一、微機保護裝置硬件系統(tǒng)構成

以下主要介紹微機保護裝置硬件系統(tǒng)構成和微機繼電保護裝置硬件系統(tǒng)功能。

1. 微機保護裝置硬件系統(tǒng)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(tǒng)-功能上分6塊

（1）數據采集系統(tǒng)（模擬量輸入系統(tǒng)）：

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(tǒng)（CPU主系統(tǒng)）：

①數字處理系統(tǒng)（CPU主系統(tǒng)）：

微機保護裝置是以CPU為核心，根據數據采集系統(tǒng)采集到的電力系統(tǒng)的實時數據，按照給定的算法來檢測電力系統(tǒng)是否發(fā)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(xiàn)，CPU是計算機系統(tǒng)自動工作的指揮中樞，計算機程序的運行依賴于CPU來實現(xiàn)。所以CPU的性能直接影響系統(tǒng)優(yōu)劣。

②數字處理系統(tǒng)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(tǒng)；

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(tài)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(tài)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(xiàn)與5V系統(tǒng)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(tǒng)輸入回路經光隔離器件轉換為24V/5V信號，驅動繼電器實現(xiàn)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(tài)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(jiān)控系統(tǒng)接口、錄波系統(tǒng)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(fā)方式的信息傳輸、物理結構采用星形、環(huán)形、總線形、支持多主機等。

（6）電源回路：

采用開關穩(wěn)壓電源或DC/DC電源模塊，提供數字系統(tǒng)5、24、±15V電源：

+5V電源用于計算機系統(tǒng)主控電源。

±15V電源用于數據采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)。

+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(xié)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(tǒng)（CPU、EPROM、RAM、EEPROM等）、開關量輸入輸出各部分均通過總線（BUS）聯(lián)系在一起，由CPU通過BUS實現(xiàn)信息數據傳輸和控制。

（3）優(yōu)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(yōu)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(jiān)控系統(tǒng)通信聯(lián)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(tǒng)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(tǒng)，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(xiàn)，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(xiàn)的，每秒能執(zhí)行10M條以上指令。

采用循環(huán)尋址方式，實現(xiàn)了零開銷的循環(huán)，大大增進了如卷積、相關、矩陣運算、FIR等算法的實現(xiàn)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(jiān)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(tǒng)和大部分的數據采集系統(tǒng)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(jié)點，可任意增加節(jié)點，節(jié)點功能分別升級。

要求：遵守相同的規(guī)約。

（2）優(yōu)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(xiàn)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(xiàn)代數字繼電保護裝置的基本特征

以下就是現(xiàn)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(tǒng)的性能；

采用14-16位模數轉換器A/D提高數據采集系統(tǒng)的精度；

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

采用液晶或場效應型平面顯示器實現(xiàn)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(tǒng)硬件組成幾個部分作用？

1、 數據采集系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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。