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1、第三章 微机继电保护硬件系统的构成与原理,天津大学电力系,3.1 传统保护装置硬件系统构成,电力系统发生故障时，有关参数将发生变化。例如，电流增大、电压降低以及电流与电压之间的相位角变化等。利用故障与正常运行时这些基本参数的差别，就可构成不同原理的继电保护装置，如：1）反应电流变化的有电流速断、定时限过电流保护、反时限过电流保护。2）反应电压变化的有低电压、或过电压保护、或电压闭锁电流保护。3）既反应电流变化又反应输送功率方向的有方向过电流保护。4）反应输入电流与输出电流之差值变化的有差动保护。5）反应电压与电流比值变化的有距离保护。,根据不同原理构成的继电保护装置种类虽然很多，但一般情况下，
2、它们都是由三个基本部分组成，即测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理方框图如下所示：,各基本部分的作用是：测量部分的作用是测量被保护设备工作状态（正常状态、故障状态或不正常工作状态）的一个或几个有关的电气量。逻辑部分的作用是根据各测量元件输出量的大小、性质、组合方式、出现的顺序，来判断被保护设备的工作状态，以决定保护是否应该动作。执行部分的作用是根据逻辑部分所作出的决定，执行保护装置所承担的任务，即发出信号、跳闸或不动作。,现以输电线路的电流保护为例，说明传统保护装置的基本工作原理及其组成元件。图1为方向过电流保护装置的单相原理示意图。图中的机构及触点状态是按断路器在分闸状态，保护在非动作状态下
3、绘制的。在正常运行时，断路器处在合闸位置，线路中只有负荷电流，因而电流互感器的二次侧的电流较小，流过电流继电器线圈的电流所产生的电磁力不足以吸动衔铁，其动合触点打开着，即继电器处于不动作状态。当线路上发生故障时，线路上流过很大短路电流，因此继电器线圈中的电流也按比例地增大。当此电流足够大时，产生的电磁力吸动衔铁，使继电器触点闭合，若功率方向元件判定故障为正方向，接通断路器的跳闸回路（正电源继电器的触点断路器的辅助触点跳闸线圈负电源），跳闸线圈中便有直流电流通过，其铁芯磁化并撞开锁扣机构，于是断路器在跳闸弹簧的作用下，迅速断开，将故障切除。,图1 方向过电流保护的原理示意图,在图1中，电流互感器
4、LH和电压互感器YH、功率方向继电器和电流继电器的电压线圈、电流线圈是保护装置的测量部分。它监视着被保护设备的工作状态，只有在发生故障时，短路功率方向为正方向并且电流增大到大于预定整定值时才动作。因此，测量部分根据所反应的电气量的大小可处于动作或不动作两种状态。继电器的触点回路和延时元件是保护装置的逻辑部分。逻辑部分接受测量部分送来的信号，再根据信号的组合和顺序来确定是否能使逻辑部分构成回路，如能构成通路，则向执行部分送出执行信号。执行部分一般是由中间继电器担任，它接到逻辑部分送来的信号后，发出使断路器跳闸或动作于音响信号的脉冲，以完成整套保护装置的动作。,3.2 微机保护装置硬件系统构成,微
5、机保护装置硬件系统包含以下五个部分：（1）数据采集单元即模拟量输入系统。包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量的功能。（2）数据处理单元即微机主系统。包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器以及定时器等微处理器执行存放在只读存储器中的程序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。（3）数字量输入/输出接口即开关量输入输出系统。由若干并行接口、光电隔离器及中间继电器等组成，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。（4）通信接口。包括通信接口电路及接口以实现多机通
6、信或联网。（5）电源。供给微处理器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的电源。保护装置的硬件示意图如下所示：,图2 微机保护硬件示意框图,下面分别介绍各子系统的电路构成原理：,一 数据采集单元（l）电压变换 微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得信息，但这些互感器的二次数值的输入范围对微机保护装置硬件电路并不适用，故需要降低和变换。在微机保护中通常要求输入信号为5V或10V的电压信号，具体取决于所用的模数转换器。因此，一般采用中间变换器来实现以上的变换。例如电流变换器和电压变换器。交流电流的变换一般采用电流变换器，在其二次侧并联电阻取得所需电压。改变电阻
7、值就可以改变输入电流范围的大小。例如，当图3中R和R2阻值相等，若R2断开时电流允许输入范围为050A，则R2并联接入后，电流的输入范围为0100A。电流变换器最大的优点是，只要铁芯不饱和，其二次电流及并联电阻上电压的波形就可基本与一次电流成比例且同相，即可以做到不失真变换。这一点对微机保护是很重要的。因为只有在这种条件下作精确的运算与定量分析才是有意义的。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，动态范围也小。但只要妥善设计是可以克服这个缺点的。,电流电压变换回路除了起电量变换作用外，还起到隔离作用。它使微机电路在电气上与电力系统隔离，在初级和次级绕组之间应有接地的屏蔽绕组以
8、防止来自高压系统的电磁干扰。,图3 电流辅助变换电路,（2）采样保持（SH）电路及采样频率的选择,采样保持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。即把随时间连续变化的电气量离散化。采样保持电路的工作原理可用图4说明。,图4 采样保持电路原理,它由一个电子模拟开关K，电容C以及两个阻抗变换器组成。开关K受逻辑输入端电平控制。在高电平时K闭合，此时，电路处于采样状态，C迅速充电或放电到电容上电压等于该采样时刻的电压值(Ui)。K的闭合时间应满足使C有足够的充电或放电时间即采样时间。为了缩短采样时间，这里采用阻抗变换器l，它在
9、输入端呈现高阻抗，输出端呈现低阻抗，使C上电压能迅速跟踪等于Ui值。K打开时，电容C上保持住K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，电路中亦采用了另一个阻抗变换器2，它对C呈现高阻抗。采样保持的过程如图5所示。,图5 采样保持过程示意图,Tc为采样脉冲宽度，Ts为采样周期（或称采样间隔）。可见，采样保持输出信号已经是离散化的模拟量，再经A/D转换后就成为离散化的数字量。,图5所示采样间隔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。采样频率越高，要求微处理器的速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样的频率不断地向微处理器输入数据
10、，微处理器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值所必须作的各种操作和运算，否则,微处理器将跟不上实时节拍而无法工作。相反，采样频率过低，将不能真实反映被采样信号的情况。,采样定理：如果被采样信号中的最高频率分量为fmax，则采样率应大于fmax的二倍，否则信号失真。即 fs2fmax,微机保护所反应的电力系统参数是经过采样离散化之后的数字量。那么，连续时间信号经采样离散化成为离散时间信号后是否会丢失一些信息，也就是说这离散信号能否真实地反映被采样的连续信号呢？为此可分析图6所示的采样频率选择的示意图。,图6 采样频率选择示意图（a）被采样信号；（b）采样频率fs=fo（c
11、）采样频率fs=1.5fo；（d）采样频率fs=2fo,设被采样信号X（t）的频率为fo，对其进行采样。若每周采一点，即fs=fo，由图6b可见，采样所得到的为一个直流量。若每周采15点，即fs=1.5fo时，采样得到的是一个频率比fo低的低频信号,如图6c所示。当fs=2fo时，采样所得波形的频率为fo，虽然这时波形已接近原信号波形但仍然有失真现象。显然，只有fs2fo，则采样后所得到的信号才有可能较为真实地代表输入信号X（t）。也就是说，一个高于fs/2的频率成分在采样后将被错误地认为是一个低频信号。只有在fs2fo后，才不会出现这种失真现象。因此若要不丢失信息，完好地对输入信号采样，就必
12、须满足fs2fo这一条件。fs愈高，能反应的高频成分愈多亦即失真愈小。总之，为了使信号采样后能够不失真地还原，采样频率必须大于信号最高频率两倍以上，这就是乃奎斯特采样定理。,（3）模拟低通滤波器（ALF）,滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的电路。随着数字信号处理技术的发展，除了模拟滤波器之外，还出现了数字滤波器。对微机保护系统来说，在故障初瞬间，电压、电流信号中可能含有相当高的频率分量，为防止频率混叠，fs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模拟低通滤波器将高频分量滤掉，这样就可以
13、降低fs，从而降低对硬件提出的要求。以后我们将介绍，由于数字滤波器的作用，通常并不要求低通滤波器滤掉所有的高额分量而仅用它滤掉fs2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fs2的其它暂态频率分量，可以通过数字滤波来滤除。,模拟低通滤波器分无源和有源两种。图7是常用的无源低通滤波器原理及特性图。图中无源低通滤波器由两级RC滤波电路构成。只要调整RC数值就可改变低通滤波器的截止频率。此时截止频率可设计为fs2，以限制输入信号的最高频率。,这种滤波器接线简单，但电阻与电容回路对信号有衰减作用，并会带来延迟，对快速保护不利，仅适用于对速度和性能要求不高的微机保护。对于要求高性能又
14、快速的保护，必须采用有源的低通滤波器。有源低通滤波器通常由上述无源滤波器加上运算放大器构成，此时电容可取较小的数值，从而加快了保护动作速度。,图7无源低通滤波器原理电路及其特性(a)电路图；(b)特性曲线,（4）模拟量多路转换开关（MPX）,保护装置通常需对多个模拟量同时采样，以准确获得各个量之间的相位关系并使相位关系经过采样后保持不变，这就要对每个模拟输入量设置一套电压形成、模拟低通滤波和采样保持电路。所有采样保持器的逻辑输入端并联后由定时器同时供给采样脉冲。由于模数变换器复杂及价格昂贵，通常不宜对各路电压、电流模拟量采用同时A/D转换，而是采用多路S/H共用一个A/D变换器，中间经多路转换
15、开关切换，轮流由公用的A/D变换器将模拟量转换成数字量。由于保护装置所需同时采样的电流和电压模拟量不会很多，只要A/D变换器的转换速度足够高，上述同时采样的要求是能够满足的。,多路转换开关的原理图如图8所示。这里的多路开关（1 n）是电子型的，通道切换受微机控制。它把多个模拟量通道按顺序赋与不同的二进制地址在微机输出地址信号后，MPX通过译码电路选通某一通道时，对应于S/H的这一通道开关也就接通。,图8 多路转换开关原理图,（5）模数转换器（AD）,在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常需将检测到的连续变化的模拟量如：电压、电流、温度、压力、速度等转化成离散的数字量，才能输入到单片微机
16、中进行处理。实现模拟量变换成数字量的硬件芯片称为模数转换器。也称为A/D转换器。根据AD转换器的原理可将其分成两大类。一类是直接型AD转换器，另一类是间接型AD转换器。在直接型AD转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量；在间接型AD转换器中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（频率），然后再把这个中间变量转换成数字代码输出。目前AD转换器的种类很多。这里仅就直接型的逐次逼近式AD转换器和间接型的 VFC变换式 AD转换器为例加以介绍。,（i）逐次逼近式AD转换器原理,对其工作原理为：将一待转换的模拟输入信号Uin与一个推测信号Ui相比较，根据推测信号大于还是小于输入
17、信号来决定增大还是减小该推测信号，以便向模拟输入信号逼近。推测信号由DA转换器的输出获得。其推测值的取值方法如下：使二进制计数器中（输出锁存器）的每一位从最高位起依次置1，每置一位时都要进行测试若模拟输入信号Uin小于推测信号Ui，则比较器输出为零，同时使计数器该位清零；若模拟输入信号Uin大于推测信号Ui，比较器输出为1，并使计数器该位保持为1。无论哪种情况，均应继续比较下一位，直到最末位为止。此时，DA转换器的数字输入即为对应模拟输入信号的数字量。对微机保护来说，选择AD转换芯片时要考虑的两个主要指标是：AD转换的分辩率和转换速率。,图 9 逐次逼近式 A D转换器工作原理图,分辨率表示输
18、出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。转换器的分辨率定义为满刻度电压与2*之比。其中 n为 A/D的位数。具有 12位分辨率的A/D能够分辨出满刻度的1/2*12或满刻度的0.0245。例如，一个10V满刻度的12位A/D能够分辨输入电压变化的最小值为2.4mV。A/D转换器输出的数字量位数越多，分辨率越高，转换出的数字量的舍入误差越小。A/D的转换速率是指重复进行数据转换的速度。即每秒转换的次数。而完成一次A/D转换所需的时间，就是转换速率的倒数。,（ii）变换式AD转换器原理,VFC转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，其输出为一个等幅脉冲串，重复频率随时正比于输入电压瞬时值
19、，如图10所示。它有良好的精度、线性度此外，它的应用电路简单，对外围元件性能要求不高，对环境适应能力强。,图10 VFC输入输出关系图,将模拟电压转换成频率的方法很多，这里只介绍一种简单的电荷平衡式V/F转换电路的工作原理。图11中，A1和RC构成一个积分器，A2是零电压比较器，恒流源和模拟开关S构成积分器反充电回路。当模拟开关S处于2位置即与运放A1输出端接通时，积分器处于充电过程，积分器输出电压不断下降，当积分器输出电压下降至零伏时，A2发生跳变触发单稳定时器，使其产生一个脉宽为tos的脉冲，此脉冲使模拟开关S接通至1位置与运放A1的反相输入端导通tos时间，对C进行反充电，使VOLTS上
20、升。到tos结束时又使模拟开关S处于2位置，C再次进入充电阶段，VOLTS下降，当VOLTS下降至零伏又使单稳定时器产生一个tos 脉冲。如此反复形成频率输出，波形如图12所示。,图11 电荷平衡式VFC电路结构图,图12 电荷平衡式VFC波形图,VFC输出的脉冲信号频率与电路中电阻的关系为由上式可见，输出频率fout与输入电压Uin呈线性关系。VFC从原理上不能反映输入电压的极性。而保护装置的电压信号都是双极性的。因而用于双极性输入时都要设置个偏置电压，使双极性信号变成单极性。例如，某一VFC芯片，采用负极性接线时，其直流偏置电压为-5V，保证了输入电压可以有5伏峰峰值的线性测量范围。如图1
21、3所示。,图13 VFC外部接线图,Rp1用来调整偏置值，使无外部输入电压时输出频率为250kHZ，从而使输入交流电压的测量范围控制在5V的峰值内，这也叫做零源调整。各通道的平衡度及刻度比可用电位器Rp2来调整。R1和C1为浪涌吸收回路。VFC的变换特性与输入交流信号的变换关系如图14所示。,图14 VFC变换关系图,当输入电压Uin=0时，由于偏置电压-5V加在输入端3上，输出信号是频率为250kHZ的等幅等宽的脉冲波，如图15-(a)所示。当输入信号是交变信号时，经VFC变换后输出的信号是被Uin交变信号调制了的等幅脉冲调频波，如图15-（b）所示。可见VFC的功能是将输入电压变换成一连串
22、重复频率正比于输入电压的等幅脉冲波。VFC芯片的中心频率越高，其转换的精度也就越高。在四方公司新型的第三代微机保护中采用的VFC芯片其中心频率为2MHZ，因此变换精度有了较大提高。,图15 VFC工作原理和计数采样（a）Uin=0；（b）Uin交流电压；,计算间隔NTs的选择,用VFC转换器实现A/D转换需要与频率计数器配合使用，电路原理如图16所示。,图16 VFC型A/D转换器原理图,设Ck为tk时刻读得计数器的数值，Ck-N 为tk-N时刻读得的计数器的数值，则有：DK=CK-N CK式中Dk为在NTs期间内计数器计到的脉冲个数。此脉冲数对应于NTs期间模拟信号的积分。,式中：INT表示
23、取整数。因为计数器的计数值只能是整数，而不可能有小于1的值。Kf是VFC芯片的转换常数。u（t）为输入VFC芯片的模拟电压信号。,当K变化时，Dk是对输入电压的移动积分，每一次积分相当于一个宽度为NTs高度为1的矩形函数H（t）与输入电压u（t）进行卷积分。由数字信号处理的知识可以知道，时间函数H（t）的频谱H（f）如图17（b）所示。,图17 H（t）与H（f）的对应函数图像,由此看来，它具有低通滤波器的特性，其截止频率为1/NTs。由以上分析可知，尽管VFC式数据采集系统中没有象直接型A/D数据采集系统中那样设置低通滤波器，但频率记数的效果相当于有一个等效低通滤波器。根据采样定理，低通滤波
24、器的截止频率应小于等于采样频率的一半。即：可见N应选取大于等于2的值。即为使VFC数据采集系统得到的数字信号不失真地代表模拟信号，在用于各种算法时，至少要用2Ts期间的脉冲数计算。,VFC式数据采集系统的分辨率,微机继电保护对模数变换器的主要要求是分辨率。直接型A/D芯片以其输出的数字信号的位数来衡量分辨率。例如某一芯片，输出数字量为12位，去除符号位，其表示的数的范围是2048，显然位数越多测量范围越大，量化误差相对越小。VFC式数据采集系统的分辨率决定于两个因素，其一是VFC芯片输出的最高频率，二是计算间隔NTs的大小。在NTs期间计数的最大值为：DK=Fmax*NTs 若Ts=5/3ms
25、,Fmax=500kHz,考虑符号后为250kHz，则Fmax Ts=416,当N=2时,Dk=833,相当于常规10.5位的A/D芯片.当N=4时,Dk=1666,相当于常规A/D芯片的位数为11.5位。可见，欲提高VFC式数据采集系统的分辨率，一是选择最高转换频率高的芯片，这要增加硬件成本；二是增大计算间隔NTs 的值。这只需要在软件中改变即可实现，但代价是增加了保护的延时。实际上任何控制系统中速度和精度总是一对矛盾。实际中可以根据故障的严重程度实时改变计算间隔。,光隔处理,由于经VFC变换后摸拟电压信号变成数字脉冲，因此就使得其抗干扰光隔处理变得十分容易。光隔芯片由发光二极管和光敏三极管
26、组成（见图16）。VFC输出的频率信号是数字脉冲量。该数字脉冲输入光隔芯片的快速发光二极管时，对应每一个脉冲发出一个光脉冲，当光脉冲照射在光隔芯片内输出放大器的快速光敏三极管时，三极管导通使输出放大器输出一个同相脉冲。由于发光二极管及光敏三极管均具有快速响应特性，因此能适应VFC输出的高频脉冲要求，所以光隔芯片的输入与输出波形完全相同并几乎没有延迟。光隔电路实际上是光电耦合电路，其输入与输出既无电的联系，也无磁的联系，起到了极好的抗干扰及隔离作用。,以上我们介绍了两种数据采集系统的结构并分析了它们的工作原理，通过上述分析，可知两种数据采集系统都可用于微机继电保护装置中实现模数转换任务。但在以下
27、几方面两种数据采集系统有所区别。（1）A/D式数据采集系统中，A/D转换结果可直接用于保护的有关算法。而VFC式数据采集系统属于计数式V/F转换芯片。单片机每隔一定时间读得的计数器的记数值不能直接用于算法，必须取相隔NTs的计数值相减后才能用于各种算法。（2）A/D芯片一经选定，其数字输出位数不可改变，即分辨率不可能变化。而 VFC系统中，可通过增大计算间隔提高分辨率。,（3）对 A/D式数据采集系统，A/D芯片的转换时间必须小于中断时间。而 VFC数据采集系统是对输入脉冲不断计数，不存在转换速度问题。但应注意输入到VFC芯片的脉冲频率不能超过其极限计数频率。（4）A/D式数据采集系统中需由定
28、时器按规定的采样间隔给采样/保持芯片发出采样脉冲，而VFC式数据采集系统只需按采样间隔读计数器的值就可以。（5）采用VFC与计数器之间的光电耦合器，使数据采集系统与CPU系统在电气上完全隔离。抗干扰能力强。（6）VFC的工作根本不需CPU控制，多个CPU可以共享一套VFC，且接口简单。,二数据处理单元,如前所述，一般的单片机都有一定的内部寄存器、存贮器和输入、输出口。但当单片机用于实现保护功能时，首先遇到的问题就是存储器的扩展。单片机内部虽然设置了一定容量的存储器，但这种存储器一般容量较小，远远满足不了实际需要，因此需要从外部进行扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。为了满足继电保
29、护定值设置的需求，还配置了电可擦除的可编程只读存储器。程序常驻于只读存储器（EPROM）中，计算过程和故障数据记录所需要的临时存储是由随机读写存储器（RAM）实现。设定值或其它重要信息则放在电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）中。它可在5V电源下反复读写，无需特殊读写电路，写入成功后即使断电也不会丢失数据。处理器通过其数据线、地址线、控制线及译码器来与存储器部件进行通讯。根据不同保护功能的要求，一般还要扩展一些并行口等。,三数字量输入输出接口,（1）开关量输入回路 微机保护装置的开关量输入即接点状态（接通或断开）的输入电路见图18。包括断路器和隔离开关的辅助接点或跳合闸位置继电器接点，外部
30、装置闭锁接点，气体继电器接点。还包括某些装置上压板位置输入等。,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，P点电位为0电位。K1打开时，则光敏三极管截止，P点电位为+5V。因此三极管的导通和截止完全反映了外部接点的状态。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微法，因此可大大削弱干扰。由于一般光电耦合芯片发光二极管的反向击穿电压较低，为防止开关量输入回路电源极性接反时损坏光电耦合器，图中二极管V对光隔芯片起保护作用。,图18 开关量输入电路,（2）开关量输出回路,开关量输出主要包括保护的跳闸出口信
31、号以及本地和中央信号等。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，但为提高抗干扰能力，最好也经过一级光电隔离如图19所示。只要由软件使并行口的PB0输出“0”，PB1输出“1”，便可使与非门输出低电平，光敏三极管导通。继电器K被吸合。,图19 开关量 输出回路接线图,在初始化和需要继电器K返还时，应使PBO输出“l”，PB1输出“0”。设置反相器B及与非门H而不是将发光二极管直接同并行口相连，一方面是因为并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二级管，另一方面因为采用与非门后要满足两个条件才能使K动作，增加了抗干扰能力。最后应当注意图19中的PB0经一反相器，而
32、PB1却不经反相器，这样设计可防止拉合直流电源的过程中继电器K的短时误动。因为在拉合直流电源过程中，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用的电源E，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K的接点短时闭合，采用图19的接法后，由于两个相反的条件的互相制约，可以可靠的防止继电器的误动作。,（3）打印机并行接口回路,打印机作为微机保护装置的输出设备，在调试状态下，输入相应的键盘命令，微机保护装置可将执行结果通过打印机打印出来，以了解装置是否正常。在运行
33、状态下，系统发生故障后，可将有关故障信息，保护动作行为及采样报告打印出来，为分析事故提供依据。由于继电保护对可靠性要求特别高，而它的工作环境电磁干扰比较严重，打印机引线可引入干扰，因此，微机保护装置与打印机数据线连接均经光电隔离。,（4）人机对话接口回路,人机对话接口回路主要包括以下两部分内容：1）对显示器和键盘的控制，为调试、整定与运行提供简易的人机对话功能。2)由硬件时钟芯片提供日历与计时，可实现从毫秒到月份的自动计时。,四通信接口,随着微机特别是单片机的发展，其应用已从单机逐渐转向多机或联网。而多机应用的关键在于微机之间的相互通信，互传数字信息。在微型计算机系统中，CPU与外部的基本通信
34、方式有两种：并行通信数据各位同时传送串行通信一数据一位一位顺序传送,图20是这两种通信方式的示意图。前面涉及的单片机与存储器、单片机与打印机之间的通信的数据传送，都是采用并行通信方式。从图20可以看到，在并行通信中，,数据有多少位就需要多少根数据传送线。而串行通信只需要一对数据传送线，故串行通信能节省传送线，尤其是当数据位数很多和远距离数据传送时，这优点更加突出。串行通信的主要缺点是传送速度比并行通信要慢。,图20 并行通讯与串行通讯,并行通信的硬件连接及数据传送比较简单。这里主要介绍串行通信。基于串行通信的特点，它常用于保护与上位机之间的数据传送。串行通信是指将构成字符的每个二进制数据位，依
35、据一定的顺序逐位进行传送的通信方法。在串行通信中，有二种基本的通信方式：1）异步通信异步串行通信规定了字符数据的传送格式，即每个数据以相同的帧格式传送。如图21所示。每一帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。,a.起始位：在通信线上没有数据传送时处于逻辑“l”状态。当发送设备要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位。起始位通过通信线传向接收设备，当接收设备检测到这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。因此，起始位所起的作用就是表示字符传送开始。b.数据位：当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5、6、7或8位的数据。在字
36、符数据传送过程中，数据位从最小有效位（最低位）开始传送。c.奇偶校验位：数据位发送完之后，可以发送奇偶校验位。奇偶校验用于有限差错检测，通信双方在通信时须约定一致的奇偶校验方式。就数据传送而言，奇偶校验位是冗余位，但它表示数据的一种性质。这种性质用于检措，虽有限但很容易实现。d.停止位：在奇偶位或数据位（当无奇偶校验时）之后发送的是停止位。可以是1位或2位。停止位是一个字符数据的结束标志。,在异步通信中，字符数据以图21所示的格式一个接一个的传送。在发送间隙，即空闲时，通信线路总是处于逻辑“1”状态（高电平），每个字符数据的传送均以逻辑“0”（低电平）开始。,图21 异步通信的数据传送格式,(
37、2)同步通信,在异步通信中，每一个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，以致占用了时间。所以在数据块传送时，为了提高通信速度，常去掉这些标志，而采用同步传送。同步通信不像异步通信那样，靠起始位在每个字符数据开始时使发送和接收同步，而是通过同步字符在每个数据块传送开始时使收发双方同步，其通信格式如图 22所示。,图22 同步通信的数据传送格式,同步通信的特点是：a以同步字符作为传送的开始，从而使收发双方取得同步；b每位占用的时间都相等；c字符数据之间不允许有空隙，当线路空闲或没有字符可发时，发送同步字符。同步字符可由用户选择一个或二个特殊的8位二进制码作为同步字符。与异步通信收/发双方
38、必须使用相同的字符格式一样，同步通信的收发双方必须使用相同的同步字符。异步通信常用于传输信息量不太大、传输速度比较低的场合。在信息量很大，传输速度要求较高的场合，常采用同步通信。,波特率（Baud rate）,通信线上的字符数据是按位传送的，每一位宽度（位信号持续时间）由数据传送速率确定。波特率即是对数据传送速率的规定：单位时间内传送的信息量，以每秒传送的位（Bit）表示，单位为波特，即：l波特=1位秒（1bps）例如：电传打字机最快传送速率为10字符秒，每个字符11位，则波特率为：11位10字符秒=110位秒=110波特位时间（每位宽）Td一波特率的倒数：,在异步串行通信中，接收设备和发送设
39、备保持相同的传送波特率，并使每个字符数据的起始位与发送设备保持同步。起始位、数据位、奇偶位和停止位的约定，在同一次传送过程中必须保持一致，这样才能成功地传送数据。实现串行通信方式的硬件电路称为串行通信接口电路芯片。从本质上讲，所有的串行接口电路都是以并行数据形式与CPU接口，而以串行数据形式与外部逻辑接口，它们的基本功能是从外部设备接收串行数据，转换成并行数据后传送给CPU，或者从CPU接收并行数据，转变成串行数据后输出给外部设备。图23给出了异步通讯硬件电路中发送及接收数据操作的情况从图中可以看出，串行通讯接口电路至少包括一个接收器和一个发送器，而接收器和发送器都分别包括一个数据寄存器和一个
40、移位寄存器，以实现数据的CPU 输出并行串行发送或接收串行并行CPU输入的操作。,图23 串行数据发送操作,在设计通信接口时，必须根据需要选择标准接口，并考虑传输介质、电平转换等问题。采用标准接口后，能很方便地把各种计算机、外部设备有机地连接起来。为保证高可靠性的通信要求，在选择标准接口时，须注意以下两点：通信速度和通信距离 通常的标准串行接口的电气特性，都有满足可靠传输时的最大通信速度和传送距离指标。这二个指标之间具有相关性，适当地降低通信速度，可以提高通信距离，反之亦然。抗干扰能力 通常选择的标准接口，在保证不超过其使用范围时都有一定的抗干扰能力，以保证可靠的信号传输。在高噪声污染环境中，
41、通过使用光纤介质减少噪声干扰，经过光电隔离提高通信系统的安全性都是一些行之有效的办法。,五电源,微机保护系统对电源要求较高，通常这种电源是逆变电源，即将直流逆变为交流，再把交流整流为微机系统所需的直流。它把变电所强电系统的直流电源与微机的弱电系统电源完全隔离开，通过逆变后的直流电源具有极强的抗干扰能力，可以完全消除来自变电所中因断路器跳合闸等原因产生的强干扰。目前，微机保护装置均按模块化设计，也就是说对于成套的微机保护、各种线路保护、元件保护，都是用上述五个部分的模块化电路组成的。所不同的是软件系统及硬件模块化的组合与数量不同。不同的保护用不同的软件来实现；不同的使用场合按不同的模块化组合方式构成。这样的成套微机保护装置，给设计及调试人员带来了极大方便。,THE END of CHAPTER 3,
