题 目： 牵引供电系统微机保护系统原理设计
目 录
1毕业设计方案流程图 1
2微机保护 2
21微机保护装置优越性 2
22微机保护装置存足 2
23微机保护装置求 2
3微机保护硬件构成 4
31模拟量输入单元 4
32模拟量输出单元 8
33保护CPU 单元 11
34机接口通讯接口 13
总结 16
参 考 文 献 17
1毕业设计方案流程图
设计题目牵引供电系统微机保护系统原理设计文中首先牵引供电系统微机保护系统进行介绍然介绍微机保护硬件结构图示
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
机接口通信接口
保护CPU单元
DA转换回路
AD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
着前电子信息技术互联网技术断发展壮牵引供电系统供电保护系统功逐渐完善突破传统电器保护基形式继电保护形式基微处理器逐渐显现微机保护称微机微处理器设备组成继电保护
21微机保护装置优越性
（1）灵活性强
（2）综合判断力强
（3）性稳定性高
(4)微处理器保护功助微型计算机技术存储功实现逐步提高保护性断提高相关设备装置灵敏性
(5)助计算机智化微机保护动检查障进行诊断锁定修复传统继电保护装置实现功
(6)相传统继电保护装置说危机保护装置体积相较功相齐全具智化
(7)微机保护装置更加方便远程监控系统进行连接实现远程控制
22微机保护装置存足
（1）传统继电保护装置工作原理相新型装置更直观容易掌握部复杂微机保护硬件电路软件原理专业设计员解
（2）微机保护然具高性旦出现障专业员维护
（3）硬件更新换代快容易时
（4）微机保护电子产品更新换代较快更增加户掌握原理难度
23微机保护装置求
(1)致保护工作受监控系统系统影响正微机保护装置选择性快速性性灵敏度等特点求相关保护系统软件结构硬件结构具备身独立完整保护功实现系统部单位保护功
(2)具障记录功旦受保护象出现意外事时保护系统会动进行障记录记录前障信息进行统计分析包括短路电流障发生时间保护退出时间等进行记录便工作员更加快速分析障位置原
(3)微机保护装置具统钟时功帮助系统更加快速准确障发生动作保护动作时间进行记录
(4)存储种保护整定值
(5)通信功微机保护系统外界通信前法高端系统保护装置进行通信
(6)障诊断闭锁恢复功保护单元应具完整障诊断功查找部障动发出警报
3微机保护硬件构成
目前微机保护装置通常采CPU结构相复杂保护装置CPU实现保护功测算功控制功CPU完成机接口通信功CPU微机保护装置硬件构成图示硬件构成包括述四部分容：
图1 微机保护装置硬件构成示意图
31模拟量输入单元
数采集模块（模拟量输入单元）作隔离规范输入电压完成模数转换CPU互联完成数采集实现牵引变电站设备运行状态监视测量保护等功
模拟量输入单元包括电压形成模拟量低通滤波采样保持路转换开关模数转换等功实际转换程中助应软件程序外围控制电路控制实现完成模拟输入量转换计算机识数字量图6显示模拟量输入硬件设施设计原理图
图2 模拟量输入通道
311电压形成回路
电压形成回路称隔离转换电路功实现模拟输入信号电间隔离转换功
图3 电压形成回路
综合性动化装置PTCT相关变换器二次侧获取相关数信息求互感器变换器输出量二次数值范围装置电路相适应否信号会产生严重失真般采中间继电器次设备PT二次侧引电压进步降低次设备CT二次侧引电流变成交流电压LPF双限幅电路步骤中间变换器减少转换电压转换模数转换芯片允许电压
微机保护装置象TATV变换器取AV等信息典型微型计算机电路适互感器二次值输入范围需次进行转换降低运中间变换器通常变压器输入信号转换±5v±10v范围电压信号电压变换器交流电流信号变换成例电压信号
电压形成回路起电量变换作重作TATV二次回路模数转换微机系统完全隔高提高抗扰力
312采样保持电路
采样基原理
采样保持电路功模拟输出量该时刻瞬间值相短时间测量模数转换器进行转化期间保持输出量变SH电路工作原理图4说明ASCh两阻抗变换器构成AS受逻辑输入端电控制该逻辑输入采样脉信号
输入高电时AS动闭合电路采样时电容会迅速充电者迅速放点U s r采样时刻电压值Ts电子模拟开关AS闭合次输入信号采样果次关闭开关时间Tc输出系列重复周期Ts宽度Tc脉脉宽度Tc脉幅度 Tc重复信号幅度必须满足AS关闭时间便 Ch充足时间充电放置点数采样时间足够采样时间越短越应阻抗变换器目输入端呈现高阻抗输入回路影响输出阻抗非常低导致电容充电放电时间回路时间常数保证Ch电压采样时迅速踪U s r
图4 采样保持电路工作原理图采样保持程示意图
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阶梯电压波形
AS接通时AS开路时刻电压保持电容器Ch电路处保持状态提高保持力 电路中外阻抗器ⅡCh应充放电回路时间常数输入阻抗低增强带负载力运算放器构成阻抗变换器ⅠⅡ
313模拟量滤波回路
模拟量滤波回路功电流电压信号中高频分量进行滤波（高频分量发生障时通常超2000Hz)时减少微机保护装置采样频率减微机保护装置硬件求
通常两类模拟滤波器类RC 等器件构成源滤波器类集成运算放器RC 等器件构成源滤波器
目前数基微处理器保护原理反映工作频率种情况降低f s高频分量采样前通LPF滤减少硬件求数字滤器优点通常会求图5中LPF高频进行分量消频率混叠滤掉f s 2分量避免工频周围混叠高频分量低f s 2暂态频率分量通数字滤波器滤实际TATV高频分量抑制作需抗混叠LPF频率特性高求简单RC 低通滤波器图示
图5 RC低通滤波器
低通滤波器消频率混叠问题采样频率部分选择取决保护装置原理算法求外考虑硬件速度
314模数转换回路
模拟信号数字信号转换回路功模拟量信号转换成数字信号根模数转换器原理模数转换器包括基逐次逼原理模数转换器基电压频率转换模数转换器
模数转换器类型转换程分分两种类型直接转化器间接转换器直接转换器中输入模拟信号需中间选项直接转换成相应数字信号时输出间接转换器中输入模拟信号首先会转换成某种中间变量然中间变量转换成数字相较低工作速度精准性抗干扰性较高常常测试仅表中频率
图6 模拟量输入硬件设施设计原理图
32模拟量输出单元
综合性动化系统中电子计算输出数字形式完成执行元件需模拟电流模拟电压需模拟量输出通道实现电流电压输出模拟量输出通道功数字量转换模拟量输出驱动模拟调节执行机构
模拟量输出通道包括接口电路数锁存器数模转换器放驱动电路模拟量输出包括数字模拟量转换器实现该转换器数字信号模拟信号间转换需定时间转换程中转换数字量输入保持变数总线微机系统数输出稳定时间相较短微机系统转换器间通锁存器实现数字量稳定性通转换器获模拟信号LPF波形更加滑外驱动受控设备促功率放器通常作模拟信号量输出驱动电路
模拟量输出通道组成框图图示模拟量输出硬件设施设计原理图图9示
图7 模拟量输出通道结构框图
321 DA转换器电路原理
数模转换器数字数转换模拟信号该转换功通权展开然相加原理实现数字量代码数位组合表示成功数字信号转换成模拟信号代码根权转换成相应模拟信号实现数字信号模拟信号转换通增加模拟量获相应数字量成正总模拟量构成DA转换器基准
数模转换器包含数锁存器数字微电子开关电路解码网络求电路基准电路数字量串行方式行方式输入存数锁存器中部输入密码相应模拟电子开关进行控制促位权网络产生正电流值然通权值求数字量应模拟量
图 38 DA转换器方框图
设计中分析倒T形电阻网络转换器转换原理倒T形电阻网络转换器相互间传输时间差支路电流直接进入运算放器输入端转换速度会断提高传输中出现尖峰脉减少外模拟开关状态满足先通断时状态转换中流支路电流发生改变需时间建立电流助提高电路工作速度
基述分析原倒T型电阻网络转换器前转换器中速度快种转换器应频次种转换器
322 锁存器
锁存器脉电敏感存储单元电路运行状态特定输入脉电改变锁存器暂时存储信号保持定电锁存器电控制数输入分带两种类型锁存器缓存次完成高速控制器慢速外部设施间相步问题锁存器外功解决驱动存解决 IO口时执行输入输出运算器电路中时候会锁存器作数暂存器
图9 模拟量输出硬件设施设计原理图
33保护CPU 单元
CPU保护单元包含微处理器读存储器存单元机存储器定时器行接口串行接口等种装置CPU保护系统执行编程程序时首先分析处理数采集系统输入原始数完成继电保护装置测量逻辑相关控制功CPU保护单元原理图8示保护CPU硬件设施设计原理图图11示
图10 保护CPU单元原理框图
CPU执行控制运算功
ROM存储器存储编程程序包括监控继电保护功程序
定时器计数产生采样脉实时钟等时间计量
图11 保护CPU硬件设施设计原理图
34机接口通讯接口
341 机接口
电子计算机间联系交换信息输入输出设备接口机接口包括键盘显示器印机鼠标器等硬件设施完成两务：(1)信息形式转换(2)信息传输控制
常液晶显示器6键操作键机交互面板包括带户定义画面型LCD屏幕户定义报警信号显示LED户定义途F功键光隔离串行接口远方选择钮操作键
机交互装置机接口间实现信息传输采方式行通信方式原理框图图12示机接口通讯接口硬件设施设计原理图图14示
图12 机接口单元原理框图
342 通讯接口
设备信号传输通讯接口通道包括声音屏幕画面等资料传输包括维护端口监控系统接口波形记录系统接口等
图13 通讯接口原理框图
连接电子计算机重图资料文字资料等进行备份处理配备显影扫描VGA输出接口
微机保护求：快速支持点点通讯突发模式信息传输采星形环形总线形等物理结构支持台机
图14 机接口通讯接口硬件设施设计原理图
总结
设计介绍微机保护系统硬件模拟量输入输出单元保护CPU单元机接口通讯接口组成
数采集单元模拟输入量转换成需数字量通常电压形成低通滤波器采样保持器路转换开关模拟量数字转换组成
模拟量输出通道包括接口电路数锁存器数模转换器放驱动电路
保护CPU单元微处理器读存储器部单元组成具RAM定时器行接口串行接口
机接口指电子计算机间接口模拟输入信息输出信息间联系转换般采行通信方式
般说通信接口助设备信号输出通道通行接口方式实现通信功
参 考 文 献
[1] 黄益庄变电综合动化技术[M]中国电力出版社2000
[2] 王亚妮变电综合动化技术[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装备[M]西南交通学出版社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发展[J]电网技术2006
[9] 王亮赵文东微机继电保护现状发展趋势[J]科技情报开发济2006
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题 目： 牵引供电系统微机保护系统原理设计
目 录
1毕业设计方案流程图 1
2微机保护 2
21微机保护装置优越性 2
22微机保护装置存足 2
23微机保护装置求 2
3微机保护硬件构成 4
31模拟量输入单元 4
32模拟量输出单元 8
33保护CPU 单元 11
34机接口通讯接口 13
总结 16
参 考 文 献 17
1毕业设计方案流程图
设计题目牵引供电系统微机保护系统原理设计文中首先牵引供电系统微机保护系统进行介绍然介绍微机保护硬件结构图示
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
机接口通信接口
保护CPU单元
DA转换回路
AD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
着前电子信息技术互联网技术断发展壮牵引供电系统供电保护系统功逐渐完善突破传统电器保护基形式继电保护形式基微处理器逐渐显现微机保护称微机微处理器设备组成继电保护
21微机保护装置优越性
（1）灵活性强
（2）综合判断力强
（3）性稳定性高
(4)微处理器保护功助微型计算机技术存储功实现逐步提高保护性断提高相关设备装置灵敏性
(5)助计算机智化微机保护动检查障进行诊断锁定修复传统继电保护装置实现功
(6)相传统继电保护装置说危机保护装置体积相较功相齐全具智化
(7)微机保护装置更加方便远程监控系统进行连接实现远程控制
22微机保护装置存足
（1）传统继电保护装置工作原理相新型装置更直观容易掌握部复杂微机保护硬件电路软件原理专业设计员解
（2）微机保护然具高性旦出现障专业员维护
（3）硬件更新换代快容易时
（4）微机保护电子产品更新换代较快更增加户掌握原理难度
23微机保护装置求
(1)致保护工作受监控系统系统影响正微机保护装置选择性快速性性灵敏度等特点求相关保护系统软件结构硬件结构具备身独立完整保护功实现系统部单位保护功
(2)具障记录功旦受保护象出现意外事时保护系统会动进行障记录记录前障信息进行统计分析包括短路电流障发生时间保护退出时间等进行记录便工作员更加快速分析障位置原
(3)微机保护装置具统钟时功帮助系统更加快速准确障发生动作保护动作时间进行记录
(4)存储种保护整定值
(5)通信功微机保护系统外界通信前法高端系统保护装置进行通信
(6)障诊断闭锁恢复功保护单元应具完整障诊断功查找部障动发出警报
3微机保护硬件构成
目前微机保护装置通常采CPU结构相复杂保护装置CPU实现保护功测算功控制功CPU完成机接口通信功CPU微机保护装置硬件构成图示硬件构成包括述四部分容：
图1 微机保护装置硬件构成示意图
31模拟量输入单元
数采集模块（模拟量输入单元）作隔离规范输入电压完成模数转换CPU互联完成数采集实现牵引变电站设备运行状态监视测量保护等功
模拟量输入单元包括电压形成模拟量低通滤波采样保持路转换开关模数转换等功实际转换程中助应软件程序外围控制电路控制实现完成模拟输入量转换计算机识数字量图6显示模拟量输入硬件设施设计原理图
图2 模拟量输入通道
311电压形成回路
电压形成回路称隔离转换电路功实现模拟输入信号电间隔离转换功
图3 电压形成回路
综合性动化装置PTCT相关变换器二次侧获取相关数信息求互感器变换器输出量二次数值范围装置电路相适应否信号会产生严重失真般采中间继电器次设备PT二次侧引电压进步降低次设备CT二次侧引电流变成交流电压LPF双限幅电路步骤中间变换器减少转换电压转换模数转换芯片允许电压
微机保护装置象TATV变换器取AV等信息典型微型计算机电路适互感器二次值输入范围需次进行转换降低运中间变换器通常变压器输入信号转换±5v±10v范围电压信号电压变换器交流电流信号变换成例电压信号
电压形成回路起电量变换作重作TATV二次回路模数转换微机系统完全隔高提高抗扰力
312采样保持电路
采样基原理
采样保持电路功模拟输出量该时刻瞬间值相短时间测量模数转换器进行转化期间保持输出量变SH电路工作原理图4说明ASCh两阻抗变换器构成AS受逻辑输入端电控制该逻辑输入采样脉信号
输入高电时AS动闭合电路采样时电容会迅速充电者迅速放点U s r采样时刻电压值Ts电子模拟开关AS闭合次输入信号采样果次关闭开关时间Tc输出系列重复周期Ts宽度Tc脉脉宽度Tc脉幅度 Tc重复信号幅度必须满足AS关闭时间便 Ch充足时间充电放置点数采样时间足够采样时间越短越应阻抗变换器目输入端呈现高阻抗输入回路影响输出阻抗非常低导致电容充电放电时间回路时间常数保证Ch电压采样时迅速踪U s r
图4 采样保持电路工作原理图采样保持程示意图
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阶梯电压波形
AS接通时AS开路时刻电压保持电容器Ch电路处保持状态提高保持力 电路中外阻抗器ⅡCh应充放电回路时间常数输入阻抗低增强带负载力运算放器构成阻抗变换器ⅠⅡ
313模拟量滤波回路
模拟量滤波回路功电流电压信号中高频分量进行滤波（高频分量发生障时通常超2000Hz)时减少微机保护装置采样频率减微机保护装置硬件求
通常两类模拟滤波器类RC 等器件构成源滤波器类集成运算放器RC 等器件构成源滤波器
目前数基微处理器保护原理反映工作频率种情况降低f s高频分量采样前通LPF滤减少硬件求数字滤器优点通常会求图5中LPF高频进行分量消频率混叠滤掉f s 2分量避免工频周围混叠高频分量低f s 2暂态频率分量通数字滤波器滤实际TATV高频分量抑制作需抗混叠LPF频率特性高求简单RC 低通滤波器图示
图5 RC低通滤波器
低通滤波器消频率混叠问题采样频率部分选择取决保护装置原理算法求外考虑硬件速度
314模数转换回路
模拟信号数字信号转换回路功模拟量信号转换成数字信号根模数转换器原理模数转换器包括基逐次逼原理模数转换器基电压频率转换模数转换器
模数转换器类型转换程分分两种类型直接转化器间接转换器直接转换器中输入模拟信号需中间选项直接转换成相应数字信号时输出间接转换器中输入模拟信号首先会转换成某种中间变量然中间变量转换成数字相较低工作速度精准性抗干扰性较高常常测试仅表中频率
图6 模拟量输入硬件设施设计原理图
32模拟量输出单元
综合性动化系统中电子计算输出数字形式完成执行元件需模拟电流模拟电压需模拟量输出通道实现电流电压输出模拟量输出通道功数字量转换模拟量输出驱动模拟调节执行机构
模拟量输出通道包括接口电路数锁存器数模转换器放驱动电路模拟量输出包括数字模拟量转换器实现该转换器数字信号模拟信号间转换需定时间转换程中转换数字量输入保持变数总线微机系统数输出稳定时间相较短微机系统转换器间通锁存器实现数字量稳定性通转换器获模拟信号LPF波形更加滑外驱动受控设备促功率放器通常作模拟信号量输出驱动电路
模拟量输出通道组成框图图示模拟量输出硬件设施设计原理图图9示
图7 模拟量输出通道结构框图
321 DA转换器电路原理
数模转换器数字数转换模拟信号该转换功通权展开然相加原理实现数字量代码数位组合表示成功数字信号转换成模拟信号代码根权转换成相应模拟信号实现数字信号模拟信号转换通增加模拟量获相应数字量成正总模拟量构成DA转换器基准
数模转换器包含数锁存器数字微电子开关电路解码网络求电路基准电路数字量串行方式行方式输入存数锁存器中部输入密码相应模拟电子开关进行控制促位权网络产生正电流值然通权值求数字量应模拟量
图 38 DA转换器方框图
设计中分析倒T形电阻网络转换器转换原理倒T形电阻网络转换器相互间传输时间差支路电流直接进入运算放器输入端转换速度会断提高传输中出现尖峰脉减少外模拟开关状态满足先通断时状态转换中流支路电流发生改变需时间建立电流助提高电路工作速度
基述分析原倒T型电阻网络转换器前转换器中速度快种转换器应频次种转换器
322 锁存器
锁存器脉电敏感存储单元电路运行状态特定输入脉电改变锁存器暂时存储信号保持定电锁存器电控制数输入分带两种类型锁存器缓存次完成高速控制器慢速外部设施间相步问题锁存器外功解决驱动存解决 IO口时执行输入输出运算器电路中时候会锁存器作数暂存器
图9 模拟量输出硬件设施设计原理图
33保护CPU 单元
CPU保护单元包含微处理器读存储器存单元机存储器定时器行接口串行接口等种装置CPU保护系统执行编程程序时首先分析处理数采集系统输入原始数完成继电保护装置测量逻辑相关控制功CPU保护单元原理图8示保护CPU硬件设施设计原理图图11示
图10 保护CPU单元原理框图
CPU执行控制运算功
ROM存储器存储编程程序包括监控继电保护功程序
定时器计数产生采样脉实时钟等时间计量
图11 保护CPU硬件设施设计原理图
34机接口通讯接口
341 机接口
电子计算机间联系交换信息输入输出设备接口机接口包括键盘显示器印机鼠标器等硬件设施完成两务：(1)信息形式转换(2)信息传输控制
常液晶显示器6键操作键机交互面板包括带户定义画面型LCD屏幕户定义报警信号显示LED户定义途F功键光隔离串行接口远方选择钮操作键
机交互装置机接口间实现信息传输采方式行通信方式原理框图图12示机接口通讯接口硬件设施设计原理图图14示
图12 机接口单元原理框图
342 通讯接口
设备信号传输通讯接口通道包括声音屏幕画面等资料传输包括维护端口监控系统接口波形记录系统接口等
图13 通讯接口原理框图
连接电子计算机重图资料文字资料等进行备份处理配备显影扫描VGA输出接口
微机保护求：快速支持点点通讯突发模式信息传输采星形环形总线形等物理结构支持台机
图14 机接口通讯接口硬件设施设计原理图
总结
设计介绍微机保护系统硬件模拟量输入输出单元保护CPU单元机接口通讯接口组成
数采集单元模拟输入量转换成需数字量通常电压形成低通滤波器采样保持器路转换开关模拟量数字转换组成
模拟量输出通道包括接口电路数锁存器数模转换器放驱动电路
保护CPU单元微处理器读存储器部单元组成具RAM定时器行接口串行接口
机接口指电子计算机间接口模拟输入信息输出信息间联系转换般采行通信方式
般说通信接口助设备信号输出通道通行接口方式实现通信功
参 考 文 献
[1] 黄益庄变电综合动化技术[M]中国电力出版社2000
[2] 王亚妮变电综合动化技术[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装备[M]西南交通学出版社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发展[J]电网技术2006
[9] 王亮赵文东微机继电保护现状发展趋势[J]科技情报开发济2006
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