微机继电保护装置硬件原理图「继电保护装置工作原理」

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一、微机继电保护装置硬件系统构成

微机继电保护微硬件主要包括数据采集部分（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），数据处理、逻辑判断及保护算法的数字核心部件（包括CPU、存储器，实时时钟、WATCHDOG等），开关量输人/输出通道以及人机接口（键盘、液晶显示器）。从功能上可分为6个组成部分，数据采集系统（CPU主系统），开关量输入/输出回路，人机接口，通信接口，电源回路。典型微机几点保护装置的硬件系统结构如图1-1所示。

1.数据采集系统

微机继电保护数据采集系统包括隔离与电压形成、低通滤波回路、多路开关及模/数变换，其主要功能是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，然后转换为所需的数字量。

根据模/数转换的原理不同，微机保护装置模拟量输入回路有两种方式，一是基于逐次逼近型模/数转换的方式，二是利用电压/频率变换（VFC）原理进行模/数转换的方式。前者包括电压形成回路、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（A/D）转换器等功能块；后者主要包括电压形成回路、VFC回路、计数器等环节，如图1-2所示。

2.数字处理系统（CPU主系统）

微机继电保护装置是以中央处理器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。因此，CPU的性能好坏在很大程度上决定了计算机系统性能的优劣。

（1）微处理器CPU。微处理器采用数据总线为8、16、32 位等的单片机、工控机以及DSP 系统。单片机通过大规模集成电路技术将CPU、ROM、RAM和I/O接口电路封装在一块芯片中。因此具有可靠性高、接口设计简易、运行速度快、功耗低、性能价格比高的优点。使用单片机的微机保护具有较强的针对性。系统结构紧凑。整体性能和可靠性高，但通用性、可扩展性相对较差。DSP的突出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大，尤其是采用专用硬件实现定点和浮点加乘（矩阵）运算，速度非常快。将数字信号处理器应用于微机继电保护，极大地缩短了数字滤波、滤序和傅里叶变换算法的计算时间，不但可以完成数据采集、信号处理的功能。还可以完成以往主要由CPU完成的运算功能，甚至可以完成独立的继电保护功能。

（2）存储器。它包括电擦除可编程只读存储器EEPROM、紫外线擦除可编程只读存储EPROM、非易失性随机存储器NVRAM、静态存储器SRAM、闪速存储器FLASH 等。其中，EEPROM存放定值。EPROM、FLASH存放程序，NVRAM存放故障报文、采样数据。计算过程中的中间结果、各种报告存放于SRAM中。

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。一般而言，柜内开关量输入信号采用24V电源，柜间开关量输入信号采用220V或110V电源。计算机系统输出回路经光隔器件转换为24V信号，驱动继电器实现操作。国外也有通过5V电源驱动继电器的。

4.人机接口

人机交互系统包括显示器、键盘、各种面板开关、实时时钟、打印电路等，其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等。现在一般采用液晶显示器和流行的6键操作键。人机交互面板一般应包括;

（1）可以由用户自定义画面的大液晶屏人机界面。

（2）可以由用户自定义的报警信号显示灯LED。

（3）可以由用户自定义用途的F功能键。

（4）光隔离的串行接口。

（5）就地、远方选择按钮。

（6）就地操作键。

5.通信接口

微机继电保护装置的通信接口包括维护口、监控系统接口、录波系统接口等。一般可采用RS485总线、Profibus 网、CAN网、LON 网、以太网及双网光纤通信模式，以满足各种变电站对通信的要求，满足各种通信规约∶IEC 61870-5-103、PROFIBUS-FMS/DP、MODBUS RTU、DNP 3.0、IEC 61850 以太网等。

微机继电保护对通信系统的要求是快速，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

电源回路可以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，也有的系统采用多组24V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。

二、微机继电保护装置的几种典型结构

在实际应用中，微机继电保护装置分为单CPU和多CPU的结构方式。在中低压保护中多采用单CPU结构方式，而高压及超高压复杂保护装置广泛采用多CPU的结构方式。

1.单CPU微机继电保护装置的结构

单CPU微机继电保护装置是指整套微机继电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一个单片微机控制。但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（包括CPU、EPROM、RAM、EEP-ROM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。

单CPU结构的微机继电保护虽然结构简单，但容错能力不高，一旦CPU或其中某个插件工作不正常就影响到整套保护装置。由于后备保护与主保护共用同一个CPU，因此主保护不能正常工作时往往也影响到后备保护，其可靠性必然下降。

2. 多CPU微机继电保护装置的结构

为了提高微机继电保护的可靠性，高压及超高压变电站微机继电保护都已采用多CPU 的结构方式。所谓多CPU的结构方式就是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。显然这种多CPU 结构方式的保护装置中，如有任何一个模块损坏均不影响其他模块保护的正常工作，有效地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。

多CPU结构的保护装置还提供了采用三取二保护启动方式的可能性，大大提高了保护装置启动的可靠性。多CPU结构的微机继电保护装置硬件框图如图1-3所示，这是我国11 型微机保护装置的典型结构框图。

该保护装置由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功能。另外还配置了一块带 CPU的接口模板（MONITOR），完成对保护（CPUD模块巡检、人机对话和与监控系统通信联络等功能。由图1-3可见，整套保护装置仍然由模拟量输入、单片微机系统、人机接口及开入开出回路、电源等组成。模拟量输入回路包括交流输入、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、零序电流保护和综合重合闸组成;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。此外还有逆变电源部分。

单片微机保护部分由4个独立的保护CPU模块组成，其中高频保护和综合重合闸共用一块模/数变换插件，距离保护和零序电流保护共用另一块模/数变换插件。这样的接线方式增加了保护的冗余量，从而进一步提高了保护的可靠性，但相对增加了保护的复杂性。

多CPU结构的保护装置中，每个保护CPU插件都可以独立工作。各保护之间不存在依赖关系。例如高频保护是由高频距离和高频零序方向两个主保护组成，其中距离元件和零序方向元件都是独立的，不依赖于距离保护CPU 和零序保护CPU插件中的距离元件及零序方向元件。保护CPU的完整性和独立性又大大提高了保护可靠性。

多CPU结构的保护装置实质上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的微机继电保护装置的结构

数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）是进行数字信号处理的专用芯片，它是综合了微电子学、数字信号处理技术、计算技术的新器件。由于它特殊的设计，可以把数字信号处理中的一些理论和算法予以实时实现，并逐步进入控制器领域，因而在计算机应用领域中得到广泛的使用。

大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器和存储器的带宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。在这种布局下，DSP得以实现单周期的MAC指令。DSP速度的最佳化是通过硬件功能予以实现的，每秒能够执行1000 万条以上的指令;同时，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。另外，DSP指令集能够使处理器在每个指令周期内完成多个操作，从而提高每个指令周期的计算效率。

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技术融合到微机继电保护的硬件设计中，将极大地提高微机继电保护对原始采样数据的预处理和计算的能力，提高运算速度，更容易做到实时测量和计算。例如，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。

采用DSP的微机线路保护装置硬件框图如图1-4所示。采用单片机加DSP 图1-4 采用DSP的微机线路保护装置硬件框图（数字信号处理器）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。图1-4 中，QDJ为保护装置的启动继电器。人机接口显示面板单设一个单片机 （图中未画出），专门负责汉字液晶显示、键盘处理，显示面板通过串口与主CPU交换数据。显示面板还提供一个与PC通信的接口。

整个保护装置设计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（CPU）、通信插件（COM）、24V光耦插件（OPT1）、高压光耦插件（OPT2）、信号插件（SIG）、跳闸出口插件（OUT1、OUT2）和显示面板（LCD）。

其中，CPU插件是装置核心部分。装置采样率为每周期24 点，在每个采样间隔内对所有保护算法和逻辑运算进行实时计算，使得装置具有很高的可靠性及安全性。

启动 CPU 内设总启动元件，启动后开放出口继电器的正电源，同时完成事件记录及打印、保护部分的后台通信及与面板通信;另外还具有完整的故障录波功能，录波格式与COMTRADE 格式兼容，录波数据可单独从串口输出或打印输出。

交流输入变换插件（AC）用于三相电流（IA、IB、Ic）、零序电流（Io）、三相电压（UA、UB、Uc）及线路抽取电压（U）的输入。通信插件的功能是完成与监控计算机或RTU的通信连接，有RS485、光纤和以太网接口可供选择。

4.网络化微机继电保护装置的结构

网络化微机继电保护装置典型硬件框图如图 1-5所示，与保护功能和逻辑有关的标准模块插件仅有三种，即CPU插件、开入（DI）插件和开出（DO）插件。在图1-5中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技术，合理安排传输信号的优先级，完全可以保证硬件电路和跳闸命令、开入信号传输的可靠性、及时性。另外，已有许多CPU中集成了CAN总线的接口电路，使得网络化的成本较低。

由于将网络作为各模块间的连接纽带，所以，每个模块仅相当于网络中的一个节点，不仅可以很方便地实现模块的增加或减少，满足各种各样的功能配置要求。构成积木式结构而且每个模块可以分别升级。无论模块升级与否，对于网络来说，模块仍然为网络的一个节点，唯一要遵循的是要求采用同一个规约。网络化后，用CAN 网络代替一对一的物理导线连接，各插件之间的连接只有两条网络导线和相应的电源线，极大地简化了CPU与开入、开出之间的连线。当然，如果需要的话，也可以采用双CAN 网的方式。

现场总线接口部分，对于编程来说，操作过程相当于对串行接口的操作，至于传输协议、仲裁、检测、重发等功能和机制均集成在接口电路内。其余的电路构成、工作原理等均与单CPU是一样的，如DO模块是由CPU、光电耦合开出、出口继电器等部分组成的电路。但为了提高可靠性，DO模块中的启动继电器应由保护或启动CPU模块来控制。网络化硬件结构的优点有以下几个方面∶

（1）模块之间的连接简单、方便。仅通过一对双绞线，就可完成一条现场总线的连接，既可以传递信息，又可以发送控制命令，还可以避免了插件端子数量的限制。

（2）可靠性高、抗干扰能力强。CAN 总线的特点是高可靠性和高抗干扰能力，同时，CAN总线设置于装置内部，又极大地减少了受干扰的次数和程度。

（3）扩展性好。由于每个模块接入网络时，仅相当于接入一个节点，所以方便了各种模块的组合，实现积木式的结构，即插即用，满足不同硬件配置的要求。如一个DO模块不够用时，可以在不改变装置内部电路和结构的情况下加入另一个DO模块。

（4）升级方便。如微型机模块升级，只改变了节点内部的电路和结构，对CAN 总线而言，升级后的微型机模块仍然是总线上的一个节点，因此，开入、开出模块可以保持不变，保护对外的接口、连接电缆基本不用更改。

（5）便于实现出口逻辑的灵活配置。在变压器、发电机保护中，根据不同容量、不同主接线等情况，保护的一个动作逻辑有可能组合成多个出口对象，因此，出口逻辑的灵活配置完全满足了这种要求。由于每个模块均设置了微型机或微控制器，所以有两种方式可以实现出口逻辑的灵活配置∶①在DO模块中实现出口逻辑的灵活配置;②在保护微型机模块中实现出口逻辑的灵活配置。从出口功能来看，后一种方式中的DO模块仅仅执行命令，更适合于DO模块的通用化，适应不同保护的需要。

（6）降低了对微型机或微控制器并行口的数量要求。对于非网络化硬件结构，因为出口继电器由并行口控制，所以不同出口对象的继电器数量完全取决于并行口的数量。

三、现代数字继电保护装置的基本特征

（1）采用32位CPU提高保护系统的性能。

（2）采用14~16 位模/数转换器（A/D）提高数据采集系统的精度。

（3）采用高级语言编程，实现软件标准化、模块化、可编程，并且尽可能地采用实时多任务操作系统。

（4）采用液晶或场效应型平面显示器件实现人机接口。

（5）采用LAN及GPS构成强大、可靠的通信网络。通信网络满足以下要求∶

1）良好的电磁兼容。

2）良好的系统扩展。

3）高速、大容量数据传输。

4）采样数据的同步。

5）增强的系统自检功能。

6）丰富的系统分析工具。

7）系统具有较高的可靠性及较好的升级、扩展能力。

基于现场总线的多CPU分布式保护系统结构代表了我国微机继电保护装置的发展方向，也是现今比较流行的硬件平台。CPU采用了32位带浮点运算的DSP，保证保护系统更可靠。其中各CPU分别为独立的单片机系统，完成各个保护功能及录波。各CPU采用单片机，如M77、Intel 80196等。多CPU系统可共享数据采集系统数据，简单的通信网络构成了性能价格比优良且可靠的体系结构，系统针对性较强、结构紧凑、整体性能和可靠性较高。同时，由于采用16位高性能的单片机，总线不出芯片，构成的独立子系统抗干扰能力强。在我国，90%以上的微机继电保护装置沿用这种模式。但这种模式的硬件系统在通用性、可扩展性以及系统升级等方面比较困难。此外，单片机的硬件资源十分有限，一些高级应用程序难以实施。

微机继电保护装置使用的处理器、数据采集系统、数字通信方式对其工作性能影响很大，因此，在保证硬件结构相对稳定的情况下，应尽可能地采用新型高性能硬件芯片。

微机继电保护硬件系统设计要考虑以下因素∶

（1）必须实现高速数据采集，以便详细地记录故障突变过程。

（2）必须解决由于高速数据采集所带来的对数据的实时处理及存储。

（3）必须确保保护系统数据处理各环节的高可靠性，并考虑对系统数据处理同步性的要求。

（4）具备良好的人机接口。

（5）具有增强的系统自检功能和灵活多样的分析与检测手段。

（6）保护系统在软硬件方面应有较高的可靠性和升级、扩展能力等。只有硬件平台资源丰富，才能实现各种软件功能。

此外，在硬件设计时，以下几个方面要着重考虑∶

（1）继电保护装置最重要的指标是鲁棒性好，简单而可靠。

（2）采用新的保护原理而必须大幅度提高对硬件复杂性的要求时，要很好地权衡得失。

（3）算法要求快时，硬件应按快的要求设计;如果允许慢一些时，硬件设计可简化。

（4）灵敏度必须保证，但也不需要太灵敏，在合理范围即可。

（5）元器件可靠性的提高及完善的自检引起的对可靠性设计观念的变化。