電力系統(tǒng)微機型繼電保護裝置的設計思路

摘要本文針對微機型繼電保護裝置的存儲、運算、軟件可擴充性、設備抗干擾、自檢和自適應能力、串行通信等軟硬件技術的深入討論，提出了一些基本思路。關鍵字：微機保護 單片機 抗干擾 串行通信0 引言隨著計算機技術的高速發(fā)展，隨著電力系統(tǒng)的不斷擴大、智能化，微機型繼電保護裝置在電力系統(tǒng)應用成為了必然，它應該具備以下特點：（1）強大的存儲和運算能力、軟件功能的可擴充性；；（2）設備抗干擾、自檢和自適應能力；（3）適應標準規(guī)約的通信能力。1 存儲和運算、軟件功能的可擴充性；1.1 存儲能力裝置除能存儲定值、程序、故障信息及一些重要的數(shù)據(jù)外,還應存放采樣值，以便對系統(tǒng)進行分析，尤其是故障前后的數(shù)據(jù)。一般在設計中根據(jù)數(shù)據(jù)的特點分三塊進行存儲，RAM用于存放采樣值及一些臨時的計算結果，EPROM用于存放程序，EEPROM用于存放整定值及一些重要的數(shù)據(jù)。1.2定值轉換（1） 電流電壓定值A/D轉換得到的數(shù)字量要除以一定的比例系數(shù)才能真實地反映實際的電流電壓值。為了盡量避免除法運算和減少定值比較時的計算量，可以將原始電流電壓定值乘以一定的比例系數(shù)之后再與計算值進行比較。另外由于傅氏計算中為了避免開方運算，實際得到的是幅值平方。故原始定值可以取平方與計算值比較。（2） 時間定值時間計數(shù)是在軟件定時器中斷中完成的，時間定值轉換成定時器中斷次數(shù)與時間計數(shù)進行比較。1.3 濾波及傅氏算法設A/D采樣得到的原始樣值為ik，則采用差分濾波算法得到的差分樣值Ik＝ik－ik-2。式中ik為第k次原始采樣值，ik-2為第k-2次原始采樣值。輸入信號是周期函數(shù)時，可以采用傅氏算法分離其基頻及倍頻分量。以基頻分量為例，按每周波采樣12次：由于全周傅氏算法必須在系統(tǒng)發(fā)生故障一周后計算才有效，其最小響應時間至少為20MS。為使計算能在更快的時間內得出結果，可以采用半周傅氏算法計算如下：采用半周傅氏算法最小響應時間可縮短為10MS。1.4 突變量方式起動投跳閘保護采用突變量方式起動，即連續(xù)三次｜｜Ik－Ik-12｜－｜Ik-12－Ik-24｜｜≥ 突變量時起動保護。突變量在定時器中斷程序里進行判斷，以保證跳閘時間的準確性。式中Ik為當前差分樣值，Ik-12為一周波前差分樣值，Ik-24為兩周波前差分樣值。1.5 人機對話一方面當保護動作或裝置故障時，在屏幕上顯示相關的故障信息，另一方面接受用戶的整定值并存入EEPROM。為了方便用戶調試整套裝置的硬件，可專門設置一些人機對話形式的調試程序。如對RAM的讀寫、時鐘的對時、采樣通道的校驗、重要算法的校驗、開關量的校驗、串行通信的校驗等。2 設備抗干擾、自檢和自適應；2．1 硬件抗干擾（1）磁環(huán)和抗干擾電容所有交流輸入端子、開關量輸入端子、直流電源輸入端子均先經磁環(huán)和抗干擾電容后再進入裝置。所有繼電器出口均先經磁環(huán)和抗干擾電容后再輸出至端子。本措施具有極強的電磁兼容性。（2） 復位電路采用MAXIM公司的微處理器監(jiān)控芯片MAX706，實現(xiàn)以下功能：① 系統(tǒng)上電或手動復位時產生復位脈沖輸出至CPU；② 獨立的看門狗（Watchdog）輸出。在一定的時間內看門狗輸入未被觸發(fā)，則看門狗輸出使CPU復位。設置看門狗功能提供了一種使系統(tǒng)從瞬時故障中自動恢復的能力。MAX706看門狗功能與CPU內部的看門狗功能配合使用以達到雙重化的目的。2．2 軟件抗干擾（1）冷、熱啟動入口不同開機上電啟動時的初始化入口稱為冷啟動入口，其它原因引起的復位啟動入口稱為熱啟動入口。當熱啟動的初始化工作不同于冷啟動時，可采用冷、熱啟動入口不同的方法解決。設置一個校驗字，程序入口處判校驗字正確與否。冷啟動時由于放置校驗字的單元為隨機數(shù)，故執(zhí)行冷啟動初始化程序并置校驗字單元的值。熱啟動時校驗字正確則進入熱啟動初始化程序入口。（具體流程見圖1）（2）未用存儲單元的處理未用的存儲單元全部置為復位指令代碼，一旦程序跑飛到這些未用單元，可以直接返回到熱啟動入口處繼續(xù)執(zhí)行程序。 2.3裝置自檢EPROM、EEPROM芯片自檢可采用求和尾碼校驗法。即將規(guī)定地址空間的單元內容累加，溢出不管，最后累加的結果與預定的校驗碼比較，從而判斷ROM中有無單元損壞。（具體流程見圖2）RAM芯片自檢可先將待檢驗單元內容保存起來，然后將55H寫入該單元，讀該單元的值，檢查是否正確。再將AAH寫入待檢驗單元，再讀該單元值，檢查是否正確。檢驗完畢恢復該單元的值。這種方法可測試每個存儲單元每一位的兩種二進制狀態(tài)，對于檢測壞單元數(shù)據(jù)線粘連有較好的效果。（具體流程見圖3）出口回路自檢可采用一路開關量，專門用來監(jiān)視出口繼電器的開閉狀態(tài)。通信自檢由于保護裝置是從機，通信出錯的處理主要由通信管理機負責，保護裝置只負責簡單的報文內容校驗。任何裝置自檢故障，均立即閉鎖跳合閘出口回路。3 適應標準規(guī)約的通信能力。4．1 硬件連接采用光電隔離的RS485/RS422標準通信接口與外界進行通信聯(lián)系�？膳c裝置直接或間接相連的外部設備有：通信管理機、RTU或打印機等。（其連接如圖4所示）4．2 微機保護與通信管理機、RTU通信由圖5可見，保護裝置與通信管理機之間可直接通過RS485/RS422接口相連，亦可將RS485/RS422接口轉換為RS232接口后再與通信管理機相連。保護裝置與RTU之間可通過通信管理機相連，亦可將RS485/RS422接口轉換為RS232接口后直接與RTU相連。保護裝置與通信管理機通信采用一對多主從查詢方式。通信管理機為主機，保護裝置為從機。程序結構上主機采用查詢方式，從機采用中斷方式。正常運行時，保護接受來自通信管理機的查詢命令并作出相應的應答。當保護動作或裝置自檢出錯時，保護主動上送事件信息及自檢報告。4．3 微機保護與打印機相連由圖5可見，保護裝置與打印機之間相連有以下幾種方式：（1）將RS485/RS422接口轉換為RS232接口后與串行打印機相連；（2）將RS232接口轉換為并行接口后與并行打印機相連；（3）通過通信管理機與并行打印機相連；（4）通過RTU與并行打印機相連。當多臺保護裝置組屏在一起需共享一臺打印機（這里以串行打印機為例，接并行打印機時只需加多一個串/并轉換即可）時，由于保護與打印機通信只需發(fā)送兩根線，故可利用全雙工的RS422接口，將接收兩根線用于裝置與裝置之間的級聯(lián)，即一臺保護裝置的發(fā)送端與另一臺保護裝置的接收端依次相連，最后一臺保護裝置的發(fā)送端經RS422/RS232轉換后與串行打印機相連。（見圖5）5 結束語目前隨著計算機技術的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)產品技術也不斷的在更新，本文就微機型繼電保護裝置提出了產品開發(fā)的基本思路，如何將最先進的新技術運用到產品開發(fā)中是工程設計人員最應把握的開發(fā)方向。