牵引供电系统微机保护系统原理的设计

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1、湖南高速铁路职业技术学院毕业设计（2018届） 题 目： 牵引供电系统微机保护系统原理的设计 院（部）： 铁 道 机 电 学 院 专业班级： 电气化1501班 姓 名： 李 雯 指导老师： 曹 志 华 成果展示形式： 方案设计 2018年 4 月 10 日目 录1.毕业设计方案流程图12.微机保护22.1微机保护装置的优越性22.2微机保护装置存在的不足22.3对微机保护装置的要求23.微机保护的硬件构成43.1模拟量输入单元43.2模拟量输出单元83.3保护CPU 单元113.4人机接口与通讯接口13总结16参 考 文 献171.毕业设计方案流程图本设计题目为牵引供电系统微机保护系统原理的设

2、计，文中首先对牵引供电系统微机保护系统进行了介绍，然后介绍了微机保护的硬件结构。如下图所示。微机保护微机保护硬件结构模拟量输出单元模拟量输入单元人机接口和通信接口保护CPU单元D/A转换回路A/D转换回路模拟量滤波回路锁存器采样保持电路电压形成回路2.微机保护随着当前电子信息技术和互联网技术的不断发展和壮大，牵引供电系统的供电保护系统功能逐渐得到完善并且突破传统电器保护的基本形式，继电保护形式基于微处理器逐渐显现，微机保护也可称为由微机微处理器和其他设备组成的继电保护。2.1微机保护装置的优越性（1）灵活性强。（2）综合判断能力强。（3）性能稳定，可靠性高(4)微处理器的保护功能主要是借助微型

3、计算机技术的存储功能，来实现并在逐步提高其保护性能，以此来不断提高相关设备装置的灵敏性。(5)借助计算机的智能化，微机保护可以自动检查故障并对其进行诊断、锁定和修复，这是传统继电保护装置不能实现的功能。(6)相对于传统继电保护装置来说危机保护装置的体积相对较小且其功能相对齐全且具有智能化。(7)微机保护装置更加方便的可以和远程监控系统进行连接实现远程控制。2.2微机保护装置存在的不足（1）传统继电保护装置的工作原理相对新型装置更为直观，容易掌握，而内部复杂的微机保护硬件电路和软件原理只有专业设计人员才能了解；（2）微机保护虽然具有很高的可靠性，可一旦出现故障，只有专业人员才能维护；（3）硬件更

4、新换代快，容易过时；（4）由于微机保护是电子产品，更新换代较快，更增加用户掌握其原理的难度。2.3对微机保护装置的要求(1)致使其保护工作不受到其他监控系统或其他系统的影响，正是由于这个微机保护装置的选择性和快速性及其可靠性以及灵敏度等特点，要求相关保护系统软件结构及其硬件结构要具备自身独立且完整的保护功能以此来实现对系统内部各个单位的保护功能。(2)具有故障记录功能。一旦受保护对象出现意外事故时，保护系统就会自动进行故障记录并对记录前后的故障信息进行统计和分析，其主要包括对短路电流以及故障发生时间以及保护退出的时间等进行记录，以便于工作人员更加快速的分析故障所在位置及其原因。(3)微机保护装

5、置还具有统一钟对时的功能，其可以帮助系统更加快速准确的对故障发生动作以及保护动作的时间进行记录。(4)存储多种保护整定值。(5)通信功能。微机保护系统在与外界通信之前无法与高端系统保护装置进行通信。(6)故障自诊断、自闭锁和自恢复功能。各保护单元应具有完整的故障自诊断功能，能查找内部故障，并且自动发出警报。3.微机保护的硬件构成目前微机保护装置通常采用CPU结构，一个相对复杂的保护装置可以使用多个CPU来实现保护功能以及测算功能和控制功能的，一个CPU完成人机接口和通信功能。多个CPU微机保护装置的硬件构成如下图所示，其硬件构成主要包括下述四部分内容：图1 微机保护装置硬件构成示意图3.1模拟

6、量输入单元数据采集模块（模拟量输入单元）的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模/数转换，用来与CPU互联，完成数据采集，实现对牵引变电站设备运行状态的监视、测量和保护等功能。模拟量输入单元主要包括电压形成和模拟量低通滤波、采样保持和多路转换开关以及模数转换等功能，在其实际转换过程中主要是借助于应用软件程序和外围控制电路的控制来实现的，完成模拟输入量转换给计算机识别的数字量。图6显示了模拟量输入硬件设施的设计原理图。图2 模拟量输入通道3.1.1电压形成回路电压形成的回路又被称之为是隔离转换电路，其主要功能就是为了实现模拟输入信号和电平之间的隔离及转换功能。图3 电压形成回路综合性自动化装置主要

7、从PT以及CT及相关的变换器二次侧来获取相关数据信息，就要求互感器或变换器输出的量及二次数值范围与装置电路相适应，否则信号会产生严重的失真。一般是采用中间继电器将由一次设备PT二次侧引来的电压进一步降低，将一次设备CT二次侧引来的电流变成交流电压。LPF和双向限幅电路按照以下步骤将由中间变换器减少或转换后的电压转换为模数转换芯片的允许电压。微机保护装置从被对象的TA、TV或其他变换器上取得A、V等信息。但是，典型的微型计算机电路不适用于互感器的二次值和输入范围，需要再次进行转换或降低。运用中间变换器通常用于将变压器的输入信号转换为5v或10v范围内的电压信号。电压变换器将交流电流信号变换成比例

8、的电压信号。电压形成回路一个是起到电量变换的作用，另一个重要作用是将TA、TV的二次回路与模数转换及微机系统完全隔高，提高抗于扰能力。3.1.2采样保持电路采样基本原理采样保持电路的主要功能就是模拟输出量在该时刻瞬间值能在相当短的时间内测量，并在模数转换器进行转化期间保持输出量的不变。S/H电路的工作原理可以用图4来说明，其主要是由AS和Ch两个阻抗变换器构成的，AS受到逻辑输入端电平控制，该逻辑输入就是采样脉冲信号。当输入高电平时，AS自动闭合，电路采样，此时电容则会迅速充电或者是迅速放点到U s r在采样时刻的电压值。每个Ts电子模拟开关AS将闭合一次，输入信号采样。如果每次关闭开关的时间

9、为Tc，则输出将是一系列重复周期为Ts，宽度为Tc的脉冲。脉冲宽度是Tc，并且脉冲幅度在 Tc内重复信号幅度，必须满足AS关闭时间，以便 Ch有充足的时间来充电或放置点数。即使采样的时间足够多但采样的时间越短越好。应用阻抗变换器的目的是在输入端呈现高阻抗，这对输入回路的影响很小，输出阻抗非常低，导致电容充电和放电时间的回路时间常数很小，保证Ch上的电压可以在采样时迅速的跟踪U s r。图4 采样保持电路工作原理图及其采样保持过程示意图注：U s r输入电压 U s c输出电压 采样保持电路输出波形是阶梯电压波形当AS接通时，AS开路时刻的电压保持在电容器Ch上，并且电路处于保持状态。为了提高保

10、持的能力 ，电路中使用了另外一个阻抗器，它在Ch对应的充放电回路的时间常数很大，而输入阻抗很低，以增强带负载能力。运算放大器构成了阻抗变换器和。3.1.3模拟量滤波回路模拟量滤波回路的功能是对电流和电压信号中的高频分量进行滤波（高频分量在发生故障时通常超过2000Hz)，可以同时减少微机保护装置的采样频率，减小微机保护装置的硬件要求。通常有两类的模拟滤波器，一类是由R、C 等器件构成的无源滤波器,另一类是由集成运算放大器和R、C 等器件构成的有源滤波器。目前，大多数基于微处理器的保护原理反映了工作的频率。在这种情况下，为了降低f s，高频分量可以在采样前通过LPF滤除，从而减少对硬件的要求。由

11、于数字过滤器的优点，通常不会要求图5中的LPF将所有的高频进行分量。为消除频率混叠滤掉f s /2以上的分量，并避免工频周围混叠高频分量。低于f s/ 2的其他暂态频率分量可以通过数字滤波器滤除，实际上TA以及TV对高频分量有很大的抑制作用，因此不需要对抗混叠LPF的频率特性有很高的要求。最简单的RC 低通滤波器如下图所示。图5 RC低通滤波器在使用低通滤波器消除频率混叠的问题后，采样频率的大部分选择取决于保护装置的原理和算法的要求，另外还要考虑到硬件的速度。3.1.4模数转换回路模拟信号和数字信号转换回路的主要功能是将模拟量信号转换成数字信号，根据模数转换器的原理，模数转换器主要包括基于逐次

12、逼近原理的模数转换器和基于电压和频率转换的模数转换器。模数转换器有很多不同类型，从转换过程来分，可以将其分为两种类型，一个是直接转化器；一个是间接转换器。在直接转换器中输入模拟信号不需要其他中间选项就可以直接将其转换成相对应的数字信号并及时输出，在间接转换器中，输入模拟信号首先会将其转换成某种中间变量，然后将中间变量转换成数字，其相对较低的工作速度但其精准性和抗干扰性较高，其常常是在测试仅表中使用频率最多。图6 模拟量输入硬件设施的设计原理图3.2模拟量输出单元在综合性自动化系统中，电子计算的输出是以数字形式完成的，一些执行元件需要模拟电流或模拟电压，因此，需要一个模拟量输出通道来实现其电流和

13、电压的输出。模拟量输出通道的功能是将数字量转换为模拟量输出以驱动模拟调节和执行机构。模拟量输出通道包括接口电路，数据锁存器，数模转换器和放大驱动电路，模拟量输出主要包括数字-模拟量转换器来实现，由于该转换器在数字信号和模拟信号之间的转换需要一定的时间，因此，在转换过程中要转换的数字量输入保持不变，数据总线上微机系统数据的输出稳定时间相对较短，因此微机系统和转换器之间要通过锁存器来实现数字量的稳定性。通过转换器获得的模拟信号经过LPF以其波形更加平滑，另外驱动受控设备为了促使功率放大器通常用作模拟信号量输出的驱动电路。模拟量输出通道组成框图如图所示。模拟量输出硬件设施的设计原理图如图9所示。 图

14、7 模拟量输出通道结构框图3.2.1 D/A转换器电路及原理数/模转换器用于将数字数据转换为模拟信号，该转换功能主要通过“按权展开，然后相加”的原理来实现，数字量是代码按照数位组合表示的，为了成功将数字信号转换成模拟信号，每个代码根据其权大小将其转换成相对应的模拟信号，为了实现从数字信号到模拟信号的转换，通过增加这些模拟量,可以获得与之相应数字量成正比的总模拟量。这是构成D/A转换器的基本准则。数模转换器包含数据锁存器，数字微电子开关电路和解码网络，以及求和电路和基准电路，数字量将串行方式和并行方式输入存于数据锁存器中，在其内部输入密码来对相应的模拟电子开关进行控制，促使位权网络上产生正比的电

15、流值，然后通过权值求和，得到数字量对应的模拟量。图 3-8 D/A转换器方框图在设计中，主要分析了倒T形电阻网络转换器的转换原理。倒T形电阻网络转换器的每个相互之间无传输时间差的支路电流直接进入运算放大器的输入端。因此，转换速度就会不断提高，传输中出现的尖峰脉冲减少，另外当所有模拟开关状态满足先通后断时，在其状态转换中流过各个支路的电流不发生改变，因此就不需要时间建立电流，这也有助于提高电路的工作速度。 基于上述分析原因，倒T型的电阻网络转换器是当前使用转换器中速度最快的一种转换器也是应用频次最多的一种转换器。3.2.2 锁存器锁存器是脉冲电平敏感的存储单元电路，其运行状态在特定输入脉冲电平之

16、后改变。锁存器暂时存储信号以保持一定的电平。锁存器使用电平控制数据的输入，主要分为有无带使能两种类型，锁存器主要用于缓存，其次用于完成高速控制器和慢速外部设施之间不相同步的问题，锁存器的另外的功能是解决驱动存在和解决一个 I/O口可以同时执行输入和输出。在一些运算器电路中有时候会将锁存器作为其数据暂存器。图9 模拟量输出硬件设施设计原理图3.3保护CPU 单元CPU保护单元包含了微处理器以及只读存储器和内存单元以及随机存储器和定时器以及并行接口和串行接口等多种不同装置，当CPU保护系统执行编程程序时，首先分析处理从数据采集系统输入的原始数据，完成继电保护装置的测量和逻辑及相关控制功能，CPU保

17、护单元原理如图8所示。保护CPU硬件设施的设计原理图如图11所示。 图10 保护CPU单元原理框图CPU主要执行控制及运算功能ROM存储器主要是用于存储编程的程序，包括监控和继电保护功能程序。定时器则是用来计数和产生采样脉冲和实时钟等的时间计量。图11 保护CPU硬件设施设计原理图3.4人机接口与通讯接口3.4.1 人机接口 人和电子计算机之间的联系以及交换信息输入和输出设备的接口就是人机接口，其主要包括了键盘以及显示器和打印机及鼠标器等硬件设施。完成两个任务：(1)信息形式的转换；(2)信息传输的控制 常用的液晶显示器和6键操作键，以及人机交互面板主要包括带有用户自定义画面的大型LCD屏幕和

18、一个由用户定义的报警信号显示LED；由用户自定义用途的F功能键；光隔离的串行接口；就地、远方选择按钮；就地操作键。 在人机交互装置和人机接口之间,实现信息传输的主要采用方式是并行通信方式。其原理框图如图12所示。人机接口和通讯接口硬件设施的设计原理图如图14所示。 图12 人机接口单元原理框图3.4.2 通讯接口 设备信号传输是通讯接口的主要通道，包括声音、屏幕画面等资料的传输。它主要包括维护端口、监控系统接口和波形记录系统接口等。图13 通讯接口原理框图连接电子计算机对重要图像资料以及文字资料等进行备份处理，并配备显影的扫描VGA输出接口。 微机保护对其要求：快速，支持点对点通讯，突发模式信

19、息传输，采用星形、环形、总线形等物理结构，支持多台主机。图14 人机接口与通讯接口硬件设施设计原理图总结本设计主要介绍了微机保护系统的硬件主要由模拟量输入输出单元、保护CPU单元、人机接口和通讯接口组成。数据采集单元用来把模拟输入量转换成所需的数字量，通常由电压形成、低通滤波器、采样保持器、多路转换开关和模拟量-数字转换组成。模拟量输出通道主要包括接口电路、数据锁存器、数模转换器和放大驱动电路。保护CPU单元由微处理器、只读存储器和内部单元组成，具有RAM和定时器、并行接口和串行接口。人机接口主要是指人和电子计算机之间的接口，其用于模拟输入信息和输出信息之间的联系和转换，其一般采用并行的通信方

20、式。一般来说其通信接口就是借助设备信号输出通道，通过并行接口的方式实现其通信功能。参 考 文 献1 黄益庄.变电所综合自动化技术M，中国电力出版社，2000 .2 王亚妮.变电所综合自动化技术M，中国铁道出版社，2008.3 钱清泉.电气化铁道远动技术M，中国铁道出版社，1990.4 刘健，倪建立，邓永辉.配电自动化系统M，中国水利水电出版社，1998.5 贺威俊.电力牵引供电系统技术及装备M，西南交通大学出版社，1998.6 刘家军.微机远动技术M，中国水利水电出版社，2001.7 杨新民，杨隽琳.电力系统微机保护培训教材M，中国电力出版社，2000.8 田国政，谭伟.微机保护装置的发展J，电网技术，2006. 9 王亮，赵文东.微机继电保护的现状及其发展趋势J，科技情报开发与经济，2006.17