郑州职业技术学院 毕业设计（论文）
微机保护硬件系统包含以下四个部分：①数据处理单元，即微机主系统，②数据采集单元，即模拟量输入系统；③数字量输入/输出接口：即开关量输入输出系统；④通讯接口。
2.2微机保护装置的输入输出通道
微机保护的输入通道分为模拟量输入通道和开关量输入通道，输出通道主要为继电器逻辑回路。输入通道主要完成电力系统的电压、电流信号的采集和一次设备的状态量采集（比如断路器的运行状态）；而输出通道主要完成保护跳闸信号、告警信号的输出。
2.2.1模拟量输入通道
目前，微机保护的模拟量采集均采用交流采样技术。模拟量输入通道主要由模拟量输入变换回路、低通滤波器、采样和A/D转换器等几个环节构成。
2.2.1.1模拟量输入变换回路
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由一次回路的CT、PT的二次侧输入至微机保护器的信号，一般数值较大，不适合内部A/D转换的电平要求（一般A/D转换回路的输入电压范围为±2.5V、±5V或±10V）。模拟量输入变换回路的主要任务就是就是将输入的电量进一步变换，将二次电量值变得更小，同时将电流量变为电压量，以适合内部A/D转换的要求。同时，该变换回路还起着隔离外部干扰的作用。
设计模拟量输入变换回路要注意的几点：①要保证各电流变换器之间、各电压变换器之间及电流、电压变换器之间的一次、二次侧相位移保持一致；②变换器的铁芯磁导率要选取得当，保证工作的线性范围；③变换器本身的损耗要小；④要保证在最大短路电流下，变换器的输出不使A/D发生溢出。
2.2.1.2低通滤波器及采样
由于计算机处理的是离散的时间信号，故输入的连续模拟量必须要被采样为离散的模拟量。同时，要使采样值能准确无误的反映输入的模拟量，采样频率必须遵循一定的要求，即采样频率必须大于原始输入信号中最高频率分量的频率的2倍，这就是采样定理。否则，采样信号将出现频率混叠，不能真实反映原始输入信号。
系统的故障电流、电压信号中一般含有许多高频分量。而常见的微机保护原理大多是基于工频量的。这样，为了避免不必要的抬高采样频率，一般微机保护器中都设置了前置低通滤波器。图2-2描述了低通滤波器的理想频率响应。图中，fc为滤波器的截止频率，是考察低通滤波器的一个重要指标。
2.2.1.3 A/D转换
由于计算机只对离散的数字量进行处理，则采样得到的离散的模拟量还要进一步转换为离散的数字量。完成这一任务的环节即为A/D转换器（模/数转换器）。模数转换过程的实质就是对模拟信号进行量化和编码的过程。
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根据A/D转换的原理和特点的不同，可将A/D转换分为直接转换和间接转换两大类。常见的直接转换有逐次逼近式A/D、计数式A/D等；间接转换有积分式A/D、V/F式A/D等。至于各种A/D的原理，这里就不在细述。 2.2.2数字量输入输出通道 数字信号的输入输出，主要针对于微机保护器的人机接口和各种告警信号、跳闸信号及电度脉冲等。为防止外部干扰的窜入，一般在输入输出回路中均采用光电隔离措施。典型的数字信号输入输出回路如图2-3所示。
2.3 微机保护装置的数字核心
在设计产品时，应充分考虑到可靠性、可维护性和可扩性。软件版本升级不应变更硬件。
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图2-4
微机保护中CPU通过模数转换器(A/D)获得输入的电压，电流等模拟量为数字量(也可以含开关量输入)的过程称为采样，它实际上完成了输入连续模拟量到离散采样数字量的转换过程，它一般通过采样中断来实现。
从外面引入微机保护的开关量，如开关、闸刀位置辅助接点，收发信机的收发信状态触点等都是由“开入”回路中的光电隔离技术处理后，将信息送至中央处理系统。从微机保护送出的开关量，如跳闸命令，告警信息等，则是经“开出”回路中的光电隔离技术处理后，将中央处理系统的判断结果送出。光电隔离技术可以有效抵御干扰侵入。
中央处理系统即CPU主系统。由它对数据采集系统输入的各种原始数据进行计算分析、处理、判断，完成各种继电保护功能。
CPU主系统是微机保护系统的核心。它一般包括：微处理器、只读存储器、随机存储器和定时器等部件，集成在一块板上叫单板机，集成在—块芯片上的叫单片机。
单片微型计算机简称为单片机(大规模集成，总线不出芯片)。它在一块芯片上集成了中央处理部件(CPU)存储器(RAM，ROM)、定时器、计数器和各种输入输出接口(如并行I/O口，串行I/O，和A/D转换器)等，其互联结构框图如下所示，单片机本身就是为实时控制应用而设计制造的。总线不出芯片的单片机可大大增加其抗干扰性能。
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图2-5单片机基本结构 TXD串行数据发送口 RXD串行数据接收口
RAM常用于存放采样数据和计算的中间结果、标志字等信息，一般也同时存放微机保护的动作报告信息等内容。读写操作方便，执行速度快，缺点是+5V工作电源消失，其后有数据、报告等内容也消失。
EPROM用于存放微机保护功能程序代码，在12.5V～21V电压下固化，5V电压环境下运行。若修改程序或版本升级，需将此芯片经专用紫外线擦除工具擦除后再重新固化。
E2PROM(电可擦写的只读存储器)特点是5V工作电源下可重新写入新的内容，并且+5V工作电源消失后其内容不会丢失，所以E2PROM常用于存放定值，重要参数等信息。缺点是写入较慢，有串行和并行两种方式。
FLASH用途同上，但其容量更大，写入速度快，有替代E2PROM可能。 在CPU的选型问题上，首先考虑的是能否在两个相邻采样间隔内完成它必须完成的工作，即CPU的速度问题。衡量速度的一个重要指标就是字长，字长越长，它同时所能处理的数据位数越多，即处理速度越快；另一方面，CPU速度问题跟其采用的主工作频率有关，同时跟子系统模数转换器(A/D)的位数配合也有关。 对电力系统设计而言，在CPU选型方面，除考虑到其四性要求，还应充分考虑到经济性，确定一个较经济的方案，否则将对财物造成极大的浪费，但当可靠性与经济性发生冲突时，应倾向侧重于可靠性，确保电力系统的稳定安全运行。 保护采用多CPU结构，各功能相互独立，相互配合，使得装置功能和处理能
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