第二节 微机保护基本硬件构成
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微机保护是用微型机组成的继电保护装置,是供电系统继电保护装置的发展前景(已经基础保持,有待发展趋势),它具备销售电价,高目的性,高灵敏。
微机保护装置硬件配置包含中央处理器(单片机设计)为关键,和键入、輸出安全通道,人机接口和通信插口等.该系统软件运用于电力工程、石油化工、矿山开采冶炼厂、铁路线及其工业建筑等。
微型机的硬件配置是通用性的,而维护的特性和作用是由手机软件决策。
微机保护装置的大数字关键通常由CPU、存储芯片、定时器/电子计数器、Watchdog等构成。
现阶段大数字关键的流行为内嵌式微处理器(MCU),即一般常说的单片机设计;I/O安全通道包含模拟量输入安全通道(模拟量输入转换控制回路(将CT、PT所精确测量的量转化成更低的合适內部A/D变换的工作电压量,±2.3V、±5V或±12V)、低通滤波器及取样、A/D 变换)和大数字量I/O安全通道(人机接口和各种各样告警信号、脱扣数据信号及电度单脉冲等)。
传统式的继电保护装置是使键入的电流量、工作电压数据信号立即在模拟量输入中间开展较为和与运算解决,使模拟量输入与设备中给出的机械设备量(如弹黄扭矩)或电气设备量(如门坎工作电压)开展较为和与运算解决,决策是不是脱扣。
微机保护由硬件配置和软件两一部分构成。
微机保护的软件由复位控制模块、数据收集管理方法控制模块、常见故障验出控制模块、常见故障测算控制模块、自查控制模块等构成。
一般微机保护的硬件配置电源电路由6个作用模块组成,即数据管理系统、微型机主系统软件、电源开关量I/O电源电路、工作中开关电源、通信接口和人机对换系统软件。
计算机软件只有作大数字与运算或逻辑运算,因而微机保护的工作中全过程大概是:当供电系统产生常见故障时,常见故障电气设备量根据模拟量输入系统软件转化成大数字量,随后送进电子计算机的中央处理器,对常见故障信息内容按相对的维护优化算法和程序流程开展与运算,且将与运算的結果随时随地与给出的整定值开展较为,辨别是不是产生常见故障。
微机保护微机保护是指将微型机、微控制器等器件作为核心部件构成的继电保护。
一、微机保护的特点及构成1.微机保护的特点(1)维护调试方便。
在微机保护应用之前,布线逻辑的保护装置,调试工作量很大,尤其是一些复杂保护,调试一套保护常常需要一周,甚至更长时间。
因为布线逻辑保护的所有功能,都是由相应的元件和连线实现的,为了确认保护装置的完好,需要通过模拟试验校核所有功能。
而微机保护的各种复杂功能是由软件(程序)实现的,如果经检查,程序与设计时完全一样,就相当于布线逻辑的保护装置的各种功能已被检查完毕。
(2)可靠性高。
微型机、微控制器等在程序指挥下,具有极强的综合分析和综合判断能力。
所以,微机保护可以实现常规保护很难办到的自动纠错,实现自动识别和排除干扰,防止由于干扰造成的误动作。
同时,微机保护的自诊断功能,能够自动检测出本身硬件的异常,配合多重化有效防止拒动,因此可靠性很高。
目前,国内设计与制造的微机保护,均按照国际标准的电磁兼容试验考核,进一步保证了装置的可靠性。
(3)易于获得附加功能。
采用微机保护,如果配置一台打印机,或者其他显示设备,或通过网络连接到后台计算机监控系统,可以在电力系统发生故障后提供多种信息。
例如,保护动作时间和各部分的动作顺序记录、故障类型和相别及故障前后的电压和电流波形记录等,对于线路保护,还可以提供故障点的位置(测距功能)。
这将有助于运行部门对事故的分析和处理。
(4)灵活性大。
由于微机保护的特性和功能主要由软件决定,而不同原理的保护可以采用通用硬件。
因此,只要改变软件就可以改变保护的特性和功能,从而可以灵活地适应电力系统运行方式的变化和其他要求。
(5)保护性能得到很好改善。
由于微型机、微控制器的应用,很多原有型式的继电保护中存在的技术问题,可以找到新的解决办法。
例如,变压器差动保护如何鉴别励磁涌流与内部故障等问题,都已提出了许多新的原理和解决办法。
可以说,只要找出正常与故障的区别特征,微机保护基本上都能予以实现。
简述微机保护的基本构成和主要部分的功能1、简述微机保护的基本构成和主要部分的功能答:微机保护是由一台计算机和相应的软件(程序)来实现各种复杂功能的继电保护装置。
微机保护的特性主要是由软件决定的,具有较大的灵活性,不同原理的保护可以采用通用的硬件。
微机保护包括硬件和软件两大部分。
硬件一般包括以下三大部分。
(1) 模拟量输入系统(或称数据采集系统) 包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等功能,完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量。
(2) CPU主系统包括微处理器(MPU)、只读存储器(EPROM)、随机存取存储器(RAM)以及定时器等。
MPU执行存放在EPROM中的程序,对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理,以完成各种继电保护的功能。
(3) 开关量(或数字量)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、信号警报、外部接点输入及人机对话等功能。
微机保护软件是根据继电保护的需要而编制的计算机程序。
72、电力变压器的不正常工作状态和可能发生的故障有哪些?一般应装设哪些保护?答:变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。
变压器内部故障系指变压器油箱里面发生的各种故障,其主要类型有:各相绕组之间发生的相间短路,单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路,单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障等。
变压器外部故障系变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障,其主要类型有:绝缘套管闪络或破碎而发生的单相接(通过外壳)短路,引出线之间发生的相间故障等。
变压器的不正常工作状态主要包括:由于外部短路或过负荷引起的过电流、油箱漏油造成的油面降低、变压器中性点电压升高、由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁等。
为了防止变压器在发生各种类型故障和不正常运行时造成不应有的损失,保证电力系统安全连续运行,变压器一般应装设以下继电保护装置: (1)防御变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护。
第二节 微机保护基本硬件构成 本节将要介绍微机保护装置硬件系统构成以及微机保护装置的几种典型结构。 一、微机保护装置硬件系统构成 以下主要介绍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。 1. 微机保护装置硬件系统构成 (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: +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10-2 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10-3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。