高压开关柜智能单元设计 器的电源电压通常取±12V或±15V，也可根据具体情况自定。图中反馈电阻R要求精度优于1%，温度系数优于50PPM。
2.2.4 数据采集系统工作原理
本系统采用ADC式数据采集系统，采用MAX197A/D转换器将模拟量转换为数字量。由于MAX197转换器自带采样保持器S/H，并可通过软件编程控制模拟输入通道，所以本系统只需电压形成回路、放大器、模拟低通滤波器（ALF）、模数变换器（MAX197）三个部分。
（1）电压形成回路（电路图如下）
图2.4电压电流互感器应用电路图
本系统采用交流采样，电压互感器二次侧的额定电压为100V，电流互感器二次侧额定电流范围为5A， 由于模数变换器MAX197的输入信号电压范围选择为：0～10V，所以主电路中电压或电流互感器二次侧的电压或电流量需经各种中间变换器来实现变换，以满足MAX197的要求。本系统采用电压互感器GYV—7、电流互感器GYA—7、运放电路将采样电压、电流转换成符合要求的模拟量信号。电压形成回路除起电量变换作用外还起到隔离作用。它使微机电路在电气上与强电系统相隔离，从而在较大程度上削减了来自高压系统的电磁干扰。
本系统中，由微型电压互感器GYV-7与运算放大器组成的电路的额定输入电压为100V，输出电压为5V，由微型电流互感器GYA－7与运算放大器组成电路的额定输入电流为5A，输出电压为5V，以满足MAX197对输入模拟信号的要求。要达到此目的，需确
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湖南工程学院毕业设计论文 定电压形成回路的电路参数。对于由微型电压互感器GYV－7与运算放大器组成的电路，选择初级额定电流为1mA，限流电阻R1＝100V/1mA＝100KΩ，选R1＝100KΩ，1/4W。此时实际初级额定电流I＝100V/100.1KΩ＝0.999mA（0.1KΩ为GYV－7的初级电阻）。初级额定电流的选择并不要求很精确。反馈电阻R＝5V/0.999 mA ＝5.005KΩ。为补偿相移，需确定补偿电阻r和补偿电容C的值。C选0.033μF，GYV－7上标的φC为15/，此时
r?95?22R??C?1?12?154K? (2.1)
对于由微型电流互感器GYA－7与运算放大器组成的电路，反馈电阻R＝5V/5mA＝1K?。C选0.033μF，GYA-7上标的φC为15，则。
r?95?22R/
??C?1?12?132K? (2.2)
具体参数如图2.5所示。 （2）低通滤波器（ALF）
图2.5低通滤波器原理图
经传感器转换和放大后的电信号，由于测量现场的电磁干扰，传感器本身以及放大电路等的影响，往往含有多种频率成分的干扰，而系统在故障的瞬态期间，电压和电流也含有较高的频率成分，本系统的微机保护原理是反映工频分量的，所以在采样之前应将最高信号频率分量限制在一定频带之内，即限制输入信号的最高频率，以降低采样频率fS，一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需的最高频率信号的采样不至于发生失真。本系统采用如图2.5所示的有源低通滤波器滤去fS/2以上的频率分量。
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高压开关柜智能单元设计 电路参数的确定：令R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则有
?C＝H0＝1RC?R4R3
(2.3)
(2.4) (2.5)
?R3?
1Q＝3－H0
本系统要采样的信号是电压和电流的工频信号，即f0＝50Hz，每周期采样12次，即采样频率?S＝12350Hz＝600Hz，所以ALF的截止频率 ?C＝300Hz，设品质因素Q＝2，则：
RC＝?fc2＝2.65?101Q?4
(2.6) (2.7)
H0＝3－＝2.5
若选C＝0.1μF，则R＝2650Ω，（R3＋R4）/R3＝2.5，可选取适宜的R3、R4值。具体参数如图2.5所示。 （3）模数转换电路
本系统采用MAX197完成模数转换，在本系统中，为节省功耗令其工作在等待掉电、内部获取模式，输入信号电平范围选择为0～10V，软件控制输入通道，所以其控制字为：90H～97H，MAX197是12位ADC，能分辨出满刻度的1/212或满刻度的0.0245%。则本系统中MAX197能分辨输入电压变化的最小值VR＝2.44310－3V。MAX197的具体接线参见电路图。
（4）数字滤波
由于本设计的软件系统所采用的半周积分算法不能消除直流分量的干扰，所以还需在程序中进行数字滤波。数字滤波主要是数据采集误差的软件抗干扰措施，数字滤波实际上是一种程序滤波，即通过一定的计算程序，对采样信号进行平滑加工，减少干扰在有用信号的比重。本设计采用程序判断滤波法，根据经验判断两次采样允许的最大偏差ΔY（由用户整定），若先后两次采样值的差值大于ΔY，则表明输入信号是干扰信号，应该去掉，而将上次采样值作为本次采样值；若差值小于ΔY，则本次采样值有效。
2.3 开关量输入输出电路
输入的开关量包括两类：一类是断路器，隔离开关等设备的辅助触点和有关继电器的接点，以检测这些设备的工作状态（开还是合）；另一类是智能单元装置的一些接点，
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湖南工程学院毕业设计论文 例如开关量输出电路的继电器接点和装置面板上的切换开关。输出的开关量包括断路器跳闸脉冲和信号。
图2.6跳闸出口电路
跳闸出口设计的关键是如何防止误动作。如图所示，并行输出端口8255A经过光电隔离控制有触点的继电器KCO。为了防止误动，在出口跳闸时，8255的两个并行口PB0和PB1安排不同的电平输出，PB0输出“0”；PB1输出“1”，使与非门输出“0”，驱动发光二极管。这样可以防止在拉合直流电源过程中继电器的短时误动。因为在拉合直流电源时，形同上电复位，PB0和PB1都是相同电平输出，不可能驱动发光二极管，从而防止了误动。
2.4 串行通信接口
控制/保护只能单元应有通信接口，可采用RS－485接口标准。RS－485标准采用平衡传输方式，使用双绞线，不用MODEM的情况下，在100Kbps的传输速率时，可传输的距离为1200米；当传输速率下降到9600bps则传输距离可达1500米。与其他接口标准相比，RS－485的优点在于它是一种多发送器的标准，允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器组合单元。由于RS－485能在一对平衡传输线上连接32个发送器－接收器对，这使它在多点通信系统中得到广泛应用。此外，RS－485还有抗干扰能力强的优点。
按RS－485接口标准进行串行通信时，数据可以在两个通信站点或更多通信站点之间进行相互交换，根据传输通道上数据流的传送方向可以将数据传送模式分为全双工和
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高压开关柜智能单元设计 半双工。RS-485接口标准一般采用半双工工作方式。
RS－485一般采用终端匹配的总线型结构，不支持唤环型或星型网络。最好采用一条总线将各个环节串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。
RS－485接口由于采用差分方式传输信号，所以并不需要对相对于某个参照点来检测信号系统，只需检测两线之间的电位差就可以了。但收发器只有在共模电压不超出一定范围（－7V～＋12V）的条件下才能正常工作。当共模电压超出此范围时，就会影响通信的可靠性甚至损坏接口。RS－485电气特性如下表所示：
表2.5 RS－485电气特性
项目 驱动器开路 输出电压 驱动器带载 输出电压 驱动器输出短路电流 驱动器输出上升时间 驱动器共模电压 接收器灵敏度 接收器共模电压范围 接收器输入电阻 条件 逻辑1 逻辑0 RL=100?，逻辑1 RL=100?, 逻辑0 最小值 1.5V -1.5V 1.5V -1.5V -7V 12k? 最大值 6V -6V 5V -5V ?250mA 每个输出对公共端 RL=54?,CL=50pF RL=54? 总周期的30％ ?3V ?200mV -7＜VCM＜12V +12V
2.5 人机接口
2.5.1 人机接口框架图
此微机保护系统的人机接口是指键盘、显示器、及CPU插件电路。这部分的主要作用是操作人员通过键盘和显示器完成人机对话任务、时钟校对及与各CPU插件通信和巡检任务。为了减轻CPU的负担，由可编程键盘、液晶显示模块控制器T6963C来完成键盘、液晶显示器与CPU的接口任务，时钟校对由MC146818独立完成，如图2.7所示。
2.5.2 硬件时钟电路
接口插件设置了一个硬件时钟电路，该时钟电路以RTC芯片MC146818时钟芯片为核心，配有COMS RAM，是智能式硬件时钟。其内部由电子时钟和存储器两部分组成，可设年、月、日、时、分、秒、星期；能处理闰年闰月；可将当前时间实时存储，以便人机接口CPU随时读取。该接口电源正常时，由装置+5V电源供电，导通，截止，通过对电池充电。当直流消失时导通，自动由电池对MC146818供电，以保证硬件时钟
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