微機保護裝置硬件系統構成

一、微機保護裝置硬件系統構成

以下主要介紹微機保護裝置硬件系統構成和微機繼電保護裝置硬件系統功能。

1. 微機保護裝置硬件系統構成

（1）數據采集部分（包括電流、電壓等模擬量輸入變換、低通濾波回路、模數轉換等）。

（2）數據處理、邏輯判斷及保護算法的數字核心部分（包括CPU、存儲器、實時時鐘、WATCHDOG等）。

（3）開關量輸入/輸出通道以及人機接口（鍵盤、液晶顯示器）。

2. 微機繼電保護裝置硬件系統-功能上分6塊

（1）數據采集系統（模擬量輸入系統）：

①主要功能：采集由被保護設備的電流電壓互感器輸入的模擬信號，并將此信號經過適當的預處理，然后轉換為所需要的數字量。

②模擬量輸入回路方式（據模數轉換原理分）：

◆基于逐次逼近型A/D轉換的方式：包括電壓形成回路、模擬低通濾波器（ALF）、采樣保持回路（S/H）、多路轉換開關（MPX）及模數轉換回路（A/D）等。

◆利用電壓/頻率變換（VFC）原理進行A/D轉換的方式：包括電壓形成、VFC回路、計數器等。

（2）數字處理系統（CPU主系統）：

①數字處理系統（CPU主系統）：

微機保護裝置是以CPU為核心，根據數據采集系統采集到的電力系統的實時數據，按照給定的算法來檢測電力系統是否發生故障以及故障性質、范圍等，并由此做出是否需要跳閘或報警等判斷的一種自動裝置。

微機保護原理由計算機程序來實現，CPU是計算機系統自動工作的指揮中樞，計算機程序的運行依賴于CPU來實現。所以CPU的性能直接影響系統優劣。

②數字處理系統主要包括：

微機處理器CPU；

數據總線為8、16、32位等的單片機、工控機以及DSP系統；

存儲器；

電擦除可編程只讀存儲器EEPROM：存放定值；

紫外線擦除可編程只讀存儲EPROM和閃速存儲器FLASH：存放程序；

非易失性隨機存儲器NVRAM：存放故障報文、采樣數據；

靜態存儲器SRAM：存儲計算過程中的中間結果、各種報告。

（3）開關量輸入/輸出回路：

開關量輸入輸出回路一般采用固態繼電器、光電隔離器、PHTOMOS繼電器等器件組成，以完成各種保護的出口跳閘、信號報警及外部接點輸入等工作，實現與5V系統接口。

柜內開關量一般使用24V電源，柜間開關量輸入信號采用220V或110V電源，計算機系統輸入回路經光隔離器件轉換為24V/5V信號，驅動繼電器實現操作。

（4）人機接口：

①主要包括：顯示器、鍵盤、各種面板開關、實時時鐘、打印電路等。

②主要功能：

用于人機對話，如調試、定值調整及對機器工作狀態的干預。

常用液晶顯示器和6鍵操作鍵，人機交互面板包括：由用戶自定義畫面的大液晶屏人機界面；由用戶自定義的報警信號顯示燈LED；由用戶自定義用途的F功能鍵；光隔離的串行接口；就地、遠方選擇按鈕；就地操作鍵。

（5）通信接口：包括：維護口、監控系統接口、錄波系統接口等。

一般采用：RS485總線、PROFIBUS網、CAN網、以太網及雙網光纖通信模式。

微機保護對其要求：快速、支持點對點平等通信、突發方式的信息傳輸、物理結構采用星形、環形、總線形、支持多主機等。

（6）電源回路：

采用開關穩壓電源或DC/DC電源模塊，提供數字系統5、24、±15V電源：

+5V電源用于計算機系統主控電源。

±15V電源用于數據采集系統、通信系統。

+24V電源用于開關量輸入、輸出、繼電器邏輯電源。

圖1 微機繼電保護功能

二、微機保護裝置的幾種典型結構

以下將要簡要介紹微機保護裝置的幾種典型結構：

1. 單CPU微機保護裝置的結構：

（1）定義：指整套微機保護共用一個單片微機，無論是數據采集處理，還是開關量采集、出口信號及通信等均由同一個單片機控制。

（2）協同工作關系：目前人機接口一般另外采用獨立的CPU，模擬量輸入回路、單片微機系統（CPU、EPROM、RAM、EEPROM等）、開關量輸入輸出各部分均通過總線（BUS）聯系在一起，由CPU通過BUS實現信息數據傳輸和控制。

（3）優點：結構簡單。

（4）缺點：容錯能力不高，一旦CPU或其中某個插件工作不正常就能影響整套保護裝置。因后備保護與主保護共用同一個CPU，主保護不能正常工作時往往也影響后備保護。

2. 多CPU微機保護裝置的結構：

（1）定義：指在一套微機保護裝置中，按功能配置多個CPU模塊，分別完成不同保護原理的多重主保護和后備保護及人機接口等功能。

（2）優點：模塊化設計，任何一個模塊損壞不影響其他模塊保護的正常工作，有效提高了保護裝置的容錯水平，防止了一般性硬件損壞而閉鎖整套保護。

（3）多CPU的功能框圖：

圖2 多CPU的功能框圖

說明：

組成：由4個硬件完全相同的保護CPU模塊構成，分別完成高頻保護、距離保護、零序電流保護以及綜合重合閘等，另配置了一塊帶CPU的接口模板（Monitor），完成對保護（CPU）模塊的巡檢、人機對話和與監控系統通信聯絡等功能。

模擬量輸入回路有交流輸入、模/數變換1、模/數變換2。

單片微機系統即保護CPU模塊由高頻、距離、零序電流、綜合重合閘等保護組成。

人機接口模塊由帶CPU的接口模板和打印機等構成。

開關量輸入、開關量輸出通道包括邏輯、跳閘、信號、報警電路，另有逆變電源部分。

每個CPU插件都可以獨立工作，各保護之間不存在依賴關系，故可靠性強。

實際工作是主從分布式的微機工控系統，人機接口部分是主機，完成集中管理及人機對話的任務，而單片機保護部分是4個從機，它們分別獨立完成各種保護任務，4種保護綜合完成一條高壓輸電線路的全部保護，即輸電線路各類相間和接地故障的主保護和后備保護，并能完成綜合重合閘功能。

3. 采用DSP的CPU微機保護裝置的結構：

（1）DSP定義： DSP（Digital Signal Processor數字信號處理器）是進行數字信號處理的專用芯片，它是微電子學、數字信號處理技術、計算機技術綜合的新器件。

（2）應用：由于它可把數字信息處理中的一些理論和算法以實時實現，計算機應用領域中廣泛應用。

（3）結構形式（哈佛結構）：

大多用哈佛結構，將存儲器空間劃分成兩個，分別存儲程序和數據。

有兩組總線連接到處理器核，允許同時對它們進行訪問。此法將處理器和存儲器的帶寬加倍數，更重要的是同時為處理器核提供數據與指令。

DSP速度最佳化是通過硬件功能予以實現的，每秒能執行10M條以上指令。

采用循環尋址方式，實現了零開銷的循環，大大增進了如卷積、相關、矩陣運算、FIR等算法的實現速度。

（4）應用到微機保護中的理由：

由于DSP技術有著強大、快速的數據處理能力和定點、浮點的運算功能，因此將DSP技術融合到微機保護的硬件設計中，將極大地提高微機保護對原始采樣數據的預處理和計算能力，提高運算速度，更容易做到實時測量和計算。如，在保護中可以由DSP在每個采樣間隔內完成全部的相間和接地阻抗計算，完成電壓、電流測量值的計算，并進行相應的濾波處理。

（5）硬件框圖：

圖3采用DSP的CPU微機保護裝置的硬件結構框圖

說明：采用單片機加DSP的結構，將主、后備保護集成在一塊CPU板上，DSP和單片機各自獨立采樣，由DSP完成所有的數字濾波、保護算法和出口邏輯，由CPU完成裝置的總啟動和人機界面、后臺通信及打印功能。整個裝置由多個插件模塊組成，包括直流插件DC、交流插件AC、低通濾波插件LFP、CPU插件、通信插件COM、24V光耦插件OPT1、高壓光耦插件PT2、信號插件SIG、跳閘出口插件OUT1和OUT2和顯示面板LCD。

（6）其他：交流變換插件AC用于三相電流（IA、IB、IC）、零序電流I0、三相電壓（UA、UB、UC）及線路抽取電壓Ux的輸入。通信插件完成與監控計算機通信連接，有RS485、光纖和以太網接口。

4. 網絡型CPU微機保護裝置的結構：

（1）基本框圖：

圖4 網絡型CPU微機保護裝置結構的基本框圖

說明：

與保護功能和邏輯有關的標準模塊插件僅有三種：CPU插件、開入（DI）插件和開出（DO）插件。

CPU插件包含了微機主系統和大部分的數據采集系統電路。

開入（DI）、開出（DO）插件的設計，使CPU構成了智能化I/O插件。

通信網絡采用CAN總線方式，利用CAN總線的可靠性和非破壞性總線仲裁等，可保證硬件電路和跳閘命令、開入信號傳輸的可靠性、及時性。

網絡作為連接的紐帶，故每一個模塊僅相當于網絡中的一個節點，可任意增加節點，節點功能分別升級。

要求：遵守相同的規約。

（2）優點：

模塊之間的連接簡單、方便；

可靠性高、抗干擾能力強；

擴展性好；

升級方便；

便于實現出口邏輯的靈活配置；

降低對微型機或微控制器并行口的數量的要求。

三、現代數字繼電保護裝置的基本特征

以下就是現代數字繼電保護裝置的基本特征：

采用32位CPU提高保護系統的性能；

采用14-16位模數轉換器A/D提高數據采集系統的精度；

采用高級語言編程，實現軟件標準化、模塊化、可編程，盡可能采用實時任務操作系統；

采用液晶或場效應型平面顯示器實現人機接口；

采用LAN及gps構成強大、可靠的通信網絡。

微機保護系統硬件組成幾個部分作用？

1、 數據采集系統包括電壓形成、模擬濾波、采樣保持、多路轉換及模數轉換等功能塊，完成將模擬輸入量轉換為所需的數字量。

2、 微型機系統包括微處理器、只讀存儲器、隨機存儲器以及定時器等，對由數據采集系統輸入至隨機存儲器的原始數據進行分析處理，以完成各種繼電保護功能。

3、 開關量輸入/輸出系統由若干并行接口適配器、光電隔離器件及有接點的中間繼電器等組成，以完成各種保護的出口跳閘、信號報警、外部接點輸入及人機對話等功能。