微机保护装置硬件构成分析及异常处理

李召前

云南铜业股份有限公司西南铜业分公司 云南省昆明市 650102

[摘要] 本文首先介绍了微机保护装置的结构原理，接着分别对微机保护装置的三个主要硬件构成，数据采集系统、微型机系统、开关量输入/输出系统逐一进行了阐述和分析，最后结合微机保护装置的实际运行中出现的异常状况处理情况，得出通过对装置硬件构成的研究，取得了较好的应用效果。

[关键词] 微机保护装置 硬件构成 应用效果

0引言

伴随着电力系统继电保护技术的不断发展，各种微机保护装置正应用到企业的供配电系统中。对于企业的正常生产而言，其稳定生产的前提是各级的供配电系统的安全、可靠运行，而微机保护装置作为电力系统的一个重要设备，它们的运行状况将直接影响到生产的连续性。本文结合实际应用，从微机保护装置结构原理入手，对硬件构成进行了分析和研究，在实践应用中遇到的异常情况也进行了分析处理，以保证微机保护装置安全、稳定的运行。

1微机保护装置的结构原理

微
机保护装置的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。结构原理图如图1所示：

图1 微机保护装置结构原理图

2微机保护装置的硬件构成

传统的继电保护中以上测量、逻辑、执行部分是利用各种继电器等硬件构成，如定时限过电流保护是由电流继电器、时间继电器、信号继电器等组成；而微机保护主要是由计算机、输入输出接口、人机联系、软件等构成。微机保护硬件构成示意图如图2所示。

图2 微机保护装置硬件构成示意图

2.1数据采集系统

微机系统只能识别数字量，保护所反应的电流、电压等模拟信号需转换为相应的微机系统能接受的数字信号。

A/D式数据采集系统如图3所示：

图
3 A/D式数据采集系统

2.1.1电压形成回路

微机保护从被保护对象的电流互感器（CT）、电压互感器（PT）处取得相应信息。但这些二次数值、输入范围对典型的微机保护电路却不适用，需要降低和变换，一般采用变换器实现变换。（微机保护参数的输入范围：0～5V或4～20mA）

2.1.2采样保持与低通滤波

由于微机保护只能对数字量进行运算和判断，所以应将连续模拟量变为离散量。采样保持电路作用就是在一个极短的时间测出模拟量在该时刻的瞬时值；并要求在A／D转换期间保持不变。

同时采样：微机保护大多数原理是基于多个输入信号，如三相电流、三相电压等。在每一个采样周期对通道的量全部同时采样。如图4所示。

采样频率：采样周期T_S的倒数称为采样频率。采样频率的选择是微机保护中的一个关键问题。频率高，采样精确，但对A/D转换器的转换速度要求也高，投资也就越高。如图5所示。

为
了将信号波频率限制在一定频带内，一般利用低通滤波器将高频分量滤掉，这样可降低采样频率，即降低对硬件的要求。

图
4 同时采样示意图

图5 采样原理图

2.1.3多路转换开关

为了保证阻抗、功率方向等不受影响，对各个模拟量要求同时采样，以准确地获得各量之间的相位关系。同时节省硬件，可利用多路开关轮流切换各通路，达到分时转换的目的，共
用A/D转换器。如图6所示。

图6 多路转换开关示意图

2.1.4模数转换器

模数转换器的作用是将输入模拟量变为与其成正比的数字量,以便进行处理、存储、控制和显示。

2.2微型机系统

用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后按照既定的程序动作。这是微机保护装置的核心，一般包括：微处理器(CPU)、存储器、定时器等。CPU是微机系统自动工作的指挥中枢；存储器是用于保存程序和数据；定时器用于触发采样信号，在V/F变换中，是频率信号转换为数字信号的关键部件。

2.2.1单片机

图7 单CPU结构微机保护硬件框图

单片机就是在一块硅片上集成了CPU、RAM、ROM、EPROM、定时器/计数器和多种I/O口（如并行、串行及A/D变换器等）的一个完整的数字处理系统。使用单片机的微机保护，由于单片机的小巧灵活特点，使得微机保护系统的结构紧凑，整体性能和可靠性高，抗干扰能力强。但通用性、可扩展性相对较差。对于复杂的保护算法，早期的单片机为单CPU结构，不具备复杂的运算功能，通常需要使用软件实现相应功能。由于单片机的资源有限，实际应用时常常需要对其功能进行补充和外部扩展。如图7所示为单CPU结构微机保护硬件框图。

1
6位单片机的出现，为新型微机保护奠定了基础。这种单片机，其内部包含了128kEPROM,4kRAM，10个内部计数器、定时器与中断口，2个全双工的串行口，以及数个内部A/D转换器。使得编程及应用非常灵活，新型微机保护的电路设计更加简单可靠。由于单片机价格低廉，微机保护由最初的单CPU的硬件结构为主发展为多单片机构成的多CPU硬件结构为主。图8为多CPU结构的微机保护硬件框图。

图8 多CPU结构的微机保护硬件框图

2.2.2 DSP芯片

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法,如图9所示。

图9 带有DSP的微机保护装置结构图

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DSP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，甚至完成独立的继电保护功能。随着DSP芯片和开发工具的价格下降，可以预期DSP将会在微机继电保护装置中发挥重要的作用。

2.3开关量输入/输出系统

2.3.1开关量输入

输入系统用于采集有接点的量（如瓦斯保护、温度信号等）作为开关量输入。输入方式包括装置面板输入和经端子排引入，其原理图如图10所示。

图10 开关量输入回路原理图

2.3.2开关量输出

执
行动作通过开关量输出，起动信号、跳闸继电器等，完成保护各种功能。如图11所示。

图11 开关量输出回路原理图

3 应用效果

通过研究微机保护装置的硬件构成，可以从根本上掌握微机保护装置的性能及特点，不仅可以在系统设计及设备选型上占得先机，还可以大大提高微机保护装置的维护水平及处理异常情况的效率，确保供配电系统的可靠运行。以下为装置在实际运行中遇到的异常状况及处理情况。

3.1 模拟量显示不准确

（1）异常情况描述：在一次对一台同步电动机微机保护装置进行保护整定值校核时，发现装置测量回路显示的A相电流值与继电保护仪显示的电流值不一致（误差超过1％）。

（2）原因分析：装置显示的电流值不准，从硬件构成上分析，应属于A/D 式数据采集系统的问题，首先从电压形成回路上分析，在装置底板上有一组可调节电位器，如图12所示，根据厂家资料找到对应的电位器为4w，进一步检查发现4w电位器的锁紧螺母有松动，应为导致装置显示的电流值误差大的原因。

处理方法：调整电位器螺母，对比试验仪器来校验显示的电流值，使其一致。

除了以上原因外，也存在装置长期运行后，受环境温度影响，及元器件氧化等原因造成的误差增大。

图
12 装置底板上的电位器示意图

3.2装置退出变电站综合自动化网络

异常现象：发现一台电力变压器微机保护装置退出综合自动化网络，后台监控系统不能对其访问和操作。

原因分析及排除：首先检查装置底板后的网络插口，插口电缆接头处连接可靠，排除接头松动原因造成。从硬件构成分析，对负责通讯功能的通讯模块进行检查，发现通信卡件上的一块集成芯片表面温度特别高（手触感觉），分析认为该芯片已坏，从其他备用设备的保护装置上取下一块芯片，将发热的芯片更换后，给装置上电后，通讯恢复正常。

随后对该芯片进行了检查。该芯片型号为PCA82C250,它是网络协议控制器和物理总线之间的接口，该器件对总线提供差动发送能力并对网络控制器提供差动接收能力，是使用最广泛的CAN网络收发器。以上可以得知，若PCA82C250芯片发生故障，由于它是CAN网络的接口，则CAN通信就会不正常。芯片损坏原因大多为外部环境造成，如雷击等。

4 结束语

微机保护装置替代了传统的继电保护器（如LL型、DL型），保护装置无论从速动性上还是灵敏性上都较传统的继电保护有了很大提高，设备电气保护更加可靠。当然，随着微机保护装置的更多功能的开发应用，也要求设备维护、技术人员不断学习新的方法及技术，掌握装置硬件构成及保护定值整定计算，同时在掌握硬件构成基础上，对运行中出现的异常状况，能快速正确分析并加以精准解决，保证微机保护装置在供电系统安全、可靠、稳定的运行。

[参考文献]

1. 高亮，电力系统微机继电保护.北京：中国电力出版社，2007

2. 由欣，张振华，刘万顺，实用微机保护数据采集系统的分析与研究，继电器，2000，V28（3）

3. 张懋洵，侯启风，何珍荣，微机软硬接口技术.昆明：云南科技出版社，2000

4. 郑学坚，周斌，微型计算机原理及应用.北京：清华大学出版社，1996

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