微機繼電保護講座

微機繼電保護講座---中石化培訓2004年秋，北京南京工程學院李先允博士微機繼電保護講座1、微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

2、微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢3、微機保護信息網(wǎng)絡的安全策略4、中外微機型輸電線路繼電保護之比較5、石化行業(yè)微機繼電保護特點6、微機繼電保護常見問題微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

電力系統(tǒng)繼電保護的發(fā)展經(jīng)歷了機電型、整流型、晶體管型和集成電路型幾個階段后，現(xiàn)在發(fā)展到了微機保護階段。微機繼電保護指的是以數(shù)字式計算機（包括微型機）為基礎而構成的繼電保護。

微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢1微機繼電保護的發(fā)展史起源于20世紀60年代末期，是在英國、澳大利亞和美國的一些學者的倡導下開始進行研究的。60年代中期，有人提出用小型計算機實現(xiàn)繼電保護的設想，但是由于當時計算機的價格昂貴，同時也無法滿足高速繼電保護的技術要求，因此沒有在保護方面取得實際應用，但由此開始了對計算機繼電保護理論計算方法和程序結構的大量研究，為后來的繼電保護發(fā)展奠定了理論基礎。計算機技術在70年代初期和中期出現(xiàn)了重大突破，大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，使得微型處理器和微型計算機進入了實用階段。價格的大幅度下降，可靠性、運算速度的大幅度提高，促使計算機繼電保護的研究出現(xiàn)了高潮。在70年代后期，出現(xiàn)了比較完善的微機保護樣機，并投入到電力系統(tǒng)中試運行。

微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

1微機繼電保護的發(fā)展史

美國西屋電氣公司、美國通用電氣公司、美國電力公司三家公司竟相開拓計算機繼電保護的早期實踐。1968年美國西屋電氣公司和太平洋煤氣—電力公司合作的PRODAR70研究項目，利用西屋電氣公司的P-2000小型工業(yè)控制機，用瞬時采樣值及其一階、二階導數(shù)算法，計算線路短路阻抗值實現(xiàn)相間及接地距離保護。動作時間20ms左右。1971年完成并安裝在長61公里的230kV輸電線路試運行。

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1微機繼電保護的發(fā)展史

1973年，美國通用電氣公司和費城電力公司開展小型計算機項目。利用VarianV72小型計算機，利用微分方程算法計算阻抗值，實現(xiàn)輸電線路距離保護和故障測距。保護的動作時間在一個周波以內，對116公里的長線路的故障定位，其誤差在0.62公里。1977年安裝在長116公里的500kV輸電線路試運行。

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1微機繼電保護的發(fā)展史

1971年美國電力公司和國際商用機器公司合作，利用IBM-7小型計算機，用對稱分量和數(shù)字濾波算法，實現(xiàn)輸電線路距離和過流方向保護。后來改用PlesseyMiproc-16微型機，1979年完成。

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1微機繼電保護的發(fā)展史

1970年澳大利亞新南威爾士大學開始利用小型計算機繼電保護的研究工作。1976年投入新南威爾士電力公司試運行。奠定了計算機保護工程算法的基礎。

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1微機繼電保護的發(fā)展史

日本明電舍公司和東京電力公司合作，進行了以PCM電流差動為主保護、距離保護為后備保護的研究項目。保護由四臺微機組成，用DPCD數(shù)字式電流、電壓互感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的TA、TV。數(shù)字互感器與保護裝置用光纖進行數(shù)字信息傳遞，差動保護采用微波通道。采用半波面積法和積型算法。1977年7月至1978年3月在東京電力公司275kV輸電線路試運行

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1974年，三菱公司和關西電力公司進行了兩個研究階段。分別使用MELCOM350-5F小型計算機和MELPS-8微處理機實現(xiàn)輸電線路保護。用采樣數(shù)據(jù)及其微分算法實現(xiàn)小電流接地平行輸電線路的保護功能。1977年完成。

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1微機繼電保護的發(fā)展史

日立公司自1970年起從基礎研究開始，歷經(jīng)近十年的時間，發(fā)展了保護算法、數(shù)字濾波和16位保護專用高速微處理機，光纖數(shù)據(jù)傳輸技術。采用積型算法和數(shù)字濾波算法實現(xiàn)距離、電流差動和功率方向等各種保護繼電器。在1976年至1978年在275kV輸電線路試運行。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

1微機繼電保護的發(fā)展史

早期的研究工作側重于輸電線路距離保護及其算法的研究和工業(yè)實驗。主要手段為小型計算機。但是，設備昂貴，繼電保護對可靠性要求又特別高，因此，僅限于理論研究。1971年微處理器的問世，給計算機保護以新的生命。

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1微機繼電保護的發(fā)展史

1979年IEEE和PES的電力系統(tǒng)繼電保護委員會和電力工程教育委員會聯(lián)合編寫了研究班課程--------“計算機繼電保護”，對計算機繼電保護的理論與實踐作了首次總結，標志著這一新技術進入比較成熟的發(fā)展階段。

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1微機繼電保護的發(fā)展史

80年代，微機保護在硬件結構和軟件技術方面日趨成熟，并已在一些國家推廣應用。如美國西屋電氣公司、西門子公司、英國通用電氣公司、ABB公司等，分別推出了自己的產(chǎn)品。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

1微機繼電保護的發(fā)展史

我國對計算機繼電保護的研究過程中，高等院校和科研院所起著先導的作用。從70年代開始，華中理工大學、東南大學、華北電力學院、西安交通大學、自動化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式的微機保護裝置。1984年原華北電力學院研制的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定，并在系統(tǒng)中獲得應用，揭開了我國繼電保護發(fā)展史上的新一頁，為微機保護的推廣開辟了道路。在主設備保護方面，東南大學和華中理工大學研制的發(fā)電機失磁保護、發(fā)電機保護和發(fā)電機－變壓器組保護也相繼于1989年、1994年通過鑒定，投入運行。南京電力自動化研究院研制的微機線路保護裝置也于1991年通過鑒定。天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制的微機相電壓補償式方向高頻保護，西安交通大學與許昌繼電器廠合作研制的正序故障分量方向高頻保護也相繼于1993年、1996年通過鑒定。

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1微機繼電保護的發(fā)展史

90年代，電力系統(tǒng)繼電保護技術發(fā)展到了微機保護時代，是繼電保護技術發(fā)展歷史過程中的第四代。

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2微機保護的主要特點

研究和實踐證明，與傳統(tǒng)的繼電保護相比較，微機保護有許多優(yōu)點，其主要特點如下：

a）改善和提高繼電保護的動作特征和性能，動作正確率高。主要表現(xiàn)在能得到常規(guī)保護不易獲得的特性；其很強的記憶力能更好地實現(xiàn)故障分量保護；可引進自動控制、新的數(shù)學理論和技術如自適應、狀態(tài)預測、模糊控制及人工神經(jīng)網(wǎng)絡等，其運行正確率很高也已在運行實踐中得到證明。

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2微機保護的主要特點

b）可以方便地擴充其他輔助功能。如故障錄波、波形分析等，可以方便地附加低頻減載、自動重合閘、故障錄波、故障測距等功能。

c）工藝結構條件優(yōu)越。體現(xiàn)在硬件比較通用，制造容易統(tǒng)一標準；裝置體積小，減少了盤位數(shù)量；功耗低。

d）可靠性容易提高。體現(xiàn)在數(shù)字元件的特性不易受溫度變化、電源波動、使用年限的影響，不易受元件更換的影響；且自檢和巡檢能力強，可用軟件方法檢測主要元件、部件的工況以及功能軟件本身。

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2微機保護的主要特點

e）使用靈活方便，人機界面越來越友好。其維護調試也更方便，從而縮短維修時間；同時依據(jù)運行經(jīng)驗，在現(xiàn)場可通過軟件方法改變特性、結構。

f）可以進行遠方監(jiān)控。微機保護裝置具有串行通信功能，與變電所微機監(jiān)控系統(tǒng)的通信聯(lián)絡使微機保護具有遠方監(jiān)控特性。

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3繼電保護新技術繼電保護技術發(fā)展趨勢向計算機化，網(wǎng)絡化，智能化，保護、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。隨著計算機技術的飛速發(fā)展及計算機在電力系統(tǒng)繼電保護領域中的普遍應用，新的控制原理和方法被不斷應用于計算機繼電保護中，以期取得更好的效果，從而使微機繼電保護的研究向更高的層次發(fā)展，出現(xiàn)了一些引人注目的新趨勢。

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3繼電保護新技術3．1計算機化

隨著計算機硬件的迅猛發(fā)展，微機保護硬件也在不斷發(fā)展。原華北電力學院研制的微機線路保護硬件已經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：從8位單CPU結構的微機保護問世，不到5年時間就發(fā)展到多CPU結構，后又發(fā)展到總線不出模塊的大模塊結構，性能大大提高，得到了廣泛應用。華中理工大學研制的微機保護也是從8位CPU，發(fā)展到以工控機核心部分為基礎的32位微機保護。

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3繼電保護新技術----計算機化南京電力自動化研究院一開始就研制了16位CPU為基礎的微機線路保護，已得到大面積推廣，目前也在研究32位保護硬件系統(tǒng)。東南大學制的微機主設備保護的硬件也經(jīng)過了多次改進和提高。天津大學一開始即研制以16位多CPU為基礎的微機線路保護，1988年即開始研究以32位數(shù)字信號處理器(DSP)為基礎的保護、控制、測量一體化微機裝置，與珠海晉電自動化設備公司合作研制成一種功能齊全的32位大模塊，一個模塊就是一個小型計算機。采用32位微機芯片并非只著眼于精度，因為精度受A/D轉換器分辨率的限制，超過16位時在轉換速度和成本方面都是難以接受的；更重要的是32位微機芯片具有很高的集成度，很高的工作頻率和計算速度，很大的尋址空間，豐富的指令系統(tǒng)和較多的輸入輸出口。CPU的寄存器、數(shù)據(jù)總線、地址總線都是32位的，具有存儲器管理功能、存儲器保護功能和任務轉換功能，并將高速緩存(Cache)和浮點數(shù)部件都集成在CPU內。

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3繼電保護新技術----計算機化電力系統(tǒng)對微機保護的要求不斷提高，除了保護的基本功能外，還應具有大容量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間，快速的數(shù)據(jù)處理功能，強大的通信能力，與其它保護、控制裝置和調度聯(lián)網(wǎng)以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡資源的能力，高級語言編程等。這就要求微機保護裝置具有相當于一臺PC機的功能。在計算機保護發(fā)展初期，曾設想過用一臺小型計算機作成繼電保護裝置。由于當時小型機體積大、成本高、可靠性差，這個設想是不現(xiàn)實的?，F(xiàn)在，同微機保護裝置大小相似的工控機的功能、速度、存儲容量大大超過了當年的小型機，因此，用成套工控機作成繼電保護的時機已經(jīng)成熟，這將是微機保護的發(fā)展方向之一。天津大學已研制成用同微機保護裝置結構完全相同的一種工控機加以改造作成的繼電保護裝置。

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3繼電保護新技術----計算機化這種裝置的優(yōu)點有：(1)具有486PC機的全部功能，能滿足對當前和未來微機保護的各種功能要求。(2)尺寸和結構與目前的微機保護裝置相似，工藝精良、防震、防過熱、防電磁干擾能力強，可運行于非常惡劣的工作環(huán)境，成本可接受。(3)采用STD總線或PC總線，硬件模塊化，對于不同的保護可任意選用不同模塊，配置靈活、容易擴展。

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3繼電保護新技術----計算機化繼電保護裝置的微機化、計算機化是不可逆轉的發(fā)展趨勢。但對如何更好地滿足電力系統(tǒng)要求，如何進一步提高繼電保護的可靠性，如何取得更大的經(jīng)濟效益和社會效益，尚須進行具體深入的研究。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

3繼電保護新技術3.2網(wǎng)絡化

計算機網(wǎng)絡作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為信息時代的技術支柱，使人類生產(chǎn)和社會生活的面貌發(fā)生了根本變化。它深刻影響著各個工業(yè)領域，也為各個工業(yè)領域提供了強有力的通信手段。到目前為止，除了差動保護和縱聯(lián)保護外，所有繼電保護裝置都只能反應保護安裝處的電氣量。繼電保護的作用也只限于切除故障元件，縮小事故影響范圍。這主要是由于缺乏強有力的數(shù)據(jù)通信手段。

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3繼電保護新技術------網(wǎng)絡化國外早已提出過系統(tǒng)保護的概念，這在當時主要指安全自動裝置。因繼電保護的作用不只限于切除故障元件和限制事故影響范圍(這是首要任務)，還要保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。這就要求每個保護單元都能共享全系統(tǒng)的運行和故障信息的數(shù)據(jù)，各個保護單元與重合閘裝置在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎上協(xié)調動作，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。顯然，實現(xiàn)這種系統(tǒng)保護的基本條件是將全系統(tǒng)各主要設備的保護裝置用計算機網(wǎng)絡聯(lián)接起來，亦即實現(xiàn)微機保護裝置的網(wǎng)絡化。這在當前的技術條件下是完全可能的。

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3繼電保護新技術------網(wǎng)絡化對于一般的非系統(tǒng)保護，實現(xiàn)保護裝置的計算機聯(lián)網(wǎng)也有很大的好處。繼電保護裝置能夠得到的系統(tǒng)故障信息愈多，則對故障性質、故障位置的判斷和故障距離的檢測愈準確。對自適應保護原理的研究已經(jīng)過很長的時間，也取得了一定的成果，但要真正實現(xiàn)保護對系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的自適應，必須獲得更多的系統(tǒng)運行和故障信息，只有實現(xiàn)保護的計算機網(wǎng)絡化，才能做到這一點。

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3繼電保護新技術------網(wǎng)絡化對于某些保護裝置實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)，也能提高保護的可靠性。天津大學1993年針對三峽水電站500kV超高壓多回路母線提出了一種分布式母線保護的原理，初步研制成功了這種裝置。其原理是將傳統(tǒng)的集中式母線保護分散成若干個(與被保護母線的回路數(shù)相同)母線保護單元，分散裝設在各回路保護屏上，各保護單元用計算機網(wǎng)絡聯(lián)接起來，每個保護單元只輸入本回路的電流量，將其轉換成數(shù)字量后，通過計算機網(wǎng)絡傳送給其它所有回路的保護單元，各保護單元根據(jù)本回路的電流量和從計算機網(wǎng)絡上獲得的其它所有回路的電流量，進行母線差動保護的計算，如果計算結果證明是母線內部故障則只跳開本回路斷路器，將故障的母線隔離。在母線區(qū)外故障時，各保護單元都計算為外部故障均不動作。

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3繼電保護新技術------網(wǎng)絡化這種用計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)的分布式母線保護原理，比傳統(tǒng)的集中式母線保護原理有較高的可靠性。因為如果一個保護單元受到干擾或計算錯誤而誤動時，只能錯誤地跳開本回路，不會造成使母線整個被切除的惡性事故，這對于象三峽電站具有超高壓母線的系統(tǒng)樞紐非常重要。

由上述可知，微機保護裝置網(wǎng)絡化可大大提高保護性能和可靠性，這是微機保護發(fā)展的必然趨勢。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

3繼電保護新技術3.3保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化在實現(xiàn)繼電保護的計算機化和網(wǎng)絡化的條件下，保護裝置實際上就是一臺高性能、多功能的計算機，是整個電力系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡上的一個智能終端。它可從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護元件的任何信息和數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡控制中心或任一終端。因此，每個微機保護裝置不但可完成繼電保護功能，而且在無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，亦即實現(xiàn)保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化。

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3繼電保護新技術

-----保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化

目前，為了測量、保護和控制的需要，室外變電站的所有設備，如變壓器、線路等的二次電壓、電流都必須用控制電纜引到主控室。所敷設的大量控制電纜不但要大量投資，而且使二次回路非常復雜。但是如果將上述的保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化的計算機裝置，就地安裝在室外變電站的被保護設備旁，將被保護設備的電壓、電流量在此裝置內轉換成數(shù)字量后，通過計算機網(wǎng)絡送到主控室，則可免除大量的控制電纜。如果用光纖作為網(wǎng)絡的傳輸介質，還可免除電磁干擾。

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3繼電保護新技術

-----保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化現(xiàn)在光電流互感器(OTA)和光電壓互感器(OTV)已在研究試驗階段，將來必然在電力系統(tǒng)中得到應用。在采用OTA和OTV的情況下，保護裝置應放在距OTA和OTV最近的地方，亦即應放在被保護設備附近。OTA和OTV的光信號輸入到此一體化裝置中并轉換成電信號后，一方面用作保護的計算判斷；另一方面作為測量量，通過網(wǎng)絡送到主控室。從主控室通過網(wǎng)絡可將對被保護設備的操作控制命令送到此一體化裝置，由此一體化裝置執(zhí)行斷路器的操作。1992年天津大學提出了保護、控制、測量、通信一體化問題，并研制了以TMS320C25數(shù)字信號處理器(DSP)為基礎的一個保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化裝置。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

3繼電保護新技術3.4智能化

近年來，人工智能技術如神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、進化規(guī)劃、模糊邏輯等在電力系統(tǒng)各個領域都得到了應用，在繼電保護領域應用的研究也已開始。神經(jīng)網(wǎng)絡是一種非線性映射的方法，很多難以列出方程式或難以求解的復雜的非線性問題，應用神經(jīng)網(wǎng)絡方法則可迎刃而解。例如在輸電線兩側系統(tǒng)電勢角度擺開情況下發(fā)生經(jīng)過渡電阻的短路就是一非線性問題，距離保護很難正確作出故障位置的判別，從而造成誤動或拒動；如果用神經(jīng)網(wǎng)絡方法，經(jīng)過大量故障樣本的訓練，只要樣本集中充分考慮了各種情況，則在發(fā)生任何故障時都可正確判別。其它如遺傳算法、進化規(guī)劃等也都有其獨特的求解復雜問題的能力。將這些人工智能方法適當結合可使求解速度更快。天津大學從1996年起進行神經(jīng)網(wǎng)絡式繼電保護的研究，已取得初步成果?？梢灶A見，人工智能技術在繼電保護領域必會得到應用，以解決用常規(guī)方法難以解決的問題。

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3繼電保護新技術3．5自適應控制技術在繼電保護中的應用

自適應繼電保護的概念始于20世紀80年代，它可定義為能根據(jù)電力系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的變化而實時改變保護性能、特性或定值的新型繼電保護。自適應繼電保護的基本思想是使保護能盡可能地適應電力系統(tǒng)的各種變化，進一步改善保護的性能。

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3繼電保護新技術

---自適應控制技術在繼電保護中的應用

自適應繼電保護具有改善系統(tǒng)的響應、增強可靠性和提高經(jīng)濟效益等優(yōu)點，在輸電線路的距離保護、變壓器保護、發(fā)電機保護、自動重合閘等領域內有著廣泛的應用前景。針對電力系統(tǒng)頻率變化的影響、單相接地短路時過渡電阻的影響、電力系統(tǒng)振蕩的影響以及故障發(fā)展問題，提出了自適應對策，從理論和實踐兩方面探討了實現(xiàn)自適應式微機距離保護的可行性。并對自適應原理在輸電線路繼電保護的應用作了全面的分類描述，使自適應繼電保護的原理得到了進一步的發(fā)展和完善。同時研究了將自適應繼電保護的原理應用于距離保護中，根據(jù)系統(tǒng)運行工況的變化，調整距離保護的動作特性，從而提高了距離保護的性能。

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3繼電保護新技術3．6人工神經(jīng)網(wǎng)絡在繼電保護中的應用

進入20世紀90年代以來，人工智能技術如神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、進化規(guī)劃、模糊邏輯等在電力系統(tǒng)各個領域都得到了應用，電力系統(tǒng)保護領域內的一些研究工作也轉向人工智能的研究。專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）和模糊控制理論逐步應用于電力系統(tǒng)繼電保護中，為繼電保護的發(fā)展注入了活力。

微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

3繼電保護新技術

--人工神經(jīng)網(wǎng)絡在繼電保護中的應用

基于生物神經(jīng)系統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有分布式存儲信息、并行處理、自組織、自學習等特點，其應用研究發(fā)展十分迅速，目前主要集中在人工智能、信息處理、自動控制和非線性優(yōu)化等問題。近幾年來，電力系統(tǒng)繼電保護領域內出現(xiàn)了用人工神經(jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)故障類型的判別、故障距離的測定、方向保護、主設備保護等。

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3繼電保護新技術

--人工神經(jīng)網(wǎng)絡在繼電保護中的應用

CPN（counter－propagationnetwork）模型對交直流混合輸電系統(tǒng)的故障類型進行識別；EMTDC（electro－magnetictransientsincludingDC）仿真計算結果表明，CPN模型能可靠地進行故障類型的判別，并依據(jù)判別結果對直流控制器的參數(shù)進行調整，從而優(yōu)化交直流混合輸電系統(tǒng)的動態(tài)運行特性。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

3繼電保護新技術

--人工神經(jīng)網(wǎng)絡在繼電保護中的應用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)，該故障診斷系統(tǒng)利用電力系統(tǒng)中繼電器和斷路器的狀態(tài)信息來進行故障范圍的估計。這一系統(tǒng)可應用于電力系統(tǒng)控制中心，輔助調度員對故障范圍進行判別，及時地采取措施對故障進行處理，以保證電力系統(tǒng)供電的安全性、經(jīng)濟性。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

3繼電保護新技術

--人工神經(jīng)網(wǎng)絡在繼電保護中的應用用人工神經(jīng)網(wǎng)絡原理來實現(xiàn)高壓輸電線路的方向保護，提出用BP模型作為方向保護的方向判別元件。研究結果表明，該方向判別元件能準確、快速地判別出故障的方向。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

3繼電保護新技術

--人工神經(jīng)網(wǎng)絡在繼電保護中的應用由單層感知器網(wǎng)絡或TH網(wǎng)絡可以實現(xiàn)最小二乘算法，這兩種網(wǎng)絡都可以在極短的時間（數(shù)納秒或幾百納秒）內完成全部運算；給出了電流繼電器、圓特性以及四邊型特性阻抗繼電器的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，研究表明三種模型都具有很強的自適應性。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

3繼電保護新技術

--人工神經(jīng)網(wǎng)絡在繼電保護中的應用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的智能型自適應繼電保護原理，利用了比傳統(tǒng)保護多得多的信息量。它比傳統(tǒng)保護能區(qū)分更多的故障類型，提高了繼電保護的適用范圍，從原理上解決了經(jīng)高阻抗的短路故障保護問題。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

3繼電保護新技術

--人工神經(jīng)網(wǎng)絡在繼電保護中的應用利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)自適應電流保護。該方法充分利用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡所具有的強大的自適應能力、學習能力和模式識別能力，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中的各種故障情況的識別，解決電流保護中的靈敏度補償和故障方向識別問題，使電流保護對正方向各種故障都有足夠的保護范圍，而對反方向的各種故障實行閉鎖，從而實現(xiàn)電流保護的自適應。

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3繼電保護新技術3.7小波理論在繼電保護中的應用在微機保護中，數(shù)字信號處理已成為故障信息提取與識別的基本手段。目前微機保護原理基本上是用工頻量實現(xiàn)的，有些保護中也用到二次、三次或五次諧波。為了從故障信息中獲取上述分量，付里葉變換是一個十分有效的工具。

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---小波理論在繼電保護中的應用對利用故障暫態(tài)行波實現(xiàn)的保護和故障測距，付里葉變換遇到了困難。因為，輸電線路發(fā)生故障后的暫態(tài)行波是一個突變的、具有奇異性的信號，對于這種信號的分析用付里葉變換是無能為力的。因為付里葉變換是純頻域分析方法，它在時域上沒有任何分辨能力。即不能刻劃出暫態(tài)行波到達觀測點的準確時刻，也不能確定行波幅值和極性。

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---小波理論在繼電保護中的應用小波變換最突出的特點是：它在時域和頻域同時具有良好的局部化性質，因此，成為分析非平穩(wěn)信號或具有奇異性的故障信號的銳利工具。小波是一個振蕩波形，它最多持續(xù)幾個周期。一個給定的小波具有位置和尺度，它特別適合于表示一個具有不連續(xù)性的信號或圖象。小波變換的重要特點是它具有良好的時頻局部分析能力，或稱為變焦性能，也就是說，它是一種能聚集到信號或圖象的任何微小細節(jié)進行分析的工具，此被譽為數(shù)學顯微鏡。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

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---小波理論在繼電保護中的應用電力系統(tǒng)的信號主要分為穩(wěn)定變化的信號和具有突變性質的、非穩(wěn)定變化的信號。付氏變換作為電力系統(tǒng)穩(wěn)定信號的分析方法其核心是把一個周期變化的信號表示成一簇具有不同頻率的正弦波的線性組合。但其用于分析具有突變性質的、非穩(wěn)定變化信號時,把奇異信號的頻域信息分配給整個頻域范圍內的其他頻率分量,即把反映故障信息的局部特征在整個頻域內平均掉,因為付氏變換在頻域上是完全局部化，但在時域卻沒有任何分辨能力。小波分析運用可調的柔性時頻窗對高頻、低頻信號分別采取可變的尺度進行分析,因此它對奇異信號非常敏感,特別適合于分析奇異性強的電力系統(tǒng)暫態(tài)信號。

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---小波理論在繼電保護中的應用在電力系統(tǒng)故障分析、故障診斷、故障測距和局部放電等研究領域中得以廣泛應用。電力系統(tǒng)暫態(tài)信號屬于緩變奇異信號，其特殊性表現(xiàn)在奇異時刻的奇異性具有不確定的奇異度,利用奇變點的位置(即故障時刻)和小波變換系數(shù)模極大值之間關系,從而準確提取故障時刻。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

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---小波理論在繼電保護中的應用當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時,各種電氣量都將發(fā)生劇烈的變化，從信號的角度分析均屬于突變信號，信號的突變點包含著豐富的故障信息，具有重要的信息特征，而繼電保護的任務就是檢測故障信息、識別故障信號，進而作出是否出口跳閘的決定。在實際保護的故障信號分析中,所用信號的時間區(qū)段很短,一般包括衰減直流分量,、基頻和高次諧波分量,電力系統(tǒng)故障暫態(tài)信號是連續(xù)性質的,故障信號模型在故障時刻(參考點)是連續(xù)的,因而故障暫態(tài)信號是連續(xù)信號,如信號具有奇異性,則屬緩變奇異信號。故障暫態(tài)信號在故障時刻的奇異度是不確定的,不同的故障暫態(tài)信號的奇異度是不同的。微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

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---小波理論在繼電保護中的應用應用小波分析進行信號特征提取時，主要采用邊界的處理和濾波兩種方法。當對信號進行采樣后，得到一個大的有限頻帶中的一個信號，對該信號進行分解，其實質就是把采樣的信號分成高頻部分和低頻部分兩個信號，低頻部分部分包含了信號的主要信息，而高頻部分清晰地顯示出奇異點的準確位置。

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---小波理論在繼電保護中的應用500kV輸電線路及兩側系統(tǒng)接線示意圖R等效電源容量為22000MVA等效電源容量為9000MVAS269.3kM串補度為40%微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

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---小波理論在繼電保護中的應用微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

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---小波理論在繼電保護中的應用微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

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---小波理論在繼電保護中的應用微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢

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---小波理論在繼電保護中的應用結論

（1）通過對故障暫態(tài)信號的多尺度分析和在各個尺度上重構信號，我們可以看出,如果分解尺度選擇不正確，則不能正確提取出故障時刻。由于小波變換對信號的奇異點非常敏感，當信號在某一時刻發(fā)身發(fā)生突變時，該信號的小波變換在一定的尺度范圍內均會在信號突變處出現(xiàn)峰值，且呈現(xiàn)出與噪聲信號截然不同的特性。因此，通過選擇合適的尺度范圍，可以在強噪聲背景下，準確地檢測到突變信號。尺度范圍的選擇與故障暫態(tài)信號中所含的頻率成分以及采樣頻率的高低有關系。如果尺度范圍選擇太小，則受噪聲的影響比較大；如果尺度范圍選擇太大，則信號突變點所對應的小波變換的模極大值的幅值衰減得比較厲害，將使故障點的突變特征不明顯甚至消失。

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---小波理論在繼電保護中的應用（2）利用小波變換良好的時頻局部特性，可以有效地檢測出電力系統(tǒng)暫態(tài)信號的奇異性特征，有利于獲得故障所發(fā)生的時刻、故障點的位置等信息。

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3．8變電所綜合自動化技術

現(xiàn)代計算機技術、通信技術和網(wǎng)絡技術為改變變電站目前監(jiān)視、控制、保護和計量裝置及系統(tǒng)分割的狀態(tài)提供了優(yōu)化組合和系統(tǒng)集成的技術基礎。高壓、超高壓變電站正面臨著一場技術創(chuàng)新。繼電保護和綜合自動化的緊密結合已成為可能，它表現(xiàn)在集成與資源共享、遠方控制與信息共享。

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---變電所綜合自動化技術

以遠方終端單元（RTU）、微機保護裝置為核心，將變電所的控制、信號、測量、計費等回路納入計算機系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的控制保護屏，能夠降低變電所的占地面積和設備投資，提高二次系統(tǒng)的可靠性。隨著微機性能價格比的不斷提高，現(xiàn)代通信技術的迅速發(fā)展，以及標準化規(guī)約的陸續(xù)推出，變電站綜合自動化成了熱門話題。

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---變電所綜合自動化技術目前，用于變電站的監(jiān)視、控制、保護，包括故障錄波、緊急控制裝置，雖然已實現(xiàn)了微機數(shù)字化，但幾乎都是功能單一的獨立裝置，各個裝置缺乏整體協(xié)調和功能的調優(yōu)，且功能交叉，輸入信息不能共享，接線復雜，從整體上降低了可靠性，同時不能充分利用微機數(shù)據(jù)處理的強大功能和速度，經(jīng)濟上也是一種浪費。

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---變電所綜合自動化技術現(xiàn)在廣泛應用的變電站自動化系統(tǒng)為常規(guī)自動化系統(tǒng)，它應用自動控制技術、計算機數(shù)據(jù)采集和處理技術、通信技術，代替人工對變電站進行正常運行的監(jiān)視、操作、電壓無功控制、量測記錄和統(tǒng)計分析、故障運行的監(jiān)視、報警和事件順序記錄與運行操作，大多不涉及繼電保護、緊急控制、故障錄波、RTU、維修狀態(tài)信息處理等功能，功能相對比較簡單。

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---變電所綜合自動化技術競爭的電力市場將促進新的自動化技術的開發(fā)和應用，在經(jīng)濟效益的驅動下，變電站將向集成自動化方向發(fā)展。根據(jù)變電站自動化集成的程度，可將未來的自動化系統(tǒng)分為協(xié)調型自動化和集成型自動化。協(xié)調型自動化仍然保留間隔內各自獨立的控制、保護等裝置，各自采集數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應的輸出功能，通過統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡與站級相連，在站級建立一個統(tǒng)一的計算機系統(tǒng)，進行各個功能的協(xié)調。

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---變電所綜合自動化技術集成型自動化既在間隔級，又在站級對各個功能進行優(yōu)化組合，是現(xiàn)代控制技術、計算機技術和通信技術在變電站自動化系統(tǒng)的綜合應用。所謂集成型自動化系統(tǒng)是將間隔的控制、保護、故障錄波、事件記錄和運行支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理等功能集成在一個統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置內，間隔內部和間隔間以及間隔同站級間的通信用少量的光纖總線實現(xiàn)，取消傳統(tǒng)的硬線連接。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢0.前言隨著微機保護的發(fā)展，一些新的改善繼電保護性能的原理和方案，特別是基于故障波形特征或者高頻分量的保護原理，以及神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊集原理的智能保護方案，受到更多的重視并逐步得到實際應用；這也對微機保護裝置硬件提出了更高的要求。由于集成電路和計算機技術的飛速發(fā)展，微機保護裝置硬件的發(fā)展也十分迅速。結構更加合理，性能更加完善。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---前言微機保護裝置的發(fā)展大致可以分為以下幾個階段：

a.第一階段以單CPU的硬件結構為主，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由逐次逼近式A/D模數(shù)轉換器構成，硬件及軟件的設計符合“四統(tǒng)一”設計標準，其代表產(chǎn)品為微機高壓輸電線路保護裝置。

b.第二階段以多單片機構成的多CPU硬件結構為主，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為電壓頻率轉換原理的計數(shù)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，硬件軟件的設計吸取了第一代微機保護裝置成功運行經(jīng)驗，利用多CPU的特點，強化了自檢和互檢功能，使硬件故障可以定位，對保護的跳閘出口回路，具有完善的抗干擾措施以及防止拒動與誤動的措施。

c.第三階段以高性能的16位單片機構成的硬件結構為主，具有總線不需引出芯片，電路簡單的特點，抗干擾性能進一步加強，并且完善了通信功能，為實現(xiàn)變電站自動化提供了方便。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---前言如今，在一些電力系統(tǒng)主設備的微機繼電保護裝置中，也開始采用了性能更好、功能更強大的工業(yè)控制計算機，例如，基于Intel386EX的微機發(fā)電機組保護、分相式母線差動保護等微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---前言微機保護裝置分為輸入回路(交流接口單元)、出口回路(直流接口單元)、CPU單元、存儲器、人機接口和電源。功能模塊：(1)CPU與存儲器接口；(2)定時計數(shù)器；(3)中斷邏輯；(4)串并行通信接口；(5)實時時鐘；(6)看門狗電路；(7)顯示控制電路；(8)數(shù)據(jù)存儲器；(9)固態(tài)盤或存儲器A(程序)；(10)固態(tài)盤或存儲器B(報告)；(11)固態(tài)盤或存儲器C(整定值)；(12)開關量光隔輸入；(13)開關量光隔功放輸出；(14)工業(yè)局域網(wǎng)接口。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---前言1)CPU單元

為微機繼電保護裝置的核心，用來完成數(shù)據(jù)收集計算邏輯判斷處理、發(fā)出跳合閘命令等功能。還可以同上層控制機通信，實現(xiàn)遠方修改定值傳遞保護信息，打印故障報告等功能。由于電力系統(tǒng)正常運行時的參數(shù)與故障時的參數(shù)相差十分懸殊，有的甚至相差幾十倍，所以輸入信號動態(tài)范圍大，一般采用分布式結構。按照單元設置CPU，雙機并行工作。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---前言2)存儲器

有定值存儲器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器等。定值存儲器儲存各種保護設定值，該芯片具有斷電內容丟失功能，且可在線修改內容。數(shù)據(jù)存儲器RAM用來存取現(xiàn)場的各種輸入輸出的內容、中間運算結果和判斷結果，按需要時讀出、寫入或改寫，一般用22K的芯片。程序存儲器則用于存儲已編好并具有保護功能的應用程序，一般用可改寫的存儲器EPROM。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---前言3)輸入回路(交流接口單元)。電力系統(tǒng)的電流、電壓等數(shù)字，經(jīng)電壓互感器、電流互感器轉換成100V或5A信號，由于這種信號數(shù)值大大超過微機所能接受的電壓標準；這些參數(shù)在故障時變化很大，微機只能識別電壓，所以必須把經(jīng)過電壓互感器、電流互感器變換后的電壓電流再經(jīng)交流接口電路轉換成微機可能接收的電壓值。并且在故障情況下也不會超過這個范圍。為了限制輸入信號的最高頻率，采用低通濾波器，采樣頻率應等于或大于被測信號頻率。在故障時電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)高次諧波，實際的采樣頻率是工頻的幾倍甚至幾十倍。另外，繼電保護的快速動作要求以及程序需要充分的執(zhí)行時間，為了便于運算，采樣頻率常用300~1200Hz。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---前言4)出口回路(直流接口單元)它包括出口跳閘繼電器及磁保持繼電器及發(fā)光二極管組成的燈光信號等。由于采樣后的離散數(shù)字量也是瞬時值，不能直接用來判斷系統(tǒng)狀態(tài)，必須采用某種數(shù)學方法得出表征系統(tǒng)特性的參數(shù)，并與相應的整定值進行比較，從而做出保護動作與否的判斷。特別是電力系統(tǒng)包含非線性鐵磁元件，分布電容、補償電容，使得短路電流中含有衰減的非周期分量和高頻分量。為了克服這些因素的影響，除了采用濾波措施外，必須采用合適的數(shù)學方法。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---前言5)人機接口鍵盤、通信口、打印機、顯示裝置。通信口完成智能開關設備連接，一般用現(xiàn)場總線，如Lonworks，CANbus，Profibus總線等。6)電源

常用交流穩(wěn)壓電源、DC-DC和蓄電池微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---前言隨著集成電路和計算機技術的飛速發(fā)展，以及嵌入式應用的日益廣泛，許多器件廠家將CPU與存儲器接口；定時計數(shù)器；中斷邏輯；串并行通信接口；實時時鐘；看門狗電路；顯示控制電路，集成到一個芯片中。而工控機廠家在此基礎上，將數(shù)據(jù)存儲器；固態(tài)盤或存儲器A(程序)；甚至工業(yè)局域網(wǎng)接口進一步集成到STD、PC/104、VME等總線工控機的主板或單板工控機上，基本上實現(xiàn)了“總線不出板”，大幅度提高了系統(tǒng)的性能和抗干擾能力，為微機保護裝置整機性能和可靠性的增強奠定了良好基礎。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢1.處理器目前主要有4類處理器可供高性能微機保護裝置選用，即MCU、DSP、RISC和X864類器件。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.1單片機

單片機通過大規(guī)模集成電路技術將CPU，ROM，RAM和I/O接口電路封裝在一塊芯片中，因此具有可靠性高、接口設計簡易、運行速度快、功耗低、性能價格比高的優(yōu)點。使用單片機的微機保護具有較強的針對性，系統(tǒng)結構緊湊，整體性能和可靠性高，但通用性、可擴展性相對較差。而且某些保護算法需要使用乘法、除法或者開平方運算，而早期的單片機不具備這些運算功能，通常需要使用軟件實現(xiàn)相應功能。此外，單片機的片內資源有限，實際應用時常常需要對其功能進行補充和外部擴展。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.1單片機

新型高性能單片機性能得到很大提高，運算能力也得到大大加強，出現(xiàn)了無須進行外部擴展的所謂總線不出芯片的新型微機保護。此保護采用了高集成度的16位單片機，其內部包含了124kEPROM，4kRAM，接近10個內部計數(shù)器、定時器與中斷口，2個全雙工的串行口，以及數(shù)個內部A/D轉換器。其高效豐富的指定系統(tǒng)使得編程及其應用既靈活又簡潔。高性能單片機包含了微機保護所需的各種硬件功能，使新型微機保護的電路設計異常簡單可靠。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.1單片機由于單片機價格低廉，因此，微機保護由最初的單CPU的硬件結構為主發(fā)展為多單片機構成的多CPU硬件結構為主。大量使用單片機的微機保護在電力系統(tǒng)中得到了成功的應用，也由于新型單片機的卓越性能，現(xiàn)階段使用單片機的微機保護仍將是我國微機保護的主流產(chǎn)品。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.2數(shù)字信號處理器

數(shù)字信號處理器(DSP)與目前通用的CPU不同，是一種為了達到快速數(shù)學運算而具有特殊結構的微處理器。DSP具有相當強大的處理能力，在相同的主頻率下，甚至比目前最先進的個人計算機快10～50倍?？焖俚闹噶钪芷?、哈佛結構、流水操作、專用的乘法器、特殊的指令，加上集成電路優(yōu)化設計，可以使DSP的指令周期達到200ns。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.2數(shù)字信號處理器DSP的突出特點是計算能力強、精度高、總線速度快、吞吐量大，尤其是采用專用硬件實現(xiàn)定點和浮點加乘(矩陣)運算，速度非?？?。極大地縮短了數(shù)字濾波、濾序和傅氏算法的計算時間，有助于保護動作速度的提高。目前，針對嵌入式應用的需求，DSP器件廠家在提高器件集成度、簡化系統(tǒng)設計的同時大幅度降低了價格，以期替代單片機(MCU)占領嵌入式應用市場，這為繼電保護廠家提高保護裝置性能，進行產(chǎn)品更新?lián)Q代提供了一個非常好的物質手段。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.2數(shù)字信號處理器較為理想的DSP器件有TI公司的TMS320C30/31/32和AD公司的ADSP210C60/622類32位浮點器件，其中TMS320C30有系統(tǒng)和外設2條總線，使運算和I/O可同時進行、互不影響。將數(shù)字信號處理器應用于微機繼電保護，極大地縮短了數(shù)字濾波、濾序和傅里葉變換算法的計算時間，不但可以完成數(shù)據(jù)采集、信號處理的功能，還可以完成以往主要由CPU完成的運算功能，甚至完成獨立的繼電保護功能。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.2數(shù)字信號處理器由于DSP的價格較高，影響了DSP在繼電保護領域的推廣應用。隨著數(shù)字信號處理器芯片和開發(fā)工具的價格下降，可以預期數(shù)字信號處理器將會在微機繼電保護裝置中發(fā)揮重要的作用。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.3

工控機

X86器件得益于Wintel體系在個人機領域的優(yōu)勢，為了占領嵌入式應用市場，Intel、AMD、國家半導體(NS)和ST等器件廠家均在386或486內核的基礎上，通過集成外圍器件和接口推出了一系列與PC軟硬件兼容的嵌入式處理器，如Intel386EX、AMD386/486E、ElanSC300、SC400系列，NS486SXF以及ST486等，國家半導體公司更是提出了“PConachip”的口號。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.3

工控機盡管這類器件在性能上較前兩者遜色(相同主頻而言)，然而由于可以利用PC豐富的開發(fā)環(huán)境、應用軟件和電路設計技術，因而一經(jīng)推出就得到了眾多工控機廠家的歡迎，并紛紛在其基礎上開發(fā)出ISA、STD、PC/104、VME、CompactPCI等總線工控主板(EPSON公司的主板僅為信用卡大小)，繼電器廠家也推出了基于Intel386EX的微機發(fā)電機組保護和錄波裝置。就微機保護對計算精度和速度的要求而言，比較合適的是集成了浮點協(xié)處理器的486DX及以上等級的微處理器及其對應的嵌入式芯片。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.3

工控機值得指出的是，英特爾多能奔騰、高能奔騰及奔騰兩代微處理器中除集成了浮點協(xié)處理器外，還增加了以整形數(shù)乘加運算為基礎的多媒體指令(MMX)，而AMD公司最近推出的K6?23DNow!中進一步擴展和增強了以浮點數(shù)乘加運算為基礎的圖形操作指令，靈活運用MMX和3DNow技術可以達到DSP器件同樣的效果。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.3

工控機利用Intel體系在個人計算機領域的優(yōu)勢，很多器件廠家都在386/486的基礎上，通過集成外圍器件和接口，推出了一系列與個人計算機軟硬件兼容的嵌入式處理器，例如Intel386EX，AMD386/486E等。由于可利用個人計算機豐富的開發(fā)手段、應用軟件和電路設計技術，很多工控機廠家紛紛在其基礎上開發(fā)出ISA，STD，PC/104等工控機。嵌入式處理器具有很多優(yōu)點。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.3

工控機例如，V40是一種高性能的、完全的靜態(tài)嵌入式8位微處理機芯片(相當于80188)。它集成了許多外圍器件，在軟件上完全與CPU兼容。386EX是Intel公司1994年推出的、適合于工業(yè)控制的32位高性能嵌入式CPU。它采用CMOS工藝和靜態(tài)器件設計，完全符合工業(yè)現(xiàn)場的低功耗、高可靠性、能夠在惡劣環(huán)境中使用的要求。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.3

工控機在我國對工控機的研究和開發(fā)較早，目前已經(jīng)形成了一套較為全面和完善的適合中國國情的各類工控機基本系統(tǒng)和功能模板體系，為我國工業(yè)過程的計算機控制打下了良好的基礎。在電力系統(tǒng)繼電保護與自動化產(chǎn)品中，也有較多的廠家選用了工控機。其中，以V40為基礎的STD工控機應用較為廣泛。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.3

工控機V40集成了許多外圍器件，在其內部集成了與8088/8086指令集完全兼容的CPU以及時鐘發(fā)生器(CG)、可編程等待邏輯發(fā)生器(WCU)，動態(tài)RAM刷新控制器(RCU)、定時/計數(shù)器(TCU)、中斷控制器(ICU)、DMA控制器(DAMU)、串行通信控制器(SCU)等多種外圍控制器。它與IBMPC/XT完全兼容，性能優(yōu)于IBMPC/XT。STD工控機模板還配置有128～256kEPROM，128～256kSRAM，1個串行通信接口RS-232C，1個并行通信接口，3個16位定時/計數(shù)器，8個中斷輸入，用戶中斷輸入接口，8MHz系統(tǒng)時鐘。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1.3

工控機V40STD工控機只是工控機中的低端產(chǎn)品。如果繼電保護算法對處理器的計算速度和精度有更高的要求，當然也可選用更高級別的工控機，例如，Intel公司的386EX，或ST公司的486PC。針對微機保護對計算精度和計算速度的要求，比較合適的是集成了浮點協(xié)處理器的486DX及以上等級的微處理器及其對應的嵌入式芯片。工控機比單片機有更高的計算速度和精度，更強的控制能力因此，往往應用于電力系統(tǒng)主設備的微機繼電保護裝置中。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1．4RISC器件

一般具有較高的主頻和很強的運算能力，由于其集成度和性能價格比的提高，不僅被應用于要求較高的計算環(huán)境，而且廣泛出現(xiàn)在各種投資類和消費類電子產(chǎn)品中，日本的一些電氣廠商如三菱、日立、東芝等，也都利用RISC器件開發(fā)其繼電保護產(chǎn)品。在這類器件中，日立公司SH-3系列中的7718(32位)和SH-4系列中的7750(64位)、IDT公司的79R3081(32位)和79640(64位)，以及IBM和Mrtorola的PowerPC系列，DECAlpha系列中的部分產(chǎn)品，由于兼有嵌入式設計和出眾的浮點計算能力，因而能夠較好地滿足微機保護的要求。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1．4RISC器件然而RISC器件由于主頻較高、系統(tǒng)設計和制造較單片機(MCU)復雜、開發(fā)工具有國內不普及等原因，目前還不易為繼電保護廠家所接受。隨著其在消費類電子產(chǎn)品和電信業(yè)中應用的日益普及，特別是隨著國內計算機和家電廠商對個人數(shù)字助理(PDA)的研制開發(fā)，RISC器件必然為更多的用戶所接受和熟悉，出現(xiàn)在微機保護裝置中將不過是時間問題。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢---處理器1．4RISC器件除上述4類器件外，由于可編程控制器(PLC)體積小、可靠性高、擴展性強，前端可帶電插拔等優(yōu)點，在工業(yè)自動化領域得到了廣泛應用，其中部分產(chǎn)品(如奧地利B&R公司的PCC)通過高速總線支持多個高性能CPU插件，內嵌實時多任務操作系統(tǒng)和多種通信協(xié)議并支持C語言編程。因此，用戶無需任何外部軟件支持即可完成應用軟件的編程、調試和固化。采用這種PLC作為機組保護裝置的硬件平臺既可簡化軟硬件開發(fā)工作，又提高了裝置的整體可靠性。其不足是價格較為昂貴，從而影響了其應用范圍。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢2.開發(fā)方式隨著高性能處理器在微機保護裝置中的采用，其開發(fā)方式與單片機時代相比有了很大的不同，其中最突出的一點是在操作系統(tǒng)支持下采用高級語言進行編程。對于X86器件而言，受益于Wintel體系的規(guī)模效應和豐富的軟件資源，用戶往往直接在MS?DOS操作系統(tǒng)支持下，采用編程、

編譯、調試集成環(huán)境進行開發(fā)。這種方式最大的優(yōu)點是節(jié)省了購置專用開發(fā)裝置軟硬件的費用以及開發(fā)人員的培訓時間，且在DOS支持下能夠生成漢化人機界面和報告，

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---開發(fā)方式由于是商用機的開發(fā)技術，因而必然存在著以下不足：(1)僅支持X86器件且硬件平臺需與PC兼容；(2)DOS不支持多任務、多線程，對內存的管理和安全機制均有局限性，要由開發(fā)人員自己考慮所有可能發(fā)生的問題并加以解決，增加了開發(fā)的難度和周期；(3)DOS環(huán)境中，用戶程序需調入內存才能運行，不僅增加了硬件開銷，同時也推遲了保護功能的投入；(4)集成環(huán)境無法對硬件系統(tǒng)進行調試。

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---開發(fā)方式隨著商用微機操作系統(tǒng)由DOS向32位的Windows95和NT過渡，一些第三方廠家(如PharLap)以WindowsNT的內核和Win32API為基礎推出了適應于嵌入式應用的32位實時操作系統(tǒng)及開發(fā)工具，有效地提供了搶先式多任務和事件驅動機制并增強了內存管理和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢

---開發(fā)方式隨著PDA的興起，Windows95/NT的袖珍版WindowsCE在嵌入式應用領域也有了更高的市場占有率。相比前者，其能夠支持更多的器件種類，硬件平臺也不要求與PC兼容，因而具有更強的適應能力。然而對于上述(3)、(4)2點，不僅沒有改進反而進一步增加了硬件開銷和引導時間。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢

---開發(fā)方式與上述借用商用操作系統(tǒng)和集成環(huán)境的開發(fā)方式相對應，許多實時操作系統(tǒng)專業(yè)廠家為嵌入式應用推出了多種實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)，如QNX、PSOS、Nuleus、VRTX、VxWork等，不僅代碼緊湊、對硬件資源占用少，而且與用戶程序一同固化到EPROM或閃存中就地運行，無需加載至內存。此外，由于這類RTOS專門針對了工業(yè)(軍事)應用的需要，而不是從商用操作系統(tǒng)改良而來，因而具有更強的任務切換和線程通信機能，實時性和穩(wěn)定性很強且支持多種微處理器及嵌入式控制器(包括DSP)，在開發(fā)或仿真系統(tǒng)支持下，可對硬件系統(tǒng)進行調試(甚至是多CPU或DSP系統(tǒng))和實時仿真。當然，這種開發(fā)方式也存在需專門購置RTOS和開發(fā)工具，以及需培訓開發(fā)人員等不足。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢

---開發(fā)方式針對以上兩者的不足，同時也是得益于處理器尋址空間的擴大，代碼駐留或就地運行技術(XIP)得到了越來越多工控廠家的支持。該技術仍然基于ROM?DOS和X86平臺，然而與第1種開發(fā)方式相比，電子盤位于其尋址空間的高端，并可在保護模式下直接尋址而不是通過I/O或頁面方式訪問。因此，用戶程序可用文件方式固化到閃存電子盤中，上電運行后，CPU進入保護模式并直接跳轉到用戶程序處運行，不用再將其加載到內存空間，這種方式既利用了DOS環(huán)境豐富的資源，又節(jié)省了內存空間。此外，由于代碼和數(shù)據(jù)分別在尋址空間的高端和低端，因而系統(tǒng)具有更好的安全性。不過，這種開發(fā)方式要求用戶程序在編譯連接時進行代碼、數(shù)據(jù)分離和代碼重新定位并以bin文件形式進行固化。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢

---開發(fā)方式在編程語言選擇方面，由于C/C++語言效率高、靈活、可移植性好，而得到了廣泛使用，但安全性較差是其最為致命的缺點；PL/M?86/386語言盡管效率、安全性好但缺乏靈活性，又僅針對X86芯片，因而使用不如C/C++廣泛。而兼有上述優(yōu)點的Ada95語言在安全、高效、靈活、可移植性好的基礎上又增加了對面向對象程序設計的完全支持，并提供了更加有效的實時、分布式和并行程序的設計環(huán)境，已成為軍事嵌入式應用的主流語言并正向工業(yè)領域擴展。采用Ada95開發(fā)微機保護軟件將有助于進一步提高代碼質量、可維護性和可移植性。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢

---開發(fā)方式此外，利用OOP技術將各種保護算法和判據(jù)編制成“標準元件”，并根據(jù)保護方案中各判據(jù)的邏輯關系將其“組態(tài)”(如SEL公司的SEL-321-5，ABB公司的REG216中已采用這種技術)，將極大地提高微機保護裝置的開發(fā)效率和質量。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢4.其它相關問題4.1存儲空間微機保護裝置的存儲空間一般由5部分組成：

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---存儲空間(1)操作系統(tǒng)和用戶應用程序的駐留(固化)空間。對于ROM?DOS支持下的X86平臺而言，該部分空間多以電子盤的形式存在，而用戶程序亦以DOS文件方式固化在高速EPROM或閃存中，只是逐漸采用XIP就地運行方式取代了加載至內存運行。這部分存儲空間必需直接位于CPU的尋址范圍內(對高檔X86芯片而言，是在保護模式下的高端尋址空間)。

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---存儲空間(2)暫存系統(tǒng)參數(shù)、運算數(shù)據(jù)和中間結果的內存空間。當采用XIP技術后，這部分空間可大為減小。如果裝置直接采用PC內存條，那么最好支持ECC功能以進一步提高系統(tǒng)的容錯能力。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢

---存儲空間(3)整定值的存儲空間。由于整定值在微機保護中占有特別重要的地位，因而對這部分存儲空間有著特殊的要求：①由于整定值的重要性，因此必須保存在本質性的非易失性存儲介質中，而單獨的NVSRAM不能滿足上述要求；

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---存儲空間②由于每一整定項都要求可單獨訪問，而目前的閃存芯片必需以頁或扇區(qū)方式訪問，因此E2PROM較閃存更適合整定值的保存；③由于E2PROM的寫入速度很慢，因此不支持DOS環(huán)境下數(shù)據(jù)文件中的浮點數(shù)分字節(jié)快速連續(xù)寫入，因而整定值不應以DOS文件方式保存在E2PROM中。此外，SRAM與E2PROM組合型器件的出現(xiàn)使整定值可以數(shù)據(jù)文件方式保存在電子盤中，但必須在對盤進行寫操作后將整個數(shù)據(jù)文件從器件的SRAM區(qū)寫回E2PROM中保存，對閃存電子盤而言，也至少須將對應扇區(qū)重寫；

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---存儲空間④E2PROM有串行和并行兩種，并行E2PROM訪問方便，但占用一定的地址空間且被誤操作的可能性亦多些；串行E2PROM通過串行通信總線或I/O口線訪問，不占用地址空間且安全性亦較并行E2PROM要好，但訪問不如后者便利；⑤為了提高E2PROM中數(shù)據(jù)的安全性，可設置寫保護或將其安排在X86器件保護模式尋址空間的中端，與高端程序代碼和低端的數(shù)據(jù)空間有足夠的間隔。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢

---存儲空間此外，還可在不同的地址空間或同一E2PROM中的不同區(qū)域設置多個鏡像的整定值塊，并定期進行整定值自檢。

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---存儲空間(4)各類報告的存儲空間。為了便于長期保存和閱讀，可將報告制成DOS文本文件格式，保存在基于NVSRAM器件的電子盤中，該盤以I/O方式訪問即可。(5)其它用途的存儲空間，如與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的雙口RAM等。這部分存儲空間應安排在常規(guī)內存的高端以免與低端的數(shù)據(jù)空間發(fā)生沖突。

微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢4.2數(shù)據(jù)采集微機保護裝置中數(shù)據(jù)采集的速度、精度以及動態(tài)范圍對其性能有著十分重要的影響。近年來，以ANN為代表的人工智能技術和小波分析等理論，以及瞬態(tài)保護概念等逐步引入繼電保護領域，這對采樣率提出了更高的要求?？梢赃x用多種不同的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中轉換速度、字長、以及CPU對數(shù)據(jù)的存取方法，是選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須考慮的問題。

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---數(shù)據(jù)采集由于采樣率的提高導致了采樣間隙的縮短，為了給CPU留出更多的時間進行數(shù)據(jù)預處理、起動計算和主保護計算，有必要大幅度壓縮數(shù)據(jù)采集本身的時間開銷。一種措施是增設專門的處理器，控制數(shù)據(jù)采集過程并進行預處理，然后將數(shù)據(jù)通過雙口RAM、FIFO等方式傳遞給主CPU進行保護計算。這種方式雖節(jié)省了主CPU的數(shù)據(jù)采集時間，但由于增設了采集處理器和相應的外圍電路與器件，使系統(tǒng)的開發(fā)、調試更為復雜。另一種方法是，采用高速轉換器件并減少CPU干預，以減少其數(shù)據(jù)采集時間。

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---數(shù)據(jù)采集要縮短數(shù)據(jù)采集的總時間

，必須采用高速S/H、MUX、BUF和ADC，以分別縮短外部采樣時間和通道切換與信號建立時間

；通過提高處理器的I/O速度或采用DMA來縮短采集數(shù)據(jù)讀取時間

；此外，增加ADC的數(shù)量也可減小數(shù)據(jù)采集的總時間

(由于機組保護所需的模擬信號較多，因此通過增加并行設置的A/D轉換器數(shù)來減小數(shù)據(jù)采集的總時間是一個非常有效的方法)。

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---數(shù)據(jù)采集為了進一步簡化電路設計和調試，一些半導體元件廠家將完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成到一塊芯片中，其能夠自動完成所有輸入通道的數(shù)據(jù)采集工作而無需CPU干預。這類器件以美國MAXIM公司的MAX125/6和AD公司的AD7874為代表，其中MAX125集成了兩組各4路輸入通道(4個采樣保持器)，具有14位分辨率和3μs的模數(shù)轉換時間；4×14位雙口RAM以及與多數(shù)DSP及16/32位微處理器兼容的并行接口，因此采用多片MAX125或AD7874并行工作，將會極大地提高微機保護裝置的數(shù)據(jù)采集能力，同時簡化了電路設計與調試。

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---數(shù)據(jù)采集4．2.1逐次逼近式A/D轉換器構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

早期的微機線路保護中，考慮到A/D轉換器價格昂貴，因此采用多個通道共用一個A/D轉換器的方案。每個通道各有一個采樣保持器，其采樣脈沖輸入端并聯(lián)后接到CPU插件上的定時器輸出端，以實現(xiàn)對各通道的同時采樣。模擬量多路轉換開關采用硬件電路控制記數(shù)自動進位切換通道號。為了節(jié)省CPU工作時間，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在變化完成后得到的數(shù)字輸出不需要經(jīng)過CPU控制，而經(jīng)DMA控制直接存入本插件的RAM中。在同一時刻采樣的全部通道轉換完成并存入RAM后，才由DMA請求中斷，由CPU作出相應的處理。第一代微機線路保護裝置中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的逐次逼近式A/D轉換器為AD574，字長12位，轉換速度20μs。DMA控制器為MC6844。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的芯片比較多，電路復雜，抗干擾性差，因此，在其改進型產(chǎn)品中使用了電壓頻率轉換原理的計數(shù)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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---數(shù)據(jù)采集4.2.2電壓頻率轉換原理的計數(shù)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

第二代微機線路保護VFC(電壓頻率轉換)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖及轉換特性見圖1(該系統(tǒng)中電壓頻率轉換采用AD654，光電耦合器采用快速光耦6N137)。為了提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集速度，每個模擬輸入通道都需要使用單獨的電壓頻率轉換/光耦合器，其輸出頻率信號送至可編程計數(shù)器8255進行頻率測量，在每個數(shù)據(jù)采集周期由CPU讀取可編程計數(shù)器的計數(shù)值，并進行標度變換以獲得實際的采樣值。主要優(yōu)點是，通過光電耦合器與CPU接口，因此抗干擾能力強；容易實現(xiàn)與多單片機系統(tǒng)的多CPU接口。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢

---數(shù)據(jù)采集微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢

---數(shù)據(jù)采集新型微機保護使用了高性能單片機，

其內部包含了接近10個計數(shù)器、

定時器，

與VFC系統(tǒng)配合，使得其硬件電路設計異常簡單可靠。但是，由于高性能單片機內部計數(shù)器、定時器數(shù)量有限，因此，模擬輸入通道數(shù)量不宜太多。這種類型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適宜于微機輸電線路保護。

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---數(shù)據(jù)采集4.2.3高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

近幾年來，以ANN為代表的人工智能技術和小波分析理論，以及行波保護、暫態(tài)保護等概念逐步引入繼電保護領域，對采樣速度提出了更高的要求。在變電站的母線保護、變壓器保護和發(fā)電機保護中，由于需要進行采樣的電流通道很多，對采樣速度也有比較高的要求。采樣率的提高導致了采樣間隔的縮短，從而留給CPU進行采樣數(shù)據(jù)預處理、保護啟動計算、主保護計算的時間大大縮短。因此，必須大大壓縮數(shù)據(jù)采集的時間。

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---數(shù)據(jù)采集保護裝置使用工控機時，通常采用工控機智能同步數(shù)據(jù)采集模板完成采樣(高速數(shù)據(jù)采集模板數(shù)據(jù)轉換速度可達20Mbit/s)，再將采樣數(shù)據(jù)通過雙口RAM，F(xiàn)IFO等方式傳送給主CPU進行處理，因此并不占用主CPU的處理時間。當保護裝置使用單片機時，目前使用的VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以滿足要求，必須對此單獨進行考慮。

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---數(shù)據(jù)采集為了進一步簡化電路設計與調試，一些半導體廠家將完整的數(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入通道的數(shù)據(jù)采集而無需CPU干預。例如，MAXIM公司的MAX125/126和AD公司的AD7874。MAX125/126集成了2組各4路輸入通道(4個采樣保持器)，14位分辨率和3μs的模數(shù)轉換時間，14位雙口RAM以及與大多數(shù)微處理器兼容的并行接口。采用這種專用數(shù)據(jù)采集芯片，將極大簡化單片機型微機保護裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計、生產(chǎn)、調試方式，大大提高其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力。微機保護裝置硬件及結構設計的發(fā)展趨勢4.3通信方式為了減輕微機保護裝置中微處理器的負擔，一般不由它單獨承擔人

機交互和文檔管理任務，而是通過通信接口與上層管理機或調試用微機交換，諸如整定值、采樣值報告、故障報告、硬件測試命令與結果，以及一些實時測量參數(shù)等信息。

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---通信方式目前常用的通信接口有RS-232(需光隔)、RS-422/485以及Bitbus、Arcnet、Lonworks、CAN、GPIB等工業(yè)局域網(wǎng)。由于后幾者利用硬件自動實現(xiàn)檢錯、糾錯、重發(fā)等差錯控制功能，因而在具有較高傳輸速率的同時也有效地降低了誤碼率。此外、通過提供用戶編程接口，極大地簡化了通信軟件的開發(fā)工作。在幾種工業(yè)局域網(wǎng)中，CAN的實現(xiàn)方式最為簡單，成本最低且作為無主網(wǎng)絡，增減結點也非常方便，因而非常適合在機組保護裝置中應用。微機保護裝置硬件及結構設