第一章-微機保護的硬件原理new.ppt

第一章微機保護的硬件原理 第一節(jié)概述1 微機保護的硬件系統(tǒng)包括以下三部分 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 或稱模擬量輸入系統(tǒng) 包括電壓形成 采樣保持 多路開關(guān)及數(shù)模轉(zhuǎn)換 微型機 或微處理器 主系統(tǒng) 包括微處理器 程序存儲器 ROM 數(shù)據(jù)存儲器 RAM 定時器 并串接口等 開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng) 由微型機的并行接口 光電隔離器件及有觸點的中間繼電器等組成 完成保護需要的外部觸點接入 出口跳閘 人機對話等功能 圖1 1示出了微機保護硬件構(gòu)成框圖 圖1 1微機保護硬件構(gòu)成框圖 微機保護的模擬量輸入方式 逐次逼近型A D轉(zhuǎn)換VFC原理A D轉(zhuǎn)換 2 微機保護用硬件特點集成微處理器 MPU 只讀存儲器 ROM 隨即存取存儲器 RAM 定時器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD 并行接口 PIO 閃存單元 FLASH 數(shù)字信號處理器 DSP 通信接口等多種功能集成在一個芯片內(nèi)的單片機系統(tǒng) 把所有總線連同單片機都集成在一個芯片內(nèi)的總線不出片技術(shù) 不區(qū)分微機 單片機 微處理器 第二節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換 AD 做準(zhǔn)備 轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量適應(yīng)電力系統(tǒng)故障信號特點頻譜分布寬廣 從直流 衰減直流 工頻基波分量到各次諧波 最高到數(shù)百千赫茲 在內(nèi)的暫態(tài)信號動態(tài)范圍寬廣 從正常運行的幾十安培到短路狀態(tài)下的幾萬安培甚至幾十萬安培 適應(yīng)繼電保護特點要求模擬量設(shè)置應(yīng)滿足繼電保護功能要求為準(zhǔn)則典型的高壓線路保護需要 三相電流 零序電流 三相電壓 線路側(cè)線間電壓 典型的三繞組變壓器差動保護需要 每一繞組側(cè)的三相電流因此 微機保護是一個多模擬量輸入系統(tǒng) 2 1電壓形成回路要求繼電保護所使用的電壓 電流都是來自于電壓互感器 100伏 線間電壓 和電流互感器 額定電流5安或1安 短路電流100安 把100伏左右的電壓變換為適合AD轉(zhuǎn)換需要的正負(fù)2 5伏 正負(fù)5伏 正負(fù)10伏的電壓 把小于1安 100安的電流變換為適合AD轉(zhuǎn)換需要的正負(fù)2 5伏 正負(fù)5伏 正負(fù)10伏的電壓 電壓形成回路 1 輸入電壓的電壓形成回路把一次電壓互感器輸出的二次額定100V電壓變換成最大 5V模擬電壓信號 供模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片使用 可以采用電壓變換器實現(xiàn) 2 輸入電流的電壓形成回路把一次電流互感器輸出的二次額定5A 1A電流變換成最大 5V模擬電壓信號 供模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片使用 可以采用電流變換器或電抗變換器實現(xiàn) 一 輸入電壓的電壓形成回路通過電壓變換器實現(xiàn) 即一種變壓器 但是 原邊與付邊之間應(yīng)當(dāng)設(shè)置一個屏蔽層 提高抗共模干擾的能力 電壓變換器 TV 二 輸入電流的電壓形成回路 有以下2種方法實現(xiàn) 1 電抗變換器電抗變換器是一種鐵心中有氣隙的變壓器 優(yōu)點是鐵心不易飽和 線性變換范圍大 缺點是阻止直流 放大高頻分量 使二次側(cè)電壓波形發(fā)生嚴(yán)重畸變 2 電流變換器電流變換器是一種鐵心閉合無氣隙的變壓器 優(yōu)點是當(dāng)鐵心不飽和時 二次電流波形與一次側(cè)相同 缺點是在電流非周期分量作用下容易飽和 線性度差 微機保護中一般采用電流變換器 Z是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗 是二次側(cè)并聯(lián)電阻 很小 輸出電壓 各變換器工作特性電壓變換器用于將一次電壓變換成微機保護模數(shù)轉(zhuǎn)換 AD 用的電壓 普通變壓器原理 電流變換器 用于電流 電流 電壓用于將一次電流變換成微機保護模數(shù)轉(zhuǎn)換 AD 用的電壓 普通變壓器原理 把電流變換成電流 再把一個小電阻并聯(lián)在該變壓器的二次側(cè) 形成電壓 要求該變壓器的鐵心不飽和 電抗變壓器 用于直接獲取電壓它的原理結(jié)構(gòu) 原理圖及等值電路如圖1 2所示圖1 2電抗變壓器的原理結(jié)構(gòu)與等值電路圖 它的鐵心帶有氣隙 具有三個繞組的變壓器 由于存在氣隙 勵磁電抗數(shù)值很小 相對而言很大的二次負(fù)載阻抗可忽略不及 故一次電流全部作為勵磁電流 此時有以下關(guān)系 總體效果相當(dāng)于 因此電抗變能夠?qū)⒁淮坞娏鞯幕ǚ至砍杀壤剞D(zhuǎn)換成二次側(cè)電壓 但放大了諧波分量 阻止了直流和低頻分量 嚴(yán)格講是失真變換 電流變換器和電抗變壓器的比較電流變換器能夠不失真地變換電流成為電壓 但是在出現(xiàn)非周期分量 衰減直流分量時 容易飽和 線性度差 動態(tài)范圍小電抗變壓器具有阻止直流 放大諧波的作用 因此當(dāng)一次波形為非正弦時 二次將發(fā)生嚴(yán)重畸變 但是它的動態(tài)范圍寬廣 鐵心不易飽和 具有移相作用 在某些場合下還是有用的 2 2采樣保持電路和模擬低通濾波器采樣保持電路的作用及原理定義 采樣保持電路 S H SamplingandHolding 是在極短時間內(nèi)測量模擬量在該時刻的瞬時值 并在模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換的期間保持輸出不變的一個電路采用保持電路輸出了一個階梯電壓波形 在保持階段無論何時進行模數(shù)轉(zhuǎn)換 都反映了采樣值 組成 它由電子模擬開關(guān)AS 保持電容器及兩個阻抗變換器組成 Ch的作用是記憶AS閉合時刻的電壓 并在AS打開后保持該電壓 阻抗變換器I在Ch端提供低阻抗 使得Ch電壓建立迅速 而在輸入端呈現(xiàn)高阻抗 以盡量減少對輸入回路的影響 阻抗變換器11在Ch端提供高阻抗 使得Ch衰減緩慢 而在后邊呈現(xiàn)低阻抗以提高帶負(fù)載的能力 圖1 3采樣保持電路及工作過程 工作過程 微機采樣定時器等間隔地產(chǎn)生采樣脈沖進行采樣 得到采樣信號 采樣后信號在下次采樣脈沖到來之前應(yīng)保持不變 形成穩(wěn)定的階梯狀采樣保持信號 等待A D轉(zhuǎn)換 對采樣保持電路的要求Ch上的電壓按照一定的精度跟蹤Usr 跟蹤時間盡量短 以適應(yīng)最小采樣寬度要求Tc保持時間要長 通常用下降率來表示保持能力模擬開關(guān)的動作延時 閉合電阻和開斷時的漏電流要小前兩個指標(biāo)取決于阻抗變換器和保持電容的性能 就捕獲而言 越小越好 就保持而言越大越好 一般來講 要求快速捕獲 采樣周期短 電容要小一些 慢速捕獲 采樣周期長 電容大一些 穩(wěn)定性好 抗雜散電容影響能力強 采樣保持電路的典型芯片 采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用等步長采樣和變步長采樣對于電網(wǎng)頻率波動小 采樣精度要求不是很高的場合 常采用等步長采樣對于電網(wǎng)頻率波動大 采樣精度要求高的場合 需要變步長采樣 變步長的采樣間隔時間 采樣脈沖發(fā)出時間 要隨時調(diào)整采樣定理被采樣信號的頻率最高不超過1 2采樣頻率 否則會造成頻譜混疊 fs 2fmax合適的保護采樣頻率選擇高采樣頻率要求CPU的處理和運算速度快 低采樣頻率可能會造成頻率混疊 因為電力系統(tǒng)故障后的電壓電流是一個寬頻譜信號 合適的保護采樣頻率選擇如果考慮目前的繼電保護主要是基于工頻故障信息構(gòu)成的 那么 高頻故障信息應(yīng)該 可以濾除 這樣將降低對CPU和采樣速率的要求 目前微機保護普遍采用600Hz 1 667毫秒 1kHz 1毫秒 1 8kHz 0 55毫秒 的采樣頻率 它們都能夠滿足工頻故障信息和3次 5次諧波的采樣和分辨要求 但是高于300Hz 500Hz 900Hz的故障信號怎么辦呢 前置低通濾波器的設(shè)置 電力系統(tǒng)故障初期 電流 電壓中可能含有相當(dāng)高的頻率分量 如2kHZ以上 而目前大多數(shù)微機保護原理都是反映50HZ工頻分量的 因此 在采樣保持前用一個模擬低通濾波器把高頻分量過濾掉 防止高頻分量混疊到工頻來 最簡單的模擬低通濾波器是RC低通濾波器 其中 濾波器是一種能使有用頻率信號通過 同時抑制無用頻率信號的電路 低通濾波器是只讓低于截止頻率通過的濾波器 前置低通濾波器又稱為抗混疊濾波器 廣泛應(yīng)用于各種保護 控制電路中的采樣電路前 濾除高于2倍采樣頻率的信號 因此截止頻率被設(shè)置為1 2fs 低通濾波器可以采用有源的 也可以采用無源的 無源濾波器構(gòu)成簡單 但電阻和電容回路對信號有衰減作用 并會帶來時間延遲 僅適用于對速度和性能要求不高的微機保護有源濾波器抗沖擊干擾能力差 但濾波性能好 性能越好的濾波器延時越長 造成信號不同步的可能性越大 繼電保護常常采用普通的一階 最高二階的有源或無源 濾波器來限制接近工頻分量的諧波信息混進來 第二節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 圖1 5二階無源低通濾波器 第二節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 圖1 6二階無源低通濾波器 2 3模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)繼電保護需要多的模擬量模數(shù)轉(zhuǎn)換器是貴重的元器件電路布板希望少的芯片多路轉(zhuǎn)換器是一個理想的 經(jīng)常采用的芯片定義 是一個開關(guān)電路 接入很多模擬量 僅僅把其中的一路送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器去轉(zhuǎn)換 不同的模擬量通過 分時 方式完成模數(shù)轉(zhuǎn)換過程 組成 包括選擇接通路數(shù)的二進制譯碼電路和多路電子開關(guān) 二進制譯碼電路決定哪個電子開關(guān)接通 接入相應(yīng)的待轉(zhuǎn)換模擬量多路電子開關(guān)起分?jǐn)嗥渌芈范鴥H僅接通待轉(zhuǎn)換的哪一路模擬量作用16路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)例A0 A3是路數(shù)選擇線接CPU 控制哪一路選通A1 A16是模擬量入AS1 AS16是電子開關(guān)En是始能端 圖1 716路多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的應(yīng)用 模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān) MPX 中最重要的部分是電子開關(guān)AS 它是用數(shù)字電子邏輯控制模擬信號通 斷的一種電路 通常是由雙極型晶體管 BJT 結(jié)型場效應(yīng)晶體管 J FET 或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管 MOS FET 等類型組成的電子開關(guān) 2 4模數(shù)轉(zhuǎn)換器定義 是一個硬件電路 用于實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 也稱為A D轉(zhuǎn)換器 它是把模擬量變成能讓計算機識別的數(shù)字量的橋梁 把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號 應(yīng)用范圍及其寬廣 隨時間連續(xù)變化的模擬量 需要計算機來處理的都必須經(jīng)過這個環(huán)節(jié) 像電壓 電流 溫度 壓力速度等分類 直接型 直接把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼間接型 首先把模擬量轉(zhuǎn)換成某種變量 比如頻率 再轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼輸出 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一般原理將輸入的模擬量Usr相對于模擬參考量UR經(jīng)編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D輸出 一般一般D可以表示為 D是小于1的二進制數(shù) 是一個n位二進制數(shù)字 B1 Bn均為二進制碼 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理 把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號 以kTs時刻為例分析 該時刻瞬時電壓值 轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一般原理數(shù)模轉(zhuǎn)換器 D A轉(zhuǎn)換器 或簡稱DAC 是把數(shù)字量D轉(zhuǎn)變成模擬電壓或電流輸出 模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般都要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器 輸入數(shù)字量 上圖n 4 輸出模擬電壓 正比于輸入數(shù)字量D 逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作過程 通過并行接口向16位D A轉(zhuǎn)換器試探性送數(shù) 每送一次數(shù) 微型機通過讀取PA0端口的狀態(tài)判斷試送的16位數(shù)相對于模擬輸入量是偏大還是偏小 如果偏大 則減小試送的16位數(shù) 直至找到最相近的二進制數(shù) 這個16位二進制數(shù)就是A D轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果 試探送數(shù)采樣逐次逼近的二分搜索法 雙極性模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換 雙極性模擬量 正 負(fù)極性變化的模擬量 為了實現(xiàn)對雙極性模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換 需要設(shè)置一個直流偏置量 其值為最大允許輸入量的一半 以輸入雙極性電壓最大范圍為 5V的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例 以上A D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)是16位 最高位是符號位 有效位只有后面的15位 一個n位的A D轉(zhuǎn)換器 其十進制數(shù)的范圍是 模數(shù)轉(zhuǎn)換的溢出 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溢出 輸入模擬電壓超過了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大允許輸入電壓 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溢出可能有兩種情況 1 平頂溢出 危害不大 A D轉(zhuǎn)換結(jié)果保持在最大值11111111 2 清零溢出 危害很大 A D轉(zhuǎn)換結(jié)果保持在最小值00000000 A D轉(zhuǎn)換器舉例 以模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665為例進行分析 數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7665是一種逐次逼近型的16位快數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換速率是500kSPS SamplesPerSecond 即進行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換的時間為1 500K 2uS A D7665模數(shù)轉(zhuǎn)換器是由AnalogDevices公司生產(chǎn) 芯片外觀 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 A D轉(zhuǎn)換器與微型機的接口 模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能必須由微型機執(zhí)行軟件程序來控制 即微型機通過總線控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665 模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665與微型機的接口如下圖所示 微機保護對A D轉(zhuǎn)換器的主要要求 1 轉(zhuǎn)換位數(shù) 分辨率 通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示 2 轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換頻率 A D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的時間 其轉(zhuǎn)換頻率為 1 轉(zhuǎn)換位數(shù) 分辨率 即數(shù)字量的位數(shù) 當(dāng)用有限位數(shù)的二進制數(shù)來表示連續(xù)的模擬量瞬時值 不可避免地要舍去比最低位 LSB 更小的數(shù) 從而引入一定誤差 對于一個n位的A D轉(zhuǎn)換器 其量化誤差其中 是A D轉(zhuǎn)換器最大允許輸入的正電壓 12位AD可以滿足要求 如采用16位更好 2 轉(zhuǎn)換時間 影響A D的最高采樣頻率 2 5VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC VoltageFrequencyConverter 是另一種實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件 將模擬電壓量變換為脈沖信號 該輸出脈沖信號的頻率與輸入電壓的大小成正比 1 VFC的工作原理 VFC把輸入的交流模擬電壓量轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號輸出 輸出脈沖信號的頻率與輸入電壓成正比 是常數(shù) VFC的工作原理 電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC輸出脈沖方波的頻率和輸入交流模擬電壓信號的大小成正比 即 在一段時間 采樣時間 內(nèi) 對VFC輸出的脈沖方波進行計數(shù) 即計算上升沿的個數(shù) 得到數(shù)字量D 則該數(shù)字量D和輸入模擬信號之間的關(guān)系是 當(dāng)采樣時間很小時 且輸入模擬信號中沒有高頻分量時 可以認(rèn)為在采樣時間內(nèi)輸入模擬電壓也不變 則有 所以最終輸出的數(shù)字量D也正比于輸入的模擬信號 VFC的分辨率與采樣頻率的關(guān)系 分辨率一般用VFC轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量D的位數(shù)來衡量 VFC輸出的位數(shù)取決于兩個因素 1 VFC輸出脈沖的最高頻率 2 采樣間隔Ts的大小和積分間隔個數(shù)N VFC轉(zhuǎn)換器輸出的最大數(shù)字量最高頻率之間關(guān)系為 以最高頻率4MHz為例分析 取Ts 5 3mS N 1 其最大輸出數(shù)字量為 這個數(shù)字量相當(dāng)于12 7位的A D輸出 2 VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點 VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如下所示 可見與普通A D型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是不一樣的 VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點 1 有低通濾波的作用 可以大大抑制噪聲 普通A D轉(zhuǎn)換器是對模擬量瞬時值進行轉(zhuǎn)換 而VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對模擬量的連續(xù)積分 具有低通濾波作用 并可大大抑制噪聲 2 抗干擾能力強 在VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端和CPU主系統(tǒng)的計數(shù)器之間接入光電耦合器 3 輸出數(shù)字量D的位數(shù)可調(diào) 4 與微型機的接口簡單 5 可實現(xiàn)多微機共享數(shù)據(jù)采集 6 易于實現(xiàn)同步采樣 7 但不適用于高頻采樣 逐次逼近式A D轉(zhuǎn)換與VFC轉(zhuǎn)換分析 第三節(jié)開關(guān)量輸入及輸出回路 一 光電耦合器 光電耦合器 把發(fā)光器件和光敏器件組合在一起 實現(xiàn)以光信號為媒介的電信號變換 由于發(fā)光器件和光敏器件之間相互絕緣 所以可以實現(xiàn)輸入和輸出兩側(cè)電路之間的電氣隔離 在微機保護中常用光電耦合器來輸入或輸出開關(guān)量信號 二 開關(guān)量輸入回路開關(guān)量 即接點狀態(tài)信號 接通或斷開 識別外部條件 對微機保護裝置的開關(guān)量輸入可以分為2類 1 安裝在裝置面板上的接點信號輸入 5伏系統(tǒng) 如用于人機對話的鍵盤上的接點信號 這類信號可以直接接至微型機的并行口 2 從裝置外部經(jīng)過端子排引入的接點信號輸入 24伏 48伏 220伏等 如保護屏上的各種硬壓板 轉(zhuǎn)換開關(guān)等 為了抑制干擾 這類接點必須要經(jīng)過光電耦合器進行電氣隔離 然后接至并行口 三 開關(guān)量輸出回路 需要輸出的開關(guān)量 開出量 保護的跳閘信號 通信接口 一 通信接口 包括打印機接口 可用一個并行口來控制輸出數(shù)字信號 輸出回路中也加光電耦合器 提高抗干擾能力 將并行接口的PA口設(shè)置為輸出方式 將PB口設(shè)置為輸入方式 在開關(guān)量輸出回路中加入光電耦合器 實現(xiàn)兩側(cè)電氣回路的電氣隔離 同時可以進行不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換 并行接口側(cè)的電源電壓是 5V 而右側(cè)輸入回路中電源電壓可以是 24V或其它電壓等級 二 保護的跳閘出口信號對于保護跳閘出口信號 及本地信號 的輸出 一般采樣并行口經(jīng)過光電耦合器控制繼電器的方式 對于重要的保護跳閘出口信號 為了防止誤發(fā)信號 還需要增加與非門環(huán)節(jié) 典型微機保護出口控制回路 K1為常閉接點 線圈不帶電狀況下閉合 是一個閉鎖告警信號K2 K3 K4 KN為常開接點 線圈不帶電狀況下打開 K2是故障啟動信號K3 K4是跳閘出口接點V1 V5是光隔出口接點出口條件1 無告警信號2 啟動繼電器動作出口繼電器所在光隔導(dǎo)通 計算機輸出跳閘信號圖1 31 四 出口閉鎖 1 自檢告警閉鎖圖1 31AXJN 24V閉鎖2 三取二啟動回路圖1 32KST2 KST3 KST4三取二 24V閉鎖 第四節(jié)電源 電源插件一般均采用逆變開關(guān)電源 提供多組穩(wěn)壓電源 第五節(jié)人機接口 鍵盤顯示器接口CPU插件 第六節(jié)CPU主系統(tǒng) 微機保護裝置的核心是單片機系統(tǒng) 它是由單片微機和擴展芯片構(gòu)成的一臺小型工業(yè)控制微機系統(tǒng) 除了硬件之外 還有存儲在存儲器里的軟件系統(tǒng) 這些硬件和軟件構(gòu)成的整個單片微機系統(tǒng)主要任務(wù)是完成數(shù)值測量 邏輯運算及控制和記錄等智能化任務(wù) 除此之外 現(xiàn)代的微機保護應(yīng)具備各種遠(yuǎn)程功能 它包括發(fā)送保護信息并上傳給變電站微機監(jiān)控系統(tǒng) 接收集控站 調(diào)度所的控制和管理信息 這種單片微機系統(tǒng)可以是單CPU也可以是多CPU系統(tǒng) 一般為了提高保護裝置的容錯水平 目前大多數(shù)保護裝置已采用多CPU系統(tǒng) 尤其是較復(fù)雜的保護裝置 其主要保護和后備保護都是相互獨立的微機保護系統(tǒng) 它們的CPU是相互獨立的 任何一個保護的CPU或芯片損壞均不影響其他保護 除此之外 各保護的CPU總線均不引出 輸入及輸出的回路均經(jīng)光隔離處理 能將故障定位到插件或芯片 從而大大提高了保護裝置運行的可靠性 1 單CPU結(jié)構(gòu) 微機保護的硬件結(jié)構(gòu) 典型微機保護裝置包括 CPU插件及人機對話輔助插件模擬量輸入變換插件前置模擬低通濾波器插件采樣及A D變換插件開關(guān) 數(shù)字量 輸入輸出插件出口繼電器插件電源插件 典型插件式結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)把整個硬件邏輯網(wǎng)絡(luò)按照功能和電路特點劃分為若干部分 每個部分做在一塊印刷電路插件板上 板上對外聯(lián)系的引線通過插頭引出 微機保護機箱內(nèi)裝有相應(yīng)的插座 印制板均可方便地插入和拔出 通過機箱插座間的連線將各個印制板連成整體并實現(xiàn)到端子排的輸入輸出線的連接 典型插件式結(jié)構(gòu) 典型插件式結(jié)構(gòu)一般采用配線形式進行連接 定義 不再遵循總線規(guī)約 每根引線的意義以及信號時序要求根據(jù)實際電路確定 引線的物理位置也不作硬性規(guī)定 優(yōu)點 1 各印制板引出線可根據(jù)需要引出 引線數(shù)目可減少 從而可采用總線數(shù)較少的插座 這對提高可靠性有利 2 印制板布線可就近上插頭 可簡化布線和減少布線長度 這對降低板上相互干擾有利 3 插座間連線可實現(xiàn)軟連接 這樣在插拔時有一定緩沖作用 這對改善接觸和減少插撥磨損有利 4 目前軟連接線與插座相連時所采用的卷繞工藝 運行經(jīng)驗表明其可靠性較高 典型插件式結(jié)構(gòu) 2 多CPU結(jié)構(gòu) 圖1 3 3 DSP結(jié)構(gòu) 數(shù)字信號處理器 DSP 即DigitalSignalProcessor 是進行數(shù)字信號處理的專用芯片 是伴隨著微電子學(xué) 數(shù)字信號處理技術(shù) 計算機技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的新器件 DSP的特點 1 哈佛結(jié)構(gòu) 獲得高速運算能力 浮點運算90億次 S 2 采樣流水線技術(shù) 保證取指令和執(zhí)行支路同時進行 3 具有獨立的硬件乘法器 4 具有多處理器接口 DSP具有強大 快速的數(shù)據(jù)處理能力和定點 浮點運算功能 因此將DSP融合到微機保護中 將大大提高微機保護的性能 4 ARM DSP結(jié)構(gòu) DSP技術(shù)的應(yīng)用 DSP 數(shù)字信號處理器 Digitalsignalprocessor 是專用數(shù)字信號處理器芯片 特別用于執(zhí)行快速運算內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu) 存儲空間分為兩個 數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器 允許同時訪問 獨立的硬件乘法器 哈佛結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的微處理器采用的馮 諾依曼 VonNeuman 結(jié)構(gòu)將指令和數(shù)據(jù)存放在同一存儲空間中 統(tǒng)一編址 指令和數(shù)據(jù)通過同一總線訪問同一地址空間上的存儲器 而DSP芯片采用的哈佛結(jié)構(gòu)則是不同于馮 諾依曼結(jié)構(gòu)的一種并行體系結(jié)構(gòu) 其主要特點是程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中 即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器 每個存儲器獨立編制 獨立訪問 與之相對應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置的兩條總線棗程序總線和數(shù)據(jù)總線 從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍 在哈佛結(jié)構(gòu)中 由于程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩個分開的空間里 因此取指和執(zhí)行能完全重疊運行 專用的硬件乘法器 在通用微處理器中算法指令需要多個指令周期 如MCS 51的乘法指令需4個周期 相比而言 DSP芯片的特征就是有一個專用的硬件乘法器 乘法可以在一個指令周期內(nèi)完成 還可以與加法并行進行 完成一個乘法和一個加法只需一個指令周期 特殊的DSP指令 DSP芯片的另一個特點是采用特殊的指令 這些特殊指令進一步提高了DSP芯片的處理能力 第七節(jié)網(wǎng)絡(luò)化硬件電路 7 1問題的提出主保護 后備保護 開出 開入 監(jiān)控需要CPU多CPU工作 通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)起來 7 2網(wǎng)絡(luò)化硬件電路將網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 智能化輸入 輸出 I O 技術(shù)引入微機保護裝置內(nèi)部硬件電路設(shè)計 使內(nèi)部模塊之間連接簡單 方便 并獲得良好的可擴展性 升級特性 并可提高抗干擾能力 CPU插件 開入插件 開出插件 CAN總線 定義 是指一組事先約定了結(jié)構(gòu)與通信方式的并行信息連接線 其特點是對插座的每一根引線的意義和物理位置都作了嚴(yán)格的規(guī)定 與之相關(guān)的插件都需按總線規(guī)約設(shè)計并通過總線傳遞信息 網(wǎng)絡(luò)形式的插件結(jié)構(gòu) 優(yōu)點 1 互換性強 2 按照標(biāo)準(zhǔn)總線規(guī)約設(shè)計 得到在數(shù)據(jù) 地址 控制線之間的合理布置 避免引線間的相互干擾 7 3CAN總線特點 1 采用短幀結(jié)構(gòu) 傳輸時間短2 差分信號傳遞方式 抗干擾能力強 當(dāng)傳遞 0 信號時 差分電壓差大 當(dāng)傳遞 1 信號時 差分電壓差低 差分電壓高低取決于如下電路 發(fā)送 0 時 V1導(dǎo)通 總線Vh被鉗位高電平 V2截至 總線Vl被置位低電平 壓差大 總線呈現(xiàn) 0 發(fā)送 1 時 V1截至 總線Vh被鉗位低電平 V2導(dǎo)通 總線Vl被置位高電平 壓差小 總線呈現(xiàn) 1 VHVL 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)當(dāng)幾個節(jié)點同時送00 01 10 11時 首先00 01 0電平被接受 然后再發(fā)送00 01 第二位是0的第一通路被選中不同的節(jié)點按照設(shè)定好的優(yōu)先級工作二進制表示時 數(shù)值越小 優(yōu)先級越高 7 4網(wǎng)絡(luò)化硬件結(jié)構(gòu)的特點實現(xiàn)多CPU 多任務(wù)協(xié)調(diào)工作 可靠性高擴展性好升級方便 微機保護的電磁兼容性問題 電磁兼容 EMC 各設(shè)備和系統(tǒng)在共同電磁環(huán)境中互不干擾 各自正常工作 不受干擾 非干擾源 提高微機保護裝置可靠性的重點在抗干擾上 干擾形式有兩種 橫 差 模干擾和共模干擾 1 差模干擾差模干擾是串聯(lián)于信號源回路之中的干擾 其中Uia Uib Uic Uio表示串聯(lián)于各相電壓回路中的干擾電壓 Ua Ub Uc表示有用信號源 差模干擾主要是由于各信號線對干擾源的相對位置不對稱因而受干擾源電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)產(chǎn)生的 干擾電壓大小不等 相位不同 干擾源可以是高壓母線或其它高壓帶電體 抑制方法 在信號回路接入低通濾波器 2 共模干擾共模干擾是作用在裝置或系統(tǒng)的對外引線端子和機殼之間的干擾 產(chǎn)生的原因與差模干擾相似 只是信號線距干擾源較遠(yuǎn) 因而各相信號線對干擾源的相對位置基本上是對稱的 如圖所示 因此 干擾源以同樣的方式和強度與所有信號線耦合 對各相電壓 電流信號線的干擾電壓也完全相同 使所有信號線對地電壓發(fā)生同樣變化 共模干擾可為直流 亦可為交流 它是造成微機保護裝置損壞或工作不正常的重要原因 消除共模干擾的方法主要有 浮空隔離技術(shù) 雙層屏蔽技術(shù) 二次系統(tǒng)一點接地 低阻匹配傳輸 電流傳輸代替電壓傳輸 采用隔離變壓器 采用光電耦合芯片等 為了減小作用在裝置對外引線端子和機殼之間的共模干擾 硬件設(shè)計時應(yīng)使微機保護裝置各外接引線經(jīng)抗干擾電容后進入裝置并與裝置內(nèi)弱電系統(tǒng)之間有足夠大的距離 同時加強各輸入 輸出引線對機殼的絕緣 抗干擾措施 最重要的抗干擾措施是防止干擾進入保護裝置弱電系統(tǒng) 也就是前面介紹過的各種隔離 屏蔽 合理布局和配線給電容提供低阻抗入地通道 電容濾波 以及在微機保護電源回路中加濾波器阻止干擾傳遞等方法 合理的硬件設(shè)計