微机保护硬件发展研究

刘 盛

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

1 继电保护相关发展的概况

电力系统的发展促进了继电保护的发展。电力系统难免会出现短路故障，其主要特征就是大电流，为保护电力设施免受损坏，出现了过流保护装置。最早的过流保护装置是熔断器，这种保护装置至今仍广泛应用于各种低压线路和设备上[1,2]。随着电力系统的发展，电力设备功率的增大，发电厂、变电站以及供电网接线的复杂化，使得熔断器已无法满足电力系统的需求，于是出现了过电流继电器。继电器在电力系统中的广泛应用被认为是继电保护技术发展的开端。感应型过流继电器产生于1901年，同年产生了方向性电流保护，差动保护的原理于1908年被提出，20世纪20年代出现距离保护装置。随着载波通信的发展，高频保护装置在1927年前后得到应用，随后在20世纪50年代又陆续出现了利用微波传送和比较输电线路两端故障电气量的基于微波介质的保护[3,4]。

继电保护装置相关元件、材料、结构形式以及制造工艺自20世纪50年代以来也发生了巨大变革。20世纪50年代之前广泛应用机电式继电器，但这种装置体积大、功耗大、动作速度慢且调试维护复杂，已经无法满足电力系统所需的保护要求[5,6]。随着50年代起半导体晶体管的跨越式发展，产生了由晶体管式继电保护装置组装成的电子式静态保护装置，其体积小、功耗小且动作快，但是容易受电磁干扰而产生误动或损坏，工作可靠性较低[7,8]。

20世纪80年代后，随着集成电路技术的发展，出现了体积更小和工作更可靠的的集成运算放大器与其他集成电路元件，使得继电保护技术由晶体管式（第一代）向集成电路式过渡（第二代）[9,10]。

随着微处理器技术的迅猛发展及成本的下降，20世纪70年代微机得以应用到继电保护技术中，出现了较为成熟的微机保护的样品机型。80年代出现了微机保护在硬件结构和软件技术上更完备的第三代静态继电保护装置。

2 微机保护装置的硬件构成

微机保护装置的硬件一般包括数据采集单元、数据处理单元（CPU主系统）、开关量输入/输出单元、通信接口以及电源部分等。其中，数据采集单元即模拟量输入系统，它将模拟量准确地转换为所需的数字量。数据处理单元（CPU主系统）对数据进行分析处理，完成各种继电保护功能。开关量输入/输出单元具有完成保护所对应的出口跳闸、相关保护的报警信号输出、外部相关接点信号的接入以及人机界面互动对话等功能。典型微机继电保护硬件构成如图1所示。

图1 典型微机继电保护硬件构成

3 微机保护相关硬件结构的发展概观

微机保护的硬件装置主要经历以下3个阶段的发展。

3.1 第一代微机保护装置

以微机高压输电线路保护装置为代表的单CPU微机保护装置采用逐次渐进式A/D模数转换器为主的数据采集系统。单片机是将I/O接口、ROM、RAM以及CPU通过集成电路技术封装成一整块芯片，从而使其有可靠性高、接口简易、运行快、功耗低以及性价比高的优势。单CPU微机保护虽然具有针对性强、结构性紧凑、整体表现出来的可靠性较高等特点，但其短板是设备通用性较差和可扩展的能力有限。针对单片机自身有限的资源，现场运行时需要对其进行功能补充及外部设备扩展。多个通道共用一个A/D转换器常用在早期线路保护的微机装置中，这种形式电路复杂且使用的芯片比较多，造成其抗干扰性较差。

3.2 第二代微机保护装置

吸取上一代微机保护装置相关的运行经验，根据多CPU的特点，采用基于电压与频率相转换原理的数据采集系统计数，不仅具有自检和互检功能，而且还增加了硬件故障定位功能。为提高数据采集系统采集数据的速度，微机保护装置的每个模拟输如通道都单独设置电压频率转换器，将转换后的频率信号输出至可进行频率测量的可编程计数器8255，CPU可读取每个数据采集周期内计数器的计数值。

3.3 第三代微机保护装置

第三代微机保护装置采用高性能的16位单片机，总线可不需从芯片引出，电路更加简易化。高性能的16位单片机拥有更强大的运算能力，故无须进行外部设备扩展且总线可不出芯片。高性能的16位单片机具备微机保护所需的各种基础功能，同时其指定系统使其编程更加简洁灵活。第三代微机保护装置的电路更加简单可靠，系统抗干扰性能力大大提高，通信功能更加完善，基于第三代微机保护装置的特点能更好地满足变电站地自动化要求。随着目前变电站自动化要求的提高，某些电力系统主设备的微机保护装置中已开始使用功能较16位单片机更强大的工业控制计抗算机。

3.3.1 微机保护所用微处理器的发展

微机保护硬件装置的核心元件是微处理器，它是数据采集、保护相关逻辑判断、保护相关故障巡检、开关量输入/输出以及人机界面通信的中枢。随着大规模集成电路的发展，微处理器正向着两个方向发展。一方面，往功能强的方向发展（如数字信号处理的功能）；另一方面，在同样的集成度下，不集成高功能且快速的微处理器，而是将模数转换、通信接口以及定时器等集成在一个芯片上，往功能全的方向发展。

微机继电保护装置经历了从8位微处理器到16位微处理器再到32位微处理器的几个发展阶段。目前，国内外微机保护装置所用的微处理器主要有单片机和数字信号处理器两类。新一代微机保护装置将组成微型计算机的各种功能部件制作在同一块集成芯片上，再配上所需的相关外围芯片即可构成微机保护装置。

近年来，随着计算机技术的迅猛发展，使得性能更为优越的数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）和ARM处理器得到应用。目前，32位数字信号处理器为硬件基础的微机保护综合控制装置已研发成功。多CPU结构的微机保护装置特点表现为，一个保护装置采用多个不同形式的处理器，如DSP+单片机系统、DSP+ARM系统以及CPLD+DSP系统等。

3.3.2 微机保护互感器相关的发展

微机保护要起作用首先需获得电力线路或设备电气运行信息，电流互感器、电压互感器以及其他变换器是获取电气运行信息的重要元件。早在19世纪末，互感器已被发明并应用，随着电力系统的发展及电力科学研究的深入，互感器不论是在使用的电压等级或是测量准确级别上都有很大提升，因此衍生出特种互感器，如高准确度电流比率器、高准确度电压比率器、电压/电流复合式互感器、SF6全封闭式组合电器电流互感器、SF6全封闭式组合电器电流互感器以及直流电流互感器等。随着材料学的发展，互感器生产出许多新材质品种，电磁式互感器应用得越来越多，其中干式电流互感器、油浸式电流互感器以及气体绝缘式电流互感器等多种结构满足了电力系统相关建设需求。但是近些年电力线路传输容量不断攀升，与之相应的电网电压等级也不断升高，超高电压对于保护的要求越来越严格。

与此同时，光电子技术的成熟使许多科技发达的国家将光学传感技术与电子学方法结合研发出来的电子式电流互感器视为最新发展方向。国际电工协会也就此事发布了相关标准。标准内容表明，根据电子式互感器的定义，不仅单指光电式的互感器，还泛指所有基于电子测试原理的电流传感器和电压传感器。

3.3.3 微机继电保护模数转换器的应用发展

A/D转换器能将输入的模拟的电压变成与它成正比的数字量，即能将被控对象的各种模拟信号变成计算机可以识别的数字信息。

目前，模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）已得到了跨越式发展，在新工艺和新结构的运用发生了很大变化，较之前功耗更低、转换速度更快且转换分辨率更高。市面上呈现的有多种类型的ADC，如传统并行ADC、积分型ADC、逐次逼近型ADC以及近些年兴起的∑-Δ型ADC和流水线型ADC。上述ADC各有其优缺点，在工程设计时需根据具体应用要求选择。其中，电压、频率式ADC接口电路简单，转换速度较慢，但精度较高，适合于远距离的数据传送；双积分式ADC转换速度更慢，但精度较高，多用于数据采集系统；逐位逼近式ADC转换的速度较快且精度也较高，是目前应用最多的一种[5]。逐位逼近式ADC的常用品种有普通型8位单路、普通型8位8路以及普通型8位16路等，此外还有混合集成高速型12位单路等。双积分式ADC的常用品种有输出为3位半BCD码的ICL7170和输出为4位半BCD码的ICL7135等。

3.3.4 微机继电保护人机界面的应用发展

人机接口电路的功能主要包括完成人机界面对话、完成时钟的校对、运用插件与保护CPU通信以及例行巡检等。单CPU结构的保护中，接口CPU就是由保护CPU兼任。为减少保护CPU不必要的运行任务，可运用专用接口芯片8279实现保护CPU、键盘以及显示器三者之间的连接，而MC146818则可完成时钟校对。若微机保护装置采用多CPU结构，那么装置带有专门的人机接口CPU插件。典型人机接口CPU插件如图2所示。

图2 典型人机接口CPU插件

3.3.5 微机继电保护通信技术的应用发展

网络通信对于整个微机保护装置至关重要。从目前通信系统的现状来看，除了传统RS232、RS422以及RS485方式外，现场总线通信已成为一种常用的通信手段且得到了大范围的应用。在国内，变电站所装备的综合自动化系统中，因为微机保护装置多采用CAN网络标准，所以产品都支持RS232、RS422及RS485串口通信标准。在新一代的微机保护中采用以太网通信接口，使得变电站综合自动化系统可以由以太网来架构通信网络。除了以太网通信接口外，新一代微机保护还提供了与现有通信方式的兼容性设计。

4 结 论

随着微处理器和通信技术的发展，微机保护的应用已从单机逐渐转向多机和联网。为使变电站自动化程度更高，微机保护需有更强的对外通信能力。从现场总线通信到大规模运用嵌入式以太网，网络通信技术的发展跨越了几个阶段。变电站分布式网络结构的设计，使微机保护内部网络化的潜在优势日益明显，使网络化硬件设计的思想开始深入到保护装置内部，从而其相应的产品也会越来越主流。