微機(jī)保護(hù)硬件發(fā)展趨勢

1、微機(jī)保護(hù)硬件發(fā)展趨勢1內(nèi)容框架 1 微機(jī)保護(hù)原理微機(jī)保護(hù)原理 2 微機(jī)保護(hù)技術(shù)總體發(fā)展趨勢微機(jī)保護(hù)技術(shù)總體發(fā)展趨勢 3 微機(jī)保護(hù)裝置的硬件構(gòu)成微機(jī)保護(hù)裝置的硬件構(gòu)成 4 硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 5 結(jié)語結(jié)語1. 微機(jī)保護(hù)原理2 微機(jī)保護(hù)就是以微型計(jì)算機(jī)為核心，利用微型計(jì)算機(jī)的智能化信息處理功能，對檢測到的電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的電氣量進(jìn)行分析和計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來實(shí)現(xiàn)對電器元件的保護(hù)，使保護(hù)裝置的可靠性進(jìn)一步提高。1. 微機(jī)保護(hù)原理3微機(jī)保護(hù)充分利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)上的兩個顯著優(yōu)勢: 高速的運(yùn)算能力和完備的存貯記憶能力, 以及采用大規(guī)模集成電路和成熟的數(shù)據(jù)采集, A/D模數(shù)變換、數(shù)

2、字濾波和抗干擾措施等技術(shù), 使其在速動性、可靠性方面均優(yōu)于以往傳統(tǒng)的常規(guī)保護(hù)。優(yōu)點(diǎn)：1) 改善和提高繼電保護(hù)的動作特征和性能, 正確動作率高;2) 可以方便地?cái)U(kuò)充其它輔助功能;3) 工藝結(jié)構(gòu)條件優(yōu)越;4) 可靠性容易提高;5) 使用靈活方便, 人機(jī)界面越來越友好;6) 可以進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控。4微機(jī)保護(hù)技術(shù)總體的發(fā)展趨勢總體趨勢：1. 多功能一體化每個微機(jī)保護(hù)裝置不但可完成繼電保護(hù)功能, 而且在無故障正常運(yùn)行情況下還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能, 亦即實(shí)現(xiàn)保護(hù)、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化。2. 網(wǎng)絡(luò)化由于測量設(shè)備自動化、智能化水平的提高，保護(hù)裝置的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)已推廣應(yīng)用，三維多媒體新技術(shù)開始實(shí)用化。

3、3. 智能化繼電保護(hù)產(chǎn)品智能化主要?dú)w結(jié)于微處理器和人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用4. 虛擬化繼電保護(hù)產(chǎn)品虛擬化主要?dú)w結(jié)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。 2. 3. 微機(jī)保護(hù)裝置的硬件構(gòu)成5微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖1，包括以下五個部分：1. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（或稱模擬量輸入系統(tǒng)）：包括電壓形成、采樣保持、多路開關(guān)及模數(shù)轉(zhuǎn)換。2. CPU（或微處理器）主系統(tǒng)：包括微處理器、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、定時器、并串接口等。3. 信號輸入輸出系統(tǒng)：并行接口、光電耦合器及中間繼電器等組成。完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號警報(bào)、外部接點(diǎn)輸入等功能 。4. 通信網(wǎng)絡(luò)：由液晶顯示器、鍵盤、打印機(jī)及通信芯片等組成。完成

4、裝置調(diào)試、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、定值整定及實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備通信等功能。5. 電源系統(tǒng)：提供整個裝置所需要的直流穩(wěn)壓電源。 3. 微機(jī)保護(hù)裝置的硬件構(gòu)成674. 硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢微機(jī)保護(hù)的典型硬件結(jié)構(gòu)主要包括微處理器、模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號輸人輸出系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)和提供多個不同直流電壓的電源系統(tǒng)。84. 硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4.1 微處理器系統(tǒng) 微處理器的任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，實(shí)現(xiàn)各種繼電保護(hù)算法和邏輯運(yùn)算功能。微處理器系統(tǒng)一般由微處理器芯片、存儲器、定時器或計(jì)數(shù)器、看門狗等組成。微處理器芯片是計(jì)算機(jī)自動工作的指揮中樞;存儲器是把程序和數(shù)據(jù)保存起來，使計(jì)算機(jī)可以在脫離人的干預(yù)下自動運(yùn)轉(zhuǎn);定時器或

5、計(jì)數(shù)器主要作用是計(jì)時，用來觸發(fā)采樣信號、引起中斷采樣，以及在V/F變換式信號采集中把頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;看門狗監(jiān)視程序運(yùn)行狀況，若微機(jī)保護(hù)受到干擾而失控，則立即動作以使程序重新開始運(yùn)行，避免微機(jī)保護(hù)失控后產(chǎn)生死機(jī)或誤動作。在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置中常用的微處理器系統(tǒng)有單片機(jī)、DSP、工控機(jī)和最近發(fā)展的ARM芯片。94. 硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4.1.1 單片機(jī)單片機(jī)就是通過大規(guī)模集成電路技術(shù)將CPU , ROM , R A M和I/0接 口電路封裝在一塊芯片中，因此具有可靠性高、接口設(shè)計(jì)簡易、運(yùn)行速度快、功耗低、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，將用單片機(jī)的微機(jī)保護(hù)裝置與靜態(tài)保護(hù)裝置比較，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊

6、、整體性能和可靠性高特點(diǎn)。目前，基于單片機(jī)微處理器的保護(hù)裝置仍是我國繼電保護(hù)的主流產(chǎn)品，微機(jī)保護(hù)已由最初的單CPU硬件結(jié)構(gòu)發(fā)展為多單片機(jī)構(gòu)成的CPU硬件結(jié)構(gòu)，不同CPU分別負(fù)責(zé)信號采集、人機(jī)界面、通訊、不同繼電保護(hù)算法等。104. 硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4.1.2 數(shù)字信號處理DSP 數(shù)字信號處理器DSP是一種運(yùn)算密集型微處理器，具有相當(dāng)強(qiáng)大的處理能力。DSP的突出特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)能力強(qiáng)、精度高、總線速度快、吞吐量大，方便實(shí)現(xiàn)快速定點(diǎn)和浮點(diǎn)加乘(矩陣)運(yùn)算。數(shù)字信號處理器應(yīng)用于微機(jī)繼電保護(hù)，可極大地縮短數(shù)字濾波、濾序和傅里葉變換算法的計(jì)算機(jī)時間，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的繼電保護(hù)算法。目前DSP處理器已開始廣

7、泛應(yīng)用于繼電保護(hù)裝置。114. 硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4.1.3 工控機(jī) 工控機(jī)是在Intel個人計(jì)算機(jī)386/486等系列CPLJ芯片的基礎(chǔ)上，通過集成外圍接口器件形成一系列與個人計(jì)算機(jī)軟硬件兼容的嵌人式系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)與自動化產(chǎn)品中，以選取用V40為基礎(chǔ)的STD工控機(jī)較為廣泛。對計(jì)算精度和計(jì)算速度要求較高的保護(hù)裝置，適合選擇集成了浮點(diǎn)協(xié)處理器的486DX及以上等級的微處理器。工控機(jī)比單片機(jī)有更高的計(jì)算速度和精度，更強(qiáng)的控制能力，往往應(yīng)用于電力系統(tǒng)主設(shè)備的微機(jī)繼電保護(hù)裝置中，例如采用Inte1386EX的微機(jī)發(fā)電機(jī)組保護(hù)和分組式母線差動保護(hù)。124. 硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4.1

8、.4 ARM系列微處理器 ARM系列微處理器是ARM公司推出的適合于嵌人式應(yīng)用的RISC 處理器。ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集Thumb，允許軟件編碼為更短的16位指令。一般來說，存儲器比等價(jià)32位代碼節(jié)省35%，卻保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢。ARM最大特點(diǎn)是功耗低、性價(jià)比高、代碼密度高。目前ARM處理器主要有5大系列:ARM7 , ARM9 , ARM9E ,ARM10, SeeurCnre，還有與Intel合作實(shí)現(xiàn)的XSeale以及StrongARM處理器?，F(xiàn)在國內(nèi)、外一些廠家已把ARM作為開發(fā)下一代微機(jī)保護(hù)的主要微處理器。134. 硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4.2 模擬

9、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 在微機(jī)保護(hù)裝置中，輸人的模擬信號在進(jìn)人微處理器前，首先被轉(zhuǎn)換成與微機(jī)接口設(shè)備相匹配的電平信號，經(jīng)過模擬低通濾波器濾除其中的高頻分量后，利用采樣保持器對模擬信號進(jìn)行采樣、離散化處理，最后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)把模擬量轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的數(shù)字量。其中低通濾波器又可分為無源濾波器和有源濾波器兩種，在微機(jī)保護(hù)中常用的是阻容(RC)低通濾波器。電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩種方式，即以逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和以電壓頻率變換式模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的電壓頻率變換式(VFC)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 14硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 近幾年來，以ARM為代表的人工智能保護(hù)技術(shù)、小波分析保護(hù)技術(shù)、

10、行波保護(hù)和暫態(tài)保護(hù)等概念逐步引人繼電保護(hù)領(lǐng)域，對采樣速度提出了更高的要求。為此，一些廠家將完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成到一塊芯片中，能夠自動完成所有輸人通道的數(shù)據(jù)采集而無需CPII干預(yù)。例如，MAXIM公司的MAX 1251126和AD公司的AD7874。154. 硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4.3 信號的輸入輸出系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)中的輸人輸出回路主要是用于人機(jī)接口、發(fā)跳閘信號、本地和主控室的報(bào)警信號、壓板投退信號以及保護(hù)閉鎖信號等。人機(jī)對話接口一般是專門的微處理器及相應(yīng)的接口電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、管理等功能。人機(jī)對話接口包括:鍵盤響應(yīng)電路、打印機(jī)驅(qū)動電路、液晶顯示電路等。為了避免外部干擾信號經(jīng)過輸人輸出回路

11、串人微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，一般均在輸人輸出回路中采用光電隔離。另外，在重要的數(shù)字量輸出回路(如跳閘回路)中，往往采用兩個或兩個以上數(shù)字輸出信號通過一些邏輯編碼來組合輸出控制，目的是為了防止在數(shù)字量輸出回路受到干擾引發(fā)保護(hù)裝置誤動。164. 硬件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4.4 通信網(wǎng)絡(luò)信息共享是微機(jī)保護(hù)的一大特點(diǎn)，隨著變電站綜合自動化系統(tǒng)、繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)的發(fā)展，微機(jī)保護(hù)裝置通常具有多個通訊端口，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)故障數(shù)據(jù)、動作狀況等信息的上傳和繼電保護(hù)整定值的下載，實(shí)現(xiàn)故障信息的共享和保護(hù)裝置的統(tǒng)一整定通用的通訊端口有RS-232,RS-485、以太網(wǎng)接口、Lonworks接口等。其中RS-232C接口是目前微機(jī)保護(hù)使用最多的標(biāo)準(zhǔn)接口，一般用于就地調(diào)試或通過MODEM遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù):隨著計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)的發(fā)展，一些微機(jī)保護(hù)在原理上要求通過現(xiàn)場通訊總線實(shí)現(xiàn)，如分布式母線保護(hù)通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的共享，由分布的各獨(dú)立保護(hù)裝置采集到的故障