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丹江电厂高压线路微机保护硬件结构
作者:朱蕾 金枫    文章来源:本站原创    点击数:2837    更新时间:2006-8-17

朱蕾 金枫

随着科技的日新月异,丹江电厂本着一切从安全生产出发的原则,加大对陈旧落后设备的改造力度,其中与全厂乃至整个输电网络的安全紧密相连的继电保护装置的更新也显得尤为重要。丹江电厂的继电保护装置已经经历了两代产品,如今所有的机组变压器保护以及大部分的线路保护已经更换为第三代产品——微机保护。在使用过程中,我们也发现它确实有着以往电磁式继电器所无法比拟的优点:操作简单、反映故障清楚直观、保护动作更快速准确等等。新一代的保护对于在继电保护工作人员也提出了新的要求由于大量集成电路的应用,微机保护的保护功能的实现原理及硬件结构不及以前直观,而在丹江电厂所选用的保护装置由于厂家不同,也存在着一些差异,但不论是许继、南自厂还是北京四方公司,他们的微机保护产品从基本实现原理上还是一致的。下面就是我简单的从高压线路微机保护的硬件结构出发,分析其保护原理。

1  微机保护装置的硬件结构

一般的,一套微机保护装置的硬件结构可分为四部分:微型计算机系统、数据采集系统、输入输出接口部分、电源部分。我在这里着重介绍较复杂一些的前两部分。

1.1 微型计算机系统

单片机
  
单片机通过大规模集成电路技术将CPUROMRAMI/O接口电路封装在一块芯片中,因此具有可靠性高、接口设计简易、运行速度快、功耗低、性能价格比高的优点。使用单片机的微机保护具有较强的针对性,系统结构紧凑,整体性能和可靠性高,但通用性、可扩展性相对较差。而且某些保护算法需要使用乘法、除法或者开平方运算,而早期的单片机不具备这些运算功能,通常需要使用软件实现相应功能。此外,单片机的片内资源有限,实际应用时常常需要对其功能进行补充和外部扩展。
  新型高性能单片机性能得到很大提高,运算能力也得到大大加强,出现了无须进行外部扩展的所谓总线不出芯片的新型微机保护1。此保护采用了高集成度的16位单片机,其内部包含了124 k EPROM4 k RAM,接近10个内部计数器、定时器与中断口,2个全双工的串行口,以及数个内部A/D转换器。其高效丰富的指定系统使得编程及其应用既灵活又简洁。高性能单片机包含了微机保护所需的各种硬件功能,使新型微机保护的电路设计异常简单可靠。
  由于单片机价格低廉,因此,微机保护由最初的单CPU的硬件结构为主发展为多单片机构成的多CPU硬件结构为主。大量使用单片机的微机保护在电力系统中得到了成功的应用,也由于新型单片机的卓越性能,现阶段使用单片机的微机保护仍将是我国微机保护的主流产品。

1.2 数据采集系统

微机保护装置中数据采集的速度、精度以及动态范围对保护性能有十分重要的影响。可以选用多种不同的数据采集系统,其中转换速度、字长、以及CPU对数据的存取方法,是选择数据采集系统必须考虑的问题。在早期的微机保护中使用的是逐次逼近式A/D转换器构成的数据采集系统,而现在我们丹江电厂使用的多是下面这一种电压频率转换原理的计数式数据采集系统

电压频率转换原理的计数式数据采集系统
  
第二代微机线路保护VFC(电压频率转换)数据采集系统框图及转换特性见图1(该系统中电压频率转换采用AD654,光电耦合器采用快速光耦6N137)。为了提高数据采集系统的采集速度,每个模拟输入通道都需要使用单独的电压频率转换/光耦合器,其输出频率信号送至可编程计数器8255进行频率测量,在每个数据采集周期由CPU读取可编程计数器的计数值,并进行标度变换以获得实际的采样值。主要优点是,通过光电耦合器与CPU接口,因此抗干扰能力强;容易实现与多单片机系统的多CPU接口。

1 电压频率转换原理框图及转换特性

新型微机保护使用了高性能单片机, 其内部包含了接近10个计数器、 定时器, 与VFC系统配合,使得其硬件电路设计异常简单可靠。但是,由于高性能单片机内部计数器、定时器数量有限,因此,模拟输入通道数量不宜太多。这种类型的数据采集系统适宜于微机输电线路保护。

2  高压线路微机保护装置硬件结构

  目前,在丹江电厂投入运行的微机线路保护装置已超过12套,电厂使用高压线路微机保护装置的原理、性能、主要技术指标以及制造工艺方面已达到国内先进水平,微机保护的动作正确率也已经超过了常规保护。
  对于高压输电线路微机保护装置,多单片机构成的多CPU硬件结构已成为现行的实际标准。这种类型的微机保护装置硬件结构框如图2所示。它的基本特点是,电压频率转换原理的数据采集系统为整套装置的公共部分,其频率输出信号分别传送给各个保护插件,再由各个保护插件完成相应的测频、采样值标度变换、保护功能计算。3个保护CPU分别完成高频保护、距离保护、零序保护功能,监控CPU主要负责人机接口、保护定值管理、通信控制、保护CPU运行状态监控等功能。3个保护插件启动元件按三取二的原则启动各套保护装置的出口回路,从而大大提高了保护装置的可靠性。

2 线路微机保护装置硬件结构框图

然而,这种多CPU微机保护装置采用了不完全冗余技术。保护输入和输出通道不采用冗余技术,而只是在信号处理部分采用。如果模拟输入通道和数据采集系统发生故障,那么,输入3CPU插件的故障数据将不再准确,整套装置不能正确工作;跳闸出口通道发生故障,整套装置同样不能正确工作。因此整个保护装置并不因为采用了多CPU技术而使可靠性大幅度提高。
  多CPU微机保护装置除完成本线路的继电保护功能之外,同时还必须完成相邻线路的远后备保护功能。广泛使用的多CPU微机保护装置中,距离保护三段和零序保护三段,都具有远后备的功能。在距离保护CPU插件或者零序保护CPU插件发生故障时,即使线路的主保护可以正常工作,仍然将失去远方后备保护的功能。基于上述原因,在高压和超高压输变电线路中,不但主保护必须双重化配置,后备保护也必须双重化配置。不过,数量庞大的110 kV及以下输电线路大多只配置一套微机线路保护,因此,对于可能失去远方后备保护的问题应当引起足够的重视。

现在,随着微机保护的发展,一些新的改善继电保护性能的原理和方案,特别是基于故障波形特征或者高频分量的保护原理,以及神经网络和模糊集原理的智能保护方案,受到更多的重视并逐步得到实际应用;这也对微机保护装置硬件提出了更高的要求,我们在工作中也应不断的学习更新自己的知识,为继电保护事业做出贡献。

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