微机继电保护的硬件系统

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 微机继电保护的硬件系统 摘 要本文介绍了微机继电保护 技术在工业领域的广泛运用。从介绍微 机继电保护系统的硬件入手，对微机保 护装置的基本结构、作用及工作原理进 行了详细的分析，最后阐述了模块化设 计的微机成套保护装置，对于设计、运 行及维护、调试人员的积极意义。 中国论文网 /1/view-12797670.htm 关键词 继电保护装置 单片微机 系统 硬件系统 中图分类号：TM58 文献标识码： A 文章编号： 1009-914X（2015）30- 0173-02 近几十年来计算机已深入到科学 技术、生产和生活等各个领域。在继电 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 保护技术领域，计算机除了用作故障分 析和保护动作性能分析外，又提出用计 算机构成继电保护装置。世界各大继电 器制造商先后推出了各种定型的商业性 微机计算机保护装置产品。我国在 1984 年研制了第一台以 6809（CPU）为基础 的距离保护样机在经过试运行后通过了 科研鉴定1。 微机继电保护的硬件是一台计算 机，各种复杂的功能是由相关的程序来 实现。微机保护装置具有自诊断功能， 对硬件各部分和存放在 EPROM 中的程 序不断进行自动检测，一但发现异常就 会报警。计算机在程序指挥下，有极强 的综合分析和判断能力，因而继电保护 装置可以实现常规保护很难办到的自动 纠错，即自动识别和排除干扰，防止由 于干扰而造成误动作。另外微机继电保 护装置有自诊断能力，能够自动检测出 计算机本身硬件的异常部分，配合多重 化可以有效地防止拒动，因此可靠性很 高。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 一、微机保护装置的基本结构 微机继电保护的主要部分是计算 机本体，它被用来分析计算机电力系统 的有关电量和判定系统是否发生故障， 然后决定是否发出跳闸信号。微机继电 保护硬件系统一般包括三大部分： 1、模拟量输入系统（或称数据 采样系统） 本系统包括：电压形成、模拟滤 波（ALF） 、采样保持（S/H） 、多路转 换（MPX ）以及模数转换（A/D）等功 能模块。 2、CPU 系统 本系统包括：微机处理器 （MPU ） 、只读存储器（一般用 EPROM） 、随机存储器（RAM ）以及定 时器等。MPU 执行 EPROM 中的程序， 将数据采集系统得到的信息输入至 RAM 区的原始数据进行分析处理，以 完成各种继电保护的功能。 3、开关量（数据量）输入/输出 系统 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 本系统包括：若干个并行接口适 配器、光电隔离器件及有接点的中间继 电器等。该系统完成各种保护的出口跳 闸、信号报警、外部接点输入及人机对 话等功能。 二、信号输入部分 微机保护装置输入信号主要两类， 即开关量和模拟信号。本部分就是妥善 处理这二类信号，完成单片机输入信号 接口功能。 1、开关量信号 通常输入的开关量信号不满足单 片机系统输入信号电平要求，因此需要 信号电平转换。为了提高保护装置的抗 干扰性能，通常还需要经整形、延时、 光电隔离等处理。开关量信号包括开关 量输入信号和开关量输出信号2。 （1） 、输入信号回路 开关量输入，即接点状态（接通 或断开）的输入可以分成两大类。一类 是安装在装置面板上接点包括在装置调 试时用的或运行中定期检查装置用的键 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 盘接点以及切换装置工作方式用的转换 开关等。此类接点可直接接至微机的并 行口，在初始化时规定可编程的并行口 的输入端，CPU 就可以通过软件查询， 随时知道外部接点的状态。 一类是从装置外部经过端子排引 入装置的接点。此类接点接入微机将给 微机引入干扰，故应经光电隔离。当外 部接点接通时，有电流经过光电耦合器 件（通钢使用产品用 6N137）的发光二 极管回路，使光敏三极管导通，反之则 截止。这样将可能带有电磁干扰的外部 接线回路和微机的电路部分之间无直接 电的联系，而光电耦合芯片的两个互相 隔离部分的分布电容仅仅是几微微法， 因此可大大削弱干扰。 （2）输出信号回路 此回路主要包括保护的跳闸出口 以及本地和中央信号等，一般都采用并 行接口的输出口来控制有接点继电器 （干簧或密封小中间继电器）的方法， 但为了提高抗干扰能力，最好也经过一 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 级光电隔离，通过软件使并行口输出引 脚与非门连接，当输出低电平时光敏三 极管导通，继电器吸合。为增加抗干扰 能力可在发光二极管前设置反相器及与 非门不将发光二极管直接同并行口相连， 同时也解决了并行口负载能力有限，不 足以驱动发光二极管的问题。 2、模拟量信号 由电力系统输入到继电保护装置 的模拟信号主要有两类。一类是来自电 压互感器（或电流互感器）的交流电压 （或电流）信号，另一类是来自分压器 （或分流器）的直流电压（或电流）信 号。这些信号首先被转换到与微机相匹 配的电平，通过模拟滤波器滤去其中的 高频成分，然后由采样保持环节将连续 信号离散化。由于输入的信号往往不止 一个，故由多路转换开关逐个交给 A/D 转换器（目前我公司使用的微机保护产 品中采用国际上最新推出的第三代 VFC110 芯片）变为数字量。这些数字 量还应在存储器中，按先后顺序排列以 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 方便功能处理程序取用。此外由于微机 继电保护要从被保护的电力线路或设备 的电流互感器、电压互感器或其它变换 器的二次数值、输入范围对典型的微机 继电保护电路不适用需要降低和变换。 因此，一般采用中间变换器来实现以把 输入信号变换成微机继电保护中通常需 要的5V 或10V 的电压信号。 三、单片微机系统 微机保护装置的核心是单片机系 统，它是由单片机和扩展芯片构成的一 台小型工业控制微机系统。除了硬件之 外，还有存储在存储器里的软件系统， 其主要任务是完成数值测量、逻辑运算 及控制和记录等智能化任务3。还可实 现各种远方功能，包括向上级微机系统 传送信息和接收下级变电站、调度所的 控制和管理信息。这种单片机系统可以 是单 CPU 或采用多 CPU 系统。一般为 了提高保护装置的容错水平，目前大多 数保护装置采用多 CPU 系统，尤其是 较复杂的保护装置，其主要保护和和后 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 备保护都是相互独立的微机保护系统。 各 CPU 是相互独立，任何一个保护的 CPU 或芯片均不影响其他保护。各 CPU 总线均不引出，输入及输出的回路 均经光隔离处理能将故障定位到插件或 芯片，从而大大地提高了保护装置运行 的可靠性。 目前我公司使用的 微机继电保护装置一般采用多 CPU 系 统，单片机芯片是 80196。该单片机系 统设有十路模拟量输入，十六路开关量 输入，片内无 E2PROM，在片外设置了 一片 2K 串行 E2PROM（ 27256）用于 存放定值和参数，仅利用 CPU 的两根 I/O 线相连，一根作串行数据线（SD） ， 另一根作串行时钟线（SC） 。128K 掉电 不丢失 RAM（FLASHRAM）用于存放 重要录波报告和数据，0.5 字节 RAM 用 于存放录波采样数据，按每周 20 点采 样，连续录波可达 25S，它还设有二路 开关量输出用于告警。 四、人机接口 人机接口回路是指键盘、显示器 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 及接口 CPU 插件电路，主要任务是通 过键盘和显示器完成人机对话任务、时 钟校对及与各保护 CPU 插件通信和巡 检任务。为减轻保护 CPU 负担，由可 编键盘、显示器专用接口芯片 8279 来 完成键盘、显示器与保护 CPU 的接口 任务，时钟较对由 MC146818 独立完成。 在多 CPU 结构的保护中，设有专用的 人机接口 CPU 插件来完成人机接口 （键盘、显示器）的任务和与各 CPU 通信管理、巡检及时间校对、程序出格 复位等多项任务。在接口 CPU 插件上 除了 80196 外，还扩展有 EPROM、RAM ，串行及并行扩展芯片 8256，时钟电路 MC146818 芯片及自复 位用的计数器 74LS393。人机接口还提 供标准的并行打印机接口和串行通信接 口（RS232/RS485） ，可实现远方监控保 护系统。 五、输出通道 输出通道部分是对控制对象实现 控制操作的出口通道。此通道主要任务 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 是将小信号转换为大功率输出，满足驱 动输出的要求。在出口通道里还要防止 控制对象对微机系统的反干扰，因此出 口通道也需要光隔离。显然输出通道仍 然是一种被控对象与微机系统之间的接 口电路。一般输出通道提供 8 个相同的 出口继电器及信号回路，每个回路有 1 对跳闸接点和 3 对信号接点。继电器动 作信号有 LED 灯指示，出口继电器及 信号回路由保护模块的 8 个开关量输出 回路驱动。 六、电源 微机保护系统对电源要求较高， 通常这种电源是逆变电源，即将直流 220V 或 110V 电压逆变成交流，再把交 流整流为微机系统所需要直流电压 5V、15V 及24V，把变电所的强电 系统的直流电源与微机的弱电系统电源 完全隔离开。通过逆变后的直流电源具 有极强的抗干扰水平，对来自变电所中 的因断路器跳合闸等原因产生强干扰可 以完全消除掉4。+5V 用于各 -精选财经经济类资料-