第二節(jié)微機(jī)保護(hù)基本硬件構(gòu)成

本節(jié)將要介紹微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成以及微機(jī)保護(hù)裝置的幾種典型結(jié)構(gòu)。

一、微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成

以下主要介紹微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成和微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)功能。

1.微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成

（1）數(shù)據(jù)采集部分（包括電流、電壓等模擬量輸入變換、低通濾波回路、模數(shù)轉(zhuǎn)換等）。

（2）數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷及保護(hù)算法的數(shù)字核心部分（包括CPU、存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、WATCHDOG等）。

（3）開關(guān)量輸入/輸出通道以及人機(jī)接口（鍵盤、液晶顯示器）。

2.微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)-功能上分6塊

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（模擬量輸入系統(tǒng)）：

①主要功能：采集由被保護(hù)設(shè)備的電流電壓互感器輸入的模擬信號(hào)，并將此信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，然后轉(zhuǎn)換為所需要的數(shù)字量。

②模擬量輸入回路方式（據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換原理分）：

◆基于逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換的方式：包括電壓形成回路、模擬低通濾波器（ALF）、采樣保持回路（S/H）、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MPX）及模數(shù)轉(zhuǎn)換回路（A/D）等。

◆利用電壓/頻率變換（VFC）原理進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的方式：包括電壓形成、VFC回路、計(jì)數(shù)器等。

（2）數(shù)字處理系統(tǒng)（CPU主系統(tǒng)）：

①數(shù)字處理系統(tǒng)（CPU主系統(tǒng)）：

微機(jī)保護(hù)裝置是以CPU為核心，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按照給定的算法來檢測(cè)電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及故障性質(zhì)、范圍等，并由此做出是否需要跳閘或報(bào)警等判斷的一種自動(dòng)裝置。

微機(jī)保護(hù)原理由計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)，CPU是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)工作的指揮中樞，計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)行依賴于CPU來實(shí)現(xiàn)。所以CPU的性能直接影響系統(tǒng)優(yōu)劣。

②數(shù)字處理系統(tǒng)主要包括：

微機(jī)處理器CPU；

數(shù)據(jù)總線為8、16、32位等的單片機(jī)、工控機(jī)以及DSP系統(tǒng)；

存儲(chǔ)器；

電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM：存放定值；

紫外線擦除可編程只讀存儲(chǔ)EPROM和閃速存儲(chǔ)器FLASH：存放程序；

非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器NVRAM：存放故障報(bào)文、采樣數(shù)據(jù)；

靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM：存儲(chǔ)計(jì)算過程中的中間結(jié)果、各種報(bào)告。

（3）開關(guān)量輸入/輸出回路：

開關(guān)量輸入輸出回路一般采用固態(tài)繼電器、光電隔離器、PHTOMOS繼電器等器件組成，以完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號(hào)報(bào)警及外部接點(diǎn)輸入等工作，實(shí)現(xiàn)與5V系統(tǒng)接口。

柜內(nèi)開關(guān)量一般使用24V電源，柜間開關(guān)量輸入信號(hào)采用220V或110V電源，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入回路經(jīng)光隔離器件轉(zhuǎn)換為24V/5V信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)操作。

（4）人機(jī)接口：

①主要包括：顯示器、鍵盤、各種面板開關(guān)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、打印電路等。

②主要功能：

用于人機(jī)對(duì)話，如調(diào)試、定值調(diào)整及對(duì)機(jī)器工作狀態(tài)的干預(yù)。

常用液晶顯示器和6鍵操作鍵，人機(jī)交互面板包括：由用戶自定義畫面的大液晶屏人機(jī)界面；由用戶自定義的報(bào)警信號(hào)顯示燈LED；由用戶自定義用途的F功能鍵；光隔離的串行接口；就地、遠(yuǎn)方選擇按鈕；就地操作鍵。

（5）通信接口：包括：維護(hù)口、監(jiān)控系統(tǒng)接口、錄波系統(tǒng)接口等。

一般采用：RS485總線、PROFIBUS網(wǎng)、CAN網(wǎng)、以太網(wǎng)及雙網(wǎng)光纖通信模式。

微機(jī)保護(hù)對(duì)其要求：快速、支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)平等通信、突發(fā)方式的信息傳輸、物理結(jié)構(gòu)采用星形、環(huán)形、總線形、支持多主機(jī)等。

（6）電源回路：

采用開關(guān)穩(wěn)壓電源或DC/DC電源模塊，提供數(shù)字系統(tǒng)5、24、±15V電源：

+5V電源用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主控電源。

±15V電源用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)。

+24V電源用于開關(guān)量輸入、輸出、繼電器邏輯電源。圖10-1微機(jī)繼電保護(hù)功能二、微機(jī)保護(hù)裝置的幾種典型結(jié)構(gòu)

以下將要簡(jiǎn)要介紹微機(jī)保護(hù)裝置的幾種典型結(jié)構(gòu)：

1.單CPU微機(jī)保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)：

（1）定義：指整套微機(jī)保護(hù)共用一個(gè)單片微機(jī)，無(wú)論是數(shù)據(jù)采集處理，還是開關(guān)量采集、出口信號(hào)及通信等均由同一個(gè)單片機(jī)控制。

（2）協(xié)同工作關(guān)系：目前人機(jī)接口一般另外采用獨(dú)立的CPU，模擬量輸入回路、單片微機(jī)系統(tǒng)（CPU、EPROM、RAM、EEPROM等）、開關(guān)量輸入輸出各部分均通過總線（BUS）聯(lián)系在一起，由CPU通過BUS實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)傳輸和控制。

（3）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

（4）缺點(diǎn)：容錯(cuò)能力不高，一旦CPU或其中某個(gè)插件工作不正常就能影響整套保護(hù)裝置。因后備保護(hù)與主保護(hù)共用同一個(gè)CPU，主保護(hù)不能正常工作時(shí)往往也影響后備保護(hù)。

2.多CPU微機(jī)保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)：

（1）定義：指在一套微機(jī)保護(hù)裝置中，按功能配置多個(gè)CPU模塊，分別完成不同保護(hù)原理的多重主保護(hù)和后備保護(hù)及人機(jī)接口等功能。

（2）優(yōu)點(diǎn)：模塊化設(shè)計(jì)，任何一個(gè)模塊損壞不影響其他模塊保護(hù)的正常工作，有效提高了保護(hù)裝置的容錯(cuò)水平，防止了一般性硬件損壞而閉鎖整套保護(hù)。

（3）多CPU的功能框圖：圖10-4網(wǎng)絡(luò)型CPU微機(jī)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)的基本框圖說明：

與保護(hù)功能和邏輯有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)模塊插件僅有三種：CPU插件、開入（DI）插件和開出（DO）插件。

CPU插件包含了微機(jī)主系統(tǒng)和大部分的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路。

開入（DI）、開出（DO）插件的設(shè)計(jì)，使CPU構(gòu)成了智能化I/O插件。

通信網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線方式，利用CAN總線的可靠性和非破壞性總線仲裁等，可保證硬件電路和跳閘命令、開入信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?、及時(shí)性。

網(wǎng)絡(luò)作為連接的紐帶，故每一個(gè)模塊僅相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可任意增加節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)功能分別升級(jí)。

要求：遵守相同的規(guī)約。

（2）優(yōu)點(diǎn)：

模塊之間的連接簡(jiǎn)單、方便；

可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；

擴(kuò)展性好；

升級(jí)方便；

便于實(shí)現(xiàn)出口邏輯的靈活配置；

降低對(duì)微型機(jī)或微控制器并行口的數(shù)量的要求。

三、現(xiàn)代數(shù)字繼電保護(hù)裝置的基本特征

以下就是現(xiàn)代數(shù)字繼電保護(hù)裝置的基本特征：

采用32位CPU提高保