[分享]微机继电保护软硬件技术 微机型继电保护与常规保护比较起来有以下的优点[3]： （1） 强大的储存和运算能力； （2） 自检和自适应能力； （3） 软件功能的可扩充性； （4） 通信能力。 以MCS-96系列单片机为例，就微机型继电保护装置研制过程中常用的软硬件技术做一些探讨。 1硬件结构 微机型继电保护装置一般由以下几个部分组成：中央处理单元、采样A/D转换单元、交流变换单元、开关量转换单元、出口继电器单元、串行通信单元。如图1。 1.1中央处理单元 中央处理单元主要负责人机对话及对数字信号的处理、判断并发出相应的跳合闸出口命令。其主要功能部件包括：CPU、RAM、EPROM、EEPROM、键盘及显示、实时钟等。CPU采用Intel公司的MCS-96系列16位单片机芯片80C196。RAM用于存放采样值及一些临时的计算结果，EPROM用于存放程序，EEPROM用于存放整定值及一些重要的数据。人机对话一方面当保护动作或装置故障时，在屏幕上显示相关的故障信息，另一方面接受用户的整定值并存入EEPROM。为了方便用户调试整套装置的硬件，可专门设置一些人机对话形式的调试程序。如对RAM的读写、时钟的对时、采样通道的校验、重要算法的校验、开关量的校验、串行通信的校验等。 1.2 采样及A/D转换单元 采样及A/D转换的作用是对经交流变换的模拟量进行量化。采样把时间上连续的信号按照一定的时间间隔换成时间上离散的信号序列，称为时间取量化。电力系统交流量基波频率为50Hz，治理每周采样12次，即每隔1.67ms采样1次，基本上能真实和及时的反映交流信号的波形变化。这是由软件根据采样定理用定时器中断的方式实现的。A/D转换将时间上离散的信号电平转换为二进制数表示的数字量，称为幅值取量化。输入的模拟量不只1个，各通道配以单独的采样保持器，再经多路转化开关共用1个A/D转换芯片，以到达各通道基本上同时量化的要求。 1.3交流变换单元 交流变换即实现交流强电与装置内的电隔离，还使交流输入电平与微机保护装置采样及A/D转换电平相匹配。由于电力系统保护装置交流输入信号从正常状态过渡到故障状态时呈现极大的动态范围，故在设计交流变换时，既要保证最严重故障时有充分的裕度，又要保证最小动作整定值有足够的精度。对于波动范围相对较大、精度要求相对较高的通道，可配不同的交流变换系数，以保证各种情况下的裕度和精度要求。硬件滤波采用比较简单的RC无源滤波方式，以滤去一些杂散的干扰波。其他如直流分量的滤除、基波与高次谐波的分离均采用软件滤波的方式实现。为了加强装置抗电磁干扰的能力，各交流输入端子均先经磁环和抗干扰电容后再进入装置。 1.4开关量转换单元 开关量转换实现强电开关量与计算机内部弱电信号的光电隔离，使得开关量与CPU之间没有直接的联系，并增加了装置的抗干扰能力。为了加强装置抗电磁干扰的能力，各开关量输入端子均先经磁环和抗干扰电容后再进入装置。 1.5出口继电器单元 出口继电器单元一方面发出相应的跳合闸命令及信号指示，令一方面还包括断路器的跳合闸操作回路、防跳回路和断路器位置状态回路等。断路器的跳合闸位置状态、保护的动作状态等信息在装置上均有相应的指示，并由中央及遥信两对信号接点输出。各种信号既可本地复归，亦可远方复归。为了加强装置抗电磁干扰的能力，各跳合闸出口均先经磁环和抗干扰电容后再输出至端子。 1.6串行通信单元 采用光电隔离的RS485/RS422通信接口。可直接与RTU或通信管理机相连，亦可直接与打印机相连。几套装置还可共享1台打印机。 2 软件算法 2.1暂存区扩展法[1] A/D转换得到的最新数字信号不断被送到RAM中暂存区存起来。由于暂存区空间有限，最新数据不断更新最早数据。为了使软件对采样数据的运算和处理既方便又省时，采用一种暂存区扩展法对采样数据进行快速更新排队。比如说： 在RAM容量允许的情况下，将暂存区的空间扩大需保存数据的2倍，并将暂存区等分为前后相连的2个区，每个区的长度与需保存数据长度相等。每次新得到的采样数据同时存入2个区的对应位置。这样两个相同采样数据之间刚好间隔1个区的长度，间隔内的全部数据连同最后1个最新数据即为当前排队队列。以后每次新采样数据一次向后存入暂存区，存满后再从头开始。每次采样结束后记下当前队列指针，供保护处理程序取数时使用。见图2 2.2 定值转换法 2.2.1电流电压定值 A/D转换得到的数字量要除以一定的比例系数才能真实地反映实际的电流电压值。为了尽量避免除法运算和减少定值比较时的计算量，可以将原始电流电压值乘以一定的比例系数之后再与计算值进行比较。另外由于傅氏计算中为了避免开方运算实际得到的是幅值的平方。故原始定值可以取平方与计算值比较。 2.2.2时间定值 时间计数是在软件定时器中断中完成的，时间定值转换成定时器中断次数与时间计数进行比较。 2.3 滤波及傅氏算法 设A/D转化得到的原始样值为ik，则采用差分滤波算法得到的差分样值Ik=ik-ik-2 。式中ik 为第k次原始采样值，ik-2为第k-2次原始采样值 。 输入信号是周期函数时，可以采用傅氏算法分离其基频及倍频分量。以基频分量为例，按每周波采样12次： 由于全周傅氏算法必须在系统发生故障1周波后计算才有效，其最小响应时间至少为20ms。为使计算能在更快的时间内得出结果，可以采用半波傅氏算法计算如下： 采用半周傅氏算法最小时间可缩短为10ms。 2.4 突变量算法 投跳闸保护采用突变量方式启动，即连续3次｜｜Ik-Ik-12｜-｜Ik-12-Ik-24｜｜＞＝突变量时启动保护。式中Ik为当前差分样值，Ik-12为1周波前差分样值，Ik-24为2周波前差分样值。突变量在定时器中断程序里进行判断，以保证跳闸时间的准确性。 3 提高装置抗干扰能力的软硬件措施 3.1 硬件抗干扰 3.1.1 磁环和抗干扰电容 所有交流输入端子、开关量输入端子、直流电源输入端子均先经磁环和抗干扰电容后再进入装置。所有继电器出口均先经磁环和抗干扰电容后再输出至端子。本措施具有极强的电磁兼容性。 3.1.2 复位电路 采用MAXIM公司的微处理监控芯片MAX706，实现以下功能： (1) 系统上电动或手动复位时产生复位脉冲输出至CPU； (2) 独立的看门狗（Watchdog）输出。1.6s内看门狗输入未被触发，则看门狗输出使CPU复位。设置看门狗功能提供了一种使系统从瞬时故障中自动恢复的能力。MAX706看门狗功能与CPU内部的看门狗功能配合使用以到达双重化的目的。 3.2 软件抗干扰 3.2.1 冷、热启动入口不同[2] 开机上电启动时的初始化入口称为冷启动入口，其他原因引起的复位启动入口称为热启动入口。当热启动的初始化工作不同于冷启动时，可采用冷、热启动入口不同的方法解决。设置一个校验值，程序入口处判校验值正确与否。冷启动时由于放置校验值单元为随机数，故执行冷启动初始化程序并置校验值单元的值。热启动时效验值正确则进入热启动初始化程序入口。具体流程见图3。 3.2.2 未用存储单元的处理 未用的存储单元全部置为复位指令代码，一旦程序跑飞到这些未用单元，可以直接返回到热启动入口处继续执行程序。 3.2.3 装置自检 EPROM、EEPTOM芯片自检可采用求和尾码校验法，然后累加的结果与预定的校验码比较，从而判断ROM中有无单元损坏。具体流程见图4。 RAM芯片自检可先将待检验单元内容保存起来，然后将55H写入该单元，读该单元的值，检查是否正确。再将AAH写入待检验单元，再读该单元值，检查是否正确。检验完毕恢复该单元的值。这种方法可测试没有存储单元每一位的2种二进制状态，对于检测单元数据线粘连有较好的效果。具体流程图见图5。 出口回路自检可采用一路开关量，专门用来监视出口继电器的开闭状态。 通信自检由于保护装置是从机，通信出错的处理主要由通信管理机负责，保护装置只负责简单的报文内容校验。 任何装置自检故障，均立即闭锁跳合闸出口回路。 4 串行通信 4.1 硬件连接 采用光电隔离的RS485/RS422标准通信接口与外界进行通信联系。可与装置直接或间接相连的外部设备有：通信管理机、RTU或打印机等。其连接如图6所示。 4.2 微机保护与通信管理机、RTU通信 由图6可见，保护装置与通信管理机之间可直接通过RS485/RS422接口转换为RS232接口后再与通信管理机相连。保护装置与RTU之间可通过通信管理机相连，亦可将RS485/RS422接口转换为RS232接口直接与RTU相连。 保护装置与通信管理机通信采用一对多主从查询方式。通信管理机为主机，保护装置为从机。程序结构上主机采用查询方式。从机采用中断方式。正常运行时，保护接受来自通信管理机的查询命令并作出响应的应答。当保护动作或装置自检出错时，保护主动上送事件信息及自检报告。 4.3微机保护与打印机相连 由图6可见，保护装置与打印机之间相连又以下几种方式： （1） 将RS485/RS422接口转换为RS232接口后与串行打印机相连； （2） 将RS232接口转换为并行接口后与并行打印机相连； （3） 通过通信管理机与并行相连； （4） 通过RTU与并行打印机相连。 当多台保护装置组屏在一起需共享1台打印机（这里以串行打印机为例，接并行打印机时只需加多1个串/并转换即可）时，由于保护与打印机通信只需发送2根线，故可利用双工的RS422接口，将接收2根线用于装置与装置之间的级联，即1台保护装置的发送端与另1台保护装置的接收端依次相连，最后1台保护装置的发送端经RS422/RS232转换后与串行打印机相连。见图7。 5结束语 微机型继电保护的原理及数学模型还有很多，本文仅就微机型继电保护装置常用的硬件结构、软件算法、抗干扰措施、串行通信等软硬件技术进行了一些探讨。株冶集团II整流所通过将近一年的使用，充分证实了此系统得稳定性。它的可靠性、灵活性也得到了近一步的证实。 ----------------------------------------------

不错谢谢 ----------------------------------------------