量输出回路,需要输出的开关量(开出量):
保护的跳闸信号、通信接口。
1、通信接口(包括打印机接口)可用一个并行口来控制输出数字信号。
输出回路中也加光电耦合器,提高抗干扰能力。
将并行接口的PA口设置为输出方式;将PB口设置为输入方式。
在开关量输出回路中加入光电耦合器,实现两侧电气回路的电气隔离,同时可以进行不同逻辑电平的转换。
并行接口侧的电源电压是5V,而右侧输入回路中电源电压可以是24V或其它电压等级。
2、保护的跳闸出口信号对于保护跳闸出口信号(及本地信号)的输出,一般采样并行口经过光电耦合器控制继电器的方式。
对于重要的保护跳闸出口信号,为了防止误发信号,还需要增加与非门环节。
四、DSP技术的应用,数字信号处理器(DSP,即DigitalSignalProcessor)是进行数字信号处理的专用芯片,是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的新器件。
DSP的特点:
1、哈佛结构,获得高速运算能力。
浮点运算90亿次/S。
2、采样流水线技术,保证取指令和执行支路同时进行。
3、具有独立的硬件乘法器。
4、具有多处理器接口。
DSP具有强大、快速的数据处理能力和定点、浮点运算功能,因此将DSP融合到微机保护中,将大大提高微机保护的性能。
五、网络化硬件结构,将网络技术、智能化输入/输出(I/O)技术引入微机保护装置内部硬件电路设计,使内部模块之间连接简单、方便,并获得良好的可扩展性、升级特性,并可提高抗干扰能力。
定义:
是指一组事先约定了结构与通信方式的并行信息连接线,其特点是对插座的每一根引线的意义和物理位置都作了严格的规定,与之相关的插件都需按总线规约设计并通过总线传递信息,网络形式的插件结构,优点:
(1)互换性强
(2)按照标准总线规约设计,得到在数据、地址、控制线之间的合理布置,避免引线间的相互干扰。
典型插件式结构一般采用配线形式进行连接。
定义:
不再遵循总线规约,每根引线的意义以及信号时序要求根据实际电路确定,引线的物理位置也不作硬性规定。
优点:
(1)各印制板引出线可根据需要引出,引线数目可减少,从而可采用总线数较少的插座,这对提高可靠性有利
(2)印制板布线可就近上插头,可简化布线和减少布线长度,这对降低板上相互干扰有利(3)插座间连线可实现软连接,这样在插拔时有一定缓冲作用,这对改善接触和减少插拨磨损有利(4)目前软连接线与插座相连时所采用的卷绕工艺,运行经验表明其可靠性较高,典型插件式结构,
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- 第五 微机 保护 数据 采集 系统