模拟量输入（AI）接口部件优化方案

继电保护的基本输入电量是模拟性质的电信号。一次系统的模拟电量可分为交流电量（包括交流电压和交流电流）、直流电量（包括直流电压和直流电流）以及各种非电量。这些信号经过各种传感器（如电压互感器TV或电流互感器TA等）转变为二次电信号，再由引线端子进入数字式保护装置。由传感器输入的模拟电信号还需变换为离散化的数字量，该过程也就是通常所说的数据采集。因此，模拟量输入接口部件也称为模拟量数据采集部件或数据采集系统，简称为AI（Analog Input）接口。

AI接口包括多路不同性质的模拟量输入通道，如不同相别的电压和电流、零序电压和电流以及直流电压和电流等。具体情况取决于数字式保护装置的功能要求，但一般都要求AI接口满足以下技术要求：

①输入的多路数字信号之间应在时间上保持同时性（对于交流信号相当于保持各通道之间原有相位关系不变）；

②同性质的通道之间变换比例一致（如三相电压之间或者三相电流之间的幅值变换比相同）；

③能够不失真地采集输入信号。继电保护装置需要在故障暂态过程中有效地工作，而发生故障时电流、电压量值往往呈现很大的动态变化范围，因此AI接口的输入信号应在最大变化范围内保持良好的线性度和变换精度。

AI接口是数字式保护装置的关键部件之一，不仅要完成数据采集任务，还要遵循数字化处理的基本原理并达到前述技术要求。以交流信号输入（取自于TV、TA的二次侧）为例，交流模拟量输入AI接口由图1.1所示几个部分构成：输入变换及电压形成回路、低通滤波器（ALF）、采样保持（S/H）电路、模数变换（A/D）电路。以下对这几个部分作简要说明。

（1）输入变换及电压形成回路

输入变换器接受来自电力互感器二次侧的电压、电流信号，完成输入信号的标度变换与隔离。其作用是通过装置内的输入变压器、变流器将二次电压、电流进一步变小，以适应弱电电子元件的要求；同时使二次回路与保护装置内部电路之间实现电气隔离和电磁屏蔽，以保障保护装置内部弱电元件的安全，减少来自高压设备对弱电元件的干扰。交流电压变换可直接采用电压变换器，如图1.2（a）所示。

图1.2　输入变换及电压形成回路的原理图

而对于交流电流，通常使用的电压输入型器件，需将电流信号转换为电压信号，这个转换过程称为电压形成。电压形成的方式与数字式保护装置所采用的电流变换器的形式有关，常有以下两种形式。

第一种采用常规电流互感器。其工作原理与电压互感器完全相同，通过在电流互感器的副边接入一个低阻值电阻，其输出电流流过电阻便产生与副边电流同相位、正比例的输出电压，如图1.2（b）所示。(www.xing528.com)

第二种采用带气隙特殊电流互感器。其工作原理分析如下：采用一种铁芯带气隙的特殊电流互感器，如图1.2（c）所示，其原边输入电流而副边输出电压，理想状态下副边输出电压与原边电流的微分成正比。此类变换器的优点是可一次完成电流标度变换和电压形成，使其副方输出电压较少受原方电流中衰减直流分量的影响。其缺点是对原方电流中的高次谐波有放大作用，使用中应加以注意。

（2）模拟低通滤波器

模拟低通滤波器（Analogue Low-pass Filter，ALF）是一种简单的低通滤波器，每一路AI通道都需要配置，以便采样时抑制输入信号中对保护无用的频率较高部分分量。如图1.3所示为常用的二阶RC型无源滤波电路。

图1.3　RC型无源滤波电路

输入变换、电压形成及模拟低通滤波3部分电路合起来通常又被称为信号调理回路。

直流信号的信号调理回路的原理与作用和交流信号的基本类似，其差别主要在于输入变换器，目前常用的直流输入变换器有隔离放大器（光电型或逆变型）或基于霍尔效应的传感器等。

（3）采样保持（S/H）电路

用以完成对输入模拟信号的采样，即在某时刻获取（抽取）输入模拟信号在该时刻的瞬时值，并维持适当时间不变，以便模数变换回路将其转化为数字量。如果按固定的时间间隔重复地进行这种采样操作，就可将时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散的模拟信号序列。

（4）模数变换（A/D）电路

用以实现模拟量到数字量的变换，也就是将由（S/H）电路采集（抽取）并保持的输入模拟信号的瞬时值变换为相应的数字值。