第一章微机保护的硬件原理及设计选择原则1-1概述微机保护出现20年来，得到了快速的发展，现有多个专业厂家生产微机保护装置，其硬件系统各有特点。

华北电力大学、杨奇逊院士：第一代（84-90年）MPD-1、单CPU结构、硬件示意图如下：可靠性差。

第二代：WXH-11（90年代以后）、多CPU结构系统机PRINTER整个系统有五个CPU（8031）。

四个CPU分别用来构成高频、距离、零序保护和综合重合闸，另一个CPU用来构成人机接口，A/D 转换采用VFC型。

每一个CPU系统都是一个独立的微机系统，任何一个损坏，系统仍然工作。

数据总线、控制总线和地址总线均不引出印刷电路板，可靠性较高。

交流输入及跳闸出口部分可靠性较高。

第三代：CSL101A（1994年鉴定，96年推广）多CPU结构，与第二代不同之处在于：（1）C PU采用不扩展的单片机，即构成微机系统所需的微处理器、RAM、EPROM等全部集中在一个芯片内部，总线不出芯片，具有很高的抗干扰能力。

（2）V FC采用第三代VFC芯片VFC110最高震荡频率为4M，相当于A/D精度的14位。

（3）设有高频、距离、零序和录波CPU插件，重合闸不包括在保护之中。

南京电力自动化研究院、南瑞公司 LFP-900系列（沈国荣院士）LFP-900系列包括从35KV~66KV 中低压线路保护220KV~500KV 线路高压超高压线路保护，用于不同电压等级时，保护的配置情况有所不同。

以LFP-901为例，说明配置情况。

采用多CPU 结构，含有三个CPU ，两个用于构成保护，一个用于人机接口CPU 均为Intel 80196KC1CPU ：纵联保护（工频变化量方向、零序功率方向、复合式距离元件）1Z 、零序后备保护2CPU ：距离保护、综合重合闸3CPU ：人机对话、起动、为出口提供？电压1CPU 、2CPU 采用VFC 型A/D 转换，3CPU 采用逐次逼近式A/D转换最近又推出RCS-9000系列保护（单片机加DSP 结构）此外，还有许继电器股份有限公司生产的WXH-800系列微机保护、国家电力公司南京电力自动化设备总厂生产的PSL601（602）数字式高压线路保护的等，都各有特点，不再一一论述。

各种微机保护硬件虽各不相同但一般均包括以下三大部分：（1）.模拟量输入系统（数据采集系统）作用：TA输出电流（计算机能辨识TV输出电压处理的数字量）构成：型：电压形成、ALF、S/H、MPX、A/D型：电压形成、VFC、光隔、计数器（2）.CPU主系统作用：对采集系统采集到的数据分析计算、完成各种继电保护功能。

构成：CPU、EPROM、RAM、PROME2目前的保护都有多个CPU（3）.开关量输入输出系统开关量输入：断路器位置等作用：开关量输出：继电器输出（4）人机接口（5）通讯接口1-2 模拟量输入系统（数据采集系统）1-2-1 A/D型模拟量输入系统一﹑基本框图： 总线二﹑电压形成回路TV ：二次额定电压为100V 。

正常运行时输出100V 左右，系统故障时，输出在0—100V 之间变化TA ：输出正比于一次电流。

额定输出1A或5A 。

正常一般小于额定值。

系统故障时其二次电流可在1—20倍额定范围内变化。

ALF ﹑S/H ﹑MPX 及A/D等电子回路允许的输入信号的范围一般为-5V — +5V 或-10V — +10V （也有0—5V ，0—10V 者）因而需要变换。

电压：100V25V 或210V实现 ： （1）电压变换器25或210V（2）电流变换器或210V电流（10—20）I n 25A 或210A实现： （1 ）电流变换器25或210V（2）电抗变换器25或210V各变换器除具有电平变换作用外，还具有隔离的作用，使TA ﹑TV 二次回路与微电子电路之间没有电的联系。

三﹑采样保持电路（S/H ）和模拟低通滤波器ALF （一）S/H 电路的作用和原理。

作用：在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模数转换器转换期间保持其输出不变。

原理：U sc U阻抗变换器：实际是电压跟随器（运放型），有很大的输入阻抗和很小的输出阻抗。

AS ：受控电子开关，逻辑输入高电平，AS 接通。

逻辑输入低电平，AS 断开。

c h：保持电容，AS 接通时，c h 快速充放电，使u u u sr ch sc == 称为采样或跟踪。

AS 断开时，c h 放电回路电阻很大，短时间内可认为不变。

u u usr cn sc≠=AS 在处于接通和断开交替的状态，则整个电路不断工作在采样﹑保持状态。

采样过程的示意图如下：书上P4页图1-3为理想化情况，实际情况下，采样脉冲必须有一定的宽度，使c h 有足够的时间跟踪u sr 的变化。

信号u sr逻辑输入（采样脉冲）T c u sc T s（二）对采样保持电路的要求1） 采样时间t c 应尽量小 2） 保持时间尽量长3） 模拟开关动作时间延时小，R on 小，R off 大。

（三）采样频率的选择和ALF 的应用单位时间内采样的点数，称为采样频率，它等于采样间隔（周期）T s 的倒数，既Tfss1=优：可以准确的还原波形采样频率的选择：T T fs s s↓↑)1(时间内完成所有计算困难。

（2）同样的输入，采样得数据量多，运算复杂，占内存多。

↑↓T f s s数据量减小，运算时间充裕。

f s太低，将无法由采样数据还原出原波形。

要求：fs必须大于被采样信号中存含最高频率成分fmax的两倍，既ffsmax2>否则会产生叠影现象。

见P7,图1-6 （a ）.被采信号（b ）.max f f s =,还原为直流信号 （c ）.书上图c 对应s f <m ax fm ax f <s f <2m ax f ,还原为一个低频信号。

只有s f >2m ax f 时，才能换远处被采信号系统短路，u,I 中既包含工频量，还含有高频信号，即m ax f 较大，而这些高频信号为无用信号，为防叠频 增大s f ，使s f >2m ax f ,往往导致s f 太大ALF ，将高频信号滤掉，即减小m ax f ，使s f >2m ax f目前一般均采用方法（2），即ALF 法，当前A/D 快，DSP 快，也可增大s f 法，ALF 的具体电路一般可以为无源RC 或有源滤波，此处不在细论。

四、模拟多路开关许多继电保护装置，需要输入多个电气量可有三种方式： （1）.同时采样，同时A/D 转换优点：控制简单，同时性好，对A/D 速度要求不高 价格高 功耗大 缺点：需多片A/D 体积大 接口复杂（2）.同时采样，依次A/D 转换同时采样，由MPX 依次切换至A/D 分别转换 优点：只用一片A/D缺点：控制复杂，要求A/D 速度高（3）顺序采样总线缺点：不能同时采样，各通道出现相位差 在（2）（3）两种方式下，均需使用MPX MPX ：受控多转1的电子开关 2转1 4转18转1 16转1 16转1多路开关芯片AD7506的逻辑框图如下： E n Ao A1 A2 A3 +15V-15V⎩⎨⎧=决定由—所有开关均断—30~10A A EN 要求：时间快、Ron 小、Roff 大 五﹑A/D 转换器作用：将S/H 离散化的模拟信号变换为离散化的数字信号，既对模拟信号大小编码。

两者之间的关系为：UU RA D =UR参考电压，一般U U A R <所以D 〈1，既为小数，可表示为2222211n n B B B D ---+⋅⋅⋅++=n 为数据编码位数，也就是A/D 转换位数，它是A/D 的一个重要指标。

n 有限，D 必须为舍去比LSB 更小的数，带来误差，成为量化误差，n 增加量化误差减小。

一般n=8﹑10﹑12﹑14﹑16等。

常用的A/D 转换器有逐次比较式和并联比较式两种，此处只讨论逐次比较式：（设n=8）（1） A /D 转换启动后，数码设定为10000000由D/A 输出一个对应的模拟电压U 0（2） 比较U A 与U 0 U A 〉U 0：保留最高位1，下一位设为1U A 〈U 0：最高位变零，下一位设为1D/A 输出一个与新编码对应的模拟量U 1 （3）比较U A 与U 1U A 〉U 1：保留次高位1，设第三位为1 U A 〈U 1：次高位取0，设第三位为1。

经n 次比较后，最终可以确定出与U 对应的数字编码。

AD574简介 （1） 基本指标：精度：12位 转换时间：25微秒 （2） 电源电压：AGND v15± AGNDv 5± 模拟地 数字地 （3） 模拟输入：+20V ： 0—20V-10V—+10V+10V 0—+10V-5V—+5V（4）数据量输出：12位8位机，分两次读16位机，一次读。

（5）控制状态线控制：CE—控制时钟CS_____—片选输入，来自译码器R/C__—1，读转换结果0，启动转换CE=0 CE=1启动转换：CS_____=0 读结果：CS_____=0R/C__=0 R/C__=1 CS_____来自译码电路，反映了A/D在微机系统中的地址。

8__/128__/12=116位CPU时一次读取12位结果A0A0=08__/12=08位CPU 0，高8位读A0= 1，读低4位状态输出端：STS= 0，不忙1，忙六：数据采集系统与微机的接口（1）程序查询方式硬件接口图见P16图1—18硬件包括：电压形成，ALF﹑S/H﹑MPX﹑A/D﹑并行口﹑数据线﹑定时器。

软件包括：并行口初始化。

采样数据寄存器地址指针初始化。

定时器初始化。

开放中断。

定时器中断时，执行中断服务程序。

中断服务程序包括以下内容：1）清中断请求，准备下一次中断。

2）命令AD574开始转换，读STS 状态STS=0，已换完，读结果，存入RAMSTS=1，未转换完，等待。

3）更新地址指针的指向。

每读一个结果，地址加2，判是否到达存储区末端，如果不到，顺序下存，如果到，则将地址指针指向初地址，循环存取，初地址末地址4）控制MPX，指向下一个通道，A/D转换……共16个通道（最多），最好一个通道转换完后，重新切回0通道5）执行中断服务程序中的其他内容。

6）中断返回要求：整个中断服务程序必须在两个采样时间间隔内完成。

特点：每次启动A/D后，CPU就开始不断查询STS的状态，耗时较多，要求A/D快。

T sT i确保T i〈T s，对硬件要求较高。

（二）中断方式启动A/D后，CPU无须等待，转去处理其它事件，A/D转换结束后，发出中断，读取转换结果，更新地址指针，更新通道，启动下通道A/D转换，从A/D转换中断返回，再去处理其它程序。

A/D转换结束中断嵌套在定时器中断之中，要求其优先级高于定时器中断。