微机保护数据采集系统的优化

数据采集系统的作用是将输入至保护装置的电压、电流等模拟量准确地转换成所需的数字量。按其中的模数转换器（A/D转换器，ADC）的类型可分为两类：一类是比较式数据采集系统，采用逐次比较式A/D转换器实现数据的转换；另一类是压频转换式数据采集系统，采用V/F转换器（VFC）实现数据的转换。这里仅简要介绍在电力系统中应用比较广泛的比较式数据采集系统的组成。

比较式数据采集系统的框图如图6-64所示。它包含交流变换器、前置模拟低通滤波器（ALF）、采样保持器（S/H）、多路转换开关（MPX）和A/D转换器等功能模块。

图6-64　比较式数据采集系统的框图

（1）交流变换器　交流变换器的作用有二：一是将从电压互感器、电流互感器上获得的二次电流、电压信号变换成与A/D转换芯片电平相匹配的电压信号；二是实现互感器二次回路与微机保护A/D转换系统完全电隔离，以提高抗干扰能力。

（2）前置模拟低通滤波器　前置模拟低通滤波器一般由R、C元件组成，其作用是阻止频率高于某一数值的信号进入A/D转换系统。

根据采样定理可知，采样频率必须大于输入的信号频谱中所含的最高频率的2倍，才能保证采样后的离散信号真实地代表原始输入信号，否则会发生频率混叠，使信号畸变。对微机保护系统来说，由于在系统故障时的电压、电流信号中含有许多高次谐波，为防止混叠，采样频率将不得不用得很高，这样对CPU的速度提出了过高的要求。如果在故障电压或电流等模拟量进入采样保持器之前，用一个模拟低通滤波器将频率高于的信号滤掉，这一方面可以降低采样频率fs，从而降低对微机系统硬件过高的要求，另一方面也可以减少谐波分量对某些算法的影响。

（3）采样保持器　微机保护系统通常要同时检测几个模拟量，为了使各信号间的相位关系保持不变，必须在每一通道上装设采样保持器，在同一瞬间对各模拟量采样并予以保持，以供A/D转换器相继进行变换。可见，采样保持器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A/D转换器进行转换的期间内保持其输出不变，以保证有较高的转换精度。采样保持的过程如图6-65所示。图中为采样脉冲宽度，为采样周期（采样间隔），目前绝大多数微机保护的采样周期在0.5～2ms的范围内。

图6-65　采样保持的过程(www.xing528.com)

（4）多路转换开关　数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集，但由于A/D转换器价格昂贵，通常不是每个模拟输入量通道设一个A/D转换器，而是采用多路模拟信号共用一个A/D转换器，中间用一个多路转换开关轮流切换各路模拟量与A/D转换器之间的通道，使得在任一时刻只将一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时转换的目的。

（5）A/D转换器　由于计算机只能处理数字信号，而电力系统中的电流、电压均为模拟量，因此，必须采用A/D转换器将连续的模拟量转换为离散的数字量。

微机保护用的A/D转换器绝大多数都是应用逐次逼近法的原理实现的，它由一个数模（D/A）转换器和一个比较器组成，如图6-66所示。

设图6-66所示为一个4位A/D转换器。逼近的步骤采用二分搜索法，转换一开始，由控制器首先给数码设定器设置一个数码，对4位转换器来说，最大可能的转换结果为1111。数码先设定为最大可能值的一半，即1000，将此二进制数由D/A转换器转换为模拟信号输出，D/A转换器转换的输出与待转换的模拟信号同时加入比较器进行比较，当时，比较器输出为“0”，则可以肯定最终结果最高位必定为“0”，此时控制器将数码设定器设置为0100，然后经D/A转换后再与比较；当时，比较器输出为“1”，则可以肯定最终结果最高位必定为“1”，此时控制器将数码设定器设置为1100，然后经D/A转换后再与比较。这样，经过4次比较，即可将模拟信号转换为数字信号。

这种原理只适用于单极性输入电压，即输入电压必须为正的，如果为负，则不论负值多大，比较结果必然是0000。但继电保护所反映的交流电流、交流电压都是双极性的，为了实现对双极性模拟量的模数转换，需要设置一个直流偏移量，其值为最大允许输入量的一半。将此直流偏移量同交变的输入量相加变成单极性模拟量后再接到比较器上，如图6-67所示。例如，如果交流变换器二次的最大输出电压为±5V，叠加一个+5V的偏置电压后，即可为0～+10V的单极性信号。此时，A/D转换器的数字量输出实际反映的是之和，只要减去同所相当的数字量就能还原成用补码形式表示的同双极性输入对应的数字量输出。

图6-66　逐次比较式A/D转换原理

图6-67　A/D转换器的双极性连接及波形