单片机实现的电力变压器保护.doc

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1、1 绪论1.1电力系统故障和不正常运行状态电力工业是国民经济的基础，是重要的支柱产业。它与国家的兴盛和人民的安康有密切的关系，因此，电力产品应该是安全、可靠、经济、优质的能源产品。随着国民经济的飞速发展，电力系统的规模越来越大，结构越来越复杂。在整个电力生产过程中，由于人为因素或大自然的原因，会产生这样那样的故障和出现不正常的运行状态。电力变压器是整个电力系统的重要电气设备，关系整个电力系统的安全稳定运行。它的可靠运行对于保证安全供电具有十分重要的意义。随着超高压大容量变压器的广泛应用，对变压器保护的可靠性和灵敏性提出了更高的要求。因此，对于变压器的故障和不正常状态必须装设可靠的继电保护装置。

2、 变压器的故障分为内部故障和外部故障两种。内部故障是指变压器油箱内所发生的故障，如线圈的相间短路、匝间短路、单相接地短路及铁芯烧坏等。这些故障如不迅速排除有很大的危险性，因为这些故障都伴随有电弧产生，电弧将会引起绝缘物的剧烈气化，从而可能导致油箱的爆炸。外部故障就是指油箱以外的故障，如套管以及引出线上的故障等。这种故障可能导致引出线的相间短路和接地（对变压器外壳）短路。 变压器不正常运行状态主要有：由于变压器外部相间短路引起的过电流，外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷，以及由于漏油等原因而引起的油面降低。 此外，对大容量变压器，由于其额定工作时的磁通密度相

3、当接近于铁心的饱和磁通密度，因此在过电压或低频率等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障。1.2 继电保护的基本原理和保护装置组成为完成继电保护的任务，首先需要正确区分电力系统运行与发生故障或不正常运行状态之间的差别，找出电力系统被保护范围内电器组件（输电线路、发电机、变压器等）发生故障或不正常运行时的特征，配置完善的保护以满足继电保护的要求。电力系统不同电气组件故障或不正常运行的特征可能是不同的，但在一般情况下，发生短路故障之后总是伴随有电流增大、电压降低、电流，电压间的相位发生变化，测量阻抗发生变化等，利用正常运行时的这些基本参数与故障时的区别，可以构成不同原理的继电保护。例如反应电流

4、增大的过流保护，反应电压降低的低电压保护，反应故障点到保护安装处之间距离（或阻抗）的距离保护，反应电流，电压间相位的方向保护及及反应故障瞬间特征量的瞬态保护等。构成各种继电保护装置时，可使它们反应每相中的某一个或几个基本电气参数（如相电流或相电压等），也可以使之反应这些基本参数的一个或几个对称分量（如负序，零序或正序量），例如利用零序构成接地保护，利用负序量构成相间保护等。上述的基本故障是故障或不正常运行时的稳定参数，即故障发生且稳定后得到的，以这些故障量构成的继电保护称作稳态保护。继电保护的种类虽然很多，但就一般而言其基本结构主要包括现场信号输入部分，测量部分、逻辑部分和执行部分。其原理图如

5、1-1所示。1.现场信号输入部分现场信号送入继电保护装置一般要进行必要的前置处理，如电平转换，低通滤波等，使继电器能有效的检测各现场物理量。2.测量部分测量部分是检测经现场信号输入电路处理后的与保护对象有关的物理量测量。并和已给的整定值进行比较，从而判断保护是否应该启动。 3.逻辑部分 逻辑部分的作用是根据测量部分各输出量的大小、性质，逻辑状态、输出顺序等信息，按一定的逻辑关系组合、运算，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分。4.执行部分 执行部分的作用是根据逻辑部分送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如发出信号，跳闸或不动作。1.3 对继电保护的基本要求对于跳

6、闸的继电保护，在技术、经济上一般应满足四个基本要求，即选择性、速动性、可靠性、灵敏性。现分别讨论如下:（1） 选择性继电保护动作的选择是指保护装置动作时，仅将故障组件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。（2） 速动性快速地切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在低电压情况下的工作时间，减少故障组件的损坏程度。因此，在发生故障时，力求保护装置能迅速动作切除故障。在一些情况下，电力系统允许保护装置在切除故障时带有一定的延时。因此，对继电保护速动性的具体要求，应根据电力系统的接线以及被保护组件的具体情况来确定。下面列举一些必须切除的故障：1）

7、根据维持系统稳定性的要求，必须快速切除高压输电线路上发生的故障；2） 导致发电厂或重要用户的母线电压低于允许值（一般为额定电压的70%）的故障；3） 大容量的发电机、变压器及电动机内部所发生的故障；4） 110KV线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障；5） 可能危及人身安全，对通讯系统或铁道号志系统有强烈干扰的故障等；故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。一般的快速保护的动作时间为0.060.12S，最快的可达0.010.04S，一般的断路器的动作时间为0.060.15S，最快的可达0.020.06S。（3） 灵敏性继电保护的灵敏性:是指对于保护范围内发生故障或不正常运

8、行状态的反应能力。（4） 可靠性保护装置的可靠性是指在所规定的保护范围内，发生了它应该动作的故障时，它不应拒绝动作；而在该保护不该动作的情况下，则不应误动作。因此可靠性包括两方面的内容：可靠不误动和可靠不拒动。1.4 微机保护系统简介 1 我国微机型变压器保护技术发展简述2O世纪60年代末，由GDRockefeller等人倡议用计构成继电保护装置。7O年代以来，随着微机技术的迅速发展，微机保护由研究开发逐步进入实际应用。目前国外各继电保护装置制造厂家均已推出基于微型计算机的继电保护产品。我国微机保护的研制起步虽晚，但步伐很快。从1984年第一台微机线路保护在现场投运以来，经过近2O年的发展，已

9、形成继电保护科研、设计、运行、制造的完整体系，继电保护专业制造厂已由上世纪5O年代阿城继电器厂一家，发展到许继公司、国电南自公司、南瑞公司、北京四方公司等多家开发能力强、制造水平高的大型专业制造企业。目前，国内微机保护在原理、性能和主要技术指标上均已达到国际先进水平，其制造工艺也逐步达到先进水平。微机变压器保护与微机线路保护相比，发展相对较晚，但近年来发展迅速，原理应用及硬件平台逐步成熟，使用率接近40，是我国电力系统未来几年保护设备改造的生力军。用计算机实现继电保护的原理是从电压互感器和电流互感器引出二次电压和电流。经变换器变为适合于保护所用的电压、电流再经输入滤波器滤去直流分量、低次及高次

10、谐波和各种干扰后进入多路器。将输入的各个电气量按时间分开，送到“模数”(AD)转换器变为数字量，计算机即可对输入的数字量进行运算处理和判别故障。微机保护是由一台计算机和相应的软件(程序)来实现各种复杂功能的继电保护装置。微机保护的特性主要是由软件，即根据保护需要而编制的计算机程序来决定的，具有较大的灵活性，不同原理的保护可以采用通用的硬件。2. 微机保护的基本构成 由于计算机只能作数字运算或逻辑运算，因此，首先要求以模拟量输入的电流、电压的瞬时值变换为离散的数字量，然后才送入计算机的中央处理器，按规定的算法和程序进行运算，且将运算结果随时与给定的数字进行比较，最后做出是否跳闸的判断。微机保护的

11、基本构成可看成由硬件和软件构成。其整套硬件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统、CPU主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。微机保护的软件由初始化模块、数据采集管理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。 微型机继电保护系统的硬件一般包括以下三部分:（1）模拟量输入系统（或称数据采集系统）包括电压形成、模拟滤波（ALF）、采样保持(S/H)、多路转换开关(MPX)以及模数转换(A/D)等功能块，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 包括微处理器(MPU)、只读存储器（一般用EPROM）、随机存取存储器以及定时器等。MPU执行存放在EPROM中的程序

12、，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。（3）开关量（或数字量）输入/输出系统 由若干并行接口适配器(PIA或PIO)、光电隔离器件及有接点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入及人机对话等功能。硬件示意框图如图1-2所示。2电力变压器保护的基本原理2.1电力变压器保护的概述 电力变压器是电力系统的中十分重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。由于大容量的电力变压器是十分昂贵的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度来考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。电力变压器保护的核心问题有两个：

13、其一是如何鉴别内外部故障，对于这一个问题，已经有一些有效的算法来解决，例如可变比率制动特性的差动过流算法，时间差动过流算法（简称差动算法），并成功运用于工业装置中。其二是在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下，变压器能产生很大的励磁涌流，涌流的存在常常导致差动保护误动。如何区分内部短路和励磁涌流是变压器差动保护的主要设计难点。对于微机型变压器保护来说，最常采用的是利用变压器电流、电压判别励磁涌流。应用最广泛的是二次谐波分量的算法，其在加速保护动作上主要研究方向：一为研究快速响应的算法，二为寻找计算量小的算法（如傅氏算法等）。变压器微型机保护的特点（1） 提高灵敏度 要求差动保护能灵敏

14、动作于匝间短路故障，同时也要求灵敏动作内部高电阻接地故障。（2） 保持高速度 对于接于超高压远离输电线路的变压器，当发生内部故障时，由于谐振也会产生谐波电流，可能引起谐波制动的差动保护延缓动作，需要采取有效的加速措施或寻求新原理的励磁涌流鉴别方法。（3） 有效地对付过励磁 大型变压器的工作磁密通常取得较高，短时过压或频率降低，励磁电流会激增。计算机技术为解决这些难题提供了手段，主要表现在：（1） 在差动保护中可将TA二次侧电流直接差改为数字差。（2） 可通过数字计算进行电流相位调整。（3） 可应用更多更复杂的原理来改善励磁涌流鉴别能力。（4） 可通过采用灵活的算法来获得高速度和高灵敏度。（5）

15、 采用复杂的运算和逻辑处理在一定程度上实现CT和PT断线报警和闭锁。（6） 由TA 变比标准化带来的误差可用数字运算进行补偿。2.2 电力变压器保护的方式 变压器应配置相应的继电保护装置有：瓦斯保护、纵差动保护、后备保护、接地保护、过负荷保护和过励磁保护等。2.2.1变压器的瓦斯保护 变压器的瓦斯保护是变压器油箱内部故障的主要保护之一。变压器油箱内部故障通过瓦斯保护的主要元件气体继电器来反应，它和纵差动保护共同实现变压器的主保护。此外，瓦斯保护还是油箱漏油或绕组、铁芯烧损的唯一保护。2.2.2 变压器的纵差动保护 变压器纵差动保护是反应变压器绕组和引出线相间短路、绕组匝间短路以及中性点直接接地

16、系统侧绕组和引出线接地短路的主保护。实现变压器纵差动保护必须遵循基本原则，并解决好两个突出问题：励磁涌流和区外短路的不平衡电流 变压器差动保护应满足以下要求：在任何情况下，当变压器内部发生短路性质的故障（包括高阻接地及匝间短路）时应快速动作跳闸。故障变压器空载投入时，可能伴随较大的励磁涌流，亦应尽快动作。反之当出现外部故障伴随很大的穿越电流时，应可靠不动作。无论正常变压器发生任何形式的励磁涌流和过激励应可靠不动作。因此，与传统保护类似，计算机变压器差动保护的原理和算法主要可分为两部分：一部分是如何区分内、外故障，另一部分是如何鉴别励磁涌流。下面介绍一个有关于计算机变压器差动保护的算法，即具有折

17、线比率制动特性的差动原理和算法。用计算机实现变压器差动保护时，通常也是分相差动接法，故可取一相来研究。假定变压器Y侧CT 已经接成形以补偿相位移，变压器两侧CT变化误差已由数字计算进行了补偿，并取各侧电流流入变压器为假定正方向。对于双绕组变压器，若规定其两侧分别为侧和侧，那么按照大型变压器通常采用的三段折线式比率制动特性要求，其基波相量可表示成下列动作判据或算法：II I II K ( I- I)+ I I K ( I- I)+ K ( I- I)+ I I I式中 I 差动电流I=+;I 制动电流I=-; I 不带制动时差流最小动作电流；K和K 分别为第一和第二段折线斜率，KK；I 和I 分

18、别为与第一和第二折点对应的制动电流 I I。21动作区IIIII式(2-1)的制动特性如图(2-1)是正余弦函数相关算法（通过衰减直流误差校正）和最小二乘法。计算过程可先用采样瞬时值计算差动电流及制动电流的瞬时值，再计算基波向量；亦可先计算各侧的基波向量，再计算差动电流和制动电流。对于三绕组变压器，设第三绕组以表示，差动电流Id可表示为： =+ + （2-2）图2-1 三段折线比率制动特性制动电流的计算常用的作法有两种,分别如下两式所示, 即 =+ + （2-3） =max(,) (2-4)亦可以按照目前某些常规保护中的作法,采用下式计算制动电流: =+ (2-5) 其中,k1=tg1 ,k2

19、=tg2。目前比较重要设备上的计算机保护均采用16位甚至32位微机，其计算机处理能力是很强的，因此可选用更复杂的算法。下面再介绍一种反映“穿越电流”的制动量的计算方法。 = (2-6)式中，满足= max(,)，= , =。此外，还可把发电机纵差保护中的标积制动式原理引入到多绕组变压器差动保护中，可有差动判据为： ISIIcos （2-7)式中，S为制动系数，=arg(, )。式（2-7）中制动量的具体算法在此处已经超出设计的范畴，也就不做过多的阐述。需要指出，采用式（2-3）（2-6）与采用式（2-1）计算制动量所对应的K值不相同，应通过具体分析来确定。励磁涌流的鉴别方法按信号特征可分为:波

20、形特征识别法，间断角原理亦属于这一类；谐波识别法，最常用的是依据二次谐波电流的大小；参考模型相关法；磁通特性识别法；图象识别法等等。若按输入量的种类又可分为：仅用差动电流鉴别方法；仅用端电压量的鉴别法；同时利用差动电流和端电压量的鉴别法。下面将详细介绍利用二次谐波电流鉴别励磁涌流的方法。二次谐波制动法有很多优点，它可以正确区分空载合闸和外部故障切除后电压恢复过程中的励磁涌流，也可以正确辨别内部三相对称性短路。 分析表明，励磁涌流中含有较大的二次谐波成分。通过计算机电流中的二次谐波电流与基波电流的幅值之比可判断是否存在励磁涌流。当出现励磁涌流时应有 （2-8）式中，与分别为基波和二次谐波电流模值

21、； 二次谐波制动比（可整定）。传统的同类装置中，通常将二次谐波电流看成制动量而将它与制动比例制动量相加作为综合自动量，即相当于在式（2-1）中每一式右边都加上一项代表二次谐波的量。这种作法用计算机来实现虽然可行，但因内部故障时差动电流中多少也会包含一些二次谐波分量，从而会对灵敏度产生不利影响，所以计算机保护中则通常直接用式（2-8）独立判定励磁涌流的存在与否，以便决定是否闭锁差动保护。 二次谐波电流的计算目前多采用正余弦函数相关算法、最小二乘法或者全零点滤波算法。利用二次谐波电流鉴别励磁涌流的原理除了在常规保护中已有长期成功运行的经验外，目前投入运行的计算机变压器保护也大都采用该原理，因而在实

22、用化方面相对成熟一些。3. 变压器相间短路的后备保护 变压器相间短路的后备保护不仅是变压器主保护的后备，也是相邻母线或线路的后备。根据变压器的容量和对保护灵敏性的要求可采用以下不同类型的后备保护，它们对发电机后备保护同样适用。如过电流保护、低电压起动过电流保护、复合电压起动过电流保护、负序电流保护、低阻抗保护。4. 变压器接地保护 变压器接地保护是反应变压器高压、绕组、引出线上的接地短路，并作为变压器主保护和相邻母线、线路接地保护的后备保护。 变压器接地保护方式与其中性点是否接地有关。 变压器中性点是否接地取决于电力系统的要求和变压器中性点的绝缘水平。 3 微机保护的基本组成及基本硬件设计3.

23、1微机保护的概述微机保护由硬件和软件组成。硬件通常包括模拟量输入系统、微机主系统、开关量输入/输出接口和通信接口等。软件指的是数字滤波器和微机保护算法，实际上都是一段计算程序。硬件和软件共同实现了微机保护的各种功能。由于微机保护具有可靠性高、灵活性强、保护性能得到改善、易于扩充功能、维护调试方便和有利于实现变电站综合自动化等优点，它已成为继电保护发展的方向和电力系统综合自动化不可或缺的重要组成部分。3.2 模拟量输入通道本设计采用逐次比较式模拟数据采集系统采集信号。逐次比较式数据采集系统的组成原理框图如图：CPU采样保持多路开关 A/D转换低通滤波电压形成图3 -33.2.1电压形成回路微机保

24、护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互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电路不适用，故需要降低和变换。通常要求输入信号为5V或10V的电压信号，具体决定于所用的模数转换器。因此实现方案有两种：采用电抗变换器；采用电流中间变换器。电抗变换器有阻止电流，放大高频分量的作用，当一次侧流过非正弦量时，二次侧电压波形将发生严重岐变，这是所不希望的。其优点是线性范围较大，铁芯不易饱和，具有移相的作用，另外，其抑制非周期分量的作用在一定的场合下也可能成为优点。电流中间变换器的最大优点是：只要铁芯不饱和，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

25、波形相同且同相，即保持原信号不失真，在单片机保护系统中根据需要而通过软件实现，它的缺点是：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。其附加作用是起到屏蔽和隔离的作用，可提高保护的可靠性。交流电流的变换一般采用电流中间变换器在其二次侧并电阻以取得其所需电压的方式。电流量转换成为电压量：单片机系统只能处理数字量，它不容易实现将电流量转换为数字量，而很容易实现将电压量转换为数字量进行采集，故本系统要将电流量向电压量进行转换。它的实现方案较容易实现，只须将输入端并联一电阻再和电流中间变换器串联即可。3.2.2 模拟低通滤波（ALF） 采样总是按照一定的频率工作的，为了满足采样定理，必须

26、限制输入信号的最高频率，也就是说必须给予输入信号一定的带限。前置模拟低通滤波的主要作用便在于此。模拟滤波器通常可分为两大类，一类为无源滤波器，由RLC元件构成；另一类是有源滤波器，主要由集成运算放大器和RC等元件构成。1.无源滤波器：由RLC元件构成，它可分为LC和RC两大类，它能得到较理想的低通相频特性。LC由电感器L与电容器C构成的，但由于电感器笨重昂贵，制作麻烦，同时因微机保护中要求前置低滤波器的截止频率低，电感器的体积会过分庞大。特别是用于多路系统中时更是不合适，故一般不常用。RC由电阻R与电容器C构成的低通滤波器，但其传递函数局限性很大，传递函数的极点永远只能位于S平面的负平面上，因

27、而频率特性总是呈单调衰减的，无法做到通带平坦和过渡带陡峭。但它结构简单、可靠性高、能承受较大的过载和浪涌冲击等等。RC可组成一阶、二阶或高阶滤波器，其高阶滤波器对于在数值上就小于基波量的那些谐波分量衰减过大，将对保护性能产生不良影响。由于本系统对此要求不高，因而采用了一阶模拟滤波器。其硬件示意图如图3-1所示。 由于数字滤波器有许多优点，因而通常并不要求3-1的滤波器滤掉所有的高频分量，而仅用它滤掉fs/2以上的分量，以消除频率混叠，防止高频分量混到工频附近来。低于fs/2的其他暂态频率分量，可以通过数字滤波器来滤除。由于本设计的截止频率为100HZ,另外为了提高电路对输入信号高次谐波分量的拟

28、制能力即对信号的选择性，工程中为了定量地衡量选择性，常用发生=1/来衡量求解。因为S=jw；w= =。取R=4700，求得C=0.3386Uf。3.2.3 采样保持电路(1)S/H电路的作用及原理S/H电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值 ，并在模拟数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。S/H电路的工作原理可用图3-1来说明。它由一个电子模拟开关AS，电容Ch以及两个阻抗变换器组成。开关AS受逻辑输入端电平控制。在高电平时AS闭合，此时，电路处于采样状态。Ch迅速充电或放电到Usr在采样时刻的电压值。AS的闭合时间应满足使Ch有足够的充电或放电时间即采样时间。显然希

29、望采样时间越短越好，因而应用阻抗变换器I，它在输入端呈现高阻抗，而输出阻抗很低，使Ch上的电压能迅速跟踪到Usr值。AS打开时，电容Ch上保持住AS打开瞬间的电压，电路处于保持状态。同样，为了提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器，它对Ch呈现高阻抗，而输出阻抗很低，以增强带负载能力。阻抗变换器可由运算放大器构成。 (2)对采样保持电路的需求高质量的采样保持电路应满足以下几点：1）使Ch上电压按一定的精度跟踪上Usr所需要的最小采样宽度Tc，对快速变化的信号采样时，要求Tc尽量短，以便可用很窄的采样脉冲，这样才能准确的反映某一时刻的Usr值。阻抗变换器阻抗变换器 Usr Usc Ch 逻辑

30、输入图3 - 1 采样保持电路原理图2）保持时间要长。通常用下降率U/（TS - TC）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漏电流要小。上述1）、2）两个指标一方面决定于图中所用阻抗变换器的质量，另一方面也和电容器Ch的容量有关。就截获时间来说，希望Ch越小越好，但就保持时间而言，Ch则越大越好。因此设计者应根据使用场合的特点在二者之间权衡后选择合适的Ch值。Ch值不宜太小，这不仅因为保持能力随Ch下降而下降，还因为Ch和采样脉冲输入电路之间不可避免的有一定的通过分布电容的耦合，因而在从采样状态到保持状态的瞬间，采样脉冲由高电平变到低电平，这种电平的跳变可能通过分布电容的

31、耦合影响Ch的保持值，由于这种原因造成的误差叫保持跳变误差。对于一般单片机保护系统来说，通常可选用Ch=0.01uf,保护系统的采样间隔一般不大于2ms，而达到0.1%的采样跟踪精度所需的最小截获时间为20us，仅相当于工频的0.36度，也是完全允许的。目前已有将整个采样保持电路集成在一块芯片上的商品，但其中不包括电容Ch，一方面是因为用集成电路构成电容困难，另一方面是为增加设计的灵活性，可根据不同的应用场合选用不同容量的电容Ch。图3-2就是微机保护常用的一种型号为LF-398的采样保持电路芯片的原理图。 图3 2 LF-398芯片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

32、组成。其中A2是典型的跟随器接法，其反相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零，所以输出端对地电压能跟踪上输入端对地电压，也就是保持Ch两端的电压。A1的接法与A2实质相同，在采样状态其反相输入端从输出端经电阻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，但模拟量输入却仍在变化，A1不再从A2的输出端获得负反馈，为此在A1的输出端和反相输入端之间跨接了两个反向并联的二极管，配合电阻R起到隔离第二级输出与第一级的联系，而直接从A1的输出端经过二极管获得负反馈，以防止A2进入饱和区。跟踪器的输入阻抗很高，输出阻抗

33、很低，因而A1对输入信号Usr来说是高阻，而在采样状态时对电容Ch为低阻充放电，故要快速采样。又由于A2的缓冲和隔离作用使电路有较好的保持性能。AS为场效应管模拟开关，由运算放大器A3驱动。A3的逻辑输入端由外部电路按一定时序控制，进而控制着Ch处于采样或保持状态。(3)采样频率的选择及ALF的应用采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs。采样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关键问题，为此要综合考虑很多因素，并从中作出权衡。采样频率越高，要求CPU的速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样频率不断地向CPU输入数据，CPU必须要来得及在两个相邻采样间隔时间Ts内处理完对每一组采样

34、值所必须作的各种操作和运算，否则CPU将跟不上实时节拍而无法工作。相反采样频率过低不能真实地反映被采样信号的情况。可以证明，如果被采样信号中所含最高频率成份的频率为fmax,则采样频率fs必须大于fmax的二倍，否则将造成频率混叠。设被采样信号X（t）中含有的最高频率为fmax,现将X (t)中这一频率成分X fmax（t）,单独画在图3-3（a）中。从图3-3(b)可以看出，当fs= fmax时，采样所看到的为一直流成份，而从图3-3（c）看出，当fs略大于fmax时，采样所看到的是一个差拍低频信号。这就是说，一个高于fs/2的频率成份在采样后将被错误地认为是低频信号,或称高频信号“混叠”到

35、了低频段，显然在fs2fmax后，将不会出现这种混叠现象。 对微机保护系统来说，在故障初瞬，电压、电流中可能含有相当高的频率分量，为防止混叠，fs将不得不用得很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上目前大多数的微机保护原理都是反映工频量的，在这种情况下可以在采样前用一个低通滤波器将高频分量滤掉，这样就可以降低fs，从而降低对硬件提出的要求。实际上，由于数字滤波器有很多优点，通常并不要求ALF滤掉所有的高频分量，而仅用它滤掉fs/2以上的分量，以消除频率混叠，防止高频分量混到工频附近来。低于fs/2的其他暂态频率分量，可以通过数字滤波来滤除。采用ALF消除频率混叠问题后，采样频率的选择很大程

36、度上取决于保护的原理和算法的要求，同时还要考虑硬件的速度问题。例如一种常用的采样频率是使采样间隔Ts=5/3ms,这正好相当于工频300，因而可以很方便地实现300、600、900移相，从而构成负序滤过器等。考虑到硬件目前实现可达到的速度，绝大多数微机保护的采样间隔Ts都在0.5ms2ms的范围内。 图3 3 （a）、（b）、（c） 频率混叠示意图3.2.4模数转换器ADC0809为八位逐次逼近式AID转换器，是一种单片CMOS器件，包括8位的模、数转换器、8通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑。8通道多路转换器能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。3.3开关量输入通道和输出通道3.3.

37、1开关量输入通道对微机保护装置的开关量输入，即接点状态（接通或断开）的输入可以分成以下两大类。（1）安装在装置面板上的接点。这类接点包括在装置调试时用的或运行中定期检查装置用的键盘接点以及切换装置工作方式用的转换开关等。 （2）从装置外部经过端子排引入装置的特点。例如需要由运行人员不打开装置外盖而在运行中切换的各种压板，转换开关以及其他保护装置和操作继电器的接点等。对于装在装置面板上的接点，可直接接至微机的并行接口，如图3-8所示。只要在初始化时规定图中可编程的并行口PA0为输入口，则CPU就可以通过软件查询，随时知道图3-8中外部接点K1的状态。对于从装置外部引入的接点，如果也按图3-8接线

38、将给微机引入干扰，故应经光电隔离如图3-9所示。图中虚线框内是一个光电耦合器件，集成在一个芯片内。当外部接点K1接通时，有电流通过光电器件的发光二极管回路，使光敏三极管导通。K1打开时，则光敏三极管截止。因此三极管的导通和截止完全反映了外部接点的状态，如同将K1接到三极管的位置一样。不同点是图3-9中可能带有电磁干扰的外部接线回路和微机的电路部分之间无电的联系，而光电耦合芯片的两个互相隔离部分间的分布电容仅仅是几个微法，因此可大大削弱干扰。图3-8 装置面板上的接点与微机接口连接图 图3-9 微机外部接点与微机接口连接图3.3.2开关量输出通道 开关量输出主要包括保护的跳闸出口 , 以及本地和

39、中央信号等。一般都采用并行接口的输出口来控制有接点继电器（干簧或密封小中间继电器）的方法，但为提高干扰能力，最好也经过光电隔离如图3-8所示。只要由软件使并行口的PB0输出“0”，PB1输出“1”，便可使与非门H1输出低电平，光敏三极管导通，继电器J被吸合。在初始化和需要继电器J返还时，应使PB0输出“1”，PB1输出“0”。设置反相器及与非门H1而不是将发光二极管直接同并行接口相连，一方面是因为并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二极管，另一方面因为采用与非门后要满足两个条件才能使J动作，增加了抗干扰能力。最后应当注意图中的PB0经一反相器，而PB1却不经反相器，这样接可防止拉合直流电源的过

40、程中继电器J的短时误动因为在拉合直流电源的过程中，当+5V电源处在中间某一临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成保护误动作，特别是保护装置的电源往往接有大量的电容器，所以拉合直流电源时，无论是+5V电源还是驱动继电器J用的电源EC，都可能相当缓慢的上升或下降，从而完全可能来得及使继电器J的接点短时闭合。采用图示的接法后，由于两个相反的条件的相互制约，可以可靠的防止误动作。 PB1PB0H1.-EcJ反相器B1+5V+Ec 图3-8开关量输出回路示意图3.4 CPU主系统将微处理器，一定容量的RAM和ROM以及I/O口，定时器等电路集成在一块芯片上，构成的单片微型计算机称为单片机。本设计

41、采用8031单片机。8031无片内ROM需外扩EPROM.3.3.1 8031的基本组成及功能中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 数据存储器(RAM)：8031内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。定时/计数器(ROM)：8031有两个

42、16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 并行输入输出(I/O)口：8031共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2、P3)，用于对外部数据的传输。 全双工串行口：8031内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 中断系统：8031具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。 时钟电路：8031内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8031单片机需外置振荡电容。8031的引脚及功能

43、如表3-3所示表3-3 8031的引脚及功能引脚 符号功能1-8P1口带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口9 RST/VPD接地端RST是复位信号输入端，高电平有效。VPD是备用电源输入端10-17 P3口带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每个引脚还有第二种功能，为双功能复用口。18XTAL2接外部晶体和微调电容。采用外部时钟电路时，输入外部时钟脉冲。19XTAL1接外部晶体和微调电容另一端。采用外部时钟电路时，此引脚应接地。20Vss接地端 2128P2口带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口29程序存储允许输出信号端30ALE/ALE地址锁存允许输入端。编程脉冲输入端31/Vpp当=1时

44、，先访问内部程序存储器再访问外部程序存储器；当=0时，只访问外部程序存储器。32-39P0 口双向8位三态I/O口40Vcc电源端，为+5VP3.0的第二功能简介：P3.0（RXD）串行口输入端（接收端）P3.1（TXD）串行口输出端（发送端）P3.2（INTO）外部中断0输入端P3.3（INT1）外部中断1输入端P3.4（T0）定时器/计数器0外部计数据脉冲输入端P3.5（T1）定时器/计数器1外部计数据脉冲输入端P3.6（WR）外部数据存储器写选通输出信号P3.7（RD）外部数据存储器读选通输出信号 8031的引脚图3.4.2 程序存贮器的扩展本设计中用的EPROM芯片是2764（8KB），其硬件示意图如图3-12所示。其引脚符号意义如下：A0A12：地址输入线；D0D7：三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线，维持或编程禁止时，D0D7显高阻态；：选片信号输入线，低电平有效； ：数据，低电平有效；