1、第一章 微机继电保护概述 第一章 微机继电保护概述 1.1 微机保护及其发展 1.1.1继电保护及微机继电保护 电力系统继电保护是指继电保护技术和由继电保护装置组成的继电保护系统。继电保护装置在电力系统中承担重要的保护任务，在系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证非故障部分正常运行；在系统出现不正常工作状态时，可动作于发出信号、减负荷或跳闸。继电保护在技术上一般应满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性的基本要求。 继电保护装置发展的初期，主要是由电磁型、感应型继电器构成的继电保护装置；20世纪60年代由于半导体二极管的问世，出现了整流型继电保护装置；70年代，由于半导
2、体技术的进一步发展，出现了晶体管继电保护装置；80年代，由于大规模集成电路的出现，又出现了集成电路型继电保护装置；20 世纪 80 年代中期，由于计算机技术和微型计算机的快速发展，出现了微机型继电保护装置；电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与信息技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。电力系统微机继电保护是指以微型计算机和微型控制器作为核心部件，基于数字信号处理技术的继电保护，简称微机保护。 1.1.2微机保护的发展现状 微机保护是基于微处理器的继电保护，它的出现和发展过程与计算机技术迅猛发展和应用息息相关。电子计算机技术特别是微型计算机技术的
3、飞速发展，广泛深入地影响着科学技术、生产和生活等各个领域，使各行业的面貌发生了很大的变化。数字电力系统的概念形象的说明了电力系统各方面受计算机技术发展的影响的深度和广度。计算机及相关技术在电力系统继电保护方面的应用使得继电保护技术有了新发展，即电力系统微机继电保护，出现了微机继电保护装置的研发和应用。 1.国外微机保护发展简况 20世纪60年代末期国外提出用计算机构成继电保护装置的倡议。在 1965年，英国剑桥大学的P. G. Mcalaran及其同事就提出用计算机构成电力系统继电保护的设想，并发表了Sampling Techniques applied to derivation Lette
4、r的文章。1967年澳大利亚新南威尔士大学的I. F. Morrison 预测了输电线路的计算机控制的前景。1969年美国西屋公司的G. D. Rockefeller发表了Fault Protection with A Digital Computer的文章。PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 微机继电保护技术 2 最早关于计算机保护的研究报告，揭示了用微机构成计算机的巨大潜力，引起各国继电保护工作者的兴趣。 20世纪70年代继电保护工作者进行了微机继电保护理论的探索和实践。70年代初期出现大规模集成电路后，微处理器迅速发展，从简单的4位微处理器发展为8位微处理器
5、，例如英特尔公司的8080芯片，摩托罗拉公司的6800芯片等，70年代中期出现了单片微型计算机，微处理器和单片机的出现使计算机应用于电力系统继电保护更加成为现实。在这一时期的研究热潮中，仅公开发表的有关论文200余篇，提出了各种不同的算法原理和分析方法，有个别研究机构作了试验，1972年美国西屋公司与GE 公司合作研制成功一套输电线路的计算机保护装置，这是世界上第一套比较完整的用于现场的计算机保护装置，它具备了计算机保护的基本组成部分。早期的研究工作以一台小型计算机来实现多个电气设备或整个变电站的保护功能。这种想法使装置的可靠性难以得到保障，因为一旦当该台计算出现故障时，所有的被保护设备将失去
6、保护；同时，按照当时的计算机的接口条件和内部资源来说，实现这种设想还需努力。限于计算机硬件的制造水平以及价格过高，当时还不具备商业性生产这类保护装置的条件。 20 世纪 70 年代末，比较完善的微机保护的样机开始投入到电力系统中试运行，微机继电保护产品的实用化开始出现。这一时期，性价比和可靠性大为提高的计算机为微机保护的实用化打下了硬件基础，一批足够强的微型机价格大幅度降低，因而无论在技术上还是经济上，已具备一台微型机来完成一个电气设备保护功能的条件。1977年日本投入一套以微处理器为硬件的控制与继电保护装置，全部替代了原有保护，大大减少了控制室的占地面地，并于 1980 年发表了试运行结果。
7、1979 年，国际电子电气工程师学会教育委员会组织了一次世界性的计算机继电保护研究班， 对20世纪70年代以来的计算机保护的研究成果进行了总结和交流。 20 世纪 80 年代中期，微机保护在硬件结构和软件技术方面趋于成熟，在电力系统中获得了广泛的应用。发展较快的是日本，据日本有关部门预计，1987年微机保护装置的订货可能达到继电保护设备总产值的 70% 。微机保护装置所具有的优越性和潜力，受到生产和运行人员的欢迎。 20世纪90年代中期，由于单片机价格的大幅度下降，微机保护采用了多CPU（单片机）结构，通常使用多个下层不同子系统分担不同的保护功能。例如线路微机保护中由不同的CPU完成距离保护、
8、高频闭锁保护、零序电流保护及重合闸保护功能，并采用单独的上层管理CPU系统对多个下层CPU子系统进行管理和数据交换，并完成人机对话和网络通信管理功能。采用多CPU结构使保护的可靠性和速动性大大提高。在单CPU结构保护中，CPU插件故障会使整套装置失去保护功能。采用多CPU方案后，由于CPU插件之间相对独立，某一CPU插件故障时只失去相应的某一保护功能，其它CPU插件仍可以正常工作，因此可以保留其它的保护功能，提高保护的可靠性。在多CPU结构中，由于保护功能分配给不同的CPU插件进行处理，因此，整套装置以并行方式完成全部保护功能计算，从而提高了保护的动作速度。 PDF 文件使用 “pdfFact
9、ory Pro“ 试用版本创建 第一章 微机继电保护概述 20 世纪 90 年代中期以来，一些新型高性能单片机开始获得应用，同时微机保护也采用了一些新技术，使保护的性能与装置的可靠性大幅度提高，微机保护的应用更加广泛。新型高性能32位单片机内集成了多种通用硬件，因此无需使用片外总线扩展存储器、I/O 端口等，不但大大简化了微机保护的硬件设计，而且由于总线不出芯片的设计，大大提高了装置的抗干扰性。专用数字信号处理器DSP的突出优点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大，尤其是采用专用硬件实现定点和浮点运算，速度非常快。将数字信号处理器应用于微机保护，极大地缩短了数字滤波、和傅氏算法的计算时间
10、，不但可以完成复杂的信号处理功能，还可以完成以往主要由单片机CPU完成的保护运算功能，甚至完成完整、独立的继电保护功能。网络通信技术在微机保护中的应用使继电保护出现了网络化的特点。随着变电站综合自动化的发展，微机保护配置现场总线网络接口已经成为一种基本的方式，并且新型微机保护大都提供现场总线的双往往接口，互为备用。另外，基于网络通信技术的分布式保护也得到了研究和应用。 2.国内微机保护的发展 国内在微机保护方面的研究工作起步较晚，但发展很快。我国从70年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大
11、学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机/变压器组保护也相继于1989、1994年通过鉴定，并投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993、1996年通过
12、鉴定。这些微机保护装置各具特色，为电力系统提供了一批性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。 我国微机保的发展从硬件上看，大体上分为三个阶段。 第一阶段是单CPU工作，多插件组合的微机保护装置。这是我国继电保护工作者普遍认为的第一代微机保护。这一阶段的微机保护装置采用 8 位的微处理器（如MC6809）构成微机系统，由于仅仅是一个CPU，因此需要在外部扩展许多硬件电路，所以总线必须引出插件，保护的存储容量小，保护和程序的定值均放在EPROM中，定值的改写十分不
13、方便，保护装置中仅有软件时钟，当直流电源消失后时钟便停止运行，硬件不具备数据远传功能，由于仅有一个CPU，所有的保护功能只能集中于CPU处理，可靠性较低。其代表产品为WXB-01微机高压线路保护装置。 第二阶段是保护功能在单个插件内实现，总线不出插件的微机保护装置。这是我PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 微机继电保护技术 4 国继电保护工作者普遍认为的第二代微机保护。以多个8位单片机组成多微机系统，需要扩展的硬件电路较少，因此可以做到总线不出插件，保护装置的定值存放在EPROM 中，定值的修改非常方便。设有硬件时钟，依靠备用电源支持，当直流电源消失后，硬件时钟可
14、继续运行，硬件上设计了数据远传的串行接口，由于硬件由多个单片机应用系统组成，因此一条输电线路的多种保护的功能可分散于不同的单片机系统，增强了保护装置的可靠性。其代表产品为WXB-11系列微机保护装置。 第三阶段是保护功能集成于一个芯片，总线不出芯片的微机保护装置。这是我国继电保护工作者普遍认为的第三代微机保护。它是以 16 位单片机（如 Intel 公司的80C196KB）构成的多微机系统，这些单片机内部资源丰富，具有较大容量的RAM和EPROM，因此可以做到不需在芯片外部扩展存储器，可以做到总线不引出芯片。例如以日本三菱公司的 M77 芯片构成的微机系统。单片机内部有 24K 的 RAM 容
15、量，32120K的EPROM或闪存和8个定时器，两个串行口，因此不需要用总线扩展外部存储器。保护装置的硬件设计除了有硬件时钟外，装置还具备接受GPS全球定位系统的秒脉冲的接口，具备较完善的通信网络，可应用于变电站自动化系统中，其代表产品为CSL系列微机保护装置。 3.微机保护的未来发展 继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地满足电力系统要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济效益和社会效益，尚须进行具体深入的研究。 微机继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围(这是首要任务)，还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系
16、统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保护发展的必然趋势。 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，
17、而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。 近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题。 微机保护将朝着高可靠性、简便性、开放性、通用性、灵活性和网络化、智能化、PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 第一章 微机继电保护概述 模块化、动作过程透明
18、化的方向发展。 1.2 微机保护系统的组成 微机继电保护系统是以微型计算机为核心的计算机应用系统。它是由硬件系统和软件系统组成。微机保护的硬件指组成微机电保护的电路的组合，它具备一般计算机应用系统硬件的特点，微机保护的硬件原理框图如图1.1所示。微机继电保护要能反映电力系统的故障和不正常状态，依据继电保护的原理，反映电力系统状况的继电保护物理参量，经前向检测输入回路采集输入，送给CPU主系统进行处理、判断、发出动作执行的命令和报警、显示、通讯信息等。后向通道是微机保护控制器执行接口机构。微机保护的软件系统是指实现继电保护的程序软件。 软件的设计与微机保护的硬件和CUP的指令语言关系密切。硬件电
19、路设计的完善程度直接影响软件的编写，软件系统常常可以实现硬件系统无法完成的功能，不同的微机CPU核，都有其对应的汇编语言指令系统，或高级语言应用要求，这些都影响软件的设计。另外，软件的编写设计是以继电保护的原理和微机保护的算法为依据。 微机继电保护系统和一般的继电保护一样，必须满足可靠性的要求，可靠性是指在规定的保护范围内发生了属于它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作；而在任何不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。 微机保护装置工作在有诸多干扰的电力系统中，这就使得微机保护的可靠性受到影响，微机保护系统必须从硬件和软件两个方面来提高系统的抗干扰性能。抗干扰性的问题是微机继电保护系统设计运行
20、的重要组成部分。 1.3 微机继电保护的特点 经过多年的研究、应用、推广与实践，现投入使用的高、中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品，继电保护领域的研究部门和制造厂家完全转向微机保护的研究和制造，微机继电保护成为了继电保护发展的趋势，这是由于微机保护显示出优于传统继电保护的特点。 微机保护装置优点体现在以下几个方面： (1) 维护调试方便 前向输入检测回路 CPU主系统后向输出执行显示回路继电保护参数电力网图1.1 微机保护的原理图PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 微机继电保护技术 6 在微机保护应用之前，整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，尤其是
21、一些复杂的保护，如超高压线路的保护设备，调试一套保护常常需要一周，甚至更长的时间。究其原因，这类保护装置都是布线逻辑的，保护的每一种功能都由相应的硬件器件和连线来实现。为确认保护装置完好，就需要把所有具备的各种功能通过模拟试验来校核一遍。微机保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功能由相应的软件程序来实现。换而言之，它使用一个只会做几种单调的、简单操作（读数、写数、运算）硬件，配以软件，把许多简单操作组合起来完成各种复杂的功能，因而只用几个简单的操作就可以检验硬件是否完好，或者说微机硬件有故障，将立即表现出来。如果硬件完好，对于已成熟的软件， 只要程序和设计时一样，就必然会达到设计的要求
22、，用不着逐台做各种模拟试验来检验每一种功能是否正确。实际上如果经检查，程序和设计时的完全一样，就相当于布线逻辑的保护装置的各种功能已被检查完毕。微机保护装置一般都有很强的自诊断功能，对硬件各部分和程序不断进行自动检测，一旦发生异常就会发出报警。通常只要电源上电后没有报警，就可确认保护装置是完好的。所以对微机保护装置可以说几乎不用调试，从而可大大减轻运行维护的工作量。 （2）可靠性容易提高 自检功能强，可用软件方法检测主要元件、部件工况以及功能软件本身。计算机在程序的指挥下，有极强的综合分析和判断能力，因而它可实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成的误动作。另外
23、，它有自诊断能力，能够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动，因此可靠性很高。数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响。 （3）可以方便的扩充其他辅助功能 通过增加软件的方法获得保护之外的功能。应用微型机后，可以在电力系统故障后提供多种信息。如打印故障前后电量波形故障录波、波形分析；打印故障报告：日期、时间、保护动作元件、时间先后、故障类型；随时打印运行中的保护定值；利用线路故障记录数据进行测量（故障定位）；通过计算机网络、通信系统实现与厂站监控交换信息；远方改变定值。 （4）灵活性大 由于微机保护的特性主要由软件决定，不同原理的保护可以采用通用的硬件，只要改
24、变软件就可以改变保护的特性和功能，从而灵活地适应电力系统运行方式的变化。 （5）改善和提高保护的动作特性和性能 用于数学方程的数学方法构成保护的测量元件，其动作特性可以得到很大的改进，或得到常规保护（模拟式）不宜获得的特性。用它的很强的记忆功能更好的实现故障分析保护。容易引进自动控制、新的数学理论和技术自适应状态预测、模糊控制及人工神经网络（ANN）等更好改进系统性能。 微机保护装置缺点有： （1）与传统的保护有根本性的背离。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 第一章 微机继电保护概述 （2）使用者较难维护。 （3）要求硬件和软件有较高的可靠性。 （4）硬件容易
25、过时。 （5）由于微机保护装置中使用了大量集成芯片，以及软硬件的不断升级，增加了用户掌握其原理的难度。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 微机继电保护技术 8 第二章 微机继电保护的硬件原理 2.1 微机保护装置硬件概述 从功能上讲，微机保护装置包括四个部分：数据采集系统、CPU主系统、开关量输入/输出回路、电源回路等。开关量输入/输出回路包括外部触点输入回路，跳合闸回路，信号回路，人机对话回路，通信回路。图 2-1 是为一种典型的微机保护硬件结构示意图。 数据采集系统是模拟量输入系统，采集由被保护设备的电流互感器和电压互感器输入的模拟信号，并将此信号经过适当的
26、预处理，然后转换为所需的数字量。数据采集系统根据模数转换的原理不同，微机保护的模拟量输入回路有两种方式，一种是基于A/D转换器的数据采集系统，另一种是基于V/F转换的数据采集系统。 CPU主系统包括微处理器CPU、数据存储器、程序存储器、晶振、复位电路、定时器、并行接口和串行接口等。CPU执行放在程序存储器中的程序，对数据采集系统输入到数据存储器的原始数据进行分析处理，完成继电保护的测量、逻辑和控制功能。 开关量的输入/输出回路中的外部触点输入回路，跳闸、合闸、信号出口回路由并行接口、光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成，完成各种保护的出口跳闸、信号报警以及外部接点输入等工作。人机接口部分主
27、要包括打印、显示、键盘、各种面板开关等，其主要功能用于调试，定值调整，人对机器工作状态的干预，打印显示运行情况及保护执行结果，即完成人机对话功能。 电源回路提供了整个装置所需的直流稳压电源，以保证整个装置的可靠供电。 数据采集系统CUP主系统电源人机对话信号回路触点开关量输入通信回路跳合闸回路开关量输入/输出来自TVTA 的模拟量图2-1 微机保护硬件系统示意图PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 第二章 微机继电保护的硬件原理 9 2.2 基于A/D转换的数据采集系统 2.2.1 A/D转换式数据采集系统的组成 在微机继电保护装置中，数据采集系统的功能是将输入模拟
28、量准确的转换为微机能够识别的数字量。基于A/D转换的数据采集系统以A/D转换器为模拟量到数字量的转换单元，大量投放市场的单片集成或模块A/D器，按其变换原理分类，主要有逐次逼近式、双积分式、量化反馈式和并行式A/D转换器。逐次逼近式A/D转换器是目前种类最多、数量最大、应用最广的 A/D 转换器件，本书主要讲述基于逐次逼近式的A/D 转换的数据采集系统，其转换原理的示意图如图 2-2，它包括电压形成回路、模拟低通滤波器ALF、采样保持电路S/H、多路转换开关MPX及A/D转换电路等。 2.2.2 电压形成回路 电压形成回路的作用是电量变换。微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互
29、感器或其它变换器上取得信息，但这些互感器的二次数值、输入范围对典型的微机保护线路却不适用，故需要降低变换。微机保护中，通常根据模数转换器输入范围的要求，将输入信号转换为 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电压变换器，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。其实现方法如图2-3。 电抗变换器和电流变换器各有优缺点。电抗变换器具有阻止直流，放大高频的作电压形成 ALF S/H 多路转换MPXS/HALF电压形成来自TVTA二次图2-2 逐次逼近式A/D转化方式A/D总线CPUiR uTVTA TXiu1
30、u 2u（a） （b） （c）图2-3 变换器原理(a) 电流变换器；（b）电压变换器；（c）电抗变换器PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 微机继电保护技术 10 用，因此当一次流过非正弦电流时，其二次电压波形将发生畸变，这是不希望的。电抗变换器的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。电流变换器的最大优点是，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的波形相同且同相，即它的传变可使原信息不失真。这点对微机保护是非常重要的，因为只有在这种条件下作精确的运算或定量分析才有
31、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。电流变换器的缺点是在非周期分量的作用下容易饱和，线性度差，动态范围也较小，这在设计和应用中应予以注意。 综合比较电抗变换和电流变换器的优缺点，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 2-4 所示。其中Z 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80k以上； LHR 为电流变换器二次侧的并联电阻，数值为几欧姆到几十欧姆，远远小于Z 。因为 LHR 与Z 的数值差别很大，所以由图
32、2-4可得 122LHLHLHiuRiRn= (2- 1) 在设计时，相关参数应满足的条件是 max maxLHLHiRUn (2- 2) 其中： maxi 为电流变换器一次电流的最大瞬时值； maxU 为 A/D 转换器在双极性输入情况下的最大正输入范围，如A/D的输入范围为 5V ，则 max 5VU = 。 2.2.3 模拟低通滤波器 采样频率的选择是微机保护数据采集系统中硬件设计的重要内容。需要综合考虑多种因素。首先，采样频率的选择必须满足采样定理的要求，即采样频率必须大于原始信号中最高频率的二倍，否则将造成频率混叠现象，使采样后的信号不能代表原始信号。其次，采样频率的高限受到CPU的
33、速度，被采集的模拟信号的路数，A/D转换后的数据与存储器的数据传送方式的制约。如果采样频率太高，而被采样的模拟信号又特多，则在一个采样间隔内难以完成对所有采样信号的处理，就会造成数据的错误。微机系统无法正常工作。 在电力系统发生故障时，故障初瞬电压、电流中往往含有频率很高的分量，为了防止频率混叠，必须选择很高的采样频率， 这就会对硬件提出相当高的要求，而且目前绝大多数微机保护的原理都是基于反映工频信号的，因此为了降低采样频率，可在采样之前先用一模拟低通滤波器将频率高于采样频率一半的信号滤掉。例如我们选择1iLHRTA1N 2N2iz图2-4 电流变换器的连接方式2uPDF 文件使用 “pdfF
34、actory Pro“ 试用版本创建 第二章 微机继电保护的硬件原理 11 采样频率为600Hz，则模拟低通滤波器应将300Hz及其以上频率的信号滤除。 模拟低通滤波器一般为一阶或二阶的RC阻容滤波器。如图2-5所示。 当负载 LR 开路时，一阶RC滤波器的截止频率为: RCf 2 1=C (2- 3) 当滤波器接有附载时，一阶RC滤波器的截止频率为： )1+1(= aff CC (2- 4) 其中： RRa L= 二阶低通滤波器的传递函数为: () 2113()Hs RCRC= + (2- 5) 2.2.4采样保持电路 1采样保持电路的作用原理 采样保持电路(sample/Hold)电路，其
35、作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在采样时刻的瞬时值，并在A/D转换器进行转换的期间保持其输出不变。利用采样保持电路后，可以方便的对多个模拟量实现同时采样。 采样保持电路的工作原理可用图2-6来说明，它由一个电子开关AS、保持电容 hC以及两个阻抗变换器组成。模拟开关 AS 受输入端的电平控制，该逻辑输入就是采样脉冲信号。在逻辑输入为高电平时AS闭合，此时电路处于采样状态。 hC 迅速充电或放电到 sru 在采样时刻的电压值。AS的闭合时间应满足使 hC 有足够的充电或放电时间即采样时间，显然希望采样时间越短越好。这里，运用阻抗变换器的目的是它在输入端呈现高阻抗，对输入回路的影响很小；而输
36、出阻抗很低，使充放电回路的时间常数很小，保证 hC 上的电压能迅速跟踪到在采样时刻的瞬时值 sru 。AS打开时，电容器hC 上保持住AS闭合时刻的电压，电路处于保持状态。为了提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器，它在 hC 侧呈现高阻抗，使 hC 对应充放电回路的时间常数很大，而输出阻抗（ sru 侧）很低，以增强带载能力。阻抗变换器和可由运算放大器RC LRRC LRRC(a) (b)图2-5 阻容式模拟低通滤波器(a) 一阶低通滤波器；（b）二阶低通滤波器PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 微机继电保护技术 12 构成。在图 2-6（b）为实际采样脉冲
37、， CT 为采样脉冲宽度， ST 为采样周期（采样间隔）。 认为采样保持过程为理想的状态时，采样保持过程如图2-6（C）所示，由微机控制内部的定时器产生一个等间隔的采样脉冲，对模拟量信号进行采样，从而得到反映输入信号在采样时刻的信息，即采样信号；随后在一定时间内保持采样信号处于不变的状态，即有采样信号；这样，在保持阶段，无论何时进行模数转换，其转换的结果都反映了采样时刻的信息。若阻抗变换器和阻抗变换器的输入阻抗为无限大，输出阻抗为零， hC 无泄漏，采样脉冲宽度 CT 为0，则采样保持器为理想的。但这种理想状态是不可能实现的。 在实际采样保持器中，采样状态（S态）时， hC 上的电压不可能立即
38、跟踪输入电压，而有一个过渡过程；保持状态（H）时， hC 上的得电压也不可能毫无衰减地保持住AS 断开前的电压， 有衰减量 U 。实际的跟踪采样和保持过程如图 2-7。我们把跟踪输入电压的时间称为截获时间。显然，我们希望在采样状态下， hC 上的电压跟踪输入电压的过渡过程越短越好，即希望 hC 对阻抗变换器的输出阻抗放电或充电的时间尽可能短。同时我们还可以看出，采样脉冲 CT 必须满足截获时间，且尽可能窄，这样才能准确的反映某一时刻的模拟信号的值。在保持状态下，希望 hCtS H S H S HS HsruscuU保持跟踪图2-7 实际采样保持过程u阻抗变换器阻抗变换器hCscusru AS采
39、样脉冲（a）STCT（b）ttt模拟信号理想采样脉冲采样保持信号采样信号ST（c）图2-6 采样保持电路工作原理（a）采样保持电路结构；（b）采样脉冲；（c）采样保持过程示意图tPDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 第二章 微机继电保护的硬件原理 13 上的电压保持的时间尽可能长。为了提高保持能力，电路中的阻抗变换器对 hC 呈现高阻抗，而输出阻抗很低，以增加带负载的能力。目前采用的采样保持电路都把除保持电容 hC 外的几部分集成在一片芯片上，保持电容是外接由用户选择。 2 对采样保持电路的要求 高质量的采样保持电路应满足以下几点： （1）截获时间短，特别是对快速变
40、化的输入信号采样更应保持这一点。 （2）保持时间要长。通常用下降率SC T-TU 来表示保持能力。 （3）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的泄漏电流要小。 上述（1）和（2）两个指标一方面决定于采样保持器中的阻抗变换器的质量，另一方面也和保持电容 hC 的容量有关。就截获时间来说，希望 hC 越小越好；但就保持时间而言， hC 越大越好。因此，对 hC 的大小应权衡之后作出适当的选择。 3 常用采样保持器LF398 图2-8是微机保护装置中常采用的一种采样保持电路芯片LF398的原理图。 电路主要由两只高性能的运算放大器 A1、A2 构成的跟随器组成，其中 A2 是典型的跟随器接法，其反相
41、端直接与输出端相连。由于运算放大器的开环放大倍数极高，两个输入端之间的电位差实际上为 0，所以输出端对地电压能跟上输入端的电压，也就是保持电容 hC 两端的电压。A1的接法和A2实质相同。 当AS接通时处于采样状态，A1反相输入端从输出经电阻R获得负反馈，使输出跟踪输入电压。在 AS断开后的保持阶段，A2的输出电压不再变化，但模拟量输入却+-A1-+- A2+- A3RRAS253871 6 4hCscusru采样脉冲模拟输入输出LF398（a）LF3983124 5678 hC1R 2RU+ Uscusru采样脉冲（b）图2-8 LF398 采样保持芯片原理（a) 原理图；（b）实用接线图P
42、DF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 微机继电保护技术 14 仍在变化，A1不再从A2的输出获得负反馈，而直接从A1的输出端经过二极管获得负反馈，以防止 A1 进入饱和区，在 A1 的输出端和反相输入端之间跨接两个反相并联二极管，配合电阻R起到隔离第二输出与第一级的作用。 跟随器的输入阻抗很高（达 1010 ），输出阻抗很低（最大 6 ），因而A1对输入iu 来说是高阻，而在采样状态时对电容 hC 为低阻充电，故可快速采样。又由于A2的缓冲和隔离作用使电路具有较好的保持性能。 AS 为场效应晶体管模拟开关，有运算放大器 A3 驱动。A3 的逻辑输入端由外部电路（通常是
43、定时器）按一定的时序控制，进行控制着 hC 处于采样或保持。 2.2.5 模拟多路转换开关 由于模数转换器的价格相对较贵，微机保护装置通常几路模拟量输入通道公用一个 A/D 芯片，采用多路转换开关MPX（Multiplex）将各通道保持的模拟信号分时接通A/D变换器，轮流由公用的A/D转换成数字量输入给微机。多路转换器包括选择接通路数的二进制译码电路和由其控制的各路电子开关，它们被集成在一个电路芯片中。以 16 路多路转换开关芯片 AD7506 为例，说明多路转换开关的工作过程。AD7506 的内部示于图2-9，功能表如表2-1，其引脚功能如下： （1）A0A3为路数选择端。通过赋予不同的二进
44、制码，选通16路中对应的电子开关AS，当某一路被选中，此路AS闭合，将此路输入接通到输入端。 （2） i15i0 uu 为输入端。共16路，可接入16个输入量。 （3） 0u 为输出端。 （4）EN 为使能端，只有EN 当为高电平时，AD7506 才能工作。 表2-1 AD7506功能表 EN A3 A2 A1 A0 选通功能 输出 0u 1 0 0 0 0 SA0 i00 uu = 1 0 0 0 1 SA1 i10 uu = 1 1 1 1 1 SA15 i150 uu = 0 禁止 无输出 MPX 中模拟电子开关 AS 在 D/A、A/D、S/H 电路中应用甚广，它是用电子逻辑（数字）控
45、制模拟信号通、断的一种电路，通常有双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（J-FEF）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。 译码/驱动0 1 2 3ENAAAA0 . 15ASAS输出 015 . iiuu(15)PPUV+(15)SSUV图2-9 AD7506 内部结构图PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 第二章 微机继电保护的硬件原理 15 BJT模拟电子开关是用得最早的一种，电路如图2-10，这是一种反接晶体管模拟开关，该电路可直接用TTL数字逻辑控制。当控制信号为低电平时，T1、T2 截止，T3导通。当控制信号为高电平时，T
46、1、T2 导通，T3 截止。这种电路的导通误差电压大约为12mV，精度不高。为了提高精度，还可以采用并联互补、串联补偿等电路。 J-FET 组成的模拟电子开关性能更好，导通电阻小，截断时只有极小的漏电流，因此应用广泛。其电路原理如图2-11。这是一个互补双路开关。 cu 为高电平时，T1、T2导通，T3截止T4导通。 i20 uu = ；cu 为低电平时，T1、T2 截止，T3导通，T4截止。 i10 uu = 。 MOS-FET 组成的电子开关性能和J-FET类似，但它更容易制成集成电路，成本低，因此使用越来越广泛。其电路原理如图2-12。这是一个互补型 MOS-FET 的模拟电子开关，用两
47、个增强型的MOS-FET并联，一个是 P 沟道，一个是 N 沟道。为使开关导通，要求PMOS（P沟道的 MOS-FET）的控制电压为负值，同时要求NMOS（N沟道的MOS-FET）的控制电压为正值，图2-12中分别用向下和向上的箭头表示。当输入电压 iu 为零时，PMOS的 15VGSu = ，NMOS的 15V+=GSu ，故 PMOS与NMOS两者均导通。开关导通电阻为两个 FET 的电阻并联，电阻很低。当输入电压 15Viu = 时PMOS 的 30VGSu = ，NMOS的 0VGSu = ，此时的 PMOS导通，NMOS截止，有一个 FET导通，电阻也很低。当输入电压 15Viu =
48、+ 时，PMOS的 0VGSu = ，NMOS的 30VGSu =+ ，此时NMOS导通，PMOS截止，电阻也很低。因此不论输入电压如何变化，导通时，导通电阻基本不受输入电压 iu 变化影响。 EN端（TTL）iu12V12V+ouT1T2T3图2-10 BJT模拟开关电路EN端（TTL）1iu12V12V+ouT1T2T3图2-11 J-FET模拟开关电路原理图cu T42iu控制15VG控制G15V+ON ON15V+ 15VB Biu SDou图2-12 MOS-FET模拟开关电路原理图PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 微机继电保护技术 16 2.2.6模数转换器 由于计算机只能对数字量进行运算，而电力系统中的电流、电压信号均为模拟量，因此必须采用模拟转换器将连续的模拟量转变为离散的数字量。模数转换是实现计算机控制的关键技术，是将模拟量转换为计算机能够识别的数字量的桥梁。 1 模数转换ADC的一般原理 模数转换器是将输入的模拟量与基准电压比较，编成二进制代码数字信号的电路，它可以被认为是一个编码电路。基准电压（参考电压）是A/D转换器的满刻度电压，即模拟量的最大允许输入电压。数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。这就是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定
