微机保护基本硬件构成

第二节微机保护基本硬件构成
本节将要介绍微机保护装置硬件系统构成以及微机保护装置的几种典型结构。

一、微机保护装置硬件系统构成
以下主要介绍微机保护装置硬件系统构成和微机继电保护装置硬件系统功能。

1. 微机保护装置硬件系统构成
（1）数据采集部分（包括电流、电压等模拟量输入变换、低通滤波回路、模数转换等）。

（2）数据处理、逻辑判断及保护算法的数字核心部分（包括CPU、存储器、实时时钟、WATCHDOG 等）。

（3）开关量输入/输出通道以及人机接口（键盘、液晶显示器）。

2. 微机继电保护装置硬件系统-功能上分6块
（1）数据采集系统（模拟量输入系统）：
①主要功能：采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，并将此信号经过适当的预处理，然后转换为所需要的数字量。

②模拟量输入回路方式（据模数转换原理分）：
◆基于逐次逼近型A/D转换的方式：包括电压形成回路、模拟低通滤波器（ALF）、采样保持回路（S/H）、多路转换开关（MPX）及模数转换回路（A/D）等。

◆利用电压/频率变换（VFC）原理进行A/D转换的方式：包括电压形成、VFC回路、计数器等。

（2）数字处理系统（CPU主系统）：
①数字处理系统（CPU主系统）：
微机保护装置是以CPU为核心，根据数据采集系统采集到的电力系统的实时数据，按照给定的算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种自动装置。

微机保护原理由计算机程序来实现，CPU是计算机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的运行依赖于CPU来实现。

所以CPU的性能直接影响系统优劣。

②数字处理系统主要包括：
微机处理器CPU；
数据总线为8、16、32位等的单片机、工控机以及DSP系统；
存储器；
电擦除可编程只读存储器EEPROM：存放定值；
紫外线擦除可编程只读存储EPROM和闪速存储器FLASH：存放程序；
非易失性随机存储器NVRAM：存放故障报文、采样数据；
静态存储器SRAM：存储计算过程中的中间结果、各种报告。

（3）开关量输入/输出回路：
开关量输入输出回路一般采用固态继电器、光电隔离器、PHTOMOS继电器等器件组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号报警及外部接点输入等工作，实现与5V系统接口。

柜内开关量一般使用24V电源，柜间开关量输入信号采用220V或110V电源，计算机系统输入回路经光隔离器件转换为24V/5V信号，驱动继电器实现操作。

（4）人机接口：
①主要包括：显示器、键盘、各种面板开关、实时时钟、打印电路等。

②主要功能：
用于人机对话，如调试、定值调整及对机器工作状态的干预。

常用液晶显示器和6键操作键，人机交互面板包括：由用户自定义画面的大液晶屏人机界面；由用户自定义的报警信号显示灯LED；由用户自定义用途的F功能键；光隔离的串行接口；就地、
远方选择按钮；就地操作键。

（5）通信接口：包括：维护口、监控系统接口、录波系统接口等。

一般采用：RS485总线、PROFIBUS网、CAN网、以太网及双网光纤通信模式。

微机保护对其要求：快速、支持点对点平等通信、突发方式的信息传输、物理结构采用星形、环形、总线形、支持多主机等。

（6）电源回路：
采用开关稳压电源或DC/DC电源模块，提供数字系统5、24、±15V电源：
+5V电源用于计算机系统主控电源。

±15V电源用于数据采集系统、通信系统。

+24V电源用于开关量输入、输出、继电器逻辑电源。

图10-1 微机继电保护功能
二、微机保护装置的几种典型结构
以下将要简要介绍微机保护装置的几种典型结构：
1. 单CPU微机保护装置的结构：
（1）定义：指整套微机保护共用一个单片微机，无论是数据采集处理，还是开关量采集、出口信号及通信等均由同一个单片机控制。

（2）协同工作关系：目前人机接口一般另外采用独立的CPU，模拟量输入回路、单片微机系统（CPU、EPROM、RAM、EEPROM等）、开关量输入输出各部分均通过总线（BUS）联系在一起，由CPU通过BUS实现信息数据传输和控制。

（3）优点：结构简单。

（4）缺点：容错能力不高，一旦CPU或其中某个插件工作不正常就能影响整套保护装置。

因后备保护与主保护共用同一个CPU，主保护不能正常工作时往往也影响后备保护。

2. 多CPU微机保护装置的结构：
（1）定义：指在一套微机保护装置中，按功能配置多个CPU模块，分别完成不同保护原理的多重主保护和后备保护及人机接口等功能。

（2）优点：模块化设计，任何一个模块损坏不影响其他模块保护的正常工作，有效提高了保护装置的容错水平，防止了一般性硬件损坏而闭锁整套保护。

（3）多CPU的功能框图：
图10-2 多CPU的功能框图
说明：
组成：由4个硬件完全相同的保护CPU模块构成，分别完成高频保护、距离保护、零序电流保护以及综合重合闸等，另配置了一块带CPU的接口模板（Monitor），完成对保护（CPU）模块的巡检、人机对话和与监控系统通信联络等功能。

模拟量输入回路有交流输入、模/数变换1、模/数变换2。

单片微机系统即保护CPU模块由高频、距离、零序电流、综合重合闸等保护组成。

人机接口模块由带CPU的接口模板和打印机等构成。

开关量输入、开关量输出通道包括逻辑、跳闸、信号、报警电路，另有逆变电源部分。

每个CPU插件都可以独立工作，各保护之间不存在依赖关系，故可靠性强。

实际工作是主从分布式的微机工控系统，人机接口部分是主机，完成集中管理及人机对话的任务，而单片机保护部分是4个从机，它们分别独立完成各种保护任务，4种保护综合完成一条高压输电线路的全部保护，即输电线路各类相间和接地故障的主保护和后备保护，并能完成综合重合闸功能。

3. 采用DSP的CPU微机保护装置的结构：
（1）DSP定义： DSP（Digital Signal Processor数字信号处理器）是进行数字信号处理的专用芯片，它是微电子学、数字信号处理技术、计算机技术综合的新器件。

（2）应用：由于它可把数字信息处理中的一些理论和算法以实时实现，计算机应用领域中广泛应用。

（3）结构形式（哈佛结构）：
大多用哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。

有两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。

此法将处理器和存储器的带宽加倍数，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。

DSP速度最佳化是通过硬件功能予以实现的，每秒能执行10M条以上指令。

采用循环寻址方式，实现了零开销的循环，大大增进了如卷积、相关、矩阵运算、FIR等算法的实现速度。

（4）应用到微机保护中的理由：
由于DSP技术有着强大、快速的数据处理能力和定点、浮点的运算功能，因此将DSP技术融
合到微机保护的硬件设计中，将极大地提高微机保护对原始采样数据的预处理和计算能力，提高运算速度，更容易做到实时测量和计算。

如，在保护中可以由DSP在每个采样间隔内完成全部的相间和接地阻抗计算，完成电压、电流测量值的计算，并进行相应的滤波处理。

（5）硬件框图：
图10-3采用DSP的CPU微机保护装置的硬件结构框图
说明：采用单片机加DSP的结构，将主、后备保护集成在一块CPU板上，DSP和单片机各自独立采样，由DSP完成所有的数字滤波、保护算法和出口逻辑，由CPU完成装置的总启动和人机界面、后台通信及打印功能。

整个装置由多个插件模块组成，包括直流插件DC、交流插件AC、低通滤波插件LFP、CPU插件、通信插件COM、24V光耦插件OPT1、高压光耦插件PT2、信号插件SIG、跳闸出口插件OUT1和OUT2和显示面板LCD。

（6）其他：交流变换插件AC用于三相电流（IA、IB、IC）、零序电流I0、三相电压（UA、UB、UC）及线路抽取电压Ux的输入。

通信插件完成与监控计算机通信连接，有RS485、光纤和以太网接口。

4. 网络型CPU微机保护装置的结构：
（1）基本框图：
图10-4 网络型CPU微机保护装置结构的基本框图
说明：
与保护功能和逻辑有关的标准模块插件仅有三种：CPU插件、开入（DI）插件和开出（DO）插件。

CPU插件包含了微机主系统和大部分的数据采集系统电路。

开入（DI）、开出（DO）插件的设计，使CPU构成了智能化I/O插件。

通信网络采用CAN总线方式，利用CAN总线的可靠性和非破坏性总线仲裁等，可保证硬件电路和跳闸命令、开入信号传输的可靠性、及时性。

网络作为连接的纽带，故每一个模块仅相当于网络中的一个节点，可任意增加节点，节点功能分别升级。

要求：遵守相同的规约。

（2）优点：
模块之间的连接简单、方便；
可靠性高、抗干扰能力强；
扩展性好；
升级方便；
便于实现出口逻辑的灵活配置；
降低对微型机或微控制器并行口的数量的要求。

三、现代数字继电保护装置的基本特征
以下就是现代数字继电保护装置的基本特征：
采用32位CPU提高保护系统的性能；
采用14-16位模数转换器A/D提高数据采集系统的精度；
采用高级语言编程，实现软件标准化、模块化、可编程，尽可能采用实时任务操作系统；
采用液晶或场效应型平面显示器实现人机接口；
采用LAN及GPS构成强大、可靠的通信网络。