1、变电站自动化系统 35KV 线路保护中三合一保护装置的数据采集系统设计摘要：本文简要介绍了变电站自动化系统中三合一保护装置的数据采集环节设计过程。其中包括设计功能，性能指标，性能特点分析。最后得出了设计的硬件电路及相应的计算方法。 1、变电站自动化系统的概念 1.1 变电站综合自动化系统的基本概念 综合自动化是将变电站的二次设备（量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。 变电站综合自动化系
2、统是利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，它替常规的测量和监视仪表，替代了常规控制屏、中央信号系统和远动屏1。 1.2 微机保护装置的特点 微机保护是实现变电站自动化系统中继电保护功能的关键环节。它的功能和可靠性如何，在很大程度上影响了整个系统的性能。同时，微机保护装置是以微处理器为核心，根据数据采集系统所采集到的电力系统的实时状态数据，按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障的性质和范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种安全装置。因此，微机保护装置中的数据采集系统和数据处理算法对整个保护性能显的尤为重要。 2、数据采集系统的硬件构成 2.1 数据采集系统的硬件结
3、构示意图 数据采集系统主要包括电压形成回路，采样保持电路和滤波器电路，模拟量多路转换开关和模数转换器等功能部分。结构示意图如图（1）所示2。 数据采集系统完成将模拟输入量准确地转换为微型机能够识别的数字量，然后输入到微型机主系统中，进行下一步的计算。 另一种实现数模转换功能的器件是电压频率转换器 VFC，其结构示意图如图 2 所示 由于 VFC 型数据采集系统具有利于光电隔离提高 A/D 转换精度，抗干扰能力强等优点，因此 VFC 在电力系统微机保护装置中获得了广泛应用。 2.2VFC 型数据采集系统的硬件电路 采用 VFC 作为 A/D 转换器件的模拟量数据采集系统的原理框图如上图（2）所示
4、，图中只画了一个通道，多个模拟量则需要多个这样的通道（计数器可以多通道共用）3。 2.2.1 电压形成回路2 从电力系统中经过 TV，TA 得来的电流 i 和电压 u 需要经过进一步的变换才能适应 VFC 的输入范围要求，同时，弱电系统还要与强电系统隔离。 微机保护要从被保护电力线路的电流互感器、电压互感器取得电流、电压信息，还必须把这些信息进一步变换降低到5V 的范围内. （1）输入电压的电压形成回路 把一次电压互感器输出的二次额定 100V 电压变换成最大5V 模拟电压信号，供模数转换芯片使用.该功能由电压变换器实现。原理电路如下。当线路额定电压为 35KV 时，经过一次电压互感器后，二次
5、侧的额定电压为 100V，为了输出最大5V 模拟电压信号，该变换器的变比应设置为 20/1。 （2）输入电流的电压形成回路 把一次电流互感器输出的二次额定 5A/1A 电流变换成最大5V 模拟电压信号，供模数转换芯片使用.微机保护中，一般采用电流变换器.其原理电路图如下。 需要注意的是，在 A/D 转换器型数据采集装置中，电压形成回路之后通常要加上一级 LPF 回路。此时，在加入 LPF 的采样信号，必须满足采样定理，否则将引起信号的失真。LPF 型式的选择也要综合考虑继电保护的响应速度和响应时间等因素。 2.2.2 VFC 的基本原理及与实际工作电路结构 VFC 器件的电压频率关系图如图 5
6、 所示，工作电路图如图 6 所示。与此对比的图 7 为四方公司的 CSL-160B 系列数字式线路保护装置中基于VFC 的模数变化插件示意图。 由图 5 可知。加入 VFC 的电压可以转换成脉冲量，该脉冲量的频率与输入电压成正比。经过快速光耦器件隔离后，用计数器对脉冲进行计数，该计数值与输入模拟量在采样间隔 T 时间内的积分成正比，达到了将模拟量转换为数字量的目的，实现了数据采集的功能。 2.2.3 单片机系统 单片机基本系统由 CPU 及扩展的存储器 上接第 143 页 组成。CPU 应采用高性能的芯片，目的是进一步提高计算速度。同时还应给 CPU 配备一定的内存单元，用于记录采集的电压电流
7、等数据。 3、计算方法 由上文可知，输入微机保护装置的模拟量有电压量和电流量。这些量需要经过采样和分析运算后，才能作为微机保护的判断依据。由于全周傅立叶算法在收集采样数据时不用等待 5ms 的时间，且具有较好的滤波能力，所以在本装置中，采用全周傅立叶算法作为对采样数据的处理方法。 全周傅立叶算法的基本原理是基于傅立叶级数而来的。在此不再叙述，具体可参阅文献2. 4.2 该系统的性能分析2 在实际应用中，广泛使用的数据采集系统是逐次退近式和电压一频率变换式的两种。由于后者在每一个采样时刻读出的计数器数值不能直接使用，必须采用相隔一定时间间隔的计数器汉值之差后才能使用，所以对于某些要求动作速度快的
8、微机型装置不应采用电压一频率变换式数据采集系统。 但是，微机保护对 VFC 的转换时间没有要求，这是因为 VFC 是利用输入计数器的脉冲的计数值来获取模拟输入信号在某一时间内的积分值对应的数字量。只要在使用式应注意到计数芯片的输入脉冲频率不能超出极限计数频率即可1。 1）低通滤波。 VFC 型数据采集系统对输入信号进行连续积分，因此，具有低通滤波的效果，可以抑制噪声。 2）抗干扰能力强 VFC 与计数器之间的光耦器可以实现数据采集系统与微型机的电气隔离，又可以有效减少共模干扰进入弱电系统。 3）输出数字量调节位数方便。 在其他因素不变的情况下，只要调整积分间隔 即可实现调整位数的目的。 5、结论 VFC 型数据采集系统的抗干扰能力强，不必增加硬件开销，只需改变软件中的计算间隔，就可以提高数据采集系统的精度，它非常适合于各种微机型电力装置的模拟量数据采集系统 参考文献： 1丁书文. 变电站综合自动化技术. 北京.中国电力出版社，2005 2杨奇逊，黄少锋. 微型机继电保护基础. 北京，中国电力出版社，2007 3肖伟平. 基于 VFC 的电网模拟量数据采集系统. 电气开关，2005，No.4，page4-6 4四方继保自动化公司. CSL-160B 系列数字式线路保护装置说明书. 北京，四方继保自动化公司，2003
