微机保护的硬件构成原理.doc

4.2 微机保护的硬件构成原理 4.2.1 微机保护的硬件组成 （图4.1 微机保护硬件结构示意框图） 4.2.1.1 数据采集系统DAS(或模拟量输入系统) 如图4.1所示，数据采集系统主要包括：电压形成、模拟滤波(ALF)、采样保持(S/H)、多路转换(MPX)以及模数转换(A/D)等功能块，其作用是完成将所检测的模拟输入量（如：电流、电压）准确地转换为微机所需的数字量。 4.2.1.2 微机主系统(CPU) 如图4.1所示，微机主系统主要包括：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、并行接口以及串行接口等。微机执行存放在只读存储器中的程序，并对数据采集系统输入至RAM 区的原始数据进行分析处理，实现各种继电保护功能。 4.2.1.3 开关量(或数字量)输入/输出系统 如图4.1所示，开关量输入/输出系统由微机若干个并行接口适配器、光电隔离器件及有接点的中间继电器等组成，主要实现各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接点输入及人机对话、通信等功能。 4.2.2 数据采集系统 4.2.2.1 电压形成回路 微机保护模拟量的设置应以满足保护功能为基本准则，输入的模拟量与计算方法结合后，应能够反应被保护对象的所有故障特征。以高压输电线路保护为例，由于高压线路保护一般具备了全线速动保护（如高频保护或光纤电流纵联差动保护）、距离保护、零序保护和重合闸的等功能，所以，模拟量一般设置为、、、3、、、、共8 个模拟量，其中，、、、3、、、用于构成保护的功能，为断路器的另一侧电压，用于实现重合闸功能。 微机保护要从被保护的电力线路或电气设备的电流互感器、电压互感器或其他变换设备上取得信息，但这些互感器的二次数值（TA为5A或1A额定值，TV为100V额定值）输出范围对典型的微机保护电路却不适用，需要降低和变换。在微机保护中，通常根据模数转换器输入范围的要求，将输入信号变换为±5V 或±10V范围内的电压信号。因此，一般采用中间变换器来实现以上的变换。 交流电压信号可以采用小型中间变压器；而将交流电流信号变换为成比例的电压信号，可以采用电抗变换器或电流变换器。 电抗变换器具有阻止直流、放大高频分量的作用，当一次存在非正弦电流时，其二次电压波形将发生严重的畸变，这是不希望的。其优点是线性范围较大，铁芯不易饱和，有移相作用；另外，其抑制非周期分量的作用在某些应用中也可能成为优点。 电流变换器最大优点是，只要铁芯不饱和，则其二次电流及并联电阻上的二次电压的波形可基本保持与一次电流波形相同且同相，即它的传变可使原信息不失真。这点对微机保护是很重要的，因为只有在这种条件下做精确的运算或定量分析才是有意义的。至于移相、提取某一分量或抑制某些分量等，在微机保护中，根据需要可以容易地通过软件来实现。电流中间变换器的缺点是，在非周期分量的作用下容易饱和，线性度较差，动态范围也较小，这在设计和使用中应予以注意。 综合比较电抗变换器和电流变换器的优缺点后，在微机保护中，一般采用电流变换器将电流信号变换为电压信号，当然，也有采用电抗变换器的。采用电流变换器时，连接方式如图4.2所示。为模拟低通滤波器及A/D输入端等回路构成的综合阻抗，在工频信号条件下，该综合阻抗的数值可达80kΩ以上；为电流变换器二次侧的并联电阻，数值为几欧姆到十几欧姆，远远小于。因为与的数值差别很大，所以，由图4.2可得： （4.1） 式中，——电流变换器二次侧的并联电阻（Ω）； ——电流变换器的变比； 、——电流变换器一、二次电流（A）。 于是，在设计时，相关参数应满足下列条件： （4.2） 式中，——电流变换器原边电流的最大瞬时值； ——A/D 转换器在双极性输入情况下的最大正输入范围，例如A/D 的输入范围为±5V，则＝5V。 （图4.2 电流变换器的连接方式） 通常，在中间变换器的原边和副边之间，应设计一个屏蔽层，并将屏蔽层可靠地与地网连接，以便提高交流回路抗共模干扰的能力。在共模干扰情况下，等效电路如图4.3 所示，其中，、为变换器两侧与屏蔽层之间的等效电容，为交流输入传输导线的等效阻抗，为设备对地的等效阻抗，为接地阻抗（一般要求小于0.5Ω）。由于很小，所以，由电路的基本分析可以知道，共模干扰信号对变换器二次侧的影响得到了极大的抑制。这样，这些中间变换器还起到屏蔽和隔离的作用，可提高交流回路的可靠性。 顺便指出，在一些需要采集直流信号的场合，通常采用霍尔元件（霍尔电流传感器a）共模干扰及屏蔽层示意图；（b）屏