第二节-微机保护基本硬件构成

第二节微机保护基本硬件结构本节介绍微机保护装置硬件系统结构及微机保护装置的几种典型结构。一、微机保护装置的硬件系统结构以下主要介绍微机保护装置的硬件系统结构和微机继电保护装置的硬件系统功能。1 .微机保护装置的硬件系统结构(1)数据收集部(包括电流、电压等模拟输入转换、低通滤波电路、模拟/数字转换等)。(2)数据处理、逻辑判定和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 .微机继电保护装置的硬件系统-功能有6块(1)数据采集系统(模拟输入系统):主要功能：收集从受保护设备的变流器输入的模拟信号，将该信号经过适当的预处理，转换为必要的数字量。模拟输入电路方式(根据模拟数字转换的原理):基于逐次近似型A/D转换的方式有电压形成电路、模拟低通滤波器(ALF )、采样保持电路(S/H )、复用器开关(MPX )、模拟数字转换电路(A/D )等。通过电压/频率变换(VFC )的原理进行A/D变换的方式：电压形成、VFC电路、计数器等。(2)数字处理系统(CPU主系统)；数字处理系统(CPU主机系统):微机保护装置是以CPU为中心，基于数据收集系统收集的电力系统的实时数据，通过规定的算法检测电力系统的故障或故障的性质、范围等，从而判断是否需要跳闸或警报等的自动装置。微机保护原理通过计算机程序实现，CPU是计算机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的执行通过CPU实现。 CPU的性能直接影响系统的优劣。数字处理系统主要包括：微机处理器CPU数据总线是诸如8、16和32位的单片机、控制台和DSP系统存储器电擦除可编程只读存储器EEPROM :存储值紫外线消除可编程只读存储器EPROM和闪存FLASH :保存程序非易失性随机存取存储器NVRAM :保存故障信息、采样数据静态内存SRAM :存储计算中的中间结果、各种报告。(3)开关量输入输出电路；开关量输入输出电路一般由固态继电器、光隔离器、PHTOMOS继电器等设备构成，完成了各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入等，实现了与5V系统的接口。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，计算机系统输入电路通过光隔离元件转换为24V/5V信号，驱动继电器实现操作。(4)人机界面：主要包括显示器、键盘、各种面板开关、实时时钟、打印电路等。主要功能：用于人与人的交互，如调节、调节数值、参与机器的动作状态。常用的液晶显示器和6键操作键，交互式面板包含用户自定义画面的大型液晶画面人机界面。用户自定义的警报信号指示灯LED用户自定义用途的f功能键光隔离(5)通信接口：包括维护端口、监视系统接口、录像系统接口等。通常采用RS485总线、PROFIBUS网、CAN网、以太网和双网光纤通信模式。微机保护针对其要求，采用了快速、点对点平等通信、突发方式信息传输、物理结构星型、环型、总线型、支持多主机等。(6)电源电路：采用开关稳压电源或DC/DC电源模块来提供数字系统5、24和15V电源5V电源用于计算机系统的主电源。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：微机的配套保护共用1台单片机，无论是数据收集处理，还是开关量收集，还是与出口信号通信，都由同一台单片机控制。(2)协调关系：目前，人机接口采用独立的CPU，模拟输入电路、单片机系统(CPU、EPROM、RAM、EEPROM等)、开闭量输入输出的各部分通过总线(BUS )连接，CPU通过BUS实现信息数据的传输和控制(3)优点：结构简单。(4)缺点：如果容错性不高，CPU或其中的插件无法正常工作，将影响整套保护装置。 由于备份保护与主保护共享相同的CPU，因此即使主保护无法正常工作，备份保护也往往会受到影响。2 .多CPU微机保护装置的结构：(1)定义：一组微机保护装置，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、备份保护和人机接口等功能。(2)优点：模块设计，任何模块损坏都不影响其他模块保护的正常运行，有效提高了保护设备的容错级别，防止了常见硬件损坏，关闭了保护。(3)多CPU的功能框图；图10-2多CPU的功能框图说明：构成： 4个硬件由完全相同的保护CPU模块构成，分别完成高频保护、距离保护、零相电流保护和综合重新接通等，配置带CPU的接口模板(Monitor )，完成保护(CPU )模块的巡逻、人机对话和监视系统的通信等功能模拟输入电路有交流输入、模拟/数字转换1、模拟/数字转换2。单片机系统即保护CPU模块由高频、距离、零相电流、综合再接通等保护构成。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、警报电路，也有逆变器电源部。每个CPU插件都是独立操作的，并且各个保护之间没有依赖关系，因此可靠性很高。实际工作是主从分散的微机工控系统，人机接口部分是主机，完成集中管理和人机对话任务，单片机保护部分是4个从站，分别独立完成各种保护任务，4种保护是高压输电线路的所有保护，即输电线路的各种相间和接地故障3 .采用DSP的CPU微机保护装置的构成：(1)DSP定义： DSP (digitalsignalprocessordigitalsignalprocessor )是进行数字信号处理的专用芯片，是集成了微电子、数字信号处理技术、计算机技术的新设备。(2)应用：实时实现数字信息处理的理论和算法，在计算机应用领域得到广泛应用。(3)结构形式(哈佛结构)；大多是哈佛构造，把存储空间分成两部分，分别存储程序和数据。两组总线连接到处理器核心，可以同时访问。 此方法加倍处理器和存储器的带宽，更重要的是同时向处理器核心提供数据和指令。DSP速度优化通过硬件功能实现，能够执行每秒10M以上的指令。采用循环寻址方式实现零开销循环，大大提高了卷积、相关、矩阵运算、FIR等算法的实现速度。(4)应用于微机保护的理由：由于DSP技术具有强大、快速的数据处理能力和定点、浮点运算功能，将DSP技术融入微机保护的硬件设计中，微机保护对原始采样数据的预处理和计算能力大大提高，运算速度提高，实时测量和计算更加方便。 例如，保护站可以利用DSP来完成每个采样间隔中的所有相位之间的接地阻抗的计算，完成电压、电流测量的计算，并执行相应的滤波处理。(5)硬件框图：图10 -使用3 d sp的CPU微机保护装置的硬件结构框图说明：采用单片机和DSP结构，将主、备份保护集成到一个CPU板中，DSP和单片机分别独立取样，DSP完成所有数字滤波器、保护算法和出口逻辑，CSP 整个装置包括直流插件DC、交流插件AC、低通滤波器插件LFP、CPU插件、通信插件COM、24V光耦合插件OPT1、高压光耦合插件PT2、信号插件SIG、跳闸出口插件OUT1、OUT2、以及显示面板LCD(6)其他：交流转换卡AC用于输入三相电流(IA、IB、IC )、零相电流I0、三相电压(UA、UB、UC )以及线路提取电压Ux。 通信卡与显示器计算机完成通信连接，有RS485、光纤和以太网接口。4 .网络型CPU微机保护装置的构成：(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：与保护功能和逻辑相关的标准模块插件只有三种： CPU插件、打开(DI )插件和打开(DO )插件。CPU卡包括微机主系统和大部分数据采集系统电路。通过开放(DI )、开放(DO )卡的设计，CPU构成了智能I/O卡。通信网络采用CAN总线方式，能够利用CAN总线的可靠性、非破坏总线仲裁等，保证硬件电路或跳闸指令、开路信号传输的可靠性、即时性。由于网络是连接的纽带，各个模块只能对应于网络中的一个节点，可以任意添加节点并单独升级节点功能。要求：遵守同样的规约。(2)优点：模块之间的连接简单方便可靠性高，抗干扰能力强可扩展性高易于升级易于实现出口逻辑的灵活配置降低