微机保护的硬件结构

微机继电保护的硬件结构•一、计算机继电保护的发展•在继电保护技术领域，计算机除了用作故障分析和保护动作性能分析外，1965年已提出用计算机构成继电保护装置。•在20世纪70年代．计算机继电保护的研究工作主要是作理论探索，只有个别部门作了一些现场试验，但是限于计算机硬件的制造水平以及价格问题，故当时还不具备商业性地生产计算机继电保护装置的条件。•到了20世纪70年代末期，计算机出现了重大突破，大规模集成电路技术飞速发展，出现了一批功能足够强的微型计算机，价格也大幅度降低，因而无论在技术上还是经济上，已具备用一台微型计算机来完成一个电气设备保护功能的条件。1979年美国电气和电子工程师学会的教育委员会组织过一次世界性的计算机继电保护研究班。在此之后，世界各大继电器制造商都先后推出了各种定型的商业性微型计算机保护装置产品。目前发展最快的是日本，据日本有关部门预计，1987年的定货可能达到继电保护设备总产值的70％•我国在计算机保护方面的研究工作起步较晚，但进步却很快。1984年，华北电力学院研制的第一台以6809(CPU）为基础距离保护样机在经过试运行后通过了科研鉴定，它标志着我国计算机保护的开发开始进入了重要的发展阶段。•二、微机继电保护装置的特点•1、调试工作量小。•2、可靠性高。•3、能够记录和输出故障时的有关信息量，方便事故分析和处理。•4、在不改变硬件条件下，只改变程序就可以改变保护的特性和功能，可灵活地适应电力系统运行方式的变化。•5、提供了一些解决问题的新方法和新原理。•三、计算机继电保护的基本组成•四、微机继电保护的优、缺点•（一）优点：•(1）程序可以实现自适应性，可按系统运行状态而自动改变整定值和特性。•(2）有可存取的存储器。•(3）在现场可灵活地改变继电器的特性。•(4）可以使保护性能得到更大的改进。•(5）有自检能力。•(6）有利于事故后分析。•(7）可与计算机交换信息•(8）可增加硬件的功能。•(9）可在低功率传变机构内工作。•（二）缺点：•(1）与传统的保护有根本性的背离。•(2）使用者较难维护。•(3）要求硬件和软件有高度可靠性•(4）硬件很快成为过时。•(5）在操纵和维护过程中，使用人员较难掌握。•一、微机保护装置的硬件结构•（一）硬件结构框图•（二）各组成部分作用•1、信号输入电路•微机保护装置输人信号主要有两类，即开关量和模拟量信号。信号输人部分就是妥善处理这二类信号，完成单片微机输人信号接口功能。•2、单片微机系统•微机保护装置的核心是单片机系统，它是由单片微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。这些硬件和软件构成的整个单片微机系统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。除此之外，现代的微机保护应具备各种远方功能，它包括发送保护信息并上传给变电站微机监控系统，接收集控站、调度所的控制和管理信息。•这种单片微机系统可以是单CPU或采用多CPU系统。•3、人机接口•在许多情况下，单片微机系统必须接受操作人员的干预，如整定值输入、工作方式的变更，对单片机微机系统状态的检查等都需要人机对话。这部分工作在CPU控制之下完成，通常可以通过键盘、汉化液晶显示、打印机及信号灯、音响或语言告警等来实现人机对话。•4、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。通常这种通道主要任务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馈干扰，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。•5、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，即将直流逆变为交流，再把交流整流为微机系统所需要的直流电压。它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的强干扰可以完全消除掉。二、微机保护的数据采集系统•1、电压形成回路•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、电压互感器或其他变换器上取得信息。但这些互感器的二次数值、输人范围对典型的微机继电保护电路却不适用，需要降低和变换。在微机继电保护中通常要求输入信号为5V或10V的电压信号，具体决定于所用的模数转换器。•2、采样保持电路•（1）采样的基本原理••（2）对采样电路的基本要求•（3）采样方式•（4）采样频率的选择•可以证明，如果被采样信号中所含最高频率成一约频率为f则采样频率f必须大于f的二倍，否则将造成频率混叠。•3、模拟量多路转换开关•由于保护装置所需同时采样的电流和电压模拟量不会很多，只要模数变换器的转换速度足够高，在一个采样周期的保持时间内上述各种模拟量依次模数变换的要求是能满足的。但由于模数转换器价格昂贵，通常不是每个模拟量输人通道设一个A/D，而是公用一个，中间经多路转换开关切换轮流由公用的A/D转换成数字量输人给微机。多路转换开关包括选择接通路数的二进制译码电路和由它控制的多路电子开关，它们被集成在一个集成电路芯片中。•4、模数转换器（A/D）•由于计算机只能对数字量进行运算，而电力系统中的电流、电压信号均为模拟量，因此必须采用模数转换器将连续的模拟量变为离散的数字量。•5、光隔原理•三、保护CPU模块工作原理•保护CPU模块是保护装置智能核心部分，具体任务是完成数据的采集、保护逻辑判断、保护故障巡检、开关量输人与输出及人机接口的串行通信等任务。•三、保护CPU模块工作原理•保护CPU模块是保护装置智能核心部分，具体任务是完成数据的采集、保护逻辑判断、保护故障巡检、开关量输人与输出及人机接口的串行通信等任务。•四、开关量输人输出回路原理•开关量输入回路•开关量输人回路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入，外部装置闭锁重合闸触点输人，轻瓦斯和重瓦斯继电器接点输人，还包括装置上连接片位置输人等回路。•对微机继电保护装置的开关量输人，即接点状态（接通或断开）的输入可以分成以下两大类。•（1）安装在装置面板上的接点。这类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盘接点以及切换装置工作方式用的转换开关等。•（2）从装置外部经过端子排引人装置的接点。例如需要由运行人员不打开装置外盖而在运行中切换的各种压板，转换开关以及其他保护装置和操作继电器等。•二、开关量输出回路•开关量输出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，但为提高抗干扰能力，最好也经过一级光电隔离，如图1-23所示。•只要通过软件使并行口的PBO输出“O,PBI输出“l，便可使与非门Hl输出低电平，光敏三极管导通，继电器K被吸合。•在初始化和需要继电器K返回时，应使PBO输出“1,PBI输出O。•设置反相器Bl及与非门Hl而不将发光二极管直接同并行口相连，一方面是因为并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二极管，另一方面因为采用与非门后要满足两个条件才能使K动作，增加了抗干扰能力。•为了防止拉合直流电源的过程中继电器K的短时误动，将PBO经一反相器输出，而PBI不经反相器输出。因为在拉合直流电源过程中，当SV电源处于某一个临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成保护误动作，特别是保护装置的电源往往接有大量的电容器，所以拉合直流电源时，无论是SV电源还是驱动继电器K用的电源E，都可能相当缓慢的上升或下降，从而完全可能来得及使继电器K的接点短时闭合。由于采用上述接法后，两个反相条件的互相制约，可以可靠地防止误动作。•三、开出驱动与开出自检电路原理•开出驱动回路由8255B端口驱动芯片与非门电路、光隔电路、驱动电路及反馈回路组成，如图1-24所示，共6路开出驱动回路，光隔和反馈电路均由MCT275光电隔离芯片构成。为了驱动KCO,必须在PB6=0、PB7=1同时满足时才能使7400的输出6端为低电平，使光隔中二极管和光敏三极管导通，驱动V3导通。于是接通了以下回路：+24VAXJNV3ceV6IC23一24V。•一方面驱动A相出口继电器KCO，另一方面通过光隔IC23反馈至8255A的PC使8255的PC=0。在开出自检程序中可驱动各开出回路并检查PC是否为O，即可判断开出回路是否正常。由于出口继电器KCO受起动继电器的闭锁，且自检时间极短（不足10)，不致使出口继电器KCO动作．所以不会导致保护误动作。•B相和C相的停信、永跳、起动的驱动继电器的回路均同上述A相驱动回路相同。•四、出口闭锁•1、自检告警闭锁•出口的闭锁，有自检告警闭锁和三取二起动电路两个回路。自检告警闭锁是指图1-24的6路开出量的＋24V闭锁，它是经自检告警继电器的动断触点AXJN控制的，在自检告警时，断开跳闸电源实现出口闭锁。自检告•警继电器AXJN驱动电路类似于上述KCO回路的结构。•2、三取二起动回路•起动继电器兼作总开放控制，采取三取二起动方式控制跳闸负电源，如图1-25所示。它由高频保护起动KSTZ、距离保护起动KST3、零序保护起动KST4组成，用KSTZ、KST3、KST4各两个动合触点交叉组成三取二循环起动（闭锁）方式来控制跳闸负电源，防止了由于一个CPU程序出格引起整套保护装置误动。只有在三套保护中两套保护起动时，整套保护才能起动，提高了保护装置的可靠性。当需将三取二起动回路退出运行时，可以将LX1和LX2短接。•五、人机接口回路原理•1、人机接口原理•微机保护的人机接口回路是指键盘、显示器及接口CPU插件电路。人机接口回路的主要作用，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。在单CPU结构的保护中，接口CPU就由保护CPU兼任。为了减轻保护CPU的负担，可由可编键盘、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，时钟校对由MC146818独立完成，如图1-26所示。•在多CPU结构的保护中，另设有专用的人机接口CPU插件。接口CPU除了要完成人机接口（键盘、显示器）的任务外，还要完成与各CPU通信管理、巡检及时间校对、程序出格自复位等多项任务。人机接口CPU插件框图如图1-27所示。与保护CPU相类似，在接口CPU插件上除了8031CPU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。•2）按键编码•为了识别按键，通常都对每个键进行编码，即给定键值，不同的键盘结构采用不同的编码方法。软件中根据键值安排执行程序的地址，按键值执行不同的功能程序。•3）键盘检测功能•对是否有键按下的监测方式，通过有中断方式和查询两种方式。中断方式是在键盘按下时，通过按键信息传送至CPU的中断请求输人端口，CPU响应中断请求后即转人中断服务程序，做键盘输入的处理工作。查询方式的键盘监测较为简单，通常是采用查询键盘的办法判断有否按键，没有按键时输人的码值与有按键时是不同的。通过查询键值，然后执行键功能程序转移，完成键功能的处理工作。•（2）键盘输入电路•为了简便操作，单片机键盘不必像PC机那么繁杂，保护装置键盘键的数量应尽可能减少。人机接口的面板上键盘只有七个键：“”、“”、“”、“”、“Q（返回键）、“复位”和“确认”键。“复位”和“确认”键用于装置复位和操作确认。这样可以使得电路十分简单，操作也很方便。键盘输人电路有两种，一种是独立键盘电路，另一种是行列式按键电路。•1）独立式按键电路•2）行列式按键电路•（3）串行通信接口电路•1）串行通信接口电路及其作用•人机接口与保护CPU之间的串行通信的作用是人机对话和巡检，串行接口在调试状态下用于传送人机接口的键盘命令或接收保护CPU插件的数据。在运行状态下，用于巡检各保护CPU插件，当系统发生故障后，则能通过串行口向主机传送故障报告，并通过显示器显示出来。•2）巡检及巡检中断告警•正常运行状态，接口插件不断地通过串行口向各CPU插件发出巡检命令，当各CPU均正常时，分别