微机保护

绪论

一、微机保护的发展历史

微机保护的发展大体经历了三个阶段：

1、理论研究阶段

主要是采样技术；数字虑波及各种算法的研究。

2、试验室研究阶段

主要是微机保护硬件、软件的研究，并制成样机

3、工业化应用阶段

20世纪70年代末，80年代初，微机保护在电力系统中得到应用，并且发展十分迅速。

1984年华北电力学院研制的一套微机距离保护通过鉴定。87年投入批量生产。以后，微机保护发展迅速，90 年华北电力学院研制的WXB—11投入运行。现在微机保护已得到广泛应用。

二、我国微机保护的发展概况

第一代产品为1984年华北电力学院研制的微机距离保护MDP－1型。其特点是：采用单CPU及多路转换的ADC模数转换模式。

第二代产品为华北电力学院北京研究生部研制的WXB－11型和WXH－11。其特点是：采用多CPU并行工作，总线不引出插件，模数转换采用VFC方式。

第三代产品为北京哈德威四方保护与控制设备公司和华北电力大学联合研制生产的CS系列产品。其特点是：采用不扩展的单片机，总线不引出芯片及先进的网络通信技术。

三、微机保护的特点

1、维护调试方便。

2、可靠性高

3、动作准确率高

4、易于获得附加的功能

5、保护性能容易得到改善

6、使用灵活、方便

7、具有远方监控特性

第一章微机保护装置的硬件原理

§1—1微机保护装置的硬件结构

传统的继电保护装置，都是反应模拟量的保护，保护的功能完全由硬件完成。微机保护不仅有实现保护功能的硬件，而且必须有实现保护和管理功能的软件。即：程序。

一、微机保护的硬件主要由四个部分组成：图1-1示

（1）数据采集系统；

（2）微型机部分；

（3）开关量输入、输出接口部分；

（4）电源。

1、数据采集系统：将模拟信号变换成数字信号的系统

数据采集系统的任务：将模拟信号变换成数字信号。

采样——在给定的时刻对参数量进行测量记录。

模拟信号——随时间作连续变化的信号。

数字信号——如果信号的定义域是一些离散的点，则称这种信号为离散信号。如果函数的值也是一些离散点的集合，则称这种信号为数字信号。

2、微型计算机系统

是微机保护的核心部分。目前微机保护的微机系统都是由单片机构成。

单片机：将CPU、存贮器、输入/输出接口、定时器/ 计数器等功能部件集成在一块大规模集成电路内的微型计算机

CPU ：微处理器（中央控制单元）。由运算器、控制器和若干寄存器组成。

EPROM：程序存贮器。（只读存贮器，保存的信息不轻易变动）用来存放各种保护功能的程序。只能用紫外线擦除。

EEPROM：是一种电擦除电修改的程序存贮器。用以存放保护的定值。存放内容可保持10年不变。每个保护插件可同时存放10套不同的定值，利用面板上的拨轮开关可改换保护定值。对微机保护用于旁路开关提供了极大的方便。

RAM：数据存贮器。用于存放运算过程中的中间结果。掉电后信息会丢失。

单微机系统：在一套微机保护中，仅有一个单片机，整套保护的所有功能，都在它的管理（执行程序）之下实现。

多微机系统：在一套保护装置中，有两个或两个以上单片机的系统。

在多微机系统中，每个CPU只执行分配给它的部分任务。几个CPU可并行工作。

3、开关量输入输出接口部分

接口是微机与外部设备的联系部分。

因为输入、输出信号都是开关量信号，故又称为开关量输入输出电路。

开关量信号：接点的通、断信号。

开关量输入信号：外部接点输入微机的信号。保护装置的压板、连接片、屏上的切换开关、其它保护的接点等。

开关量输入电路：外部接点输入微机的电路。

开关量输出信号：表示微机保护执行结果的信号。通过开关量输出电路驱动一些继电器。如：起动继电器、跳闸出口继电器、信号继电器等。

开关量输出电路：微机保护执行结果的输出电路。

4、电源

是微机保护的重要组成部分，直接影响工作的可靠性。

微机保护的电压等级：

（1）集成电路芯片的工作电压：5v

（2）数据采集系统需要双极性的的电压：±15v或±12v。

（3）继电器回路的电压：24v

各级电压之间应不共地，以避免相互干扰，甚至损坏芯片。

通常采用逆变稳压电源。

逆变稳压电源：将较高电压的直流（220v）变换成一定频率的交流，然后，经过变压器降压至所需要的值，再经过整流、滤波后，稳压输出得到所需要的电压。

采用逆变电源的原因：

在需要较大电流时，用一般的电阻降压效率低；同时，通过变换装置的变压器，将直流系统与保护的电源隔离，有利于避免直流系统操作干扰。提高了保护的可靠性。

典型的微机保护系统图

图1-1 P4

二、微机保护的结构框图原理

（一）单CPU微机保护装置的结构原理

图1-2示

（二）多CPU微机保护装置的结构原理

图1-3示

作业：

1、微机保护的硬件由哪几个部分组成？

2、数据采集系统的任务是什么？

3、什么是模拟信号？

4、EPROM、EEPROM、RAM各是什么存贮器？其作用是什麽？

5、什么是单微机系统？什么是多微机系统？

6、什么是开关量信号？什么是开关量

输入信号？什么是开关量输入电路？

什么是开关量输出信号？什么是开关

量输出电路？

7、微机保护通常采用什么电源？什么

是逆变稳压电源？为什么采用逆变稳

压电源？

8、画出典型的微机保护系统框图。

§1－2 微机保护的数据采集系统

一、数据采集系统概述

数据采集系统：将模拟量变换成数字量的系统。

模拟信号——随时间作连续变化的信号。

数字信号——如果信号的定义域是一些离散的点，则称这种信号为离散信号。如果函数的值也是一些离散点的集合，则称这种信号为数字信号。

对一个时域连续的信号进行采样。可以使其变为离散信号，对各个采样值进行模/数变换，可将其转换为数字信号。数字信号可以存贮在存贮器中，供微机保护用。

1、信号的采样

采样——在给定的时刻对参数量进行测量记录。(将连续时间信号变为对应离散信号的过程.)

采样的过程可以分为等间隔采样与不等间隔采样。微机保护一般采用等间隔采样。图1-8示

采样周期Ts——相邻两个采样的矩形脉冲之间的时间间隔。

采样频率f s＝

即：每秒钟内的采样脉冲数。

在微机保护中，通常是对工频信号进行处理，通过对每工频周期采样多少点，可间接求出采样周期和采样频率。

如每工频周期采样12点，N=12，

T s＝20ms/12=5/3ms

f s＝N×50=12×50=600 H Z

2、采样定理

当fs＞2fc 时，采样信号完全能代表原始信号；临界条件是fs＝2fc ；当fs＜2fc 时，

频普之间发生交错，称为频普交错现象，这样采样信号x s（t）的频谱函数x s（f）中所含信息将发生畸变。

满足临界条件的采样频率fs称为奈奎斯特频率。

f s——采样频率。

f c——输入信号（原始信号）频谱中所含的最高频率。

频谱——相关频率的集合

采样定理：采样频率f s必须大于输入信号（原始信号）频谱中所含最高频率f c的2倍，采样后的离散信号才能真实的代表输入的模拟信号。

3、数据采集系统的模数变换方式有两种

（1）ADC变换方式－－直接将模拟量转换为数字量。

（2）VFC变换方式－－将模拟量变换为等幅脉冲。通过脉冲记数变换为数字量。

作业：

1、什么叫采样？什么是采样周期？什么是采样频率？如何计算采样频率和采样周期？

2、什么叫采样定理？

3、模数变换有哪两种方式？

二、ADC式数据采集系统

图1-5 P10

由电压形成回路、模拟低通滤波器（ALF）采样保持电路（S/H）、模数变换器及多路开关（MPX）组成。

1、电压形成回路（交流变换器）

交流变换器的作用：

1）变换作用

将LH和YH二次电流或电压的幅值进一步降低，使之与模/数变换芯片所允许的信号电平匹配；

2)将电流信号转换为电压信号；

3）隔离作用

使互感器回路与微机保护的模/数变换系统完全隔离，以提高抗干扰能力。

2、前置模拟低通滤波器（ALF）

（1）为什么要采用模拟低通滤波器？

根据采样定理，当f s＞2f c 时采样频率才能完全代表原始信号。为了不至于使采样频率f s定得太高，要将原始信号中高于某一频率值的信号滤掉。例如：采样频率为1000H Z，必须将信号中频率大于500H Z的成分滤掉。

采样频率不能定得过高的原因：

采样及数据处理的任务是必须在一个采样间隔内完成。采样频率越高，采样周期越短，会造成数据积压。

（2）作用

阻止频率高于某一数值的信号进入模/数变换系统。（或：将模拟信号中大于1/2 f s 的谐波滤掉，以使采样信号真实的代表原始信号。）

（3）组成：由R、C或R、C加运算组成

4、多路转换开关图1-11 P13

是一个多个输入单一输出的逻辑电路芯片。

其功能是：从多个输入中确定一个输出。

编码——用一组编码去表示特定信号的编制过程。

译码——编码的逆过程，即：把编码的特定含义翻译出来。

A/D芯片的价格较贵，一般是多路模拟信号公用一片A/D芯片的方式。故利用多路开关，使其在任一时刻，只有一路已采样的模拟信号接入A/D芯片的输入端，进行模/数变换。转换结束后，将结果存入指定的存贮区，然后由CPU控制，使下一路信号输入到A/D芯片直至将全部模拟信号转换完成。

5、模/数转换电路

（1）作用：完成模拟量到数字量的转换。

（2）ADC （模/数转换器）的工作原理

其基本原理是将输入的模拟量U A与参考量U R进行比较，确定输出的数字量。

ADC 模/数转换器可以认为是一种编码电路。它将输入的模拟量U A相对于参考量U R经一编码电路转换成数字量D输出。其输入、输出的关系式为：

D=[U A/U R] D是小于1的二进制数，对于单极性模拟量，小数点在最高位前面，即：要求U A必须小于U R 。D可以表示为：

D＝B12－1＋B22－2＋……B n2－n

B1为二进制数最高位，用MSB表示；B n为最低位，用LSB表示。B1~B n为二进制码，其值只能取0或1。A/D转换器中模拟信号量化表达式为：

U A≈U R（B12－1＋B22－2＋……B n2－n）

(3)逐次逼近式模/数转换器的工作原理

转换开始由控制器首先给数码设定器设定一个数码。数码先设定为最大二进制数的一半，假若是四位数/摸转换器。最大数为1111，设定为1000将此二进制数由D/A转换器转换为模拟信号输出，输出的模拟信号与待转换的模拟信号同时加入比较器进行比较，确定该位为0还是为1。然后，比较下一位，如此循环。数码设定器中的数码总值即为转换结果。

转换的过程：

1、先将设定器的最高位置1，为100，将其由D/A转换器转换为模拟信号输出U0，为整个量程的一半。

2、将U0输入比较器与输入的模拟量U SR比较，若U SR>U0

保留该位，若U SR

3、然后使下一位为1，与上次结果一起送入D/A转换器转换成模拟量U0后再送入比较器与输入的U SR比较决定是否保留该位。如此重复，直到最后一位为止。

(4)数/模转换器DAC的工作原理

数/模转换器的作用是将数字量D经过解码电路变换成模拟电压输出。

四个电子开关S1~S4，分别受输入的四位数字量B1~B4控制。当该位为0时，电子开关与地接通；当该位为1时，对应的电子开关与运算放大器的负端接通。流向运算放大器的总电流反应了四位数字量的大小，它经过带负反馈电阻R f运算放大器变换成模拟电压Usc输出。

运算放大器A的反向输入端的电位与地电位相同，无论开关倒向哪一端，对图中电阻网络电流的分配无影响。电阻网络的特点是：从图中－U R端向右看和从a、b、c点向右看的等值电阻都是R。因此，a点电位为1/2U R，b点电位为1/4U R，c点电位为1/8U R

图中各电流为：

输出电压为：

(5)模/数转换器的转换精度及速度

转换精度即要求模拟量转换为数字量的误差不超过一定的范围。

量化——由模拟量转换为数字量的过程。

量化误差——由模拟量转换为数字量的过程中出现的误差。

模/数变换器的转换精度决定于A/D芯片的位数，位数越多，越精确。

转换精度，即A/D转换的分辨率主要取决于设定数码的最小量化单位，A/D转换输出的数字量位数越多，最小量化单位越小，分辨率越高，转换出的数字量舍入误差越小，转换精度越高。

A/D芯片的转换速度：

即模数转换器完成一次将模拟量转换为数字量所用的时间要短

所有通道的转换工作必须在一个采样间隔中完成，否则，会造成数据积压。完成一路信号的转换所需要的时间应小于T S /n（n为输入量通道数）。A/D574芯片的标准转换时间为25 ì s 。输出的数字量为12位。

如果两项指标都较高，芯片较贵。

作业：

1、简述ADC数据采集系统的构成元件

及其作用。

2、简述ADC的工作原理。

3、什么是量化？什么是量化误差？

4、A/D转换器的两个重要指标是什么？

其转换精度由什么决定？

三、VFC式数据采集系统

（一）概述P14~15

VFC式数据采集系统的优点：

P15

(二）VFC数据采集系统的结构及工作原理

1、构成

（3）压频变换器：VFC芯片

用以将输入的模拟信号转换成重复频率正比于输入电压瞬时值的一串等幅脉冲，由计数器记录在一个采样间隔内的脉冲个数，此脉冲个数对应于T S期间输入信号的面积（积分）。

（4）光电隔离器：用以完成电信号的耦合和传递，并达到两侧电信号在电气上的隔离、绝缘目的。

（5）计数器（为8253计数器）对脉冲进行计数

2、VFC转换的基本原理（电荷平衡式V/F转换电路）

（1）V/F电路的结构

运算放大器A1和R、C组成积分器，A2为零电压比较器，开关S受单稳定时器控制。单稳定时器的输出经三极管T放大后，变为脉冲信号输出。

整个电路可视为一个振荡频率受输入电压控制的多谐振荡器。

（2）V/F电路的工作原理

积分器A1的输入电压为V IN，输出电压为V INT。当V INT下降至零时，零电压比较器A2发生跳变，单稳定时器被触发

产生一个宽度为t0的脉冲

输出频率

A/D芯片只能转换单极性信号，当待转换信号为双极性时，应在输入信号上迭加一个偏置信号，使双极性信号变换为单极性信号。

（3）采样计数

存入循环存贮区的数是每隔Ts读得的当时计数器的值，此值与输入的模拟信号无对应关系。需要进行计算时，取相邻N个采样间隔的计数器的计数值相减，其差值为NT S（N为采样间隔的个数）期间的脉冲数,此脉冲数与NT S期间的模拟信号的积分值有对应关系。

1）计算间隔NT S的选择：

进行计算时，从计数器中取几个T S期间的脉冲数。

N为采样间隔的个数。

VFC芯片具有低通滤波器的特征，其截止频率（通过

低通滤波器的最高频率）为：

根据采样定理，低通滤波器的截止频率应小于或等于采样频率的一半。

2）VFC式数据采集系统的分辨率

分辨率：模数转换时数字量对模拟量的辨别能力。

量化误差小,分辨率高。

常用的ADC芯片，以其输出的数字信号的位数来衡量分辨率，位数越高，测量范围越大，量化误差相对值越小，分辨率越高。

VFC式数据采集系统的分辨率决定于两个因素：

①VFC芯片的最高输出频率；AD654（VFC）芯片输出的最高频率为：Fmax ＝500KH Z

VFC110输出的最高频率：Fmax =4MHz

是AD654芯片的8倍。

②计算间隔NT S的大小。

在NT S期间计数值的大小为：

D K=F max×NT S

（D k－在NT S期间计数器计到的脉冲个数。）

在微机保护中，如果每个工频周期采样12个点

（三）光隔处理

1、光隔电路图1-18

主要由发光二极管和光敏三极管组成。

2、原理

数字脉冲使发光二极管导通发光，光脉冲照射光敏三极管，三极管立即导通，使输出放大器输出一个同相脉冲。

发光二极管和光敏三极管均有快速响应特性，适应VFC输出的高频脉冲要求。输入和输出无电的联系也无磁的联系，有极好的抗干扰及隔离作用。

3、作用：

完成电信号的耦合和传递，并达到两侧信号在电气上的隔离、绝缘作用。

（四）计数器电路

用于对VFC转换的脉冲信号进行计数。

因为每个CPU插件需要接收8路VFC 数据采集系统转换的脉冲信号，故计数器电路由3片8253计数器芯片组成。每片8253计数器芯片内部有三个16位计数器。

由VFC芯片转换的脉冲信号经6N137光电隔离芯片后接至相应计数器的输入端CLK 端，当门控端GATE端低电平时，停止计数。当GA TE为高电平时，允许计数。为片选端（选通端）由译码电路74LS139控制。

A0、A1为地址端。

R、C 为抗干扰电路。

8253的极限计数频率为2.5MH Z。VFC芯片的最高转换频率为500KH Z。

在计数过程中，读计数器的值，不影响计数，只要往命令寄存器中写入一个锁存命令即可。

8253是16为计数器，而数据总线为8位，在读计数器的值时，要分两次读出。

在本装置中8253采用连续实时累计递减方式计数。

作业：

1、VFC式数据采集系统有什么优点？

2、简述V/F变换式数据采集系统的构成元件及作用。

3、如何将双极性信号变换为单极性信号？

4、VFC式数据采集系统的分辨率由哪些因素决定？如何选择采样间隔的个数N？

5、8253芯片采样什么方式计数

§1－3保护CPU模块工作原理

一、具有VFC接口的保护CPU模块框图原理

模块（插件）：具有一定功能的部件组合在一起，用引脚（插针）与其他元件连接的整体。

1、保护CPU的任务：

完成数据的采集、保护逻辑判断、保护故障巡检、开关量输入与输出及人机接口的串行通信等任务。

2、VFC变换方式的保护CPU插件的主要元件：图1-20P19

计数器8253、CPU8031、并行接口8255、EPROM 27256、EEPROM2817A、RAM6264。

二、具有ADC变换的保护CPU模块原理

图1-21

三、定值固化电路

定值固化—将定值固定写在2817A芯片中不会轻易丢失。

EEPROM为保护定值存贮器，它由一片电擦除，电改写的2817A芯片组成。写入的内容可保存10年不变，每个字节单元可连续擦写10000。芯片内含有2K字节存贮单元，将保护定值写入2817A芯片，并将其固定（不丢失）下来的电路称为定值固化电路。

1、定值固化：

为了防止正常运行时线上出现负脉冲干扰破坏定值内容，CPU来的写信号与固化开关S组成与门＆电路控制固化，只有固化开关在允许位置（接通）和写控制

线为低电平时，与门&电路才输出低电平，才允许对2817进行改写。修改完毕，按“确认”键及“退出”键，退回上一级菜单，再将允许开关打回运行位置，并按复位键。完成定值固化。

2817A的1号管脚是RDY/BUSY。当该管脚为低电平时，说明正在执行写入过程。当该管脚为高电平时说明写入结束。本装置将RDY/BUSY信号接入8255C口的PC.1。通过检测PC.1的状态，可确定写入是否结束。以免造成数据改写出错。

2、读操作

需要查看固化的定值时，通过键盘下发查询命令，软件便可根据定值区号，查EEPROM 中对应的定值表，把所读定值在液晶显示器上显示出来。

3、定值拨轮电路

在面板上，设有一个定值区拨码开关（拨轮开关用以改变定值区号）其内部有四个开关，四个开关的不同状态组合成0～9，10个区号。用户可同时在2817A 中写入10套不同定值。要改变定值时，只需按一下面板上的拨码开关，切换到所需要的定值区即可。

对于旁路保护或根据运行方式切换保护定值的保护装置，可使用拨轮开关改变保护定值。

四个开关的状态接入8255C口的PC.4－PC.7，当改变拨码开关的区号时，四个开关的状态发生变化，检测PC.4－PC.7四根线的状态，即可知道拨码开关处于哪一区。用户在往2817A中写入定值时，应先用拨码开关选定区号，软件根据区号确定写入2817A中的某一地址区间。在运行状态下装置按拨码开关区号从2817A中对应的地址空间取定值存入6264RAM 中的定值区，以便使用。

拨码开关在不同的区号时，PC.4－PC.7的状态可通过读8255C口内容知道。从而可以检查拨码开关接触是否良好。

四、其他电路图1-24

1、方式开关：确定工作方式为运行方式或调试方式。方式开关在运行位置时。P1.3为“0”态，P1.7输出低电平，运行灯亮。

2、复位按钮：按下复位按钮可使程序从头开始。由于保护CPU复位按钮的RST端均引至人机接口插件的复位按钮，因此按人机接口插件复位按钮，所有保护CPU全部同时复位。保护CPU复位端RST还可接至遥控复位继电器，通过遥控复位。RST为“1”复位。

3、锁存器：

用以锁存低位地址和数据。

P0口为地址/数据复用口，为了使低八位地址不丢失，加有一片地址锁存器。在地址锁存允许信号ALE的控制下，先送出的低八位地址送入地址锁存器锁存，后送出的八位数据则从数据总线送至各芯片。

P2口为高八位地址线，与74LS373锁存的低八位地址合并后，有16根地址线，可寻址64K空间。

3、地址译码电路

译码：将二进制代码翻译成特定含义的信号。

CPU插件的地址译码电路由74LS139组成。其作用是：由相应的地址码决定选通哪一个存贮器。地址码（选择端)由CPU 来。

74LS139为双二——四线译码器，允许端G(选通端）和输出端Y都是低电平有效。

作业：

1、保护CPU的任务是什么？

2、VFC变换方式的保护CPU插件有哪些元件？

3、什么是定值固化？如何实现定值固化？

4、定值拨轮开关的作用是什么？在什么情况

下需要使用定值拨轮开关？

5、锁存器和译码器的作用各是什么？

§1-4 开关量输入输出回路原理

一、开关量输入回路

将外部接点输入微机的回路。

分为两类：

1、本装置上的接点（内部开入量），用本装置的电源，将接点状态直接接入CPU 的并行口。图1-25（a）示

2、装置外部经端子排引入装置的接点（外部开入量）。如断路器的辅助接点等。通过光隔元件将接点状态输入。使用屏后单独配置的直流电源。

二、开关量输出驱动电路与开出自检电路图1-27

微机保护的执行结果输出接通外部继电器的电路。

1、为了提高抗干扰能力，并防止在拉合直流电源过程中继电器短时误动。一般经与非门和光隔驱动出口继电器。

2、开关量输出驱动回路由8255B端口、与非门、光隔电路、驱动电路反馈回路组成。

3、开关量输出电路的工作原理：

（1）正常运行时：8255B口内容为42H(01000010)

此时，各个光－电隔离器件的发光二极管不通（不发光）三极管截止，各继电器不动作。

（2）发生故障时：软件执行各种算法，求出故障参数后与整定值比较，以确定故障相及范围，并在8255B口写入相应的编码，以驱动相应出口的继电器动作。

（例如：A相接地短路）8255B口编码为84（10000100）即：从PB7至PB0依次为10000100（PB7为1，PB3为1）此两路发光二极管发光，三极管导通，跳A继电器、起动继电器动作。

（3）在调试状态下，通过往8255B口写入不同的编码，可检查电路是否完好。

4、开出自检电路

开出量驱动回路一方面驱动出口继电器,另一方面通过光隔反馈至8255A的PC0 端.使PC0=0 。在开出自检程序中，可驱动各开出回路，并检查PC0口是否为0，即可判断开出回路是否正常。由于出口继电器受起动继电器闭锁，且自检时间极短（10μs），不致使出口继电器动作。

三、出口闭锁

1、自检告警闭锁

是指开出量的24V电源经自检告警继电器的动断接点AXJN控制，在自检告警时，断开跳闸电源实现出口闭锁。

2、三取二启动回路

启动继电器兼作总开放控制，采取三取二启动方式控制跳闸负电源。

由高频保护启动继电器KST2、距离保护KST3、零序保护KST4各两个动合接点交叉组成三取二循环启动方式控制跳闸负电源。防止了由于一个CPU程序出格引起整套保护装置误动，只有在其中两套保护启动时，整套保护才可能启动，提高了整套保护的可靠性。

作业：

1、开关量输入回路有哪两类？各有什么特点？

2、开关量输出回路为什么经与非门及光隔驱动出口继电器？

3、开关量输出回路由哪些元件组成？

4、开出量驱动电路如何驱动相应出口继电器动作？

5、写出B相故障时，8255B口的编码。

6、开关量输出电路在自检过程中为什么不会使出口继电器误动作？

7、保护出口闭锁有哪两种方式？

§1－5人机接口插件的电路原理

本插件的任务是实现人机对话和管理功能。其硬件电路包括以下几部分：

单片机基本系统；

打印机驱动电路；

键盘响应电路；

液晶显示电路；

硬件时钟电路；

硬件自复位电路；

多机通信电路；

掉电告警电路；

与RTU通信的串行口电路；

外部复位电路；

巡检开关。

一、单片机基本系统

单片机基本系统包括：8031单片机、地址锁存器74LS373、程序存贮器27256 （EPROM）、数据存贮器6264（RAM)和地址译码电路。

其中单片机、地址锁存器、程序存贮器、数据存贮器的接线原理及作用与CPU插件完全一样。地址译码电路与CPU插件不同。

其地址译码电路由一片74LS138和一片74LS139组成。图3－8示

74LS138是3-8线译码器，它有三个允许端和三个数据选择端，八个译码输出端。当G1=1，G2A=0 G2B=0时，由数据选择端的编码决定哪一个译码输出端变低电平。

二、键盘输入电路

（一）键输入的接口功能

1、键开关状态的可靠输入

采用软件抖动，即在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序再确定该键是否仍保持闭合状态电平，如仍保持闭合状态电平则确认为该键已真正按下

2、按键编码

给定键值（对每个键进行编码）软件按键值执行不同的功能程序。

3、键盘检测功能

是指对是否有键按下的检测方式。通常有中断方式和查询方式

二、键盘输入电路

键盘输入电路有两种

1、独立式按键电路图1－31（b）

2、行列式按键电路图1－31（a）

三、液晶显示电路

以菜单形式显示各命令键及执行结果，以及实时工况参数、图表等信息的电路。为使用人员调试和检修微机保护装置提供方便，使人机联系更加直观。

1、LCD（液晶显示器）基本结构及工作原理

2、液晶显示基本电路图1－32（b）

由多功能接口芯片8256的P2、P1端口、驱动芯片74LS245及一块4×16字符的LCD液晶显示器组成。

四、串行通信接口电路

（一）人机接口与保护CPU之间的串行通信

1、串行通信接口电路及其作用

微机保护装置一般是多微机系统。人机对话微机用于协调和指挥其他微机系统。人机对话插件与各个保护功能的CPU之间通过串行口相互通信，通信方式为异步通信。但各保护功能的CPU插件之间不通信。

74LS151为八选一数据选择器。三个数据选择端A、B、C由8256P1口的P1.5~P1.7控制，决定哪一个D端与Y端（输出端）接通。〔74LS151的D0~D3与CPU1~CPU4的TXD(串行口数据发送端）连接。〕输出端Y接至人机对话插件上8031的RXD端（串行口数据接收端)。当P1.5~P1.7＝000时，D0与Y接通。当P1.5~P1.7＝100时，D1端与Y端接通，其余类推。

去

串行口的作用：

（1）在调试方式下，将键盘命令传送到各CPU插件，CPU插件的执行结果，再由串行口传送到人机对话插件并通过打印机输出。

（2）在正常运行方式下，人机对话插件轮流对投入运行的CPU（人机对话插件上该CPU 的巡检“投入/退出”开关投入）发出巡检命令。对CPU插件进行巡检。

在正常运行时，需要打印采样报告，复制采样报告，打印CPU插件的定值时，也需要通过串行口传送数据及命令。

（3）在线路故障后，将故障报告经串行口传送到人机对话插件上，然后排队打印输出。

2、巡检及巡检中断

正常运行状态下，接口插件不断通过串行口向各CPU插件发出巡检命令，当各CPU 正常时，分别作出回答。如果某一保护CPU插件自检出硬件故障，一方面驱动本CPU告警继电器AXJN切断跳闸出口电源，另一方面在收到巡检命令时，向接口插件传送故障信息及出错码，接口插件收到出错码后，驱动总告警并显示或打印出故障信息。

若接口插件发出巡检命令后，某CPU插件不能发出回答信号（表示CPU插件正常运行的编码），则由人机对话插件上8256的P2口的P2.0~P2.3的某一位对CPU插件发出外部复位脉冲，在复位脉冲发出后，继续巡检，若仍不回答则报警。

如果人机对话插件发生故障，不能执行巡检程序，各保护CPU在规定的时间内收不到巡检命令就驱动巡检中断继电器告警。

（二）人机接口与系统机的通信电路

图1－34示

五、硬件时钟电路

为保护提供准确的当前运行时间。

硬件时钟电路由MC146818实时日历时钟芯片及辅助元件组成。图1－35

MC146818芯片是智能式硬件时钟，其内部由电子时钟和存贮器两部分组成，可计年、月、日、时、分、秒星期。处理闰月、闰年，可将当前时间实时存贮，以便人机对话CPU随时读取。

该接口电源正常时，由装置5V电源供电，当直流电源消失时，自动由电池供电。以保证硬件时钟继续运行。

1、正常运行方式下

接口CPU复位重新开始执行程序初始化工作完成后，从硬件时钟取时间值通过CPU 串行口送到保护CPU插件内部时钟存储单元，去校对保护CPU的软件时钟。

此后每隔一定时间，该硬件时钟对保护内部时钟存储单元同步校正一次，以保证四个保护软件时钟的正确性，实现对CPU软件时钟的同步校正。

2、修改时间

运行人员欲修改时间，可在运行方式下按提示的格式输入准确时间，确认后硬件

时钟按所输入的时间开始运行。

3、保护装置直流电源掉电时

保护软件时钟丢失，但接口硬件时钟由电池供电继续运行，当直流电源恢复后，又重新把接口硬件时钟的时间通过串行通信口送入保护内部软件时钟存储单元，确保时钟不间断计数。

六、硬件自复位电路

是为防止人机接口CPU程序出格而装设的。用以提高保护装置工作的可靠性。

由时钟芯片MC146818、74LS393计数器和8031CPU组成。

其作用：干扰信号侵入地址或数据总线，造成单片机不能正常执行程序（程序出格）时，利用该电路自动给单片机一个复位脉冲，使程序从头开始执行。

74LS393为二分频计数器。

分频的目的是降低脉冲信号的频率。用分频器实现。分频器由双稳态触发器构成。一级二分频（一级二分频，由一个双稳触发器构成）分频系数为2，输出脉冲是输入脉冲的1/2。几个触发器连接可组成多级二分频器。几个触发器连接分频系数为，输入频率是输出频率的倍。

工作原理：

74LS393的输入信号由MC146818（硬件时钟）输出端（23号引脚）提供，当清零端（CLR端）为低电平时，由1QA、1QB、1QC、1QD输出的信号频率分别为输入信号频率的1/2、1/4、1/8、1/16，将1QD的输出信号再接入2A端。同样在清零端CLR为低电平时，2QA、2QB、2QC、2QD端输出信号为2A端信号频率的1/2、1/4、1/8、1/16。其波形

两个清零端1C LR、2C LR由8031的P1.7控制。8031的P1.1与74LS393的2QC 连接，用以在中断服务程序中检测P1.1（即2QC）的状态。如果P1.1＝1，则P1.7发出清零信号，使8个输出端都变成低电位平。

由波形图可见，正常运行时，2QD不可能变为高电平，当2QD位高电平时，说明程序出格。2QD接8031的复位端RESET，在程序出格时，使单片机自动复位。

、

七、打印机驱动电路

打印机驱动电路的作用是：

在调试方式下，输入相应的键盘命令，可将微机保护装置执行结果通过打印机打印出来，以了解装置是否正常。在运行方式下，可打印时间、采样报告、告警信息。系统发生故障后，可将有关故障信息、保护动作行为及采样报告打印出来，为分析事故提供依据。

打印机驱动电路主要由锁存器74LS373（用于锁存人机CPU传输给打印机的信息数据，由于打印机的速度远低于CPU的数据传送速度，计算机将数据锁存后可去完成其它工作，不必处于等待状态。），光隔芯片、控制及选通电路组成。

打印机与CPU的联络主要有两方面的内容:

1、数据之间的联系；

2、打印机与CPU之间的应答控制信号之间的联系。

74LS373的D端与人机对话插件的数据总线相连。Q端经光隔离芯片接至打印机插头。往打印机传送信息。

控制与选通电路包括打印机的BUSY忙线和选通线及选通器件。BUSY忙线经光隔引入接口CPU，在打印机打印期间BUSY＝1表示打印机正忙，CPU停止数据传送，BUSY=0，通知CPU可以传送数据。

373的G端受7402门电路控制，7402的两个输入信号为8031的线和地址译码电路的译码输出。当执行往打印机传送数据的指令时，线和译码输出均为低电平，7402的输出为高电平，于是数据由D端传送到Q端。

八、保护电源部分

1-6 保护装置硬件举例

作业：

1、人机对话插件的硬件有哪些部分组成。

2、微机保护插件如何进行通信？

3、串行口的作用是什么？

4、人机接口CPU如何对各保护CPU巡检？

什么叫巡检中断告警？

5、在微机保护中，如何实现时间的统一？

6、硬件自复位电路的作用是什么？如何实现自复位？

7、打印机驱动电路的作用是什么？打印机与CPU之间的联络有哪两方面的内容？

第二章微机保护的软件原理

§2－1 微机保护软件系统配置

软件也分为接口软件和保护软件

一、接口软件

是指人机接口部分的软件。可分为监控程序和运行程序。由接口面板的方式开关或显示器上显示的菜单选择决定执行哪部分程序。调试方式下执行监控程序，运行方式下执行运行程序。

监控程序主要是键盘命令的处理。

运行程序由主程序和定时中断服务程序构成。

主程序的任务是完成巡检、键盘扫描和处理、故障信息的排列和打印。

定时中断服务程序包括：软件时钟程序（每经1.66sm产生一次定时中断，在中断服务程序中软计数器加1，当软计数器加到600时，秒计数器加1）、以硬件时钟控制并同步各CPU插件的软件时钟、检测各CPU插件启动元件是否动作的检测启动程序。

二、保护软件的配置

监控程序和运行程序

监控程序主要是键盘命令的处理。

运行程序由主程序和两个中断服务程序组成。

主程序有三个基本模块：初始化和自检循环模块、保护逻辑判断模块、跳闸（及后加速）处理模块。

中断服务程序包括定时采样中断服务程序和串行口通信中断服务程序。

三、保护软件的三种工作状态

有运行、调试、不对应三种状态。

由保护插件面板的方式开关或显示器菜单选择为“运行”，执行保护主程序和中断服务程序。

当选择“调试”时。复位CPU后，工作在调试状态

当选择“调试”但不复位CPU，并且接口插件工作在运行状态时，处于不对应状态（即保护CPU插件与接口插件状态不对应）。用于对模数插件进行调整。

四、中断服务程序及其配置

1、实时性与中断工作方式

实时性：在限定的时间内对外来事件及时作出迅速反应的特性。

保护装置为了满足实时性要求必须采用带层次要求的中断工作方式。

.

2、中断服务程序的概念

（1）定时采样中断服务程序：

定时采样系统状态。每隔5/3ms中断原程序的运行,转去执行采样计数的服务程序,采样计数结束,并将计算结果存入RAM指定的区域后,再回去执行原被中断了的程序。

采样中断服务程序除采样计算外，还有启动元件及保护某些重要程序。

（2）键盘中断服务程序（属于监控程序）：

运行人员利用键盘改变保护装置工作状态、查询系统运行参数、调试保护装置。当有键按下时，通过硬件产生中断要求，中断响应时，就转去执行中断服务程序。

（3）串行口中断服务程序：

主机（系统机或接口CPU）与从机（保护CPU之间的通信引起的中断。

3、保护的中断服务程序配置

保护装置一般要配置定时采样中断服务程序和串行口中断服务程序。对于单CPU 保护，CPU还有人机接口任务，还要配置键盘中断服务程序。

作业：

1、接口插件的程序分为哪两部分？各部分的任

务是什么？

2、保护插件的程序包括哪些内容？中断服务程序包括那些内容？

3、保护软件有哪三种工作状态？

4、为什么微机保护要采用中断工作方式？

§2-2 微机保护的算法

传统的继电保护是直接将模拟信号引入保护装置，由各种不同原理的继电器实现幅值、相位等的判断，从而实现保护作用的。

微机保护则是将模拟信号转换数字信号，由计算机根据离散的数字信号，经过某种运算求出电流、电压的幅值、相位、比值与整定值进行比较，以判断是否应当发出跳闸命令，实现保护作用的。

微机保护的算法：是指计算机根据数据采集系统提供的输入电气量的采样数据进行运算、分析和判断。以实现各种保护功能的方法。

微机保护的算法，就是根据被保护的对象、保护的原理，建立一定的数学模型，编制成程序。计算机通过执行程序完成保护的任务。

评价算法优劣的标准是精度和速度及是否具有滤波功能。速度又包括两方面：一是算法所要求的采样点数；二是算法的运算工作量。而精度和速度往往是矛盾的。

一般快速保护采样点数少。后备保护不要求很高的计算速度，选择采样点数较多，计算精度就提高了。

微机保护常用的算法有三种：

1、半周积分算法

当被采样的模拟量是交流正弦量时可采用，如稳态短路电流的采样或后备保护的采样可采用半周积分算法。

2、傅氏变换算法

当被采样的模拟量不是正弦波而是一个周期性时间函数时可采用傅氏变换算法。

3、解微分方程算法

主要用于距离保护中计算阻抗。

该算法在100km左右的线路不需要用专门的滤波器滤出非周期分量，加快了距离保护动作速度。能在较大的低频范围内准确计算故障线路段的R、L。

复习题：

1、什么是微机保护的算法？常用的微机保护的算法有哪几种？各用于什么场合？

2、评价微机保护算法的标准是什么？

§2－3微机保护主程序框图原理

主程序主要由初始化、全面自检、自检循环几部分组成。

一、初始化

“ 初始化”是指保护装置在上电或按下复位键时首先执行的程序,它主要是对单片机及可编程扩展芯片的工作方式、参数的设置，以便在后面的程序中按预定方案工作。例如：CPU 的各种地址指针的设置；并行、串行及定时器可编程扩展芯片的工作方式和参数的设置。

初始化有：初始化（一）、初始化（二）及数据采集系统初始化三部分。

初始化（一）是对单片机及其扩展芯片的初始化，使保护输出的开关量出口初始化，赋以正常值，以保证出口继电器均不动作。初始化（一）是运行和监控程序都需要用到的初始化程序。初始化（一）通过后，由运行人员在显示的主菜单中选择运行或调试方式，如选择“退出运行”，就进入监控程序，进行人机对话并执行调试命令。若选择“运行”，则开始初始化（二）。

初始化（二）包括采样定时器的初始化、控制采样间隔时间、对RAM区中所有运行时要使用的软件计数器及各种标志位清零等程序。

初始化完成后，开始对保护进行全面自检。如装置不正常则显示装置故障信息，然后开放串行口中断，等待管理系统CPU通过串行口中断查询自检状况，向微机监控系统及调度传送各保护的自检结果。自检通过，则进行数据采集系统的初始化。

数据采集系统的初始化：主要是对计数器的初始化，采样值存放地址指针初始化。如果是VFC使采样方式，还需对可编程计数器初始化。

完成数据采集系统初始化后，开放定时器中断和串行口中断，待中断发生后进入中断服务程序。在这之前，采样中断是关闭的。

QDB=1（起动标志置1，表示退出相电流差突变量起动元件DI1，投入非全相运行时，健全相电流差突变量起动元件DI2)

ZDB=1(振荡闭锁标志置1，表示退出DI2）

QDB＝1、ZDB=1表示DI1、DI2均退出。因为此时RAM区的数据是随机的，会造成起动元件误动。

为了防止由于RAM区的数据是随机的造成起动元件误动，开放采样中断后,等待60ms（三个周波）后，才投入突变量起动元件DI1、DI2（即QDB=0、ZDB=0)

所有开出量返回，即所有保护处于非动作状态。

在全面自检、通用、专用自检及故障程序返回主程序时均带有自检信息和保护动作信息，有必要将信息显示或打印出来，供运行人员查看、保存。所以自检循环一开始就安排查询检测报告程序。

二、全面自检的内容和方式

1、RAM的读写检查

对RAM的某一单元写入一个数，再从中读出如果写入与读出的数不一致说明RAM有问题，则驱动显示器显示故障信息和故障时间。同时开放串行口中断并等待管理元件CPU查询。

2、定值检查

每套定值在存入EEPROM时，都自动固化若干个校验码。若EEPROM定值求和码与事先存在的定值和不一致则说明EEPROM有故障。则驱动显示故障字符代码和故障时间。

3、EPROM求和自检及CRC自检

求和自检EPROM时,将EPROM中存放的程序代码从第一个字节加到最后一个字节,将求和结果与固化在程序末尾的和数比较,如发现求和自检与原程序求和结果不符则显示器显示相应的故障字符、代码和故障时间。这种方式计算简单，执行速度快，用于在线实时自检。但EPROM累加和自检在多个字节变位时，漏检的可能性较大。

另一种方法是CRC循环冗余码自检方法，

CRC自检是对每个字节的每个位均作规定的运算。这种方法错误检出率高，但速度慢，不能做为在线实时自检。

4、开出自检

开出自检主要检测开出通道是否正常，是通过硬件开出反馈来检测的。

三、自检循环

开放中断后，所有准备工作就绪，主程序进入进入自检循环阶段。故障处理程序结束返回主程序，也是在这里进入自检循环。

自检循环包括查询检测报告，专用及通用自检内容。有报告则发呼唤信号及打印。通用自检内容通常是定值拨轮号监视和开入量的监视。专用自检内容则根据不同保护要求按排不同的自检内容。如检测3I0、3U0，判断TA、TV、是否断线，判断系统静稳是否破坏等。

开入量监视：

每次上电复位时，通用全面自检后，CPU将读取各开入量的状态，并存放在RAM 某一地址单元中。自检循环中不断读取当时的开入量状态与原先的开入量状态比较，看是否有开入量发生变化，如有变化经一定延时（18s）发出呼唤信号，并打印出开入量变化时间及变化后各开入量的状态。

定值拨轮开关监视：

定值拨轮开关号是否有变化。定值拨轮开关号变化有两种情况：1）工作人员切换定值区号；2）接点接触不良。定值拨轮开关位变化时，将发出呼唤信号，如果是工作人员要切换定值区号，要进行一定的操作。如果没有人切换则要查明原因。

复习题:

1、微机保护主程序由哪几部分组成？

2、初始化(一)、初始化（二）及数据采集系统的初始化各包含哪些内容？

3、为什么在开放采样中断前要退出起动元件？

4、全面自检包含哪些内容？

5、自检循环包括哪些内容？

§2－4 采样中断服务程序原理

采样中断服务程序包括三大部分：

1、采样计算；

2、TV、TA断线自检

3、求相电流差突变量起动元件。

1、采样计算

在计算之前，模数变换器将采样的瞬时值存入相应的计数器。保护的采样计算就是采用某种适当的算法分别计算各相电压电流的有效值、相位、功率的方向、阻抗等，并分别存入RAM指定的区域内，供后续程序调用。

2、TV断线自检：P46

WXB—11 型微机保护TV 断线检查：

1）电压求和检查：在每个采样点检查U a＋U b+Uc与3U0的差值是否大于7V。若连续60ms其差值大于7V，距离保护告警并闭锁保护。以此，可检查TV二次侧一相或两相断线。但不能判断是TV断线还是数据采集系统异常。

2）三相失压检查