微机保护的数据采集系统（2）

（二）采样保持电路（S／H）和模拟低通滤波器（ALF）

    1．采样保持电路（S／H）

   （1）采样保持原理。 S／H电路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，并在模数变换器进行转换期间内保持其输出不变，它的工作原理可用图1－7来说明。

   它由一个电子模拟开关AS，电容Ch及两个阻抗变换器组成。开关AS受逻辑输入端采样脉冲的电平控制。在高电平时AS闭合，此时电路处于采样状态。Ch迅速充电到在采样时刻的电压值U；。在低电平时，AS打开，电容Ch上保持住AS打开瞬间的电压，电路处于保持状态。AS的闭合时间应满足Ch有足够的充电时间，即采样时间。显然采样时间越短越好，因此采用了阻抗变换器I，它在输入端呈现高阻抗，而输出阻抗很低，使Ch上电压能够迅速跟踪到Ui值。同样，为了提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器Ⅱ，它对Ch呈现高阻抗，而输出端阻抗（U。侧）很低，以增强带负载能力。阻抗变换器可由运算放大器构成跟随器电路。

 

（2）采样保持分析。采样保持过程如图1－8所示。TC为采样脉冲宽度，TS为采样周期（或称采样间隔）。当采样脉冲为高电平时，AS接通，电容Ch充电值为采样信号Ui；如图1－8（C）。采样脉冲为低电平时，AS断开，电容Ch处于采样保持阶段，供模数变换器输入电压，在这个保持阶段阻抗变换器皿输出不变。最终的输出的采样保持信号如图1－8（d）所示。可见采样保持输出的信号已经是离散化的模拟量。再经模数转换后，就成为离散化的数字量。

                                                 

 

2．采样频率与采样定理

采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs，采样频率的正确选择是微机保护硬件和软件设计中的一个关键问题。这个问题涉及到采样信号是否真实反映输入的信号。微机保护所反应的电力系统参数是经过采样离散化的数字量。那么，连续时间信号经采样离散化成为离散时间信号后是否会丢失一些信息，也就是说这离散信号能否真实地反映被采样的连续信号呢？为此可分析图1－9所示的采样频率选择的示意图。设被采样信号x（t）的频率为入，对其进行采样，若每周采一点，即s=o，由图1－9（b）可见，采样所得到的为一个直流量。若每周采1．5点，即s=1．5o时，采样得到的是一个频率比入低的低频信号。当s=2o时，采样所得波形的频率为被采样信号的频率入，见图1－ 9（d）所示。虽然这时波形仍然有失真现象。显然，若s＞2o，则采样后所得到的信号才有可能较为真实地代表输入信号X（t）。也就是说，一个高于s/2的频率成分在采样后将被错误地认为是一个低频信号。只有在s＞2o后，才可能不会出现这种失真现象。因此若要不丢失信息，完好地对输入信号采样，就必须满足s＞2o这一条件。总之，为了使信号采样后能够不失真地还原，采样频率必须大于信号最高频率两倍以上，这就是乃奎斯特采样定理。

 

    举例来说，小电流接地系统检测装置，要采样的信号是5倍频的电流信号，即o= 5×50=250HZ，采样频率至少应选s≥500HZ才能保让采样的五倍频电流信号不失真地还原。

    3．低通滤波器（ALF）

        电力系统在故障的暂态期间，电压和电流含有较高的频率成分，如果要对所有的高次谐波成分均不失真地采样，那么其采样频率就要取得很高，这就对硬件速度提出很高要求，使成本增高，这是不现实的。实际上，目前大多数微机保护原理都是反映工频分量的，或者是反映某种高次谐波（例如5次谐波分量），故可以在采样之前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，以降低入，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。要限制输入信号的最高频率。只需在采样前用～个模拟低通滤波器（ALF），将fs／2以上的频率分量滤去即可。模拟低通滤波器可以做成无源或者有源的。图1－10是常用的无源低通滤过器原理及特性图。 这种无源低通滤过器由二级＊C滤波器构成，在整流滤波电流中，二级RC滤波器的RC时间常数选择 较大时，可滤除全部交流成分，而只剩下直流成分。显然只要恰当调整RC时间常数，二级RC滤波器就可成为低通滤过器。此时截止频率可设计为fs／2，以限制输入信号的最高频率，而较其低的频率信号就能顺利地通过。这种滤过器接线简单，但电阻与电容回路对信号有衰减作用，并会带来延迟对快速保护不利，仅适用于要求不高的微机保护。对于要求有较好特性又快速的保护，必须采用有源的低通滤过器。有源低通滤过器通常由上述无源滤过器加上运算放大器构成，此时电容可取较小的数值，从而加快了保护动作速度。

    采用了ALF消除频率失真现象后，采样频率在很大程度上取决于保护原理和算法的要求，同时还要考虑硬件速度。目前绝大多数微机保护的采样间隔TS都在0．8～1．8ms之间，基本上能满足硬件速度及对最高频率的不失真采样的要求。