微機(jī)繼電保護(hù)課件1

1、 【教學(xué)內(nèi)容】緒論；微機(jī)保護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)。 【教學(xué)目的】通過教學(xué)，使學(xué)生掌握微機(jī)保護(hù)的優(yōu)缺點、微機(jī)保護(hù)的硬件組 成及各組成部分的構(gòu)成、作用 【教學(xué)重點】微機(jī)保護(hù)的硬件組成。 【教學(xué)難點】微機(jī)保護(hù)硬件各構(gòu)成部分的工作原理。 【教學(xué)過程】 一、計算機(jī)繼電保護(hù)的發(fā)展在繼電保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，計算機(jī)除了用作故障分析和保護(hù)動作性能分析外， 1965 年已提出用計算機(jī)構(gòu)成繼電保護(hù)裝置。在 20 世紀(jì) 70 年代計算機(jī)繼電保護(hù)的研究工作主要是作理論探索，只有個別部門作了一些現(xiàn)場試驗，但是限于計算機(jī)硬件的制造水平以及價格問題，故當(dāng)時還不具備商業(yè)性地生產(chǎn)計算機(jī)繼電保護(hù)裝置的條件。到了 20 世紀(jì) 70 年代末期，計算機(jī)

2、出現(xiàn)了重大突破，大規(guī)模集成電路技術(shù)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一批功能足夠強(qiáng)的微型計算機(jī)，價格也大幅度降低，因而無論在技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上，已具備用一臺微型計算機(jī)來完成一個電氣設(shè)備保護(hù)功能的條件。1979 年美國電氣和電子工程師學(xué)會的教育委員會組織過一次世界性的計算機(jī)繼電保護(hù)研究班。在此之后，世界各大繼電器制造商都先后推出了各種定型的商業(yè)性微型計算機(jī)保護(hù)裝置產(chǎn)品。目前發(fā)展最快的是日本，據(jù)日本有關(guān)部門預(yù)計， 1987 年的定貨可能達(dá)到繼電保護(hù)設(shè)備總產(chǎn)值的 70 我國在計算機(jī)保護(hù)方面的研究工作起步較晚，但進(jìn)步卻很快。 1984 年，華北電力學(xué)院研制的第一臺以 6809 ( CPU ）為基礎(chǔ)距離保護(hù)樣機(jī)在經(jīng)過試運行

3、后通過了科研鑒定，它標(biāo)志著我國計算機(jī)保護(hù)的開發(fā)開始進(jìn)入了重要的發(fā)展階段。 二、微機(jī)繼電保護(hù)裝置的特點 1、調(diào)試工作量小。 2、可靠性高。 3、能夠記錄和輸出故障時的有關(guān)信息量，方便事故分析和處理。 4、在不改變硬件條件下，只改變程序就可以改變保護(hù)的特性和功能，可靈活地適應(yīng)電力系統(tǒng)運行方式的變化。 5、提供了一些解決問題的新方法和新原理。 三、計算機(jī)繼電保護(hù)的基本組成 四、微機(jī)繼電保護(hù)的優(yōu)、缺點 （一）優(yōu)點： ( 1 ）程序可以實現(xiàn)自適應(yīng)性，可按系統(tǒng)運行狀態(tài)而自動改變整定值和特性。 ( 2 ）有可存取的存儲器。 ( 3 ）在現(xiàn)場可靈活地改變繼電器的特性。 ( 4 ）可以使保護(hù)性能得到更大的改進(jìn)。

4、 ( 5 ）有自檢能力。 ( 6 ）有利于事故后分析。 ( 7 ）可與計算機(jī)交換信息 ( 8 ）可增加硬件的功能。 ( 9 ）可在低功率傳變機(jī)構(gòu)內(nèi)工作。 （二） 缺點： ( 1 ）與傳統(tǒng)的保護(hù)有根本性的背離。 ( 2 ）使用者較難維護(hù)。 ( 3 ）要求硬件和軟件有高度可靠性 ( 4 ）硬件很快成為過時。 ( 5 ）在操縱和維護(hù)過程中，使用人員較難掌握。 一、微機(jī)保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu) （一）硬件結(jié)構(gòu)框圖（二）各組成部分作用1、信號輸入電路 微機(jī)保護(hù)裝置輸人信號主要有兩類，即開關(guān)量和模擬量信號。信號輸人部分就是妥善處理這二類信號，完成單片微機(jī)輸人信號接口功能。2、單片微機(jī)系統(tǒng) 微機(jī)保護(hù)裝置的核心是單

5、片機(jī)系統(tǒng)，它是由單片微機(jī)和擴(kuò)展芯片構(gòu)成的一臺小型工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)，除了硬件之外，還有存儲在存儲器里的軟件系統(tǒng)。這些硬件和軟件構(gòu)成的整個單片微機(jī)系統(tǒng)主要任務(wù)是完成數(shù)值測量、邏輯運算及控制和記錄等智能化任務(wù)。除此之外，現(xiàn)代的微機(jī)保護(hù)應(yīng)具備各種遠(yuǎn)方功能，它包括發(fā)送保護(hù)信息并上傳給變電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，接收集控站、調(diào)度所的控制和管理信息。這種單片微機(jī)系統(tǒng)可以是單 CPU 或采用多 CPU 系統(tǒng)。3、人機(jī)接口 在許多情況下，單片微機(jī)系統(tǒng)必須接受操作人員的干預(yù)，如整定值輸入、工作方式的變更，對單片機(jī)微機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)的檢查等都需要人機(jī)對話。這部分工作在 CPU 控制之下完成，通?？梢酝ㄟ^鍵盤、漢化液晶顯示、打印機(jī)

6、及信號燈、音響或語言告警等來實現(xiàn)人機(jī)對話。4、輸出通道 輸出通道部分是對控制對象實現(xiàn)控制操作的出口通道。通常這種通道主要任務(wù)是將小信號轉(zhuǎn)換為大功率輸出，滿足驅(qū)動輸出的要求。在出口通道里還要防止控制對象對微機(jī)系統(tǒng)的反饋干擾，因此出口通道也需要光隔離。顯然輸出通道仍然是一種被控對象與微機(jī)系統(tǒng)之間的接口電路。5、電源 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)對電源要求較高，通常這種電源是逆變電源，即將直流逆變?yōu)榻涣?，再把交流整流為微機(jī)系統(tǒng)所需要的直流電壓。它把變電所的強(qiáng)電系統(tǒng)的直流電源與微機(jī)的弱電系統(tǒng)電源完全隔離開。通過逆變后的直流電源具有極強(qiáng)的抗干擾水平，對來自變電所中的因斷路器跳合閘等原因產(chǎn)生的強(qiáng)干擾可以完全消除掉。 1、

7、電壓形成回路 微機(jī)繼電保護(hù)要從被保護(hù)的電力線路或設(shè)備的電流互感器、電壓互感器或其他變換器上取得信息。但這些互感器的二次數(shù)值、輸人范圍對典型的微機(jī)繼電保護(hù)電路卻不適用，需要降低和變換。在微機(jī)繼電保護(hù)中通常要求輸入信號為5V或10V 的電壓信號，具體決定于所用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。2、采樣保持電路（1）采樣的基本原理 （2）對采樣電路的基本要求（3）采樣方式（4）采樣頻率的選擇可以證明，如果被采樣信號中所含最高頻率成一約頻率為f則采樣頻率f必須大于f的二倍，否則將造成頻率混疊。 3、模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 由于保護(hù)裝置所需同時采樣的電流和電壓模擬量不會很多，只要模數(shù)變換器的轉(zhuǎn)換速度足夠高，在一個采樣周期的保持

8、時間內(nèi)上述各種模擬量依次模數(shù)變換的要求是能滿足的。但由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器價格昂貴，通常不是每個模擬量輸人通道設(shè)一個 A / D ，而是公用一個，中間經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切換輪流由公用的 A / D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸人給微機(jī)。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)包括選擇接通路數(shù)的二進(jìn)制譯碼電路和由它控制的多路電子開關(guān)，它們被集成在一個集成電路芯片中。 4、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D） 由于計算機(jī)只能對數(shù)字量進(jìn)行運算，而電力系統(tǒng)中的電流、電壓信號均為模擬量，因此必須采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬量變?yōu)殡x散的數(shù)字量。 5、光隔原理 三、保護(hù) CPU 模塊工作原理 保護(hù) CPU 模塊是保護(hù)裝置智能核心部分，具體任務(wù)是完成數(shù)據(jù)的采集、保護(hù)邏輯判斷、保護(hù)

9、故障巡檢、開關(guān)量輸人與輸出及人機(jī)接口的串行通信等任務(wù)。三、保護(hù) CPU 模塊工作原理保護(hù) CPU 模塊是保護(hù)裝置智能核心部分，具體任務(wù)是完成數(shù)據(jù)的采集、保護(hù)邏輯判斷、保護(hù)故障巡檢、開關(guān)量輸人與輸出及人機(jī)接口的串行通信等任務(wù)。四、開關(guān)量輸人輸出回路原理開關(guān)量輸入回路開關(guān)量輸人回路包括斷路器和隔離開關(guān)的輔助觸點或跳合閘位置繼電器接點輸入，外部裝置閉鎖重合閘觸點輸人，輕瓦斯和重瓦斯繼電器接點輸人，還包括裝置上連接片位置輸人等回路。 對微機(jī)繼電保護(hù)裝置的開關(guān)量輸人，即接點狀態(tài)（接通或斷開）的輸入可以分成以下兩大類。 （1）安裝在裝置面板上的接點。這類接點包括在裝置調(diào)試時用的或運行中定期檢查裝置用的鍵盤

10、接點以及切換裝置工作方式用的轉(zhuǎn)換開關(guān)等。 （2）從裝置外部經(jīng)過端子排引人裝置的接點。例如需要由運行人員不打開裝置外蓋而在運行中切換的各種壓板，轉(zhuǎn)換開關(guān)以及其他保護(hù)裝置和操作繼電器等。 二、開關(guān)量輸出回路 開關(guān)量輸出主要包括保護(hù)的跳閘出口以及本地和中央信號等，一般都采用并行接口的輸出口來控制有接點繼電器（干簧或密封小中間繼電器）的方法，但為提高抗干擾能力，最好也經(jīng)過一級光電隔離，如圖 1 - 23 所示。 只要通過軟件使并行口的 PBO 輸出“ O , PBI 輸出“ l ，便可使與非門 Hl 輸出低電平，光敏三極管導(dǎo)通，繼電器 K 被吸合。 在初始化和需要繼電器 K 返回時，應(yīng)使 PBO 輸出

11、“ 1 , PBI 輸出 O 。 設(shè)置反相器 Bl 及與非門 Hl 而不將發(fā)光二極管直接同并行口相連，一方面是因為并行口帶負(fù)載能力有限，不足以驅(qū)動發(fā)光二極管，另一方面因為采用與非門后要滿足兩個條件才能使 K 動作，增加了抗干擾能力。 為了防止拉合直流電源的過程中繼電器 K 的短時誤動，將 PBO 經(jīng)一反相器輸出，而 PBI 不經(jīng)反相器輸出。因為在拉合直流電源過程中，當(dāng) SV 電源處于某一個臨界電壓值時，可能由于邏輯電路的工作紊亂而造成保護(hù)誤動作，特別是保護(hù)裝置的電源往往接有大量的電容器，所以拉合直流電源時，無論是 SV 電源還是驅(qū)動繼電器 K 用的電源 E ，都可能相當(dāng)緩慢的上升或下降，從而完

12、全可能來得及使繼電器 K 的接點短時閉合。由于采用上述接法后，兩個反相條件的互相制約，可以可靠地防止誤動作。 三、開出驅(qū)動與開出自檢電路原理 開出驅(qū)動回路由 8255B 端口驅(qū)動芯片與非門電路、光隔電路、驅(qū)動電路及反饋回路組成，如圖 1 - 24 所示，共 6 路開出驅(qū)動回路，光隔和反饋電路均由 MCT275 光電隔離芯片構(gòu)成。為了驅(qū)動KCO , 必須在PB6=0、PB7=1同時滿足時才能使 7400 的輸出 6 端為低電平，使光隔中二極管和光敏三極管導(dǎo)通，驅(qū)動 V3 導(dǎo)通。于是接通了以下回路： + 24VAXJNV3ceV6IC23一 24V 。 一方面驅(qū)動 A 相出口繼電器KCO，另一方面

13、通過光隔 IC23 反饋至 8255A 的PC使 8255 的PC=0。在開出自檢程序中可驅(qū)動各開出回路并檢查PC是否為 O ，即可判斷開出回路是否正常。由于出口繼電器KCO受起動繼電器的閉鎖，且自檢時間極短（不足10) ，不致使出口繼電器KCO動作所以不會導(dǎo)致保護(hù)誤動作。 B 相和 C 相的停信、永跳、起動的驅(qū)動繼電器的回路均同上述 A 相驅(qū)動回路相同。 四、出口閉鎖 1 、自檢告警閉鎖 出口的閉鎖，有自檢告警閉鎖和三取二起動電路兩個回路。自檢告警閉鎖是指圖 1 -24的 6 路開出量的 24V 閉鎖，它是經(jīng)自檢告警繼電器的動斷觸點 AXJN 控制的，在自檢告警時，斷開跳閘電源實現(xiàn)出口閉鎖。

14、自檢告 警繼電器 AXJN 驅(qū)動電路類似于上述KCO回路的結(jié)構(gòu)。 2、三取二起動回路 起動繼電器兼作總開放控制，采取三取二起動方式控制跳閘負(fù)電源，如圖 1 -25 所示。它由高頻保護(hù)起動 KSTZ 、距離保護(hù)起動 KST3 、零序保護(hù)起動 KST4 組成，用KSTZ 、 KST3 、 KST4 各兩個動合觸點交叉組成三取二循環(huán)起動（閉鎖）方式來控制跳閘負(fù)電源，防止了由于一個 CPU 程序出格引起整套保護(hù)裝置誤動。只有在三套保護(hù)中兩套保護(hù)起動時，整套保護(hù)才能起動，提高了保護(hù)裝置的可靠性。當(dāng)需將三取二起動回路退出運行時，可以將 LX1 和 LX2 短接。五、人機(jī)接口回路原理1、人機(jī)接口原理微機(jī)保護(hù)

15、的人機(jī)接口回路是指鍵盤、顯示器及接口 CPU 插件電路。人機(jī)接口回路的主要作用，是通過鍵盤和顯示器完成人機(jī)對話任務(wù)、時鐘校對及與各保護(hù) CPU 插件通信和巡檢任務(wù)。在單 CPU 結(jié)構(gòu)的保護(hù)中，接口 CPU 就由保護(hù) CPU 兼任。為了減輕保護(hù) CPU 的負(fù)擔(dān)，可由可編鍵盤、顯示器專用接口芯片 8279 來完成鍵盤、顯示器與保護(hù) CPU 的接口任務(wù)，時鐘校對由 MC146818 獨立完成，如圖 1-26 所示。在多 CPU 結(jié)構(gòu)的保護(hù)中，另設(shè)有專用的人機(jī)接口 CPU 插件。接口 CPU 除了要完成人機(jī)接口（鍵盤、顯示器）的任務(wù)外，還要完成與各 CPU 通信管理、巡檢及時間校對、程序出格自復(fù)位等多

16、項任務(wù)。人機(jī)接口 CPU 插件框圖如圖 1 -27 所示。與保護(hù) CPU 相類似，在接口 CPU 插件上除了 8031CPU 外，還擴(kuò)展有 EPROM 、 RAM ，串行及并行擴(kuò)展芯片 8256 ，時鐘電路 MC146818 芯片及自復(fù)位用的計數(shù)器 74LS393 。 2 ）按鍵編碼 為了識別按鍵，通常都對每個鍵進(jìn)行編碼，即給定鍵值，不同的鍵盤結(jié)構(gòu)采用不同的編碼方法。軟件中根據(jù)鍵值安排執(zhí)行程序的地址，按鍵值執(zhí)行不同的功能程序。 3）鍵盤檢測功能 對是否有鍵按下的監(jiān)測方式，通過有中斷方式和查詢兩種方式。中斷方式是在鍵盤按下時，通過按鍵信息傳送至 CPU 的中斷請求輸人端口， CPU 響應(yīng)中斷請求

17、后即轉(zhuǎn)人中斷服務(wù)程序，做鍵盤輸入的處理工作。查詢方式的鍵盤監(jiān)測較為簡單，通常是采用查詢鍵盤的辦法判斷有否按鍵，沒有按鍵時輸人的碼值與有按鍵時是不同的。通過查詢鍵值，然后執(zhí)行鍵功能程序轉(zhuǎn)移，完成鍵功能的處理工作。 （2）鍵盤輸入電路 為了簡便操作，單片機(jī)鍵盤不必像 PC 機(jī)那么繁雜，保護(hù)裝置鍵盤鍵的數(shù)量應(yīng)盡可能減少。人機(jī)接口的面板上鍵盤只有七個鍵：“”、“”、“ ”、“”、“ Q （返回鍵）、“復(fù)位”和“確認(rèn)”鍵。“復(fù)位”和“確認(rèn)”鍵用于裝置復(fù)位和操作確認(rèn)。這樣可以使得電路十分簡單，操作也很方便。鍵盤輸人電路有兩種，一種是獨立鍵盤電路，另一種是行列式按鍵電路。 1 ）獨立式按鍵電路 2 ）行列式

18、按鍵電路（3）串行通信接口電路1）串行通信接口電路及其作用人機(jī)接口與保護(hù) CPU 之間的串行通信的作用是人機(jī)對話和巡檢，串行接口在調(diào)試狀態(tài)下用于傳送人機(jī)接口的鍵盤命令或接收保護(hù) CPU 插件的數(shù)據(jù)。在運行狀態(tài)下，用于巡檢各保護(hù) CPU 插件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，則能通過串行口向主機(jī)傳送故障報告，并通過顯示器顯示出來。2）巡檢及巡檢中斷告警正常運行狀態(tài)，接口插件不斷地通過串行口向各 CPU 插件發(fā)出巡檢命令，當(dāng)各 CPU均正常時，分別做作出回答。如某一保護(hù) CPU 插件自檢出硬件故障，一方面驅(qū)動本 CPU 告警繼電器 AXJN 切斷跳閘出口電源。另一方面在收到巡檢命令后向接口插件傳送故障信息及出錯碼，接口插件收到出錯碼后，驅(qū)動總告警繼電器，并顯示或打印出故障信息。如果接口插件發(fā)巡檢命令，某一保護(hù) CPU 未作回答，則接口插件通過外部復(fù)位開出，強(qiáng)制該 CPU 復(fù)位，然后再發(fā)巡