1、微机保护装置硬件原理
目前微机保护在电力系统中得到广泛的应用，它与传统保护相比有明显的优越性，如灵活性强，易于解决常规保护装置难于解决的问题，使保护功能得到改善；综合判断能力强；性能稳定，可靠性高；体积小、功能全；运行维护工作量小，现场调试方便等。
微机保护装置从功能上可以分为六个部分，如图所表示：
各部分的功能如下：
1.模拟量输入系统（数据采集系统 ）：采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，将此信号经过滤波，然后转换为所需的数字量。
2.cpu主系统：包括微处理器cpu，只读存储器（eprom）、随机存取存储器（ram）及定时器（timer）等 。cpu执行存放在eprom中的程序，对由数据采集系统输入至ram区的原始数据进行分析处理，并与存放于e2prom中的定值比较，以完成各种保护功能 。
3.开关量输入/输出回路：由并行口、光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号指示及外部接点输入等工作。
4.人机接口部分：包括打印、显示、键盘、各种面板开关等，其主要功能用于人机对话，如调试、定值调整等。
5.通讯接口：用于保护之间通讯及远动。
6.电源：提供整个装置的直流电源。
2、微机保护数据采集系统
数据采集系统又称模拟量输入系统，采用a/d芯片的a/d式数字采集系统。
根据模数转换的原理不同，微机保护装置中模拟量输入回路方式，一是基于逐次逼近型a/d转换方式，二是利用电压/频率变换（vfc）原理进行a/d变换的方式 。
1.基于逐次逼近式a/d转换的模拟量输入系统
如图所示：基于逐次逼近式a/d转换的模拟量输入系统包括电压形成回路、alf、s/h、mpx及a/d五部分，现在分别叙述这五部分的基本工作原理及作用。
1.电压形成回路
来自被保护设备的电流互感器、电压互感器的二次侧交流输入量，其数值较大，变化范围也较大，不适应模数转换器的转换要求，故需对它进行变换。一般采用各种中间变换器来实现这种变换，例如电流变换器（ua）、电压变换器（uv）和电抗变换器（ur）等。
电压形成回路除了电量变换作用，还起着屏蔽和隔离的作用。
2.采样保持（s/h）电路
其作用是在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转换器进行转换期间保持不变。
（1）采样
采样是将一个连续的时间信号x(t)变成离散的时间信号x*(t)。
如上图所示理想采样过程：提取模拟信号的瞬时值，抽取的时间间隔由采样控制脉冲s(t)来控制，采样信号仅对时间是离散的，其幅值依然连续，因此这里的采样信号x*(t)是离散时间的模拟量，它在各个采样点上（0，ts，2ts，……）的幅值与输入的连续信号x(t)的幅值是相同的。
采样间隔ts称为采样周期，定义 fs=1/ts 为采样频率。
（2）保持
保护装置往往要反映多个系统参数而工作，由于a/d芯片的价格较贵，同时也为了简化硬件电路，一般都是多个模拟通道共用一个模数转换器。每个通道采样是同时，而各通道的采样信号是依次通过a/d回路进行转换的，每转换一路信号都需要一定的转换时间为保证各通道采样的同时性，在等待模数转换的过程中，必须保持采样值不变。理想保持器的保持信号如下图所示 。
（3）采样保持电路
如图所示：
开关as受采样脉冲控制，在采样脉冲到来时as闭合，此时电路处于采样状态，保持电容ch上的电压为ui在采样时刻的电压值。在as断开时（脉冲控制端为低电平），电容ch上保持住原采样电压，电路处在保持状态。
（注：阻抗变换器1和2的输入阻抗为无限大，输出阻抗为零，ch无泄露，采样脉冲宽度tc为0 ，为一理想采样保持器。）
3.alf和采样频率
观察上图，设被采样信号x(t)的频率为f0， x(t)每周采一点，即fs=f0，采样后所看到的为一直流量（见虚线）,fs略大于f0 ，设fs=1.5f0，采样后所看到的是一个差拍低频信号。当fs=2f0时，采样所看到的是频率为f0的信号。
可见，当fs＞2f0，采样后所看到的信号更加真实地代表了输入信号x(t)。而当fs＜2f0时，频率为f0的输入信号被采样之后，将被错误地认为是一低频信号，我们把这种现象成为“频率混叠”。
若要不丢掉信息地对输入信号进行采样，就必须满足fs≥2f0这一条件。
若输入信号x(t)含有各种频率成份，其最高频率为fmax采样频率必须不小于2fmax，即fs≥2fmax。
乃奎斯特采样定理——为了使信号被采样后能够不失真还原，采样频率必须不小于两倍的输入信号的最高频率。
采样前用一个模拟低通滤波器（alf），滤出fs／2以上的频率分量即可降低输入信号的最高频率达到降低对硬件的速度要求及不至于产生频率混叠现象的目的。
模拟低通滤波器通常分为无源和有源两种。
微机保护中常用无源低通滤波器如下图所示:
有源滤波器通常是由rc网络加上运算放大器构成 。
采用alf消除频率混叠现象后，采样频率的选择很大程度上取决于保护的原理和算法的要求，同时还要考虑硬件速度。目前绝大多数微机保护的采样周期ts为5/6ms或5/3ms，即采样频率为1200hz或600hz。
4.模拟多路转换开关（mpx）
如前所述，微机保护装置通常是几路模拟量输入通道公用一个a/d芯片，采用多路转换开关将各通道保持的模拟信号分时接通a/d变换器。多路转换开关是电子型的，通道切换受微机控制。多路转换开关包括选择接通路数的二进制译码电路和电子开关，它们被集成在一片芯片中。
5.模数转换器（a/d转换器或adc）
（1）a/d转换器的基本原理
每个adc转换器都有一个满刻度值，这个满刻度值也叫基准电压ur。ad变换就是将输入的离散模拟量u*(t)与基准电压ur进行比较，按照四舍五入的原则，编成二进制代码的数字信号。
在比较前，应先将基准电压分层，分的层数决定于ad转换器的位数。当模数转换器的位数n=3时，三位二进制代码可以表示8个状态，因此可以将ur分成8层，每层对应于一个三位二进制代码，如下图（b）所示 。
相邻两层间的数字量相差为lsb，称为基本量化单位，这里lsb=001。
模数转换器的位数越多即n值越大，则分层越多，对于一个不变的基准电压ur而言，每层所代表的值q越小，即lsb所代表的值越小，则模数转换器分辨率与转换的精度越高。
上图(a)为模拟信号u(t)的采样信号u*(t)，采样周期为ts。从图 (b)看到u*(t)各值所属的层，对于两层之间的值，按舍入原则让其属于上层或下层，各值的数字量示于图 (c)中,u(nts)就是将u*(nts)量化后的数字量d的输出。
(2)数摸转换器(d/a转换器或dac)
数模转换器的作用是将数字量d转换成模拟量。下图是常见的一个4位数模转换器的原理图：
注：电子开关s1-s4在数字量b1-b4某一位为“0”时接地，为“1”时接至运算放大器a的反相输入端。
6.数据采集系统与微机接口
为保证定时采样，数据采集系统与微机接口一般采用中断方式。
实时时钟到达一方面向采样保持器发出采样保持信号，另一方面向cpu发出外部中断请求信号。cpu收到中断请求 后，转入采样中断服务程序，并通过总线发出让多路转换开关mpx接通第一路采样通道的信号，同时起动a/d转换。a/d转换器完成模数转换后向cpu发出转换结束信号，cpu查询到转换结束信号后通过数据总线读取转换数据，并起动第二路的ad转换，直到所有通道的ad转换完成。 如下图所示：
3、基于v/f转换的数据采集系统
1.v/f转换器的基本原理
v/f转换器的电路结构如下图所示。其原理是产生频率正比于输入电压的脉冲序列，然后在固定的时间内对脉冲进行计数。
该电路实际上可视为一个振荡频率受输入电压ui控制的多谐振荡器。a1和r1c组成积分器，a2为零电压比较器。
当积分器的输出电压ua下降到0v时，零电压比较器发生跳变，触发脉冲发生器，使之产生一个宽度为t0的脉冲。在t0期间，模拟开关s打向负参考电压－ur 。
由于电路设计成ur/r2>ui/r1，因此在t0期间，积分器以反充电为主，使ua上升到某一电压（见上图）。t0结束后，开关s打向地，由于只有正的输入电压ui的作用，使积分器充电，输出电压ua沿负斜线下降。当ua下降到0v时，比较器翻转，再次触发脉冲发生器，产生一个t0脉冲，再次反充电。如此反复，振荡不止。
2.利用vfc进行a/d转换
对v/f转换器的输出进行计数，就可以得到转换的数字量。因为脉冲串的疏密正比于频率f及输入电压的瞬时值大小，若在固定的时间内对脉冲串计数，则ui(t)的瞬时值越高，输出脉冲频率f越高，计数值越大。故计数值代表了输入电压瞬时值的大小。
采用如上图所示的方案，直接将输入电压加于vfc输入端，cpu每隔ts时间向计数器读取计数值，这就是采样。cpu在1ts、2ts… nts时刻所读的数可分别用r1、r2…rn表示。
4、开关量输入/输出回路
所谓开关量，就是只有两种状态的量，包括不带电位的接点位置（接通或断开）及只有高低两种电位的逻辑电平。
1.开关