南瑞继电保护技能培训教材

第一章微机保护的硬件和软件系统

第一节微机保护的硬件系统

一套微机保护由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统是构成微机保护的基础，软件系统是微机保护的核心。图1-1表示出了微机保护的硬件系统构成，它由下述几部分构成：⑴微机主系统。它是由中央处理器（CPU）为核心，专门设计的一套微型计算机，完成数字信号的处理工作。⑵数据采集系统。完成对模拟信号进行测量并转换成数字量的工作。⑶开关量的输入输出系统。完成对输入开关量的采集和驱动小型继电器发跳闸命令和信号工作。⑷外部通信接口。⑸人机对话接口。完成人机对话工作。⑹电源。把变电站的直流电压转换成微机保护需要的稳定的直流电压。

微机主系统人机对话接口

图1-1 微机保护的硬件构成框图

一中央处理器CPU

它是微机主系统的大脑，是微机保护的神经中枢。软件程序需要在CPU的控制下才能遂条执行。当前，在微机保护中应用的CPU主要有以下一些类型：

1.单片微处理器

例如Intel公司的80X86系列，Motorola公司的MC683XX系列。其中32位的CPU例如MC68332具有极高的性能，在RCS900系列的主设备保护装置中得到了应

用。16位的如Intel公司的80296，在RCS900型的线路、主设备保护中用到了该芯片。

2.数字信号处理器（DSP）

它将很多器件，包括一定容量的存储器都集成在一个芯片中，所以外围电路很少。因而这种数字信号处理器的突出特点是运算速度快、可靠性高、功耗低。它执行一条指令只需数十纳秒（ns），而且在指令中能直接提供数字信号处理的相关算法。因此特别适宜用于构成工作量较大、性能要求高的微机保护。在RCS900型的线路、主设备保护中，保护的计算工作都是由DSP来完成的，使用的芯片是AD公司的DSP-2181。二存储器

用以保存程序、定值、采样值和运算中的中间数据。存储器的存储容量和访问时间将影响保护的性能。在微机保护中根据任务的不同采用的存储器有下述三种类型的存储器。

⒈随机存储器（RAM）。

在RAM中的数据可以快速地读、写，但在失去直流电源时数据会丢失。所以不能存放程序和定值。只用以暂存需要快速进行交换的临时数据，例如运算中的中间数据、经过A/D转换后的采样数据等。现在有一种称做非易失性随机存储器（NVRAM）它既可以高速地读/写，失电后也不会丢失数据，在RCS900保护中用以存放故障录波数据。

⒉只读存储器（ROM）。

目前使用的是一种紫外线可擦除、电可编程的只读存储器——EPROM。EPROM 中的数据可以高速读取，在失电后也不会丢失，所以适用于存放程序等一些固定不变的数据。要改写EPROM中的程序时先要将该芯片放在专用的紫外线擦除器中，经紫外线照射一段时间，擦除原有的数据后，再用专用的写入器（编程器）写入新的程序。所以存放在EPROM中的程序在保护正常使用中不会被改写，安全性高。

⒊电可擦除且可编程的只读存储器（EEPROM）。

EEPROM中的数据可以高速读取，且在失电后也不会丢失，同时不需要专用设备在使用中可以在线改写。因此在保护中EEPROM适宜于存放定值。既无需担心在失电后定值丢失之虞，必要时又可方便地改写定值。由于它可以在线改写数据，所以它的安全性不如EPROM。此外EEPROM写入数据的速度较慢，所以也不宜代替RAM 存放需要快速交换的临时数据。还有一种与EEPROM有类似功能的器件称作快闪（快擦写）存储器（Flash Memory），它的存储容量更大，读/写更方便。在RCS900型的保护中使用Flash存放程序，在软件中采取措施确保在运行中程序不会被擦写。

三数据采集系统

数据采集系统的作用是将从电压、电流互感器输入的电压、电流的连续的模拟信号转换成离散的数字量供给微机主系统进行保护的计算工作。在介绍数据采集系统前，先对若干名词作一些解释。

⑴采样。在给定的时刻对连续的模拟信号进行测量称做采样。每隔相同的时刻对模拟信号测量一次称做理想采样。微机保护采用的都是理想采样。

⑵采样频率s f。每秒采样的次数称做采样频率。采样频率越高对模拟信号的测

量越正确。但采样频率越高对计算机的运算速度的要求也越高，计算机必须在相邻两个采样时刻之间完成它的运算工作。否则将造成数据的堆积而导致运算的紊乱。在目前的技术条件下微机保护中使用的采样频率有600Hz、1000Hz、1200Hz三种。在南瑞继保电器公司原先生产的LFP900保护中使用的采样频率是600Hz和1000Hz。目

前生产的RCS900保护中使用的采样频率是1200Hz 。

⑶ 采样周期s T 。相邻的两个采样点之间的时间称做采样同期。显然采样同期与采样频率互为倒数。s s f T 1=。当采样频率为600Hz 、1000Hz 、1200Hz 时相应的采样周期分别为ms 666.1、ms 1、ms 833.0。

⑷ 每周波采样次数N 。采样频率相对于工频频率（50Hz ）的倍数表示了每周波的采样次数N 。采样频率为600Hz 、1000Hz 、1200Hz 时相应的N 值为12、20、24。

⑸ 采样定理。采样频率必须大于输入信号中的最高次频率的两倍，max s f f 2>，这就是著名的采样定理。不满足采样定理将产生频率混叠现象。

由逐次逼近式原理的模数转换器（A/D ）构成的数据采集系统。

这是目前应用最为广泛的一种数据采集系统，南瑞继保电气公司的RCS900保护中都用这种数据采集系统。图1-2画出了该数据采集系统的原理框图。各种保护根据

需要有若干个模拟信号需要采样，例如南瑞继保电气公司的线路保护采样八个量：

a u 、

b u 、

c u 、a i 、b i 、c i 、03i 以及线路电压x u 。而03u 电压不从TV 的开口三角处采样，而用三个相电压相加的自产03u 方法获得。各个模拟量有各个独立的采样通道，通过多路转换开关若干个模拟量用一个A/D 转换成数字量。

下面对图1-2所示的原理框图中的各个环节加以说明。

（1）交流变换器。它的作用有两个：① 将从TV 、TA 来的高电压、大电流变换成保护装置内部电子电路所需要和允许的小的电压信号。② 电气隔离和屏蔽作用。从TV 、TA 来的电气量经过很长电缆接到保护装置，也引入了大量的共模干扰。交流变换器一方面提供一个电气隔离，另一方面在一、二次线圈中加了一个接地的屏蔽层，使共模干扰经一次线圈和屏蔽层之间的分布电容而接地，可以有效地抑制共模干扰。

（2） LPF 模拟低通滤波器。它的作用是滤除高次谐波。这一方面是为了在采样时满足采样定理，另一方面是为了减少算法的误差，因为有些算法是基于工频正弦量

a

u b u 0

i 3至微机主系统

图1-2 采用A/D 变换器的数据采集系统原理框图