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微机保护装置硬件系统构成和微机继电保护装置硬件系统功能

微机保护是用微型计算机构成的继电保护，是电力系统继电保护的发展方向 。那么你知道微机保护装置硬件系统构成包括那些吗?
(1)数据采集部分(包括电流、电压等模拟量输入变换、低通滤波回路、模数转换等) 。
(2)数据处理、逻辑判断及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. 微机继电保护装置硬件系统-功能上分6块
(1)数据采集系统(模拟量输入系统)：
①主要功能：采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，并将此信号经过适当的预处理，然后转换为所需要的数字量 。
②模拟量输入回路方式(据模数转换原理分)：
◆基于逐次逼近型A/D转换的方式：包括电压形成回路、模拟低通滤波器(ALF)、采样保持回路(S/H)、多路转换开关(MPX)及模数转换回路(A/D)等 。
◆利用电压/频率变换(VFC)原理进行A/D转换的方式：包括电压形成、VFC回路、计数器等 。
(2)数字处理系统(CPU主系统)：
①数字处理系统(CPU主系统)：
微机保护装置是以CPU为核心，根据数据采集系统采集到的电力系统的实时数据，按照给定的算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种自动装置 。
微机保护原理由计算机程序来实现，CPU是计算机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的运行依赖于CPU来实现 。所以CPU的性能直接影响系统优劣 。
②数字处理系统主要包括：
微机处理器CPU;
数据总线为8、16、32位等的单片机、工控机以及DSP系统;
存储器;
电擦除可编程只读存储器EEPROM：存放定值;
紫外线擦除可编程只读存储EPROM和闪速存储器FLASH：存放程序;
非易失性随机存储器NVRAM：存放故障报文、采样数据;
静态存储器SRAM：存储计算过程中的中间结果、各种报告 。
(3)开关量输入/输出回路：
开关量输入输出回路一般采用固态继电器、光电隔离器、PHTOMOS继电器等器件组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号报警及外部接点输入等工作，实现与5V系统接口 。
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，计算机系统输入回路经光隔离器件转换为24V/5V信号，驱动继电器实现操作 。
(4)人机接口：
①主要包括：显示器、键盘、各种面板开关、实时时钟、打印电路等 。
②主要功能：
用于人机对话，如调试、定值调整及对机器工作状态的干预 。
常用液晶显示器和6键操作键，人机交互面板包括：由用户自定义画面的大液晶屏人机界面;由用户自定义的报警信号显示灯LED;由用户自定义用途的F功能键;光隔离的串行接口;就地、远方选择按钮;就地操作键 。
(5)通信接口：包括：维护口、监控系统接口、录波系统接口等 。
一般采用：RS485总线、PROFIBUS网、CAN网、以太网及双网光纤通信模式 。
微机保护对其要求：快速、支持点对点平等通信、突发方式的信息传输、物理结构采用星形、环形、总线形、支持多主机等 。
(6)电源回路：
采用开关稳压电源或DC/DC电源模块，提供数字系统5、24、±15V电源：
【微机保护装置硬件系统构成和微机继电保护装置硬件系统功能】 +5V电源用于计算机系统主控电源 。
±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
以下将要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：指整套微机保护共用一个单片微机，无论是数据采集处理，还是开关量采集、出口信号及通信等均由同一个单片机控制 。
(2)协同工作关系：目前人机接口一般另外采用独立的CPU，模拟量输入回路、单片微机系统(CPU、EPROM、RAM、EEPROM等)、开关量输入输出各部分均通过总线(BUS)联系在一起，由CPU通过BUS实现信息数据传输和控制 。
(3)优点：结构简单 。
(4)缺点：容错能力不高，一旦CPU或其中某个插件工作不正常就能影响整套保护装置 。因后备保护与主保护共用同一个CPU，主保护不能正常工作时往往也影响后备保护 。
2. 多CPU微机保护装置的结构：
(1)定义：指在一套微机保护装置中，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和后备保护及人机接口等功能 。
(2)优点：模块化设计，任何一个模块损坏不影响其他模块保护的正常工作，有效提高了保护装置的容错水平，防止了一般性硬件损坏而闭锁整套保护 。
(3)多CPU的功能框图：
图2 多CPU的功能框图
说明：
组成：由4个硬件完全相同的保护CPU模块构成，分别完成高频保护、距离保护、零序电流保护以及综合重合闸等，另配置了一块带CPU的接口模板(Monitor)，完成对保护(CPU)模块的巡检、人机对话和与监控系统通信联络等功能 。
模拟量输入回路有交流输入、模/数变换1、模/数变换2 。
单片微机系统即保护CPU模块由高频、距离、零序电流、综合重合闸等保护组成 。
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、报警电路，另有逆变电源部分 。
每个CPU插件都可以独立工作，各保护之间不存在依赖关系，故可靠性强 。
实际工作是主从分布式的微机工控系统，人机接口部分是主机，完成集中管理及人机对话的任务，而单片机保护部分是4个从机，它们分别独立完成各种保护任务，4种保护综合完成一条高压输电线路的全部保护，即输电线路各类相间和接地故障的主保护和后备保护，并能完成综合重合闸功能 。
3. 采用DSP的CPU微机保护装置的结构：
(1)DSP定义： DSP(Digital Signal Processor数字信号处理器)是进行数字信号处理的专用芯片，它是微电子学、数字信号处理技术、计算机技术综合的新器件 。
(2)应用：由于它可把数字信息处理中的一些理论和算法以实时实现，计算机应用领域中广泛应用 。
(3)结构形式(哈佛结构)：
大多用哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据 。
有两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问 。此法将处理器和存储器的带宽加倍数，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令 。
DSP速度最佳化是通过硬件功能予以实现的，每秒能执行10M条以上指令 。
采用循环寻址方式，实现了零开销的循环，大大增进了如卷积、相关、矩阵运算、FIR等算法的实现速度 。
(4)应用到微机保护中的理由：
由于DSP技术有着强大、快速的数据处理能力和定点、浮点的运算功能，因此将DSP技术融合到微机保护的硬件设计中，将极大地提高微机保护对原始采样数据的预处理和计算能力，提高运算速度，更容易做到实时测量和计算 。如，在保护中可以由DSP在每个采样间隔内完成全部的相间和接地阻抗计算，完成电压、电流测量值的计算，并进行相应的滤波处理 。
(5)硬件框图：
图3采用DSP的CPU微机保护装置的硬件结构框图
说明：采用单片机加DSP的结构，将主、后备保护集成在一块CPU板上，DSP和单片机各自独立采样，由DSP完成所有的数字滤波、保护算法和出口逻辑，由CPU完成装置的总启动和人机界面、后台通信及打印功能 。整个装置由多个插件模块组成，包括直流插件DC、交流插件AC、低通滤波插件LFP、CPU插件、通信插件COM、24V光耦插件OPT1、高压光耦插件PT2、信号插件SIG、跳闸出口插件OUT1和OUT2和显示面板LCD 。
(6)其他：交流变换插件AC用于三相电流(IA、IB、IC)、零序电流I0、三相电压(UA、UB、UC)及线路抽取电压Ux的输入 。通信插件完成与监控计算机通信连接，有RS485、光纤和以太网接口 。
4. 网络型CPU微机保护装置的结构：
(1)基本框图：
图4 网络型CPU微机保护装置结构的基本框图
说明：
与保护功能和逻辑有关的标准模块插件仅有三种：CPU插件、开入(DI)插件和开出(DO)插件 。
CPU插件包含了微机主系统和大部分的数据采集系统电路 。
开入(DI)、开出(DO)插件的设计，使CPU构成了智能化I/O插件 。
通信网络采用CAN总线方式，利用CAN总线的可靠性和非破坏性总线仲裁等，可保证硬件电路和跳闸命令、开入信号传输的可靠性、及时性 。
网络作为连接的纽带，故每一个模块仅相当于网络中的一个节点，可任意增加节点，节点功能分别升级 。
要求：遵守相同的规约 。
(2)优点：
模块之间的连接简单、方便;
可靠性高、抗干扰能力强;
扩展性好;
升级方便;
便于实现出口逻辑的灵活配置;
降低对微型机或微控制器并行口的数量的要求 。
三、现代数字继电保护装置的基本特征
以下就是现代数字继电保护装置的基本特征：
采用32位CPU提高保护系统的性能;
采用14-16位模数转换器A/D提高数据采集系统的精度;
采用高级语言编程，实现软件标准化、模块化、可编程，尽可能采用实时任务操作系统;
采用液晶或场效应型平面显示器实现人机接口;
采用LAN及gps构成强大、可靠的通信网络 。
微机保护系统硬件组成几个部分作用?
1、 数据采集系统包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换及模数转换等功能块，完成将模拟输入量转换为所需的数字量 。
2、 微型机系统包括微处理器、只读存储器、随机存储器以及定时器等，对由数据采集系统输入至随机存储器的原始数据进行分析处理，以完成各种继电保护功能 。
3、 开关量输入/输出系统由若干并行接口适配器、光电隔离器件及有接点的中间继电器等组成，以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 。以上就是微机保护装置硬件系统构成，希望能给大家在学习的过程中提供帮助，为社会的微机发展提供自己的奉献 。

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