微機保護硬件發展研究

劉 盛

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

1 繼電保護相關發展的概況

電力系統的發展促進了繼電保護的發展。電力系統難免會出現短路故障，其主要特征就是大電流，為保護電力設施免受損壞，出現了過流保護裝置。最早的過流保護裝置是熔斷器，這種保護裝置至今仍廣泛應用于各種低壓線路和設備上[1,2]。隨著電力系統的發展，電力設備功率的增大，發電廠、變電站以及供電網接線的復雜化，使得熔斷器已無法滿足電力系統的需求，于是出現了過電流繼電器。繼電器在電力系統中的廣泛應用被認為是繼電保護技術發展的開端。感應型過流繼電器產生于1901年，同年產生了方向性電流保護，差動保護的原理于1908年被提出，20世紀20年代出現距離保護裝置。隨著載波通信的發展，高頻保護裝置在1927年前后得到應用，隨后在20世紀50年代又陸續出現了利用微波傳送和比較輸電線路兩端故障電氣量的基于微波介質的保護[3,4]。

繼電保護裝置相關元件、材料、結構形式以及制造工藝自20世紀50年代以來也發生了巨大變革。20世紀50年代之前廣泛應用機電式繼電器，但這種裝置體積大、功耗大、動作速度慢且調試維護復雜，已經無法滿足電力系統所需的保護要求[5,6]。隨著50年代起半導體晶體管的跨越式發展，產生了由晶體管式繼電保護裝置組裝成的電子式靜態保護裝置，其體積小、功耗小且動作快，但是容易受電磁干擾而產生誤動或損壞，工作可靠性較低[7,8]。

20世紀80年代后，隨著集成電路技術的發展，出現了體積更小和工作更可靠的的集成運算放大器與其他集成電路元件，使得繼電保護技術由晶體管式（第一代）向集成電路式過渡（第二代）[9,10]。

隨著微處理器技術的迅猛發展及成本的下降，20世紀70年代微機得以應用到繼電保護技術中，出現了較為成熟的微機保護的樣品機型。80年代出現了微機保護在硬件結構和軟件技術上更完備的第三代靜態繼電保護裝置。

2 微機保護裝置的硬件構成

微機保護裝置的硬件一般包括數據采集單元、數據處理單元（CPU主系統）、開關量輸入/輸出單元、通信接口以及電源部分等。其中，數據采集單元即模擬量輸入系統，它將模擬量準確地轉換為所需的數字量。數據處理單元（CPU主系統）對數據進行分析處理，完成各種繼電保護功能。開關量輸入/輸出單元具有完成保護所對應的出口跳閘、相關保護的報警信號輸出、外部相關接點信號的接入以及人機界面互動對話等功能。典型微機繼電保護硬件構成如圖1所示。

圖1 典型微機繼電保護硬件構成

3 微機保護相關硬件結構的發展概觀

微機保護的硬件裝置主要經歷以下3個階段的發展。

3.1 第一代微機保護裝置

以微機高壓輸電線路保護裝置為代表的單CPU微機保護裝置采用逐次漸進式A/D模數轉換器為主的數據采集系統。單片機是將I/O接口、ROM、RAM以及CPU通過集成電路技術封裝成一整塊芯片，從而使其有可靠性高、接口簡易、運行快、功耗低以及性價比高的優勢。單CPU微機保護雖然具有針對性強、結構性緊湊、整體表現出來的可靠性較高等特點，但其短板是設備通用性較差和可擴展的能力有限。針對單片機自身有限的資源，現場運行時需要對其進行功能補充及外部設備擴展。多個通道共用一個A/D轉換器常用在早期線路保護的微機裝置中，這種形式電路復雜且使用的芯片比較多，造成其抗干擾性較差。

3.2 第二代微機保護裝置

吸取上一代微機保護裝置相關的運行經驗，根據多CPU的特點，采用基于電壓與頻率相轉換原理的數據采集系統計數，不僅具有自檢和互檢功能，而且還增加了硬件故障定位功能。為提高數據采集系統采集數據的速度，微機保護裝置的每個模擬輸如通道都單獨設置電壓頻率轉換器，將轉換后的頻率信號輸出至可進行頻率測量的可編程計數器8255，CPU可讀取每個數據采集周期內計數器的計數值。

3.3 第三代微機保護裝置

第三代微機保護裝置采用高性能的16位單片機，總線可不需從芯片引出，電路更加簡易化。高性能的16位單片機擁有更強大的運算能力，故無須進行外部設備擴展且總線可不出芯片。高性能的16位單片機具備微機保護所需的各種基礎功能，同時其指定系統使其編程更加簡潔靈活。第三代微機保護裝置的電路更加簡單可靠，系統抗干擾性能力大大提高，通信功能更加完善，基于第三代微機保護裝置的特點能更好地滿足變電站地自動化要求。隨著目前變電站自動化要求的提高，某些電力系統主設備的微機保護裝置中已開始使用功能較16位單片機更強大的工業控制計抗算機。

3.3.1 微機保護所用微處理器的發展

微機保護硬件裝置的核心元件是微處理器，它是數據采集、保護相關邏輯判斷、保護相關故障巡檢、開關量輸入/輸出以及人機界面通信的中樞。隨著大規模集成電路的發展，微處理器正向著兩個方向發展。一方面，往功能強的方向發展（如數字信號處理的功能）；另一方面，在同樣的集成度下，不集成高功能且快速的微處理器，而是將模數轉換、通信接口以及定時器等集成在一個芯片上，往功能全的方向發展。

微機繼電保護裝置經歷了從8位微處理器到16位微處理器再到32位微處理器的幾個發展階段。目前，國內外微機保護裝置所用的微處理器主要有單片機和數字信號處理器兩類。新一代微機保護裝置將組成微型計算機的各種功能部件制作在同一塊集成芯片上，再配上所需的相關外圍芯片即可構成微機保護裝置。

近年來，隨著計算機技術的迅猛發展，使得性能更為優越的數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）和ARM處理器得到應用。目前，32位數字信號處理器為硬件基礎的微機保護綜合控制裝置已研發成功。多CPU結構的微機保護裝置特點表現為，一個保護裝置采用多個不同形式的處理器，如DSP+單片機系統、DSP+ARM系統以及CPLD+DSP系統等。

3.3.2 微機保護互感器相關的發展

微機保護要起作用首先需獲得電力線路或設備電氣運行信息，電流互感器、電壓互感器以及其他變換器是獲取電氣運行信息的重要元件。早在19世紀末，互感器已被發明并應用，隨著電力系統的發展及電力科學研究的深入，互感器不論是在使用的電壓等級或是測量準確級別上都有很大提升，因此衍生出特種互感器，如高準確度電流比率器、高準確度電壓比率器、電壓/電流復合式互感器、SF6全封閉式組合電器電流互感器、SF6全封閉式組合電器電流互感器以及直流電流互感器等。隨著材料學的發展，互感器生產出許多新材質品種，電磁式互感器應用得越來越多，其中干式電流互感器、油浸式電流互感器以及氣體絕緣式電流互感器等多種結構滿足了電力系統相關建設需求。但是近些年電力線路傳輸容量不斷攀升，與之相應的電網電壓等級也不斷升高，超高電壓對于保護的要求越來越嚴格。

與此同時，光電子技術的成熟使許多科技發達的國家將光學傳感技術與電子學方法結合研發出來的電子式電流互感器視為最新發展方向。國際電工協會也就此事發布了相關標準。標準內容表明，根據電子式互感器的定義，不僅單指光電式的互感器，還泛指所有基于電子測試原理的電流傳感器和電壓傳感器。

3.3.3 微機繼電保護模數轉換器的應用發展

A/D轉換器能將輸入的模擬的電壓變成與它成正比的數字量，即能將被控對象的各種模擬信號變成計算機可以識別的數字信息。

目前，模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）已得到了跨越式發展，在新工藝和新結構的運用發生了很大變化，較之前功耗更低、轉換速度更快且轉換分辨率更高。市面上呈現的有多種類型的ADC，如傳統并行ADC、積分型ADC、逐次逼近型ADC以及近些年興起的∑-Δ型ADC和流水線型ADC。上述ADC各有其優缺點，在工程設計時需根據具體應用要求選擇。其中，電壓、頻率式ADC接口電路簡單，轉換速度較慢，但精度較高，適合于遠距離的數據傳送；雙積分式ADC轉換速度更慢，但精度較高，多用于數據采集系統；逐位逼近式ADC轉換的速度較快且精度也較高，是目前應用最多的一種[5]。逐位逼近式ADC的常用品種有普通型8位單路、普通型8位8路以及普通型8位16路等，此外還有混合集成高速型12位單路等。雙積分式ADC的常用品種有輸出為3位半BCD碼的ICL7170和輸出為4位半BCD碼的ICL7135等。

3.3.4 微機繼電保護人機界面的應用發展

人機接口電路的功能主要包括完成人機界面對話、完成時鐘的校對、運用插件與保護CPU通信以及例行巡檢等。單CPU結構的保護中，接口CPU就是由保護CPU兼任。為減少保護CPU不必要的運行任務，可運用專用接口芯片8279實現保護CPU、鍵盤以及顯示器三者之間的連接，而MC146818則可完成時鐘校對。若微機保護裝置采用多CPU結構，那么裝置帶有專門的人機接口CPU插件。典型人機接口CPU插件如圖2所示。

圖2 典型人機接口CPU插件

3.3.5 微機繼電保護通信技術的應用發展

網絡通信對于整個微機保護裝置至關重要。從目前通信系統的現狀來看，除了傳統RS232、RS422以及RS485方式外，現場總線通信已成為一種常用的通信手段且得到了大范圍的應用。在國內，變電站所裝備的綜合自動化系統中，因為微機保護裝置多采用CAN網絡標準，所以產品都支持RS232、RS422及RS485串口通信標準。在新一代的微機保護中采用以太網通信接口，使得變電站綜合自動化系統可以由以太網來架構通信網絡。除了以太網通信接口外，新一代微機保護還提供了與現有通信方式的兼容性設計。

4 結 論

隨著微處理器和通信技術的發展，微機保護的應用已從單機逐漸轉向多機和聯網。為使變電站自動化程度更高，微機保護需有更強的對外通信能力。從現場總線通信到大規模運用嵌入式以太網，網絡通信技術的發展跨越了幾個階段。變電站分布式網絡結構的設計，使微機保護內部網絡化的潛在優勢日益明顯，使網絡化硬件設計的思想開始深入到保護裝置內部，從而其相應的產品也會越來越主流。