電力系統(tǒng)微機(jī)型繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)思路

摘要本文針對(duì)微機(jī)型繼電保護(hù)裝置的存儲(chǔ)、運(yùn)算、軟件可擴(kuò)充性、設(shè)備抗干擾、自檢和自適應(yīng)能力、串行通信等軟硬件技術(shù)的深入討論，提出了一些基本思路。關(guān)鍵字：微機(jī)保護(hù) 單片機(jī) 抗干擾 串行通信0 引言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，隨著電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大、智能化，微機(jī)型繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)應(yīng)用成為了必然，它應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：（1）強(qiáng)大的存儲(chǔ)和運(yùn)算能力、軟件功能的可擴(kuò)充性；；（2）設(shè)備抗干擾、自檢和自適應(yīng)能力；（3）適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的通信能力。1 存儲(chǔ)和運(yùn)算、軟件功能的可擴(kuò)充性；1.1 存儲(chǔ)能力裝置除能存儲(chǔ)定值、程序、故障信息及一些重要的數(shù)據(jù)外,還應(yīng)存放采樣值，以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，尤其是故障前后的數(shù)據(jù)。一般在設(shè)計(jì)中根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)分三塊進(jìn)行存儲(chǔ)，RAM用于存放采樣值及一些臨時(shí)的計(jì)算結(jié)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(zhuǎn)換（1） 電流電壓定值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量要除以一定的比例系數(shù)才能真實(shí)地反映實(shí)際的電流電壓值。為了盡量避免除法運(yùn)算和減少定值比較時(shí)的計(jì)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(jì)算值進(jìn)行比較。另外由于傅氏計(jì)算中為了避免開(kāi)方運(yùn)算，實(shí)際得到的是幅值平方。故原始定值可以取平方與計(jì)算值比較。（2） 時(shí)間定值時(shí)間計(jì)數(shù)是在軟件定時(shí)器中斷中完成的，時(shí)間定值轉(zhuǎn)換成定時(shí)器中斷次數(shù)與時(shí)間計(jì)數(shù)進(jìn)行比較。1.3 濾波及傅氏算法設(shè)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(hào)是周期函數(shù)時(shí)，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(jì)算才有效，其最小響應(yīng)時(shí)間至少為20MS。為使計(jì)算能在更快的時(shí)間內(nèi)得出結(jié)果，可以采用半周傅氏算法計(jì)算如下：采用半周傅氏算法最小響應(yīng)時(shí)間可縮短為10MS。1.4 突變量方式起動(dòng)投跳閘保護(hù)采用突變量方式起動(dòng)，即連續(xù)三次｜｜Ik－Ik-12｜－｜Ik-12－Ik-24｜｜≥ 突變量時(shí)起動(dòng)保護(hù)。突變量在定時(shí)器中斷程序里進(jìn)行判斷，以保證跳閘時(shí)間的準(zhǔn)確性。式中Ik為當(dāng)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(jī)對(duì)話一方面當(dāng)保護(hù)動(dòng)作或裝置故障時(shí)，在屏幕上顯示相關(guān)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(diào)試整套裝置的硬件，可專門(mén)設(shè)置一些人機(jī)對(duì)話形式的調(diào)試程序。如對(duì)RAM的讀寫(xiě)、時(shí)鐘的對(duì)時(shí)、采樣通道的校驗(yàn)、重要算法的校驗(yàn)、開(kāi)關(guān)量的校驗(yàn)、串行通信的校驗(yàn)等。2 設(shè)備抗干擾、自檢和自適應(yīng)；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(kāi)關(guān)量輸入端子、直流電源輸入端子均先經(jīng)磁環(huán)和抗干擾電容后再進(jìn)入裝置。所有繼電器出口均先經(jīng)磁環(huán)和抗干擾電容后再輸出至端子。本措施具有極強(qiáng)的電磁兼容性。（2） 復(fù)位電路采用MAXIM公司的微處理器監(jiān)控芯片MAX706，實(shí)現(xiàn)以下功能：① 系統(tǒng)上電或手動(dòng)復(fù)位時(shí)產(chǎn)生復(fù)位脈沖輸出至CPU；② 獨(dú)立的看門(mén)狗（Watchdog）輸出。在一定的時(shí)間內(nèi)看門(mén)狗輸入未被觸發(fā)，則看門(mén)狗輸出使CPU復(fù)位。設(shè)置看門(mén)狗功能提供了一種使系統(tǒng)從瞬時(shí)故障中自動(dòng)恢復(fù)的能力。MAX706看門(mén)狗功能與CPU內(nèi)部的看門(mén)狗功能配合使用以達(dá)到雙重化的目的。2．2 軟件抗干擾（1）冷、熱啟動(dòng)入口不同開(kāi)機(jī)上電啟動(dòng)時(shí)的初始化入口稱為冷啟動(dòng)入口，其它原因引起的復(fù)位啟動(dòng)入口稱為熱啟動(dòng)入口。當(dāng)熱啟動(dòng)的初始化工作不同于冷啟動(dòng)時(shí)，可采用冷、熱啟動(dòng)入口不同的方法解決。設(shè)置一個(gè)校驗(yàn)字，程序入口處判校驗(yàn)字正確與否。冷啟動(dòng)時(shí)由于放置校驗(yàn)字的單元為隨機(jī)數(shù)，故執(zhí)行冷啟動(dòng)初始化程序并置校驗(yàn)字單元的值。熱啟動(dòng)時(shí)校驗(yàn)字正確則進(jìn)入熱啟動(dòng)初始化程序入口。（具體流程見(jiàn)圖1）（2）未用存儲(chǔ)單元的處理未用的存儲(chǔ)單元全部置為復(fù)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(dòng)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(yàn)法。即將規(guī)定地址空間的單元內(nèi)容累加，溢出不管，最后累加的結(jié)果與預(yù)定的校驗(yàn)碼比較，從而判斷ROM中有無(wú)單元損壞。（具體流程見(jiàn)圖2）RAM芯片自檢可先將待檢驗(yàn)單元內(nèi)容保存起來(lái)，然后將55H寫(xiě)入該單元，讀該單元的值，檢查是否正確。再將AAH寫(xiě)入待檢驗(yàn)單元，再讀該單元值，檢查是否正確。檢驗(yàn)完畢恢復(fù)該單元的值。這種方法可測(cè)試每個(gè)存儲(chǔ)單元每一位的兩種二進(jìn)制狀態(tài)，對(duì)于檢測(cè)壞單元數(shù)據(jù)線粘連有較好的效果。（具體流程見(jiàn)圖3）出口回路自檢可采用一路開(kāi)關(guān)量，專門(mén)用來(lái)監(jiān)視出口繼電器的開(kāi)閉狀態(tài)。通信自檢由于保護(hù)裝置是從機(jī)，通信出錯(cuò)的處理主要由通信管理機(jī)負(fù)責(zé)，保護(hù)裝置只負(fù)責(zé)簡(jiǎn)單的報(bào)文內(nèi)容校驗(yàn)。任何裝置自檢故障，均立即閉鎖跳合閘出口回路。3 適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的通信能力。4．1 硬件連接采用光電隔離的RS485/RS422標(biāo)準(zhǔn)通信接口與外界進(jìn)行通信聯(lián)系�？膳c裝置直接或間接相連的外部設(shè)備有：通信管理機(jī)、RTU或打印機(jī)等。（其連接如圖4所示）4．2 微機(jī)保護(hù)與通信管理機(jī)、RTU通信由圖5可見(jiàn)，保護(hù)裝置與通信管理機(jī)之間可直接通過(guò)RS485/RS422接口相連，亦可將RS485/RS422接口轉(zhuǎn)換為RS232接口后再與通信管理機(jī)相連。保護(hù)裝置與RTU之間可通過(guò)通信管理機(jī)相連，亦可將RS485/RS422接口轉(zhuǎn)換為RS232接口后直接與RTU相連。保護(hù)裝置與通信管理機(jī)通信采用一對(duì)多主從查詢方式。通信管理機(jī)為主機(jī)，保護(hù)裝置為從機(jī)。程序結(jié)構(gòu)上主機(jī)采用查詢方式，從機(jī)采用中斷方式。正常運(yùn)行時(shí)，保護(hù)接受來(lái)自通信管理機(jī)的查詢命令并作出相應(yīng)的應(yīng)答。當(dāng)保護(hù)動(dòng)作或裝置自檢出錯(cuò)時(shí)，保護(hù)主動(dòng)上送事件信息及自檢報(bào)告。4．3 微機(jī)保護(hù)與打印機(jī)相連由圖5可見(jiàn)，保護(hù)裝置與打印機(jī)之間相連有以下幾種方式：（1）將RS485/RS422接口轉(zhuǎn)換為RS232接口后與串行打印機(jī)相連；（2）將RS232接口轉(zhuǎn)換為并行接口后與并行打印機(jī)相連；（3）通過(guò)通信管理機(jī)與并行打印機(jī)相連；（4）通過(guò)RTU與并行打印機(jī)相連。當(dāng)多臺(tái)保護(hù)裝置組屏在一起需共享一臺(tái)打印機(jī)（這里以串行打印機(jī)為例，接并行打印機(jī)時(shí)只需加多一個(gè)串/并轉(zhuǎn)換即可）時(shí)，由于保護(hù)與打印機(jī)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(jí)聯(lián)，即一臺(tái)保護(hù)裝置的發(fā)送端與另一臺(tái)保護(hù)裝置的接收端依次相連，最后一臺(tái)保護(hù)裝置的發(fā)送端經(jīng)RS422/RS232轉(zhuǎn)換后與串行打印機(jī)相連。（見(jiàn)圖5）5 結(jié)束語(yǔ)目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)也不斷的在更新，本文就微機(jī)型繼電保護(hù)裝置提出了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基本思路，如何將最先進(jìn)的新技術(shù)運(yùn)用到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中是工程設(shè)計(jì)人員最應(yīng)把握的開(kāi)發(fā)方向。