1、一、微機(jī)繼電保護(hù)裝置的特點(diǎn)1可靠性高微機(jī)保護(hù)的軟件設(shè)計(jì)，考慮到電力系統(tǒng)中各種復(fù)雜的故障，具有很強(qiáng)的綜合分析和判斷能力，幾乎就是一個(gè)專家智能系統(tǒng)。而常規(guī)保護(hù)裝置，由于是各種器件組成的，不可能做得很復(fù)雜，否則硬件越多，越復(fù)雜，本身出故障的概率就越大，可靠性當(dāng)然就降低了。另外微機(jī)保護(hù)裝置的自檢與巡檢功能也大大提高了其可靠性。2動(dòng)作正確率高鑒于計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，微機(jī)保護(hù)裝置能保證在任何時(shí)刻均不斷迅速地采樣計(jì)算，反復(fù)準(zhǔn)確地校核。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障的暫態(tài)時(shí)期內(nèi)，就能正確判斷故障，如果故障發(fā)生了變化或進(jìn)一步發(fā)展也能及時(shí)做出判斷和自糾。如在保護(hù)延時(shí)動(dòng)作或重合間延時(shí)的過(guò)程中都能監(jiān)視系統(tǒng)故障的變化，因此

2、微機(jī)保護(hù)的動(dòng)作正確率很高，運(yùn)行實(shí)踐已證明了這點(diǎn)。3易于獲得各種附加功能由于計(jì)算機(jī)軟件的特點(diǎn)，使得微機(jī)保護(hù)可以做到硬件和軟件資源共享，在不增加任何硬件的情況下，只需增加一些軟件就可以獲得各種附加功能。例如在微機(jī)保護(hù)裝置中，可以很方便地附加了低周減載和自動(dòng)重合閘等自動(dòng)裝置的功能。4保護(hù)性能容易得到改善由于計(jì)算機(jī)軟件可方便改寫的特點(diǎn)，保護(hù)的性能可以通過(guò)研究許多新的保護(hù)原理來(lái)得到改善。而且許多現(xiàn)代新原理的算法，在常規(guī)保護(hù)中是很難或根本不可能用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。5使用靈活、方便目前微機(jī)保護(hù)裝置的人機(jī)界面做得越來(lái)越好，也越來(lái)越簡(jiǎn)單方便。例如漢化界面、微機(jī)保護(hù)的查詢、整定更改及運(yùn)行方式變化等等都十分靈活方便，受

3、到現(xiàn)場(chǎng)繼電保護(hù)工作入員的普遍歡迎。6具有遠(yuǎn)方監(jiān)控特性微機(jī)保護(hù)裝置都具有串行通信功能，與變電所微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信聯(lián)絡(luò)使微機(jī)保護(hù)具有遠(yuǎn)方監(jiān)控的特點(diǎn)并將微機(jī)保護(hù)納入變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。三、微機(jī)保護(hù)的學(xué)習(xí)方法微機(jī)保護(hù)專業(yè)基礎(chǔ)是單片微機(jī)原理和電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理，顯然要學(xué)好微機(jī)保護(hù)就得掌握一定的單片微機(jī)原理和電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理。對(duì)于專業(yè)入員的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，目前主要的困難還在于單片微機(jī)的基本知識(shí)。為了提高培訓(xùn)學(xué)習(xí)的效率，對(duì)于單片微機(jī)原理應(yīng)該抓住單片微機(jī)的實(shí)質(zhì)，而不應(yīng)以單片微機(jī)電路的細(xì)節(jié)為主，要防止鉆進(jìn)去而跳不出來(lái)，在具體細(xì)節(jié)上糾纏不清的現(xiàn)象。學(xué)習(xí)單片微機(jī)基本原理就要以方框圖為主，對(duì)于保護(hù)輸入和輸出的電路則

4、要較具體地搞清楚它們的來(lái)龍去脈。對(duì)于微機(jī)保護(hù)的軟件，主要是在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理基礎(chǔ)上掌握微機(jī)保護(hù)程序邏輯框圖的原理，特別是理解各個(gè)（元件）模塊的保護(hù)原理，這對(duì)于今后分析系統(tǒng)事故及設(shè)備故障、保護(hù)動(dòng)作的正確性均有好處，繼電保護(hù)的專業(yè)入員在學(xué)習(xí)單片微機(jī)基本原理時(shí)，可以學(xué)些匯編語(yǔ)言基本知識(shí)，這對(duì)學(xué)習(xí)保護(hù)程序邏輯框圖會(huì)很有幫助，對(duì)繼電保護(hù)專業(yè)入員主要是以正確理解為主，而電力系統(tǒng)運(yùn)行入員則以基本了解為宜學(xué)習(xí)微機(jī)保護(hù)還必須注意結(jié)合具體保護(hù)裝置，這樣可以避免理論脫離實(shí)踐。第一章微機(jī)保護(hù)裝置的硬件原理第一節(jié)微機(jī)保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)一、微機(jī)保護(hù)裝置的典型結(jié)構(gòu)微機(jī)型保護(hù)裝置實(shí)質(zhì)上是一種依靠單片微機(jī)智能地實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能

5、的工業(yè)控制裝置。一般典型的微機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)是由五個(gè)部分構(gòu)成的，即信號(hào)輸入電路、單片微機(jī)系統(tǒng)、人機(jī)接口部分、輸出通道回路及電源部分如圖1l所示。（一）信號(hào)輸入電路微機(jī)保護(hù)裝置輸入信號(hào)主要有兩類，即開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)。信號(hào)輸入電路部分就是妥善處理這二類信號(hào)，完成單片微機(jī)系統(tǒng)輸入信號(hào)接口功能。通常輸入的開(kāi)關(guān)量信號(hào)不能滿足單片微機(jī)的輸入電平要求，因此需要信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。為了提高保護(hù)裝置的抗干擾性能，通常還需要經(jīng)整形、延時(shí)、光電隔離等處理。輸入的電壓和電流信號(hào)，是模擬量信號(hào)。由于計(jì)算機(jī)是一種數(shù)字電路設(shè)備，只能接受數(shù)字脈沖信號(hào)，所以就需要將這一類模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)字脈沖信號(hào)。完成模擬量至數(shù)字脈沖的變

6、換稱為模數(shù)變換，輸入模擬量信號(hào)的模數(shù)變換電路也稱作輸入信號(hào)調(diào)理電路。（二）單片微機(jī)系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置的核心是單片微機(jī)系統(tǒng)，它是由單片微機(jī)和擴(kuò)展芯片構(gòu)成的一臺(tái)小型工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)，除了這些硬件之外，還有存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器里的軟件系統(tǒng)。這些硬件和軟件構(gòu)成的整個(gè)單片微機(jī)系統(tǒng)主要任務(wù)是完成數(shù)值測(cè)量、計(jì)算、邏輯運(yùn)算及控制和記錄等智能化任務(wù)。除此之外，現(xiàn)代的微機(jī)保護(hù)應(yīng)具有各種遠(yuǎn)方功能，它包括發(fā)送保護(hù)信息并上傳給變電所微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，接收集控站、調(diào)度所的控制和管理信息。關(guān)于單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理詳見(jiàn)附錄A。在附錄A里簡(jiǎn)單扼要地概括了MCS51系列單片機(jī)的構(gòu)造和原理。這種單片微機(jī)系統(tǒng)可以是單CPU或多CPU系統(tǒng)。一般為了提

7、高保護(hù)裝置的容錯(cuò)水平，目前大多數(shù)保護(hù)裝置已采用多CPU系統(tǒng)。尤其是較復(fù)雜的保護(hù)裝置，其主保護(hù)和后備保護(hù)都是相互獨(dú)立的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。它們的CPU是相互獨(dú)立的，任何一個(gè)保護(hù)CPU或芯片損壞均不影響其他保護(hù)。除此之外，各保護(hù)的CPU總線均不引出，輸入及輸出的回路均經(jīng)光隔處理，各保護(hù)具有自檢與互檢功能，能將故障定位到插件或芯片，從而大大地提高了保護(hù)裝置運(yùn)行的可靠性。但是對(duì)于比較簡(jiǎn)單的微機(jī)保護(hù)，由于保護(hù)功能較少，為了簡(jiǎn)化保護(hù)結(jié)構(gòu)，多數(shù)還是采用單CPU系統(tǒng)。（三）人機(jī)接口部分在許多情況下，單片微機(jī)系統(tǒng)必須接受操作人員的干預(yù)，例如整定值的輸入，工作方式的變更，對(duì)單片微機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)的檢查等都需要人機(jī)對(duì)話。這部分

8、工作在CPU控制之下完成，通常可以通過(guò)鍵盤、漢化液晶顯示、打印及信號(hào)燈、音響或語(yǔ)言告警等來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。（四）輸出通道部分輸出通道部分是對(duì)控制對(duì)象（例如斷路器）實(shí)現(xiàn)控制操作的出口通道。通常這種通道主要任務(wù)是將小信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率輸出，滿足驅(qū)動(dòng)輸出的功率要求。在出口通道里還要防止控制對(duì)象對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的反饋干擾，因此出口通道也需要光隔離?？偟恼f(shuō)來(lái)輸出通道仍然是一種被控對(duì)象與微機(jī)系統(tǒng)之間的接口電路。（五）電源部分最后一部分是電源。微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)電源要求較高，通常這種電源是逆變電源，即將直流逆變?yōu)榻涣髟侔呀涣髡鳛槲C(jī)系統(tǒng)所需的直流電壓。它把變電所的強(qiáng)電系統(tǒng)的直流電源與微機(jī)的弱電系統(tǒng)電源完全隔離開(kāi)。通過(guò)逆

9、變后的直流電源具有極強(qiáng)的抗干擾水平，對(duì)來(lái)自變電所中因斷路器跳合閘等原因產(chǎn)生的強(qiáng)干擾可以完全消除掉。目前，微機(jī)保護(hù)裝置均按模塊化設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)對(duì)于成套的微機(jī)保護(hù)、各種線路和元件的保護(hù)，都是用上述五個(gè)部分的模塊化電路組成的。所不同的是軟件系統(tǒng)及硬件模塊化的組合與數(shù)量不同。不同的保護(hù)用不同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，不同的使用場(chǎng)合按不同的模塊化組合方式構(gòu)成。這樣的成套微機(jī)保護(hù)裝置，對(duì)于設(shè)計(jì)、運(yùn)行及維護(hù)、調(diào)試人員都帶來(lái)了極大方便。二、微機(jī)保護(hù)的結(jié)構(gòu)框圖原理在實(shí)際應(yīng)用中，微機(jī)保護(hù)裝置分為單CPU和多CPU的結(jié)構(gòu)方式。在中、低壓變電所中多數(shù)簡(jiǎn)單的保護(hù)裝置采用單CPU結(jié)構(gòu)，而在高壓及超高壓變電所中復(fù)雜保護(hù)裝置廣泛采用多C

10、PU的結(jié)構(gòu)方式。（一）單CPU的結(jié)構(gòu)原理單CPU的微機(jī)保護(hù)裝置是指整套微機(jī)保護(hù)共用一個(gè)單片微機(jī)，無(wú)論是數(shù)據(jù)采集處理，開(kāi)關(guān)量采集，人機(jī)接口及出口信號(hào)等均由一個(gè)單片微機(jī)控制。如圖12所示。該圖是WBZ01型第一代微機(jī)變壓器保護(hù)裝置的硬件方框圖，其他單CPU的微機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)與WBZ0的結(jié)構(gòu)相類似。從圖12可見(jiàn)，模擬量輸入回路部分由隔離與電壓形成、低通濾波回路、多路開(kāi)關(guān)及模數(shù)變換組成；單片微機(jī)系統(tǒng)是由CPU、EPROM、RAM、E2PROM組成；開(kāi)關(guān)量輸入由光隔輸入組成；人機(jī)接口部分由鍵盤和顯示器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、打印電路組成；開(kāi)關(guān)量輸出通道由I/O、信號(hào)和出口回路組成。、全套裝置由逆變穩(wěn)壓電源供電。從圖12

11、還可以看出，模擬量輸入回路、單片微機(jī)系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量輸入、人機(jī)接口和開(kāi)關(guān)量輸出各插件均通過(guò)總線（BUS）聯(lián)系在一起，由CPU通過(guò)BUS實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)傳輸和控制的、該總線（BUS）稱為三總線：AB地址總線，DB數(shù)據(jù)總線，CB控制總線。CPU通過(guò)AB地址總線選通各功能芯片，通過(guò)CB控制總線控制各功能芯片的工作方式、最終由DB數(shù)據(jù)總線傳送信息和數(shù)據(jù)、圖1-2單CTU結(jié)構(gòu)的槪機(jī)保護(hù)硬件框圖單CPU結(jié)構(gòu)的微機(jī)保護(hù)的基本原理如下：各交流量分別經(jīng)信號(hào)輸入回路、模擬低通濾波器送到CPU控制的多路開(kāi)關(guān)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由DB數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、CPU通過(guò)調(diào)用程序存儲(chǔ)器（EPROM）內(nèi)的程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行

12、計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果與存放在電可擦存儲(chǔ)器（E2PROM）中的整定值進(jìn)行比較，作出相應(yīng)判斷、再通過(guò)輸入輸出端口（I/O）將處理信號(hào)送到相應(yīng)外設(shè)（信號(hào)與出口）發(fā)出報(bào)警信號(hào)，或執(zhí)行跳閘、鍵盤、顯示器、打印機(jī)用于人機(jī)對(duì)話，以便對(duì)整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、整定、監(jiān)視、開(kāi)關(guān)量輸入電路用于將高壓斷路器或隔離開(kāi)關(guān)的輔助觸點(diǎn)引入，對(duì)于變壓器保護(hù)還需將瓦斯、溫度等觸點(diǎn)引入，以便CPU檢測(cè)，作出相應(yīng)控制、硬件自檢電路用來(lái)檢測(cè)CPU程序工作是否正常，一旦CPU工作不正常即閉鎖保護(hù)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)、單CPU結(jié)構(gòu)的微機(jī)保護(hù)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其容錯(cuò)能力不高，一旦CPU或其中某個(gè)插件工作不正常就影響到整套保護(hù)裝置、由于后備保護(hù)與主保護(hù)共

13、用同一個(gè)CPU，因此主保護(hù)不能正常工作時(shí)往往也影響到后備保護(hù)，其可靠性必然下降、（二）多CPU微機(jī)保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)原理為了提高微機(jī)保護(hù)的可靠性，目前高壓及超高壓變電所微機(jī)保護(hù)都已采用多CPU的結(jié)構(gòu)方式、所謂多CPU的結(jié)構(gòu)方式就是在一套微機(jī)保護(hù)裝置中，按功能配置有多個(gè)CPU模塊，分別完成不同保護(hù)原理的多重主保護(hù)和后備保護(hù)及人機(jī)接口等功能、顯然這種多CPU結(jié)構(gòu)方式的保護(hù)裝置中，如有任何一個(gè)模塊損壞均不影響其他模塊保護(hù)的正常工作，有效地提高了保護(hù)裝置的容錯(cuò)水平，防止了一般性硬件損壞而閉鎖整套保護(hù)、多CPU結(jié)構(gòu)的保護(hù)裝置還提供了采用三取二保護(hù)啟動(dòng)方式的可能性，大大提高了保護(hù)裝置啟動(dòng)的可靠性。多CPU結(jié)構(gòu)

14、的保護(hù)裝置硬件框圖如圖13所示，這是我國(guó)第二代微機(jī)保護(hù)裝置WXH11和WXB11的典型結(jié)構(gòu)框圖。該套保護(hù)裝置由四個(gè)硬件完全相同的保護(hù)CPU模塊構(gòu)成，分別完成高頻保護(hù)、距離保護(hù)、零序電流保護(hù)以及綜合重合閘等保護(hù)功能。另外還配置了一塊帶CPU的接口模板（MONITOR）,完成對(duì)保護(hù)（CPU）模塊巡檢、人機(jī)對(duì)話和與監(jiān)控系統(tǒng)通信聯(lián)絡(luò)等功能。外部觸直開(kāi)人開(kāi)入圖名CFU給構(gòu)的保護(hù)裝管碘件椎圖從框圖可見(jiàn)，整套保護(hù)裝置仍然由模擬量輸入、單片微機(jī)系統(tǒng)、人機(jī)接口及開(kāi)入開(kāi)出回路、電源等組成。模擬量輸入回路包括有交流輸入、模數(shù)變換、組成；單片微機(jī)系統(tǒng)即保護(hù)CPU模塊由高頻、距離、零序電流、綜合重合閘等保護(hù)組成；人機(jī)接

15、口模塊由接口和打印機(jī)構(gòu)成；開(kāi)關(guān)量輸入由、組成，開(kāi)關(guān)量輸出通道由邏輯、跳閘（、信號(hào)（13）、告警（14）組成。此外還有逆變電源（15）。多CPU結(jié)構(gòu)中某一種保護(hù)的工作原理同單CPU結(jié)構(gòu)的保護(hù)基本相同。在圖12和圖l3中都有模擬量輸入部分，所不同的僅僅是數(shù)據(jù)采樣的方式區(qū)別。這里的模擬量輸入部分的作用同樣是完成模擬量信號(hào)的強(qiáng)弱電變換、隔離、VFC模數(shù)變換等任務(wù)。輸入的交流信號(hào)是三相電壓和三相電流，3U。、3Io及重合閘鑒定同期的線路抽取電壓Ul等九個(gè)模擬量的輸入。單片微機(jī)保護(hù)部分由四個(gè)獨(dú)立的保護(hù)CPU模塊組成，其中高頻保護(hù)和綜合重合閘保護(hù)共用號(hào)模數(shù)變換插件板，距離保護(hù)和零序電流保護(hù)共用號(hào)模數(shù)變換插件

16、板。這樣的接線方式增加了保護(hù)的冗余量，從而進(jìn)一步高了保護(hù)的可靠性，但相對(duì)增加了保護(hù)的復(fù)雜性。多CPU結(jié)構(gòu)的保護(hù)裝置中，每個(gè)保護(hù)CPU插件都可以獨(dú)立工作。各保護(hù)之間不存在依賴關(guān)系。例如高頻保護(hù)是由高頻距離和高頻零序方向二個(gè)主保護(hù)組成，其中距離元件和零序方向元件都是獨(dú)立的，不依賴于距離保護(hù)CPU和零序保護(hù)CPU插件中的距離元件及零序方向元件。保護(hù)CPU的完整性和獨(dú)立性又大大提高了保護(hù)可靠性。人機(jī)接口的媒介是鍵盤、液晶（數(shù)碼管）顯示器、打印機(jī)、信號(hào)燈。工作入員通過(guò)命令和數(shù)值鍵入，完成對(duì)各保護(hù)插件定值的輸入、控制方式字的輸入及對(duì)系統(tǒng)各部分的檢查；計(jì)算機(jī)將系統(tǒng)自檢結(jié)果及各部分運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)通過(guò)液晶（數(shù)碼管

17、）顯示器或打印機(jī)輸出，完成人機(jī)對(duì)話。人機(jī)接口部分的任務(wù)還包括對(duì)各CPU保護(hù)插件的集中管理、巡檢等。多CPU結(jié)構(gòu)的保護(hù)裝置，實(shí)質(zhì)上是主從分布式的微機(jī)工控系統(tǒng)，人機(jī)接口部分是主機(jī)，完成集中管理及人機(jī)對(duì)話的任務(wù)。而單片機(jī)保護(hù)部分是四個(gè)智能從機(jī)，它們分別獨(dú)立完成部分智能保護(hù)任務(wù)。四種保護(hù)綜合完成一條高壓輸電線路的全部保護(hù)，即輸電線路各類相間和接地故障的主保護(hù)和后備保護(hù)，并能各自獨(dú)立完成綜合重合閘功能。（三）第三代微機(jī)保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)1.硬件框圖第三代微機(jī)保護(hù)以CS系列保護(hù)裝置為代表，其結(jié)構(gòu)框國(guó)如圖14所示。該圖是CST200系列變壓器保護(hù)的硬件框圖。1蟲電中央估號(hào)圖ITCWT吃如系列變壓關(guān)嗦護(hù)捅件礎(chǔ)

18、件框圖機(jī)合閘出抒中央信號(hào)變壓器至萍信號(hào)輪入斗地嵋號(hào)-至高數(shù)據(jù)通常網(wǎng)UARTcUARTl人機(jī)接口CPU斗2模擬量輸入部分第三代微機(jī)保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)仍與圖11所示的典型微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)框圖相類似。模擬量輸入回路由交流插件AC和模數(shù)變換插件VFC構(gòu)成。VFC采用第三代模數(shù)變換技術(shù)，分辨率高達(dá)14位，提高了保護(hù)的精度。3單片機(jī)系統(tǒng)CS系列變壓器保護(hù)的單片機(jī)系統(tǒng)包括信號(hào)鎖存、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出、主保護(hù)CPU1、高壓側(cè)后備保護(hù)CPU2、低壓側(cè)后備保護(hù)CPU3（圖14中未畫出CPU2和CPU3，其框圖與CPU1相同），顯然它仍然是多CPU系統(tǒng)。第三代微機(jī)保護(hù)的CPU芯片，總線不引出芯片，是一種不擴(kuò)展的單片機(jī)，因此抗

19、干擾能力很強(qiáng)，調(diào)試也簡(jiǎn)單。在CPU芯片內(nèi)集成了微處理器、RAM、EPROM。但E2PROM未集成在芯片內(nèi)，采用串行E2PROM可避免總線引出芯片，因此它僅需要兩根I/O線與CPU芯片相連，一根作串行數(shù)據(jù)線（SD）,另一根作串行時(shí)鐘線（SC）。在CPU插件上設(shè)置了鎖存器，在CPU的控制下鎖存經(jīng)VFC插件來(lái)的信號(hào)，可以使外部異步脈沖信號(hào)變成同步脈沖信號(hào)，對(duì)抗干擾有利，同時(shí)還起了脈沖整形的作用。為了進(jìn)一步提高抗干擾能力，避免單片機(jī)的任一端子不經(jīng)隔離直接引出插件，開(kāi)關(guān)量輸入和輸出的光隔電路均安裝在CPU插件上，而不另外設(shè)置開(kāi)關(guān)量輸入和輸出插件。4輸出通道（繼電器插件）開(kāi)關(guān)量輸出通道有啟動(dòng)、閉鎖、跳閘及

20、信號(hào)繼電器，此外還有告警和復(fù)位繼電器。5.人機(jī)接口（MM1）部分人機(jī)接口部分硬件包括單片機(jī)（CPU4）、鍵盤、液晶顯示器、串行硬時(shí)鐘及與保護(hù)CPU和PC機(jī)的串行通信。CS系列人機(jī)接口的最大特點(diǎn)是單片機(jī)芯片內(nèi)集成了很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)功能，可以通過(guò)在片外的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器直接連至高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，與變電所內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)相連。人機(jī)接口的串行通信口，可以與PC機(jī)及保護(hù)CPU的UART0串口通信。當(dāng)保護(hù)CPU發(fā)訊時(shí)，PC機(jī)和MM1都能收到，通過(guò)鍵盤命令可切換PC機(jī)或MMI對(duì)保護(hù)CPU的發(fā)訊。MMI還設(shè)有開(kāi)入及開(kāi)出量，開(kāi)入量用于監(jiān)視啟動(dòng)繼電器的狀態(tài)，開(kāi)出量用于驅(qū)動(dòng)告警（MM1本身出錯(cuò)）、復(fù)位、啟動(dòng)。啟動(dòng)繼電器動(dòng)作時(shí)發(fā)綠

21、色閃光信號(hào)及控制液晶顯示背景光。MMI還設(shè)置了一個(gè)時(shí)鐘芯片，并帶有充電干電池，保證裝置停電時(shí)，時(shí)鐘不停。6結(jié)語(yǔ)第三代微機(jī)保護(hù)裝置的硬件采用了當(dāng)前世界上超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)的最新成就；具備了總線不引出芯片的不擴(kuò)展單片機(jī)高抗干擾的特性；采用了高分辨率的VFC模數(shù)變換技術(shù)，提高了保護(hù)的精度和速度；具有直接連網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)通信接口，大大提高了保護(hù)的通信速度和可靠性；可以方便地利用PC機(jī)對(duì)保護(hù)調(diào)試及離線分析系統(tǒng)故障的錄波記錄；主要芯片均采用先進(jìn)的表面安裝技術(shù)，主要插件采用多層電路板。總之，這些主要特點(diǎn)使CS系列保護(hù)裝置的硬件達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。第二節(jié)微機(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、模擬五輸入電路概述

22、模擬量輸入電路是微機(jī)保護(hù)裝置中很重要的電路。保護(hù)裝置的動(dòng)作速度和測(cè)量精確度等性能都與該電路密切相關(guān)。模擬量輸入電路的主要作用是隔離、規(guī)范輸入電壓及完成模數(shù)變換，以便與CPU接口，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。因此這部分電路又稱數(shù)據(jù)采集電路。微機(jī)保護(hù)的模數(shù)變換方式主要有二種，即ADC和VFC的變換方式。這二種A/D變換從原理到結(jié)構(gòu)均不相同。ADC是直接將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量的變換方式，而VFC是將模擬量電壓先轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率脈沖量，通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)變換為數(shù)字量的一種變換方式。對(duì)于中低壓變電所保護(hù)裝置，這兩種變換方式都經(jīng)常使用。對(duì)于要求動(dòng)作速度快、測(cè)量精度較高的高壓或超高壓的保護(hù)裝置，目前我國(guó)多數(shù)采用VFC式模數(shù)變換方式

23、。二、ADC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模數(shù)變換芯片，直接將模擬量變換為數(shù)字量的模數(shù)變換方式稱為ADC型的模數(shù)變換方式。采用該種變換方式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，稱為ADC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前有許多保護(hù)裝置采用8031單片微機(jī)芯片，而8031片內(nèi)不帶模數(shù)變換器，因此需要擴(kuò)展模數(shù)變換功能。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片微機(jī)芯片中常含有模數(shù)變換器。例如8098單片微機(jī)芯片中具有4路10位模數(shù)變換。但它只能滿足一般35kV和10kV饋線保護(hù)的模數(shù)變換的需求。對(duì)于復(fù)雜的保護(hù)裝置，4路的模數(shù)變換是不能滿足保護(hù)的要求，還需要擴(kuò)展模數(shù)變換芯片。因此保護(hù)的ADC數(shù)據(jù)采集就分為二種模式：一種是不帶擴(kuò)展模數(shù)變換的模式；另一種是帶擴(kuò)展

24、模數(shù)變換的模式。但無(wú)論哪種ADC變換模式都有電壓形成回路、模擬低通濾波器（ALF）、采樣保持電路（S/H）、模數(shù)變換器及模擬量多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)MPX）五個(gè)部分，如圖15所示。一）電壓形成回路微機(jī)保護(hù)要從電流互感器和電壓互感器取得信息，但這些互感器的二次側(cè)電流或電壓量不能適應(yīng)模數(shù)變換器的輸入范圍要求,故需對(duì)它們進(jìn)行變換。一般采用各種中間變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)變換，例如電流變換器（TA）,電壓變換器（TV）和電抗變壓器（TL）等，如圖16所示。一般模數(shù)變換器要求輸入信號(hào)電壓力士5V或士10V，由此可以決定上述各種中間變換器的變比。交流電流的變換一般采用電流變換器，并在其二次側(cè)并聯(lián)電阻以取得所需電壓（改變電阻值就

25、可以改變輸出范圍的大小)。電流變換器最大一的優(yōu)點(diǎn)是，只要鐵芯不飽和，其二次電流及并聯(lián)電阻上電壓的波形就可基本保持與一次電流波形相同且同相，即可以做到不失真變換。這一點(diǎn)對(duì)微機(jī)保護(hù)是很重要的。因?yàn)橹挥性谶@種條件下作精確的運(yùn)算與定量分析才是有意義的。但是電流變換器在非周期分量的作用下容易飽和，線性度差，動(dòng)態(tài)范圍也小。電抗變換器鐵芯帶有氣隙而不易飽和，線性范圍大，且具有移相作用。但它會(huì)抑制直流分量，放大高頻分量，因此二次側(cè)的電壓波形在系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程時(shí)將發(fā)生畸變。至于移相作用在微機(jī)保護(hù)內(nèi)可以很容易地通過(guò)軟件來(lái)完成，因此移相作用意義不是很大。在微機(jī)保護(hù)中電抗變換器的使用范圍并不多，但有時(shí)在暫態(tài)時(shí)需變換輸入波

26、形就要采用電抗變換器的特性，例如變壓器保護(hù)等(詳見(jiàn)第五章第五節(jié))。電壓形成回路除了起電量變換作用外，還起到隔離作用。它使微機(jī)電路在電氣上與強(qiáng)電系統(tǒng)相隔離，從而在較大程度上減弱了來(lái)自高壓系統(tǒng)的電磁干擾WXH11型保護(hù)裝置的交流輸入模件(AI)如附圖1所示，其中電壓變換器二次側(cè)設(shè)有抽頭，用以改變輸入變比，用以適應(yīng)不同的輸入電壓需要。電流變換器二次側(cè)負(fù)載電阻可以改變，用以改變電流變比。采樣保持電路(S/H)和模擬低通濾波器(ALF)1采樣保持電路(S/H)(1)采樣保持原理。S/H電路的作用是在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)測(cè)量模擬輸入量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模數(shù)變換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間內(nèi)保持其輸出不變，它的工作原理可

27、用圖17來(lái)說(shuō)明。它由一個(gè)電子模擬開(kāi)關(guān)AS,電容Ch及兩個(gè)阻抗變換器組成。開(kāi)關(guān)AS受邏輯輸入端采樣脈沖的電平控制。在高電平時(shí)AS閉合，此時(shí)電路處于采樣狀態(tài)。Ch迅速充電到在采樣時(shí)刻的電壓值U；。在低圖1-7采樣探持S/H)原理框圖阻抗査換器u阻抗變換isI電平時(shí)，AS打開(kāi)，電容Ch上保持住AS打開(kāi)瞬間的電壓，電路處于保持狀態(tài)。AS的閉合時(shí)間應(yīng)滿足Ch有足夠的充電時(shí)間，即采樣時(shí)間。顯然采樣時(shí)間越短越好，因此采用了阻抗變換器I,它在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，而輸出阻抗很低，使Ch上電壓能夠迅速跟蹤到Ui值。同樣，為了提高保持能力，電路中應(yīng)用了另一個(gè)阻抗變換器II,它對(duì)Ch呈現(xiàn)高阻抗，而輸出端阻抗(U。側(cè))很

28、低，以增強(qiáng)帶負(fù)載能力。阻抗變換器可由運(yùn)算放大器構(gòu)成跟隨器電路。(2)采樣保持分析。采樣保持過(guò)程如圖18所示。TC為采樣脈沖寬度，TS為采樣周期(或稱采樣間隔)。當(dāng)采樣脈沖為高電平時(shí)，AS接通，電容Ch充電值為采樣信號(hào)口；如圖18(C)。采樣脈沖為低電平時(shí)，AS斷開(kāi)，電容Ch處于采樣保持階段，供模數(shù)變換器輸入電壓，在這個(gè)保持階段阻抗變換器皿輸出不變。最終的輸出的采樣保持信號(hào)如圖18(d)所示?？梢?jiàn)采樣保持輸出的信號(hào)已經(jīng)是離散化的模擬量。再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，就成為離散化的數(shù)字量。采樣間隔Ts的倒數(shù)稱為采樣頻率fs,采樣頻率的正確選擇是微機(jī)保護(hù)硬件和軟件設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題涉及到采樣信號(hào)是否真

29、實(shí)反映輸入的信號(hào)。采樣脈沖采#宿號(hào)微機(jī)保護(hù)所反應(yīng)的電力系統(tǒng)參數(shù)是經(jīng)過(guò)采樣離散化的數(shù)字量。那么，連續(xù)時(shí)間信號(hào)經(jīng)采樣離散化成為離散時(shí)間信號(hào)后是否會(huì)丟失一些信息，也就是說(shuō)這離散信號(hào)能否真實(shí)地反映被采樣的連續(xù)信號(hào)呢？為此可分析圖19所示的采樣頻率選擇的示意圖。設(shè)被采樣信號(hào)x(t)的頻率為入，對(duì)其進(jìn)行采樣，若每周采一點(diǎn)，即fs=fo,由圖19(b)可見(jiàn),采樣所得到的為一個(gè)直流量。若每周采1.5點(diǎn)，即fs=1.5fo時(shí)，采樣得到的是一個(gè)頻率比入低的低頻信號(hào)。當(dāng)fs=2f時(shí)，采樣所得波形的頻率為被采樣信號(hào)的頻率入,見(jiàn)圖19(d)所示。雖然這時(shí)波形仍然有失真現(xiàn)象。顯然，若;2f，則采樣后所得到的信號(hào)才有可能較

30、為真實(shí)地代表輸入信號(hào)X(t)。也就是說(shuō)，一個(gè)高于fs/2的頻率成分在采樣后將被錯(cuò)誤地認(rèn)為是一個(gè)低頻信號(hào)。只有在f2fo后，才可能不會(huì)出現(xiàn)這種失真現(xiàn)象。因此若要不丟失信息，完好地對(duì)輸入信號(hào)采樣，就必須滿足f2fo這一條件?？傊瑸榱耸剐盘?hào)采樣后能夠不失真地還原，采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率兩倍以上，這就是乃奎斯特采樣定理。舉例來(lái)說(shuō)，小電流接地系統(tǒng)檢測(cè)裝置，要采樣的信號(hào)是5倍頻的電流信號(hào)，即fo=5X50=250HZ，采樣頻率至少應(yīng)選fs25OOHZ才能保讓采樣的五倍頻電流信號(hào)不失真地還原。3.低通濾波器(ALF)L1-9乘樣頻率途擇示蕙圖佃J襯采樣信暫I4】采樣叛率亢n/oP(e)棗樣電力系統(tǒng)在

31、故障的暫態(tài)期間，電壓和電流含有較高的頻率成分，如果要對(duì)所有的高次諧波成分均不失真地采樣，那么其采樣頻率就要取得很高，這就對(duì)硬件速度提出很高要求使成本增高，這是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)際上，目前大多數(shù)微機(jī)保護(hù)原理都是反映工頻分量的，或者是反映某種高次諧波(例如5次諧波分量)，故可以在采樣之前將最高信號(hào)頻率分量限制在一定頻帶之內(nèi)，即限制輸入信號(hào)的最高頻率，以降低入，一方面降低了對(duì)硬件的速度要求，另一方面對(duì)所需的最高頻率信號(hào)的采樣不至于發(fā)生失真。要限制輸入信號(hào)的最高頻率。只需在采樣前用個(gè)模擬低通濾波器(ALF)，將fs/2以上的頻率分量濾去即可。模擬低通濾波器可以做成無(wú)源或者有源的。圖110是常用的無(wú)源低通濾過(guò)

32、器原理及特性圖。這種無(wú)源低通濾過(guò)器由二級(jí)C濾波器構(gòu)成，在整流濾波電流中，二級(jí)RC濾波器的RC時(shí)間常數(shù)選擇較大時(shí)，可濾除全部交流成分，而只剩下直流成分。顯然只要恰當(dāng)調(diào)整RC時(shí)間常數(shù)，二級(jí)RC濾波器就可成為低通濾過(guò)器。此時(shí)截止頻率可設(shè)計(jì)為fs/2.RR2(b)用-10無(wú)冊(cè)低通謔過(guò)襁原理電跑朋共特性電翻1(b)特性圖毀以限制輸入信號(hào)的最高頻率，而較其低的頻率信號(hào)就能順利地通過(guò)。這種濾過(guò)器接線簡(jiǎn)單，但電阻與電容回路對(duì)信號(hào)有衰減作用，并會(huì)帶來(lái)延遲對(duì)快速保護(hù)不利，僅適用于要求不高的微機(jī)保護(hù)。對(duì)于要求有較好特性又快速的保護(hù)，必須采用有源的低通濾過(guò)器。有源低通濾過(guò)器通常由上述無(wú)源濾過(guò)器加上運(yùn)算放大器構(gòu)成，此時(shí)

33、電容可取較小的數(shù)值，從而加快了保護(hù)動(dòng)作速度。采用了ALF消除頻率失真現(xiàn)象后，采樣頻率在很大程度上取決于保護(hù)原理和算法的要求，同時(shí)還要考慮硬件速度。目前絕大多數(shù)微機(jī)保護(hù)的采樣間隔Ts都在0.81.8ms之間，基本上能滿足硬件速度及對(duì)最高頻率的不失真采樣的要求。（三）模擬量多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（MPX）由于數(shù)模變換器接口復(fù)雜及價(jià)格昂貴，通常不宜對(duì)各路電壓、電流模擬量同時(shí)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換，而是采用多路S/H共用一個(gè)模數(shù)變換器，中間經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換，按順序由公用的模數(shù)變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，詳見(jiàn)圖15。對(duì)于反映兩個(gè)量以上的繼電保護(hù)（如方向、阻抗等），要求對(duì)各個(gè)模擬量同時(shí)采樣，以準(zhǔn)確地獲得各個(gè)EmAOAlA3A3(+

34、J5V)量之間的相位關(guān)系。為此，把所有采樣保持器的邏輯輸入端并聯(lián)后由一個(gè)定時(shí)器同時(shí)供給采樣脈沖，從而保證了同時(shí)采樣和依次模數(shù)變換的要求。由于保護(hù)裝置所需同時(shí)采樣的電流和電壓模擬量不會(huì)很多，只要模數(shù)變換器的轉(zhuǎn)換速度足夠高，在一個(gè)采樣周期的保持時(shí)間內(nèi)上述各種模擬量依次模數(shù)變換的要求是能夠滿足的。,多路采樣轉(zhuǎn)換的方框圖如圖111所示。這里的多路開(kāi)：.-vl圈1-11多潛轉(zhuǎn)換幵關(guān)方框庫(kù)理團(tuán)關(guān)（1n）是電子型的，通道切換受微機(jī)控制。它把多個(gè)模擬量通道按順序賦于不同的二進(jìn)制地址，在微機(jī)輸出地址信號(hào)后，MPX通過(guò)譯碼電路選通n地址時(shí)，對(duì)應(yīng)于S/H的n號(hào)通道開(kāi)關(guān)也就接通，此時(shí)輸出電壓uo=uino（四）模數(shù)變

35、換（A/D）1模數(shù)變換器（ADC）原理微機(jī)保護(hù)用的模數(shù)變換器絕大多數(shù)是應(yīng)用逐次逼近法的原理實(shí)現(xiàn)的，如圖112所示。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，直接舉例說(shuō)明如下：轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，控制器首先在數(shù)碼設(shè)定器中設(shè)置一個(gè)最高位數(shù)碼“1（例如100-00），該數(shù)碼經(jīng)D/A數(shù)模變換為模擬電壓Uo,反饋到輸入側(cè)的比較器一端，與輸入電壓Ui；相比較。如果設(shè)定值UoVUi,貝9保留該位原設(shè)置的數(shù)碼“1”，然后由控制器在數(shù)碼設(shè)定器中附加次高位設(shè)置數(shù)碼T,形成新的數(shù)碼（如110-00），經(jīng)D/A模數(shù)變換，再反饋到輸入側(cè)比較器與Ui；比較。若設(shè)定值UU；,則原設(shè)定次高位數(shù)碼“1”改為“0”，然后附加下一高位設(shè)置數(shù)碼“1”（如101-00）

36、重復(fù)上述的比較與設(shè)置，直到所設(shè)定的數(shù)碼總值轉(zhuǎn)換成反饋電壓Uo盡可能地接近Ui值。若其誤差小于所設(shè)定數(shù)碼中可改變的最小值（最小量化單位），貝此時(shí)數(shù)碼設(shè)定器中的數(shù)碼總值即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要指標(biāo)是轉(zhuǎn)換精度，即A/D轉(zhuǎn)換分辨率，它主要取決于設(shè)定數(shù)碼的最小量化單位，A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量位數(shù)越多，最小量化單位越小，分辨率越高，轉(zhuǎn)換出的數(shù)字量舍入誤差越小，A/D轉(zhuǎn)換的精度就越高。逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換的另一個(gè)重要指標(biāo)是A/D轉(zhuǎn)換速度，它與A/D轉(zhuǎn)換分辨率是有關(guān)的，通常分辨率越高，其轉(zhuǎn)換速度就相對(duì)降低。若要求這兩項(xiàng)指標(biāo)都較高，貝其芯片成本就十分昂貴。微機(jī)保粒人電壓芒圖t-比逐嵐出較式？

37、VD轉(zhuǎn)換原理圖護(hù)采樣的量較多，保護(hù)動(dòng)作速度快，因此要求轉(zhuǎn)換速率較高。通常每次轉(zhuǎn)換時(shí)間不低于25Ps，而數(shù)字量位數(shù)為1012位。2.數(shù)模變換器（DAC）原理由ADC原理分析可知，為了實(shí)現(xiàn)模數(shù)變換（ADC）,在A/D變換中必須具備有用于反饋比較的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。數(shù)模轉(zhuǎn)換器原理圖見(jiàn)圖113。圖113中帶虛線框的部分是一種電阻網(wǎng)絡(luò)電路。運(yùn)算放大器A和電子開(kāi)關(guān)S1S4組成電路加法器,即流入A的輸入電流為壓。圖中電子開(kāi)關(guān)S1S4分別受控于輸入的二進(jìn)制數(shù)碼B1B4。其數(shù)碼就是數(shù)碼設(shè)定器的輸出。當(dāng)B1B4某位為“0”時(shí)，其對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)接地；為“1”時(shí)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)接至運(yùn)算放大器A的反相端。但是無(wú)論電子開(kāi)關(guān)S接到哪

38、一側(cè)，其電阻網(wǎng)絡(luò)的電流分配都是相同的，因?yàn)樵撨\(yùn)算放大器的反相端是虛地點(diǎn)，形同接地。該電阻網(wǎng)絡(luò)電路還有一個(gè)重要特點(diǎn)，在圖113中，從電源uR端及a，b，c各端向右看過(guò)去，電路的等值阻抗都是R。因此1uXR2R214R418RR-16R當(dāng)用二進(jìn)制數(shù)表示上述電流之和Iz時(shí)I=BI+BI+BI+BITOC o 1-5 h zS11223344u HYPERLINK l bookmark21 o Current Document =(B2-1+B2-2+B2-3+B2-4)r1234Ru=rD HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 式中DB2-1+B2-2+

39、B-2-3+B2-4（1）1234B1B4就是輸入的四位二進(jìn)制數(shù)，根據(jù)運(yùn)算放大器原理，輸出電壓Uo可表示為uRD HYPERLINK l bookmark25 o Current Document uIRRF（2）0工FR可見(jiàn)輸出模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量D,從而完成了數(shù)模轉(zhuǎn)換。三、VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(一)VFC型的A/D變換概述一般來(lái)說(shuō)在A/D的變換過(guò)程中，CPU要使S/H、MPX、A/D三個(gè)芯片之間控制協(xié)調(diào)好，因此接口電路復(fù)雜。而且ADC芯片結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高。在要求轉(zhuǎn)換速度快、精度高，同時(shí)采樣的模擬量較多的場(chǎng)合，ADC變換方式就不很適用。模數(shù)變換還可以使用VFC型的變換方式，VFC型的

40、模數(shù)轉(zhuǎn)換是將電壓模擬量U；線性地變換為數(shù)字脈沖式的頻率f,然后由計(jì)數(shù)器對(duì)數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)，供CPU讀入。其原理框圖見(jiàn)圖114所示。圖中VFC可采用AD654芯片，計(jì)數(shù)器可采用8031或8098內(nèi)部計(jì)數(shù)器，也可采用可編程的集成電路計(jì)數(shù)器8253。CPU每隔一個(gè)采樣間隔時(shí)間Ts,讀取計(jì)數(shù)器的脈沖計(jì)數(shù)值，并根據(jù)比例關(guān)系算出輸入電壓U；電壓114VFCA/DS換原座衽圖二進(jìn)K對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，從而完成了模數(shù)變換。VFC型的A/D變換方式及與CPU的接口，要比ADC型變換方式簡(jiǎn)單得多，CPU幾乎不需對(duì)VFC芯片進(jìn)行控制。保護(hù)裝置采用VFC型的A/D變換，建立了一種新的變換方式，為微機(jī)型保護(hù)帶來(lái)了很多好處，其優(yōu)點(diǎn)

41、可歸納如下：1)工作穩(wěn)定，線性好，精度高，而電路十分簡(jiǎn)單。(2)抗干擾能力強(qiáng)。VFC是數(shù)字脈沖式的電路，不是模擬電路，因此它不怕脈沖干擾和隨機(jī)高頻噪聲?？梢苑奖愕卦赩FC輸出和計(jì)數(shù)器輸入端之間接入光隔元件，從而大大地提高抗干擾能力，這對(duì)繼電保護(hù)裝置是十分可貴的特點(diǎn)。(3)同CPU接口簡(jiǎn)單，VFC的工作可以不需CPU控制。(4)可以很方便地實(shí)現(xiàn)多CPU共享一套VFC變換。詳見(jiàn)多CPU結(jié)構(gòu)方式框圖13。二)VFC芯片結(jié)構(gòu)及其工作原理1.VFC芯片AD654的結(jié)構(gòu)AD654芯片是一個(gè)單片VFC變換芯片，中心頻率為250kHZ。它是由阻抗變換器A、壓控振蕩器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)回路構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11

42、5(a入壓控振蕩器是一種由外加電壓控制振蕩頻率的電子振蕩器件，該芯片只需外接一個(gè)簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)阻抗變換器A變換輸入阻抗可達(dá)250MQ。振蕩脈沖波經(jīng)驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出可帶12個(gè)TTL負(fù)載或光電耦合器件。由于中心頻率較高，光隔器件要求具有高速光隔性能。2.AD654的工作電路AD654芯片的工作方法可有兩種方式，即正端輸入和負(fù)端輸入方式。在保護(hù)裝置上大多采用負(fù)端輸入方式。因此4端接地，3端輸入信號(hào)，見(jiàn)圖115(b)。由于AD654芯片只能轉(zhuǎn)換單極性信號(hào)，所以對(duì)于交流電壓的信號(hào)輸入，必須有個(gè)負(fù)的偏置電壓，它在3端輸入。此偏置電壓為一5V,其壓控振蕩頻率與網(wǎng)絡(luò)電阻的關(guān)系如下式式中T；為輸入電壓，CT為外接

43、振蕩電容?？梢?jiàn)輸出頻率入匚譏與輸入電壓Ui呈線性關(guān)系。Rp1用來(lái)調(diào)整偏置值，使外部輸入電壓為零時(shí)輸出頻率為250kHZ,從而使輸入交流電壓的測(cè)量范圍控制在士5V的峰值內(nèi)，這也叫做零漂調(diào)整。各通道的平衡度及刻度比可用電位器Rp2來(lái)調(diào)整。R1和C1設(shè)計(jì)為浪涌吸收回路，不是低通濾過(guò)器。VFC的變換特性與輸入交流信號(hào)的變換關(guān)系見(jiàn)圖116。通常整套微機(jī)保護(hù)裝置的調(diào)整只有RP1和Rp2可調(diào)，并在出廠時(shí)都已調(diào)好，一般可以不加調(diào)整，需要調(diào)整時(shí)也只要稍做一些微調(diào)即可。R：ri-%njCtTAnmrcom（-）r-15V3VFC的工作原理當(dāng)輸入電壓U；n0時(shí)，由于偏置電壓一5V加在輸入端3上，輸出信號(hào)是頻率為25

44、0kHz的等幅等寬的脈沖波，見(jiàn)圖117(a)。當(dāng)輸入信號(hào)是交變信號(hào)時(shí)，經(jīng)VFC變換后輸出的信號(hào)是被Uin交變信號(hào)調(diào)制了的等幅脈沖調(diào)頻波，見(jiàn)圖117(b)。由于VFC的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻50HZ,因此就某一瞬間而言，交流信號(hào)頻率幾乎不變，所以VFC在這一瞬間變換輸出的波形是一連串頻率不變的數(shù)字脈沖波，可見(jiàn)VFC的功能是將輸入電壓變換成一連串重復(fù)頻率正比于輸入電壓的等幅脈沖波。而且VFC芯片的中心頻率越高，其轉(zhuǎn)換的精度也就越高。在新型的第三代微機(jī)保護(hù)中采用VFC110芯片，該芯片的中心頻率為2MHZ，是AD654的8倍，因此變換精度及保護(hù)的精工電流都有了較大提高。E1-1?FC工作原理和訃數(shù)采樣

45、G=0t%.為瓷耀檢號(hào)4采樣計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器對(duì)VFC輸出的數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)值是脈沖計(jì)數(shù)的累計(jì)值，如CPU每隔一個(gè)采樣間隔時(shí)間Ts讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，并記作Rk-1、Rk、Rk+1、，則在tk一NTs至tk這一段時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)為Dk=Rk一R(kN)，如圖117(b)所示。如果每個(gè)脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的電壓值(伏)為Kb系數(shù)，則輸入電壓Uin可用下式表示Uin=(DkD)XKb式中Do為250kHz中心頻率對(duì)應(yīng)的脈沖常數(shù)見(jiàn)圖116和圖17(a)。增大N值可以提高分辨率和精度，但也增加了采樣時(shí)間。微機(jī)保護(hù)可以根據(jù)要求，用軟件自動(dòng)改變N值，以兼顧速度和精度。對(duì)于1段內(nèi)故障取N=2以加快保護(hù)動(dòng)作速度為主，111

46、11段內(nèi)故障取N=4,以精度為主。在保護(hù)裝置的定值整定清單中，式（14）中的Kb常用Up表示電壓比例系數(shù)，用Ip表示電流比例系數(shù)，如附表21所示。這些系數(shù)是廠家給定并已調(diào)整好的，用戶不必整定調(diào)整。例如WXH11的電流變換器并聯(lián)一個(gè)電阻，精確工作電流范圍為0.IIN20In時(shí)（額定電流為5A）,IBL=0.178,并聯(lián)二個(gè)電阻時(shí)（詳見(jiàn)附圖1）IP=0.356。電壓比例系數(shù)UBL=0.125。值得注意的是，式（14）表示的Uin是在tk=2Tstk極短時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)值，并不是有效值。如要計(jì)算有效值還必須對(duì)該交變信號(hào)連續(xù)采樣，然后由軟件按一定算法（詳見(jiàn)第二章軟件算法）計(jì)算。最后還要指出，VFC的AD變

47、換不適合于不失真地反映輸入信號(hào)中的高頻分量場(chǎng)合，因?yàn)檫@種場(chǎng)合不允許取較大的NTs值，因而精度難以滿足要求。（三）光隔處理由于經(jīng)VFC變換后是數(shù)字脈沖波，因此就使其抗干擾光隔處理變得十分容易。1.光隔電路VFC變換后的數(shù)字脈沖信號(hào)經(jīng)6N137快速光隔芯片送至計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。6N137芯片結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖118。在該圖中，它既把信號(hào)隔離了，還將輸入電路的電源與輸出電路的電源完全隔離。它們不共用電源，也不共地。從而將VFC的士15V電源與計(jì)數(shù)器，CPU的電源士SV相隔離，有效地杜絕了電源引起的共模干擾。2.光隔原理VFC輸出的頻率信號(hào)是數(shù)字脈沖量。該數(shù)字脈沖輸入光隔芯片的快速發(fā)光二極管時(shí)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)脈沖發(fā)出一個(gè)

48、光脈沖，當(dāng)光脈沖照射在光隔芯片內(nèi)輸出放大器的快速光敏三極管基極時(shí)，三極管的基極電流突然增大，三極管立即導(dǎo)通，使輸出放大器輸出一個(gè)同相脈沖。由于發(fā)光二極管及光敏三極管均具有快速響應(yīng)特性，因此能適應(yīng)VFC輸出的高頻脈沖要求。所以光隔芯片的輸入與輸出波形完全相同幾乎沒(méi)有相位移動(dòng)。光隔電路實(shí)際上是光電耦合電路，在這電路上輸入與輸出既無(wú)電的聯(lián)系，也無(wú)磁的聯(lián)系，起到了極好的抗干擾及隔離作用。樹(shù)6N137Z片結(jié)構(gòu)陽(yáng)WXH11型保護(hù)裝置的模數(shù)變換插件原理圖如附圖2所示，ICll即VFC芯片，IC12是快速光耦6N137。在土15V電源之間設(shè)置了穩(wěn)壓電路和濾波電路，其他電路與圖115（b）均相同。R14為限流電

49、阻，R16為負(fù)載電阻，R15可以調(diào)整光耦靈敏度。C1316均為抗干擾電容。（四）計(jì)數(shù)器及其電路VFC模數(shù)變換的最后一個(gè)環(huán)節(jié)是計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器對(duì)VFC變換后的數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)方式是實(shí)時(shí)累計(jì)，并暫存在計(jì)數(shù)器內(nèi)部的緩沖器。由CPU通過(guò)總線來(lái)讀取累計(jì)值，因此計(jì)數(shù)器實(shí)質(zhì)上是CPU與VFC之間的接口器件，通常選8253芯片作計(jì)數(shù)器。8253計(jì)數(shù)電路如圖119所示。實(shí)際保護(hù)電路詳見(jiàn)附圖3保護(hù)插件原理圖（1）。CLK0PTTfUICCLK3通常保護(hù)裝置需采樣9路模擬量變換后的脈沖計(jì)數(shù)，而8253芯片內(nèi)含有三個(gè)16位計(jì)數(shù)器，因此保護(hù)裝置須安排有三個(gè)8253計(jì)數(shù)器。在8253計(jì)數(shù)器電路中，CPU通過(guò)片選13選擇三

50、個(gè)8253計(jì)數(shù)器中的一個(gè)，當(dāng)片選線為“0”態(tài)電平時(shí)，某8253被選中。每片8253上還有AO、AI兩條用作片內(nèi)三個(gè)計(jì)數(shù)器的選線。CPU就是通過(guò)片選線及AO、AI選通九個(gè)計(jì)數(shù)器中的某一個(gè)。被選通的計(jì)數(shù)器在CPU的控制下將采樣的脈沖累計(jì)值通過(guò)數(shù)據(jù)總線存入RAM指定區(qū)域。GATEO2是計(jì)數(shù)方式控制線，當(dāng)為“1”態(tài)電平時(shí)，計(jì)數(shù)器工作在連續(xù)計(jì)數(shù)方式。第三節(jié)保護(hù)CPU模塊工作原理一、具有VFC接口的保護(hù)CPU模塊框留原理保護(hù)CPU模塊是保護(hù)裝置智能核心部分，具體的任務(wù)是完成數(shù)據(jù)的采集、保護(hù)邏輯判斷、保護(hù)故障巡檢、開(kāi)關(guān)量輸入與輸出及人機(jī)接口的串行通信等任務(wù)。目前我國(guó)微機(jī)保護(hù)裝置的CPU大多采用16位的809

51、8單片微機(jī)，也有的采用8位的8031芯片。雖然8098和8031片內(nèi)除了沒(méi)有EPROM存儲(chǔ)器之外，其他各種功能都比較齊全，但是限于容量較小等原因,8098和8031單片微機(jī)都還必須擴(kuò)展其功能來(lái)構(gòu)成保護(hù)的CPU插件。保護(hù)的CPU插件，是利用單片微機(jī)具有較強(qiáng)的外部擴(kuò)展功能，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展電路來(lái)構(gòu)成保護(hù)的單片微機(jī)系統(tǒng)。由8031單片微機(jī)構(gòu)成的保護(hù)CPU插件的原理框圖，如圖120所示。該圖是具有VFC變換接口的保護(hù)CPU模塊框圖。VFC變換接口芯片仍為8253。由于8031單片微機(jī)片內(nèi)無(wú)ROM只讀存儲(chǔ)器，因此在擴(kuò)展插件中必須擴(kuò)展有紫外線可擦除的只讀存儲(chǔ)器EPROM（27256）,用以存儲(chǔ)保護(hù)裝置的程序

52、。關(guān)于8031單片機(jī)擴(kuò)展原理詳見(jiàn)附錄A。作為保護(hù)裝置的整定值（數(shù)值型定值）和保護(hù)功能投入退出控制字（開(kāi)關(guān)型定值，即軟壓板）應(yīng)能更改以滿足各種運(yùn)行方式的需要。因此這些數(shù)值型和開(kāi)關(guān)型必須存放在電可擦除的存儲(chǔ)器E2PROM內(nèi)。在保護(hù)的CPU插件上擴(kuò)展有2864E中ROM芯片，它就是用來(lái)專門存放這些定值并可供調(diào)度入員遠(yuǎn)方整定或繼保檢修入員就地調(diào)整修改。由于8031芯片內(nèi)RAM的容量?jī)H128字節(jié)，因此在保護(hù)的CPU插件上擴(kuò)展有高速靜態(tài)存儲(chǔ)器6264RAM芯片。該芯片容量達(dá)8KX8,用于存放數(shù)值計(jì)算及邏輯運(yùn)算過(guò)程的中間數(shù)據(jù)及其結(jié)果。8031芯片具有并行互/O功能端口，但輸入和輸出的開(kāi)關(guān)量必須先經(jīng)光隔處理后

53、才能進(jìn)入保護(hù)的CPU插件。從圖120中可看出8031芯片有6根線引至開(kāi)入開(kāi)出插件，其中4根是開(kāi)關(guān)量輸入線；2根是開(kāi)關(guān)量輸出線。但是保護(hù)裝置所需的開(kāi)關(guān)量輸入與輸出較多，8031CPU芯片的并行I/O端口不能滿足要求，必須擴(kuò)展并行I/O端口。8255是可編程并行接口芯片，用于該保護(hù)插件I周口擴(kuò)展，完成內(nèi)外聯(lián)系。作為開(kāi)入量（開(kāi)關(guān)量輸入）的接收及開(kāi)出量（開(kāi)關(guān)量輸出）跳閘、信號(hào)、告警的驅(qū)動(dòng)口，并對(duì)保護(hù)的撥輪開(kāi)關(guān)的10套定值區(qū)提供4條編碼線。例如撥輪開(kāi)關(guān)撥至9，該4條編碼線輸入為1001。二、具有ADC變換接口的保護(hù)CPU模塊原理對(duì)于ADC模數(shù)變換方式的保護(hù)CPU模塊，當(dāng)保護(hù)的單片微機(jī)內(nèi)不含A/D功能或A

54、/D通道數(shù)不夠用時(shí)，均應(yīng)擴(kuò)展ADC功能。一般A/D模數(shù)芯片與ALF低通濾過(guò)器、S/H采樣保持芯片及多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)均安排在同一個(gè)ADC插件上，因此在保護(hù)CPU模塊上就不配置A/D變換芯片。為了防止干擾，保護(hù)CPU的總線不得引出插件板，為此可在保護(hù)CPU模塊上設(shè)置8255并行擴(kuò)展芯片，利用8255擴(kuò)展的并行接口與ADC變換插件的A/D芯片相連。此類保護(hù)CPU模塊框圖見(jiàn)圖121。該框圖中CPU是采用8098芯片，而8098片內(nèi)已含有四個(gè)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，如果這四個(gè)通道保護(hù)不夠用則利用8255擴(kuò)展并行口與ADC變換插件板相接?？驁D中模擬量輸入是指8098四個(gè)A/D通道的模擬量輸入電路。如果CPU是采用

55、8031芯片，則必須采用8255擴(kuò)展并行口作為ADC變換插件板的接口。該框圖是單CPU保護(hù)模塊框圖，所以總線上還掛有時(shí)鐘芯片MC146818和人機(jī)接口擴(kuò)展芯片8279。三、定值固化與定值撥輪電路定值固化電路由一片EPROM芯片2817和相應(yīng)的控制電路構(gòu)成，如圖122所示。在片選信號(hào)有效時(shí)，該EPROM被選中，地址總線AB（A0A10）就指向EPROM里某個(gè)存儲(chǔ)單元。在RD或WR控制線有效時(shí)CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線（DOD7）DB,對(duì)AB指定存儲(chǔ)單元內(nèi)的內(nèi)容進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。詳?xì)電路見(jiàn)附圖3保護(hù)插件原理圖（2）。AoAlOJft址顯線片規(guī)需號(hào)一E!FROMQ(aaiTA)DE-肆一愿DY/BUSY寸優(yōu)幘

56、止開(kāi)知iBiSSPCl（一）定值固化CPU來(lái)的寫信號(hào)WR與團(tuán)化開(kāi)關(guān)S組成與門&1電路控制固化，只有固化開(kāi)關(guān)打在允許位置（接通）和WR寫控制線低電平時(shí)，與門&1電路才輸出低電平，允許對(duì)2817A進(jìn)行改寫。在改寫過(guò)程中，由BUSY（忙）端給出一個(gè)低電平，通知CPU還沒(méi)有改寫完，以免造成數(shù)據(jù)改寫出錯(cuò)。（二）讀操作當(dāng)繼保工作入員需要檢查團(tuán)化的定值時(shí)，通過(guò)人機(jī)接口面板的鍵盤，下發(fā)查詢命令，在RD讀信號(hào)有效時(shí)（RD低電平），軟件將根據(jù)定值區(qū)號(hào)，查E2PROM中對(duì)應(yīng)的定值表，它通過(guò)數(shù)據(jù)總線DOD7傳送,把所讀定值在液晶顯示器上顯示出來(lái)。（三）定值拔輪電路對(duì)于旁路保護(hù)或需要根據(jù)運(yùn)行方式切換保護(hù)定值的保護(hù)裝置可

57、使用定值撥輪改變定值。在2817EPROM中分設(shè)10個(gè)定值區(qū)，每個(gè)定值區(qū)存放了一套定值。在CPU插件的面板上設(shè)有一組撥輪開(kāi)關(guān)，從0到9分別對(duì)應(yīng)10個(gè)不同的定值區(qū)，定值區(qū)的編碼由撥輪開(kāi)關(guān)輸出四根引線形成BCD碼送至8255并行擴(kuò)展口。保護(hù)CPU通過(guò)8255并行口查詢撥輪開(kāi)關(guān)的四位BCD碼，從而確定了定值區(qū)號(hào)。再根據(jù)定值區(qū)號(hào)就能從E2PROM中讀出當(dāng)前使用的保護(hù)整定值。定值撥輪電路圖如圖123所示。實(shí)際電路詳見(jiàn)附圖3保護(hù)插件原理圖（2）。45676421OOM定值撥輪開(kāi)關(guān)定值撥輪開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一種機(jī)械式的編碼電路。當(dāng)值班入員通過(guò)撥輪開(kāi)關(guān)改變定值區(qū)號(hào)時(shí)，其內(nèi)部的機(jī)械轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)就輸出一組對(duì)應(yīng)的BCD碼。

58、四、其他電路其他電路包括復(fù)位電路、工作方式開(kāi)關(guān)及信號(hào)燈，這些元件均裝于面板上，開(kāi)入、開(kāi)出端口引自CPU芯片，如圖124所示。當(dāng)工作方式開(kāi)關(guān)撥至上方，開(kāi)關(guān)接通，CPU的PI.3端為“0”態(tài)，即工作方式為投入運(yùn)行；撥至下方，即投入調(diào)試。由軟件檢測(cè)CPU的PI.3端口的輸入電平，如是低電平，則由CPU的PI.7輸出低電平，“運(yùn)行”燈亮。如果保護(hù)裝置有故障或保護(hù)動(dòng)作有信息需報(bào)告工作入員，CPU的PI.4端口輸出低電平，“有報(bào)告”燈亮。面板上裝有復(fù)位按鈕。上電復(fù)位前電容C處于放電狀態(tài)，復(fù)位按鈕打開(kāi)，電容器兩端未充有電壓。上電復(fù)位時(shí)由于電容器兩端電位不能突變，呈短路狀態(tài)。CPU的RST端瞬間獲得一個(gè)正階躍

59、的“1”態(tài)電平,保護(hù)CPU立即復(fù)位，程序從頭開(kāi)始執(zhí)行。正常運(yùn)行時(shí)，電容器已充滿了電，RST端呈零電平。復(fù)位按鈕按下時(shí)，電容器通過(guò)按鈕立即放電，R3和R4對(duì)十SV分壓，在RST端瞬間獲得一個(gè)正階躍的“1”態(tài)電平,保護(hù)CPU立即復(fù)位。由于保護(hù)CPU插件的復(fù)位按鈕的RST端均引至人機(jī)接口插件的復(fù)位按齦，因此在接至遙控復(fù)位繼電器，通過(guò)遙控復(fù)位。國(guó)1-24夏位、工作方式型信號(hào)電關(guān)人機(jī)接口插件復(fù)位按鈕按下時(shí)，所有的保護(hù)CPU插件全部同時(shí)復(fù)位。保護(hù)CPU復(fù)位端RST，還可WXH11型保護(hù)CPU插件電路圖見(jiàn)附圖3(1)和3(2)，圖中計(jì)數(shù)器8253電路部分與圖119基本相同。鎖存器74LS373鎖存低位地址和

60、數(shù)據(jù)；譯碼器74LS139用于選通計(jì)數(shù)器8253及其內(nèi)部計(jì)數(shù)器，詳細(xì)原理請(qǐng)查閱附錄A：?jiǎn)纹C(jī)工作原理。附圖3中示出固化電路、復(fù)位電路、方式開(kāi)關(guān)及其信號(hào)電路的實(shí)際接線圖。告警閉鎖及巡檢中斷均見(jiàn)第四節(jié)分析。附圖3(1)和3(2)的工作原理應(yīng)與圖120相對(duì)照分析。第四節(jié)開(kāi)關(guān)量輸入輸出回路原理、開(kāi)關(guān)且輸入回路開(kāi)關(guān)量輸入回路包括斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的輔助觸點(diǎn)或跳合閘位置繼電器接點(diǎn)輸入，外部裝置閉鎖重合問(wèn)觸點(diǎn)輸入，輕、重瓦斯繼電器接點(diǎn)輸入，還包括裝置上連接片位置輸入等回路。對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的開(kāi)關(guān)量輸入，即接點(diǎn)狀態(tài)的輸入可以分為以下兩類。一類是本裝置上的接點(diǎn)，例如面板上切換開(kāi)關(guān)或本裝置的繼電器接點(diǎn)；另一類是裝置