數(shù)字保護·第二章

第二章數(shù)字繼電保護裝置的硬件系統(tǒng)數(shù)字繼電保護裝置的硬件系統(tǒng)框圖數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)開關(guān)量輸入輸出回路人機聯(lián)系與調(diào)試接口數(shù)字通信接口微機保護裝置的可靠性措施微機保護硬件系統(tǒng)的發(fā)展趨勢習題第一節(jié)數(shù)字繼電保護裝置的硬件系統(tǒng)框圖

輸出通道開關(guān)量輸出通道等人機接口鍵盤、顯示器及打印機等微機保護主要包括近些年來，隨著網(wǎng)絡及通訊技術(shù)在電力系統(tǒng)廣泛應用。通信系統(tǒng)也日益成為微機保護裝置必不可少的部分。

進行數(shù)據(jù)采集的輸入通道模擬量輸入變換與低通濾波回路、采樣保持與多路轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及開關(guān)量輸入通道等進行數(shù)據(jù)處理及相應判斷的數(shù)字核心部分CPU、存儲器、實時時鐘、WATCHDOG等模擬量輸入變換前置低通濾波回路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)A/DCPU保存數(shù)據(jù)用的RAM存放程序用EPROM/FLASH來自電力系統(tǒng)的電壓電流信號存放整定值用EEPROM/FLASHWATCHDOG實時時鐘開關(guān)量輸入信號處理繼電器邏輯回路光電隔離手分/手合信號壓板投退信號狀態(tài)信號斷路器及重合閘操作機構(gòu)告警信號數(shù)字繼電保護裝置的硬件系統(tǒng)人機交互接口打印機接口高頻通道接口微波通道接口光纖通道接口保護用通訊接口通用數(shù)字通訊接口電源本地操作人員打印機高頻通道微波通道光纖通道連接到變電站綜合自動化系統(tǒng)本地調(diào)試用通訊接口GPS授時系統(tǒng)電源回路微機保護的典型硬件結(jié)構(gòu)圖(通訊接口)第二節(jié)數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理微機保護的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般包括：模擬量輸入變換回路低通濾波回路采樣保持回路多路轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）回路1.模擬量輸入變換回路

繼電保護裝置需要從被保護設(shè)備上引入電流、電壓量。由電流互感器、電壓互感器二次側(cè)得到的電流、電壓量由于量值較大等原因，仍不能適用于微機保護的A/D變換回路所要求的范圍。一般A/D變換回路的輸入電壓范圍為±2.5V、±5V或±10V。模擬量輸入變換回路的主要任務就是將電流、電壓互感器二次側(cè)的輸出電量進行進一步變換，將二次電量變得更小，并將電流量轉(zhuǎn)化為電壓量，滿足A/D回路的要求。除此以外，模擬量輸入變換回路還起到隔離和屏蔽作用，以減少高壓設(shè)備對微機系統(tǒng)的干擾。

典型的模擬量輸入變換回路變換器原方所跨接的電容主要是為了吸收耦合到輸入導線上的干擾信號

來自電流互感器來自電壓互感器電流變換器

CR

連接到低通濾波回路電壓變換器C電流變換器副方所并電阻的目的是通過電流在電阻上產(chǎn)生的電壓來實現(xiàn)電流量到電壓量的變換

設(shè)計模擬量輸入變換回路的基本原則主要有：

①要保證各電流變換器之間、電壓變換器之間以及電流與電壓變換器之間的原副方相位移要保持一致

②變換器的鐵芯的磁導率μ要選取恰當，即要整個工作范圍內(nèi)保持線性傳變，輸入小信號時不失真，輸入大信號時不飽和。

③變換器本身的損耗要小，使變換器在傳變過程中原副方電量的相角差盡可能的小。

④變換器原、副方之間要加屏蔽層，并接地。電流變換器的設(shè)計尤其需要考慮下面幾點：

①優(yōu)先保證在輸出為最小工作電流時，對應A/D變換的結(jié)果應具有足夠的分辨能力。②應適當選擇電流變換器副方的負載，使電流變換器在原方出現(xiàn)最大短路電流時不至于出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。③應保證在出現(xiàn)最大短路電流時，電流變換器輸出的電壓不應使A/D轉(zhuǎn)換出現(xiàn)溢出現(xiàn)象。

由于電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，電流互感器副方的電流具有很大的動態(tài)范圍。因此，必須保證經(jīng)過電流變換器的變換后，小電流信號應具有足夠的分辨能力，大電流信號又不至于產(chǎn)生畸變或溢出。

2.采樣保持和低通濾波回路所謂采樣，就是將一個在時間上連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為在時間上離散的模擬量。

采樣的過程相當于一個受控理想開關(guān)的快速開閉的過程。采樣控制信號s(t)可表示為一個以Ts為周期的脈沖序列信號，其中脈沖的寬度為τ（即理想開關(guān)每隔Ts秒短暫閉合的時間為τ）。τTs(1)采樣保持、采樣定理及頻率混疊現(xiàn)象f(t)為輸入連續(xù)信號，fs(t)為采樣輸出的信號。當s(t)=1時,開關(guān)閉合，此時fs(t)=f(t)。當s(t)=0時,開關(guān)打開，此時fs(t)=0用數(shù)學形式可表示為：fs(t)=f(t)×s(t)其中s(t)=0或1。當s(t)=1時，輸出fs(t)跟蹤輸入f(t)的變化。采樣脈沖的寬度τ越小，采樣輸出的脈沖的幅度就越準確反映了輸入信號在該離散時刻上的瞬時值。S(t)

采樣控制信號fs(t)f(t)采樣器采樣過程示意圖tttttS(t)f(t)fs(t)f’s(t)當輸入的信號被記錄下來后，為了保證A/D轉(zhuǎn)換的正確進行。這些信號必須在A/D轉(zhuǎn)換過程中保持恒定，保持電路就是為實現(xiàn)這一功能的。

我們把采樣和保持電路結(jié)合在一起，稱為采樣保持電路。

采樣保持電路由MOS管采樣開關(guān)T、保持電容Ch和作為跟隨器的運放構(gòu)成。當s(t)=1時，采樣開關(guān)T導通，輸入信號Vi向Ch充電，V0和Vc跟隨Vi的變化，即對Vi采樣。當s(t)=0時，T截止，在Ch的漏電電阻、跟隨器的輸入電阻以及MOS管T的截止電阻都足夠大，Ch的放電電流可以被忽略的情況下，V0將保持T截止前一刻的電壓基本不變，直至下一次采樣開關(guān)導通，新一輪采樣重新開始。

采樣保持電路原理圖S(t)Vif(t)TVcCh－＋Vofs(t)O采樣開關(guān)保持電容跟隨器為了使采樣所得到的信號能準確、真實的反映原始信號，除了上述采樣保持電路外，還必須對采樣的頻率做出一些要求

如輸入信號u，如果按“

”所示頻率采樣，基本可以反映u的變化情況。

ut采樣定理及頻率混疊現(xiàn)象示意圖×××××這種由于采樣頻率不夠高，導致采樣值對應多種的可能波形的現(xiàn)象稱為頻率混疊。而若按“×”所示頻率采樣，同樣的采樣值所對應的波形卻不是唯一的，所以根本無法恢復原始波形。要用采樣值準確無誤的表示原始輸入信號，采樣頻率必須大于原始信號中最高次頻率分量的兩倍即:

這就是采樣定理。實際應用中所取倍數(shù)往往大于4、5倍，才有利于改善測量精度。

典型芯片

LF398

1234

8765+U調(diào)零Usr-UUscChGNDSnLF398+U-UChR1R2UscUsrSnGND調(diào)零LF398雙列直插，8引腳。R1，R2用于內(nèi)部調(diào)零。一般取2kCh外接保持電容，通常Ch取0.01u。（2）低通模擬濾波回路系統(tǒng)故障電壓、電流信號中往往包含了許多高頻分量的信號。常見的微機保護的原理都是基于工頻量的，因主機頻率不高且計算量較大，因此在采樣頻率不太高的情況下，為了防止出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象，要求限制輸入信號的高頻分量。因此需要在采樣之前加上低通濾波回路。理想低通濾波器的頻率響應特性曲線如圖中曲線a所示，信號頻率低于理想低通濾波器的截止頻率fc的部分無任何衰減，而高于截止頻率fc的信號被完全濾除。

實際低通濾波器的特性曲線如圖中曲線b所示，顯然，實際低通濾波器截止頻率的過渡帶遠沒有理想低通濾波器那么陡。

ba輸出信號/輸入信號通帶阻帶

fC低通濾波特性f結(jié)構(gòu)簡單，均為無源元件，故可靠性較高，能經(jīng)受較大的浪涌沖擊等優(yōu)點，因此應用較為廣泛。但對于利用高次諧波的非基頻分量的保護，由于這種濾波器對諧波分量的衰減比較大，故不宜采用。

RC無源濾波器C2C1R1R23.多路轉(zhuǎn)換器

多路轉(zhuǎn)換器示意圖O

輸出OOOO控制信號輸入多路轉(zhuǎn)換器的原理可以用圖所示的旋轉(zhuǎn)模擬開關(guān)來表示。多路轉(zhuǎn)換器是一種通過控制邏輯從多路輸入模擬信號中選一路作為輸出的器件。很多的微機保護算法往往要利用多個模擬量來實現(xiàn)，由于每個模擬量通道用一個A/D轉(zhuǎn)換器成本太高而且實現(xiàn)電路較復雜，所以一般采用各模擬量通道通過多路轉(zhuǎn)換器共用一個A/D轉(zhuǎn)換器。4.模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）回路

(1)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)的基本原理

由于微機系統(tǒng)只能對數(shù)字量進行計算，而微機保護所能取得的電壓、電流信號均為模擬信號，因此必須將采樣所得到的模擬量經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程實質(zhì)上就是對模擬信號進行量化和編碼的過程。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種編碼電路，將輸入的模擬量UA相對于模擬參考量UR經(jīng)一編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D輸出。D=[UA/UR]所謂量化,就是把時間上離散而數(shù)值上連續(xù)的模擬信號以一定的準確度變?yōu)闀r間上和數(shù)字上都離散化、或量級化的等效數(shù)值。量級化通常有只舍不入和四舍五入兩種方法。顯然經(jīng)過量級化后的結(jié)果可能僅是輸入模擬信號的近似值。這種由于量化而產(chǎn)生的誤差，稱為量化誤差。量化誤差直接影響了A/D轉(zhuǎn)換的精度。這種影響只能減小，不能消除。

編碼就是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值用二進制數(shù)、BCD碼或其它碼來表示。

經(jīng)過量化和編碼，就完成了A/D轉(zhuǎn)換的全過程，將各采樣點的模擬信號轉(zhuǎn)換成與之一一對應的數(shù)字量。

上述種種A/D變換中，以逐次逼近式和V/F轉(zhuǎn)換式在微機保護中應用最廣。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的原理和特點的不同，可將A/D轉(zhuǎn)換分為：直接式A/D轉(zhuǎn)換間接式A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量將模擬信號先變成中間變量，再將這些中間變量變成數(shù)字量直接式A/D轉(zhuǎn)換比較式A/D記數(shù)式A/D并行轉(zhuǎn)換式A/D間接式A/D轉(zhuǎn)換單積分式A/D雙積分式A/DV/F（壓頻）轉(zhuǎn)換式A/D當出現(xiàn)啟動轉(zhuǎn)換脈沖時，輸出緩沖鎖存器和逐次逼近寄存器均清零，故D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為零。當?shù)谝粋€時鐘脈沖到來時，逐次逼近寄存器的最高位置1，即為100…0，此時D/A轉(zhuǎn)換器將逐次逼近寄存器的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電壓Vf輸出（這里Vf為A/D輸入的滿刻度值的一半）。然后將Vf與輸入信號VI比較，如果Vf<VI,則表示輸入量VI值大于滿刻度的一半，故將此位保留，否則被置零。接下來將逐次逼近寄存器的次高位置1，再重復剛才的比較，決定是否清零，如此反復直到最低一位完成這一過程。最后把逐次逼近寄存器的值送到輸出緩沖寄存器并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束脈沖。此時輸出緩沖寄存器中的二進制數(shù)即為A/D轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果。

(2)逼近式A/D－＋逐次逼近寄存器（SAR）時鐘控制邏輯三態(tài)輸出緩沖器數(shù)模變換器（DAC）控制端

VIDout逐次逼近式A/D的工作原理Vf難以達到高精度、高分辨率的要求，與CPU的接口復雜，不便于在多CPU系統(tǒng)中使用等(3)V/F（壓頻）變換式A/D

V/F變換的基本原理是將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為相應頻率的脈沖信號，然后在固定時間間隔內(nèi)對此脈沖信號進行計數(shù)。

V/F變換的方式有很多，下面介紹一種應用廣泛的電荷平衡式V／F變換的原理。A1和RC組成積分器，A2為零電壓比較器。剛開始時，恒流源IR與模擬開關(guān)S作為積分器的放電回路。當單穩(wěn)定時器受觸發(fā)而產(chǎn)生一個寬度為t0的脈沖時，模擬開關(guān)S接通積分器的放電回路，使積分電容C充入一定量的電荷Qc=IR·t0。O－＋A2Uo1脈沖發(fā)生器Uo－＋A1OR1UiR2OOO－UrCS電荷平衡式V/F變換的原理圖定時充電，定斜率放電當積分器的輸出VINT降為零時，零電壓比較器發(fā)生跳變，觸發(fā)單穩(wěn)定時器產(chǎn)生一個t0寬度的脈沖，使S導通t0時間。由于恒流源IR在設(shè)計時就考慮到使IR>Vi(max)/R，故在t0這段時間里，IR使積分器放電，使VINT線性上升到某一正電壓。到t0結(jié)束的時候，只有正的輸入電壓Vi作用于積分器，使其充電，此時輸出電壓VINT沿斜線下降。當VINT下降到0V時，電壓比較器翻轉(zhuǎn)，又使單穩(wěn)定時器產(chǎn)生一個t0寬的脈沖，再次反充電，如此反復。簡而言之，整個電路可以看成一個振蕩頻率受輸入電壓Vi控制的振蕩器。

tt0u-URtuV/F轉(zhuǎn)換器光電隔離輸出脈沖計數(shù)器保護CPU保護中典型V/F模數(shù)轉(zhuǎn)換原理圖保護CPU定時讀取計數(shù)器在若干個采樣周期內(nèi)的計數(shù)值。模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果R相當于輸出電壓VINT的頻率在某一時段內(nèi)對時間的積分，即：。上式中R相當于從時刻到時刻所讀到的計數(shù)器的計數(shù)值。

V/F模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)精度較高，與CPU接口簡單，易于為多CPU共享，抗干擾能力強，現(xiàn)在應用的比較廣泛。A/D變換器的主要性能參數(shù)分辨率是反映A/D對輸入電壓信號微小變化的響應能力的一種度量

A/D轉(zhuǎn)換分辨率=（輸入信號的滿刻度值/2n）。以滿刻度為10V的12位A/D轉(zhuǎn)換器為例：10V/212=10V/4096≈0.00244V。

精度是指A/D變換的結(jié)果與實際輸入的接近程度，也就是準確度

轉(zhuǎn)換時間指的是進行一次A/D變換所需的時間

分辨率精度轉(zhuǎn)換時間5.采樣方式通常微機保護在一個工頻周期內(nèi)的采樣次數(shù)是固定的。例如：每周波12個點。（1）單一通道的采樣方式根據(jù)采樣點的位置及采樣間隔時間與輸入波形在時間上的對應關(guān)系，可分為同步和異步采樣。a)異步采樣采樣頻率固定為fs

=Nf0(f0為工頻50Hz)，當基頻f1發(fā)生變化而偏移工頻時，fs相對于f1不再是整倍數(shù)的關(guān)系，即采樣信號與輸入信號在時間位置上發(fā)生異步。每個周波雖然均采樣N個點，但各采樣點相對于輸入信號在位置上發(fā)生了變化。b)同步采樣跟蹤采樣定位采樣跟蹤采樣使采樣頻率fs跟蹤系統(tǒng)基頻f1的變化，始終保持fs

=Nf1，通過硬件或軟件測得基頻周期的變化來動態(tài)調(diào)整采樣周期，使每個周波的采樣點均位于輸入波形的某些固定位置。（動態(tài)調(diào)整采樣間隔和采樣起點）定位采樣在任何情況下，不但要始終保持fs/f1=N為一不變的常數(shù)，而且采樣點總位于基波中事先確定的固定位置上，發(fā)生故障時信號波形突變，相位同步破壞，立刻重新同步定位。同步定位方法：利用硬件或軟件方法檢測基波和其導數(shù)的過零點。（2）多通道的采樣方式a)同時采樣同時A/D轉(zhuǎn)換DBS/HS/HA/DA/DCPUui1uin采樣脈沖啟動轉(zhuǎn)換在同一時刻對所有信號同時進行采樣，各通道信號之間沒有相角差，同時啟動A/D轉(zhuǎn)換，各信號的衰減相同，不會造成幅值誤差。...微機保護中通常要對多個模擬量進行采樣（ia，ib，ic，ua，ub，uc，ux

等）。...a)同時采樣分時A/D轉(zhuǎn)換S/HS/Hui1uin采樣脈沖在同一時刻對所有信號同時進行采樣，各通道信號之間沒有相角差，通過MPX分時啟動A/D轉(zhuǎn)換，由于保持電容的漏電流，可能會造成幅值誤差。MPXA/DCPU啟動A/D轉(zhuǎn)換......b)順序采樣ui1uin采樣脈沖MPXA/DCPU啟動A/D轉(zhuǎn)換...S/H結(jié)構(gòu)簡單，但由于各輸入信號的采樣時刻不同，將產(chǎn)生一定的相角差，設(shè)單通道采樣時間為單通道A/D轉(zhuǎn)換時間為則第一通道與第n通道的角度差為：T1基頻周期(ms)c)分組同時采樣將所有輸入信號分成若干組，組內(nèi)各通道同時采樣，組間人為的增加一段時延再開始采樣，在某些算法中需要把其中一些量滯后一個角度，以利于計算。第三節(jié)中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)字繼電保護裝置的中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成盡管多種多樣、各不相同，但它們一般由CPU、存儲器、定時器/計數(shù)器、Watchdog等組成。1.CPU（中央處理器）

CPU是計算機系統(tǒng)自動工作的指揮中樞，計算機程序的運行依賴于CPU來實現(xiàn)。因此，CPU的性能好壞在很大程度上決定了計算機系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

當前應用于電力系統(tǒng)中的微機繼電保護所采用的CPU多種多樣，且多為8位或16位CPU，如Intel公司的8086/8088，8031系列及其兼容產(chǎn)品、8098、8096以及80C196等等。這一類

CPU均是八、九十年代的主流CPU。其中，80C196系列CPU是目前國內(nèi)微機繼電保護裝置中最常采用的一種CPU。這一方面是這一系列CPU具有較高的性能價格比，另一方面這一系列CPU指令、結(jié)構(gòu)以及尋址方式等均于早期較流行的8098/8096相似，使早期基于8098/8096的微機繼電保護裝置可以較順利地移植到80C196上來。隨著微電子技術(shù)近幾年來突飛猛進的發(fā)展，新一代32位的CPU伴隨著大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路的廣泛應用而被新一代微機繼電保護裝置中普遍采用。這一類CPU品種較多，如Motorola公司的MC863XX系列就是目前使用較多的一類。另一方面，隨著數(shù)字信號處理器（DSP）的廣泛應用，微機繼電保護裝置采用DSP來完成保護功能、實現(xiàn)保護算法已成為一種發(fā)展趨勢。計算機利用存儲器把程序和數(shù)據(jù)保存起來，使計算機可以在脫離人的干預下自動地工作，它的存儲容量和訪問時間直接影響著整個計算機系統(tǒng)的性能。

2.存儲器

EPROM（紫外線擦除電可編程只讀存儲器）EEPROM（電擦除可編程只讀存儲器）SRAM（靜態(tài)隨機存儲器）NVRAM（非易失性隨機存儲器）包括

微機保護運行程序和一些固定不變的數(shù)據(jù)通常保存在EPROM中，這是由于EPROM的可靠性較高，通常只有紫外線長時間照射才可以擦除保存在EPROM中的內(nèi)容。由于EEPROM可以在運行時在線改寫，而且掉電后又可保證內(nèi)容不丟失，因此，在微機繼電保護中通常用來保存整定值。

SRAM主要作用是保存程序運行過程中臨時需要暫存的數(shù)據(jù)。NVRAM和FLASH都是近幾年來迅速發(fā)展的非易失性存儲器，由于它們具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失，而且讀寫簡單方便等優(yōu)勢，在微機繼電保護中通常將它們用作保存故障數(shù)據(jù)，以便事后分析事故時用。

3.定時器/計數(shù)器

定時器/計數(shù)器在微機保護中十分重要，除計時作用外，它還有兩個主要用途，一是用來觸發(fā)采樣信號，引起中斷采樣。另外，在V/F變換式A/D中，定時器/計數(shù)器也是把頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的關(guān)鍵部件。

4.Watchdog

當微機繼電保護裝置受到干擾導致運行程序彈飛后，系統(tǒng)可能陷入癱瘓。Watchdog的作用就是監(jiān)視程序的運行情況，若微機繼電保護裝置受到干擾而失控，則立即動作以使程序重新開始運行，以避免微機系統(tǒng)失控后產(chǎn)生死機或誤動作

CLR定時脈沖發(fā)生器

Watchdog原理OUT可被清除的定時脈沖發(fā)生器通常由單穩(wěn)觸發(fā)器或計數(shù)器構(gòu)成。若無CLR清除脈沖信號，則定時脈沖發(fā)生器按一定頻率輸出脈沖。通常將此輸出脈沖引到微機系統(tǒng)的復位端。當程序正常運行時，不斷發(fā)出CLR清除脈沖信號，使脈沖發(fā)生器沒有輸出。當運行程序受干擾失控后，無法按時發(fā)出CLR清除脈沖信號，于是脈沖發(fā)生器產(chǎn)生輸出，復位微機系統(tǒng)。第四節(jié)開關(guān)量輸入輸出回路開關(guān)量指那些反映“是”或“非”兩種狀態(tài)的邏輯變量，如斷路器的“合閘”或“分閘”狀態(tài)、控制信號的“有”或“無”狀態(tài)等。繼電保護裝置常常需要確知開關(guān)量的狀態(tài)才能正確地動作。

1)開關(guān)量輸入接口部件外部設(shè)備一般通過其輔助繼電器接點的“閉合”與“斷開”來提供開關(guān)量狀態(tài)信號。開關(guān)量輸入接口部件的作用是為正確地反映開關(guān)量提供輸入通道，并在微機保護裝置內(nèi)外部之間實現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減少外部干擾。由于開關(guān)量的狀態(tài)正好對應二進制數(shù)字的“1”或“0”，所以開關(guān)量可作為二進制數(shù)字量讀入，每一路開關(guān)量信號占用二進制數(shù)字的一位。PA0O并列接口4.7kΩ＋5VK1裝置內(nèi)接點輸入回路OOoPA0＋5V＋o－oK1外部觸點裝置端子裝置外接點輸入回路光電耦合器件內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。當外部繼電器接點閉合時，電流流過發(fā)光二極管使其發(fā)光，光敏晶體管受光照射而導通，其輸出端呈現(xiàn)低電平“0”；反之，當外部繼電器接點斷開時，無電流流過發(fā)光二極管，光敏晶體管無光照射而截止，其輸出端呈現(xiàn)高電平“1”。該“0”、“1”狀態(tài)可作為數(shù)字量由CPU直接讀入并依據(jù)狀態(tài)進行處理；也可控制中斷控制器發(fā)出中斷請求，CPU響應中斷再進行相應的處理

使用光電耦合器件實現(xiàn)電氣隔離2)開關(guān)量輸出接口部件

微機保護通過開關(guān)量輸出的狀態(tài)來控制執(zhí)行回路、信號回路以及完成其它操作的繼電器的動作。開關(guān)量輸出接口部件的作用是為正確地發(fā)出開關(guān)量操作命令提供輸出通道，并在微機保護裝置內(nèi)外部之間實現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減少外部干擾。采用光電耦合器件的開關(guān)量輸出回路B1H1

PB0PB1OO

+5vO&OVCKOOK1－1空接點輸出續(xù)流二極管繼電器繞組當CPU輸出為“0”（低電平）時，執(zhí)行回路的出口繼電器常開接點閉合；反之，當CPU輸出為“1”（高電平）時，出口繼電器常開接點斷開。繼電器線圈兩端并聯(lián)的二極管稱為續(xù)流二極管。它在CPU輸出由“0”變?yōu)椤?”，光敏晶體管突然由“導通”變?yōu)椤敖刂埂睍r為繼電器線圈釋放儲存的能量提供電流通路，這樣一方面加快繼電器的返回，另一方面避免電流突變產(chǎn)生較高的反向電壓而引起相關(guān)元件的損壞和產(chǎn)生強烈的干擾信號。

在重要的開關(guān)量輸出回路如跳閘回路中，往往采用數(shù)字邏輯編碼形成開關(guān)量輸出信號，目的是為了防止因強烈干擾甚至元件損壞在CPU輸出回路出現(xiàn)不正常狀態(tài)改變時，以及因直流工作電源拉合在CPU輸出回路出現(xiàn)不確定狀態(tài)時而導致保護裝置發(fā)生誤動。

oR4&oR3oR6&oR5oR2&oR11o微機保護內(nèi)部工作電源來自CPU光隔采用邏輯編碼的開關(guān)量輸出回路o啟動繼電器開放保護正常運行時，啟動繼電器始終處于閉鎖狀態(tài)第五節(jié)人機聯(lián)系與調(diào)試接口1)人機對話接口部件

人機對話（也可稱為人機聯(lián)系）接口部件的作用是建立起微機保護裝置與使用者之間的信息聯(lián)系，以便對裝置進行人工操作、調(diào)試和得到反饋信息。

繼電保護的操作主要包括整定值和控制命令的輸入等；反饋信息主要包括被保護的一次設(shè)備是否發(fā)生故障、何種性質(zhì)的故障、保護裝置是否已發(fā)生動作以及保護裝置本身是否運行正常等。

微機保護采用智能化人機界面使人機信息交換功能大為豐富、操作更為方便。

微機保護人機對話接口部件通常包括以下幾個部分：

⑴鍵盤輸入電路：用來修改整定值和輸入控制命令，必要時輔之以切換開關(guān)；⑵液晶顯示回路：通常采用圖形化液晶顯示屏（LCD），用來實現(xiàn)漢字、數(shù)據(jù)及圖形的顯示,如整定值、控制命令、采樣值、測量值、電力系統(tǒng)故障報告（含故障發(fā)生的時間、性質(zhì)、保護動作情況）及保護裝置運行狀態(tài)的報告等；⑶指示燈：通常采用發(fā)光二極管（LED），可對一些非常重要的事件，如保護已動作、裝置運行正常、裝置故障等提供更明顯的監(jiān)視信號；⑺硬件自復位電路：防止人機接口CPU程序出格而裝設(shè)的。

⑷打印機驅(qū)動電路：用來驅(qū)動打印機形成文字報告；⑸串行通訊接口電路：①與保護CPU的通訊實現(xiàn)人機對話和巡檢功能；②與系統(tǒng)機的通信，用于向RTU設(shè)備或系統(tǒng)機傳送數(shù)據(jù)，并與變電站綜合自動化相配套。⑹硬件時鐘電路：校對保護CPU的軟件時鐘，以確保保護的軟件時鐘的正確性；并可修改時間；在保護裝置直流電源掉電時使保護軟件時鐘不丟失。825580318279MC146818RAMEPROMEEPROM三總線鍵盤顯示至ADC插件單CPU結(jié)構(gòu)保護的人機接口芯片與保護CPU的連接接口CPU就由保護CPU兼任。為減輕保護CPU的負擔，可由可編程鍵盤、顯示器專用接口芯片8279來完成鍵盤、顯示器與保護CPU的接口任務，時鐘校對由MC146818獨立完成在多CPU結(jié)構(gòu)的保護中，另設(shè)有專用的人機接口CPU插件。接口CPU除了要完成人機接口的任務外，還要完成與各CPU通信管理、巡檢及時間校對、程序出格復位等多項任務。

8031硬件自復位EPROMRAMRTU光電隔離至RTU時鐘PPI光電隔離呼喚至CPU插件總告警開入外部觸點復位各CPU鍵盤多CPU結(jié)構(gòu)保護的人機接口插件框圖BUS至各CPU2）鍵盤輸入電路鍵輸入的接口功能

（1）鍵開關(guān)狀態(tài)的可靠輸入

（2）按鍵編碼

為了識別按鍵，通常都對每個鍵進行編碼，即給定鍵值，不同的鍵盤結(jié)構(gòu)采用不同的編碼方法。軟件中根據(jù)鍵值安排執(zhí)行程序的地址，按鍵值執(zhí)行不同的功能程序。（3）鍵盤檢測功能

對是否有鍵按下的監(jiān)測方式，通常有中斷方式和查詢兩種方式

為了簡便操作，單片機鍵盤不必像PC機那么繁雜，保護裝置鍵盤的數(shù)量應盡可能減少。人機接口的面板上鍵盤只有七個鍵：上、下、左、右、返回、復位和確認鍵。復位和確認鍵用于裝置復位和操作確認。

按鍵或鍵盤大都是利用機械觸點的合斷作用來實現(xiàn)。

3）液晶顯示回路

＋5V8256

P2P1CBLS245A0－7

CB

LCDDB0－7

CB液晶顯示回路液晶顯示器是一種極低功耗的顯示器件，在低功耗保護中應用較廣

液晶顯示接口電路由接口芯片8256的P1、P2端口，驅(qū)動芯片74LS245及一塊4×16字符的LCD液晶顯示器組成。接口芯片8256在接口CPU的控制下輸出P2和P1并行端口，分別作為LCD液晶顯示器的控制線CB和數(shù)據(jù)線DB，其DB通過總線驅(qū)動芯片74LS245驅(qū)動，接至LCD數(shù)據(jù)端DB0－7。在控制線CB的控制下，選通LCD行、列及其電極。

4）硬件時鐘電路（1）正常運行方式

當接口CPU復位重新開始執(zhí)行程序初始化工作完成后，從硬件時鐘時間值通過CPU串行通信口送到保護CPU插件內(nèi)部時鐘存儲單元，去校對保護CPU的軟件時鐘。此外每隔一定時間，該硬件時鐘對保護內(nèi)部時鐘的存儲單元同步校正一次，以確保保護的軟件時鐘的正確性，實現(xiàn)了對各CPU軟件時鐘的同步校對。

（2）修改時間

運行人員欲修改時間，可在運行方式下按提示的格式輸入正確時間，確認后硬件時鐘按輸入的時間開始運行。

（3）保護裝置直流電源掉電時

保護軟件時鐘丟失，但接口硬件時鐘由電池供電繼續(xù)運行，直流恢復后又重新把接口硬件時鐘的時間通過串行通信送入保護內(nèi)部軟件時鐘存儲單元，確保時鐘不間斷計時。

第六節(jié)數(shù)字通信接口

1）人機接口與保護CPU之間的串行通信

人機接口與保護CPU之間的串行通信的作用是人機對話和巡檢，這個串行通信系統(tǒng)是主從分布式的系統(tǒng)，接口CPU是主機，保護CPU是從機。主機發(fā)訊的T端接從機收訊的R端，從機發(fā)訊的T端接主機收訊的R端。

8256TRTRTRTRCPU1CPU2CPU3CPU4CPU保護裝置的串行通信框圖RT接口插件的串行通信回路，由接口CPU的串行接口與各保護插件的串行接口按輻射狀相連，每個保護插件都可以同人機接口進行雙向的串行通信，而各種插件之間不能互相通信。8256、CPU1、CPU2、CPU3、CPU4分別代表人機串行通信接口的鍵盤命令或接受保護CPU插件的數(shù)據(jù)。在運行狀態(tài)下，用于巡檢各保護CPU插件，當系統(tǒng)發(fā)生故障后，則能通過串行口向主機傳送故障報告，并通過顯示器顯示出來。正常運行狀態(tài)，接口插件不斷的通過串行口向各CPU插件發(fā)出巡檢命令，當各CPU均為正常時，分別作出回答。如某一保護CPU插件自檢硬件出錯，一方面驅(qū)動本CPU告警繼電器切斷跳閘出口繼電器。另一方面在收到巡檢命令后向接口插件傳送故障信息及出錯碼，接口插件收到出錯碼后，驅(qū)動總告警繼電器，并顯示或打印出故障信息。

如果接口插件發(fā)巡檢命令，某一保護CPU未作回答，則接口插件通過外部復位開出，強制該CPU復位，然后再發(fā)巡檢命令，如果仍得不到回答，則驅(qū)動總告警開出，并顯示或打印CPU出錯信息。

采用先復位后報警是為了防止某一保護插件因干擾造成出格，但并無硬件損壞時，可在復位后使其恢復正常工作，不必告警。

如果人機接口插件發(fā)生故障而不能執(zhí)行循環(huán)檢測程序時，各保護CPU插件在規(guī)定時間內(nèi)收不到巡檢命令，就驅(qū)動巡檢中斷繼電器告警。

2）人機接口與系統(tǒng)機的通信電路

人機接口與系統(tǒng)機的通信，用于向RTU設(shè)備或系統(tǒng)機傳送數(shù)據(jù)，為設(shè)備的集中管理提供了方便，并與變電站綜合自動化相配套。由于通信線路較長，因此有必要采用光電隔離，以防干擾。當系統(tǒng)機有通信信息傳至保護時，接收端通過光隔連接CPU的INT0端申請串行中斷服務，相應中斷時接受系統(tǒng)機信息或向系統(tǒng)機傳送保護信息。為抗干擾，串行通信的專用電源由保護電源通過逆變器件DC/DC隔離后供電。

第七節(jié)微機保護裝置的可靠性措施

所謂電磁兼容(EMC)，指的是設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能不受干擾的正常工作，而且其自身所發(fā)出電磁能量也不至于干擾和影響其它設(shè)備的正常運行。

簡單的說，電磁兼容就是各種設(shè)備和系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中互不干擾，并能各自保持正常工作的能力。

1）干擾的形成及其基本要素

干擾產(chǎn)生的原因很多，有的來自于與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)的外部環(huán)境如雷電、磁暴、開關(guān)操作以及各種無線電發(fā)射等，也有的來自系統(tǒng)內(nèi)部的問題如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及元器件布局不合理，生產(chǎn)工藝不完善等等?？傊?，只要發(fā)射電磁能量者，就可以成為干擾源，而只要接收到此能量并受其影響，就成為被干擾對象

干擾的形成

干擾源傳播途徑被干擾對象

三個基本要素

要將電磁兼容問題解決好，必須圍繞這三個基本要素；抑制干擾源、阻斷干擾傳播通道以及提高設(shè)備自身抗干擾能力。

2）電磁干擾的傳播途徑和耦合方式

電磁干擾的傳播途徑包括兩種：

一種是通過金屬導體以及電感、電容、變壓器或電抗器等的傳導

特點：這些載體在傳導電磁干擾信號的同時也消耗干擾源的能量

一種途徑是以電磁波的形式在空間中的輻射干擾

特點：干擾源對外輻射能量具有一定的方向性，并且輻射的能量隨著距離的增加而逐漸減弱

兩種傳播途徑在傳播過程可以相互轉(zhuǎn)換

共阻抗耦合B公共阻抗AIAIB共阻抗性耦合

在兩個設(shè)備之間存在諸如電源線、數(shù)字量I/O以及公共地線等連線的情況下，它們各自的電流均經(jīng)過一個公共阻抗，并在此公共阻抗上分別產(chǎn)生電壓降，從而相互引起電壓波動，干擾各自的正常運行。

電感性耦合ABM電感性耦合

當兩電路之間存在互感時，任一個電路中的電流發(fā)生變化時，通過磁通交鏈影響到另一電路。這種耦合所導致的干擾，隨著干擾源的頻率的增加而增加。

R導線1導線2C2GC1GC12電容性耦合

兩個導線之間的電位差，使一個導線上的電荷通過他們之間的分布電容C12耦合到另一個導線上，即形成了干擾。這種耦合所導致的干擾隨著對地阻抗R和干擾源的頻率的的增加而增加。因此，降低對地阻抗，減少線間分布電容，將有利于抑制這種容性耦合所造成的干擾。

電磁耦合

無線電通信、高頻電子電路以及電暈放電等等均會向空間中輻射電磁波。而裝置的輸入信號線，外部電源線以及裝置的機殼等只要暴露在電磁場中，都象一個天線，接收外界的電磁信號，形成電磁干擾

3）電磁干擾的常見分類

共模干擾

差模干擾

共模干擾是作用于信號回路和地之間的干擾，通常是由于干擾信號通過信號回路和地之間分布電容的耦合，導致回路和地之間的電位發(fā)生突變所引起的。它不但可能造成設(shè)備運行異常，甚至有可能由于信號回路和地之間電壓過高而導致設(shè)備損壞。

抑制和消除共模干擾的措施：

采用浮空隔離、系統(tǒng)一點接地、使用隔離變壓器以及光電隔離器件等方法

差模干擾是存在于信號回路之間且與正常信號相串聯(lián)的一種干擾。

通常由長線傳輸?shù)幕ジ小⒎植茧娙莸挠绊懸约?0HZ工頻干擾等等

抑制和消除差模干擾的措施：

采用在信號回路接入低通濾波器等方法

電力系統(tǒng)中常見的干擾源

（1）隔離開關(guān)及斷路器操作

隔離開關(guān)及斷路器的開合操作，必然伴隨觸頭間一系列電弧的熄燃過程，并在母線上引起各種高頻的電流和電壓脈沖。此時，母線上的干擾信號在通過電流互感器、電壓互感器等設(shè)備直接耦合到二次設(shè)備的同時還向空間輻射電磁波，以電磁耦合的方式干擾處于該暫態(tài)電磁場中的二次設(shè)備。

（2）雷電

電力系統(tǒng)遭受到雷擊通常有兩種情況：一種是變電站的防雷系統(tǒng)受到雷擊，另一種是雷電直落到或感應到輸電線路上。

雷電從避雷針等防雷系統(tǒng)進入變電站接地網(wǎng)并流入大地，一方面將在接地網(wǎng)中產(chǎn)生沖擊，導致接地網(wǎng)電位瞬時升高。另一方面將在周圍空間中產(chǎn)生強大的暫態(tài)電磁場，從而在二次設(shè)備中產(chǎn)生暫態(tài)過電壓。影響二次設(shè)備正常運行，甚至導致二次設(shè)備損壞

雷電波通過輸電線路傳到變電站內(nèi)，在經(jīng)過一次設(shè)備、變電站接地網(wǎng)以及電流互感器、電壓互感器等耦合到控制室中的二次設(shè)備中，對二次設(shè)備造成影響。

（3）運行中的供電設(shè)備和用電設(shè)備

運行中的電力設(shè)備周圍存在著干擾微機系統(tǒng)運行的工頻電磁場，特別是在系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障電流產(chǎn)生的工頻干擾更為強烈。另外，輸電線上的電暈放電、臟污外絕緣表面的局部放電、電力負荷的變化引起電壓波動，補償電容器的投退引起的瞬變干擾等等都是電力系統(tǒng)中常見的干擾源。

（4）無線電波

隨著現(xiàn)代無線通信產(chǎn)品的廣泛應用，在空間磁場中充斥著各種電磁輻射干擾。尤其是大量用于電力部門的檢修現(xiàn)場和其它場所的對講機，由于其發(fā)射功率較大（1～10W）、發(fā)射頻率較高（100～500MHZ），使與之相距較近的弱電設(shè)備的電路中產(chǎn)生高頻感應電壓，這種感應電壓可能干擾設(shè)備的正常運行甚至導致保護裝置誤動作。

（5）靜電

靜電的起因是由于兩種不同物質(zhì)的物體相互摩擦時，正負極性的電荷分別積蓄在兩種物體上形成高壓。靜電放電屬于脈沖式干擾，干擾程度取決于脈沖能量和脈沖寬度。雖然靜電放電的能量較小，但由于作用時間極短，其瞬時能量密度可大到干擾裝置運行甚至導致設(shè)備損壞的程度。

微機保護裝置抑制電磁干擾的基本措施

1.硬件措施

在設(shè)計繼電保護裝置的過程中，若在硬件上采用一些抗干擾措施，可以有效地抑制干擾信號的侵入，提高裝置的抗干擾能力

（1）隔離

隔離是一種切斷電磁干擾傳播途徑的抗干擾措施。為了有效抑制共模干擾，通常將保護裝置中與外界相連的信號線、電源線等經(jīng)過隔離后再連入裝置內(nèi)部。常見的隔離措施包括光電隔離和隔離變壓器隔離。其中光電隔離主要通過光電耦合器將外部開關(guān)量信號和內(nèi)部電氣回路進行電氣隔離。而隔離變壓器隔離則主要通過專用變壓器將原副方的交流回路隔離，以抑制共模電壓的干擾。（2）屏蔽

屏蔽主要是用來阻隔來自空間電磁場的輻射干擾。屏蔽措施的實質(zhì)是通過由具有良好導電性的金屬材料所構(gòu)成的全封閉的殼體來隔離和衰減電磁干擾。常見的屏蔽方式有抑制寄生電容的耦合干擾的電場屏蔽（包括電壓變換器、電流變換器的原、副方線圈之間的隔離）、防止輻射電磁場產(chǎn)生電磁耦合的電磁屏蔽以及限制低頻磁場產(chǎn)生感性耦合的磁場屏蔽等等。

（3）接地

信號接地：通過把裝置中的兩點或多點接地點用低阻抗的導體連在一起，為內(nèi)部微機電路提供一個電位基準。為了盡量減