微机保护硬件系统

微机保护硬件系统（精选8篇）

微机保护硬件系统 篇1

0 引言

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,继电保护也已经迈向微机时代。一方面,微机保护装置早已突破常规保护的概念,向计算机化、网络化、智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化发展。大量微电子技术的应用使其在电磁干扰方面有明显的敏感性和脆弱性;另一方面,微机保护装置一般工作在电磁环境极为恶劣的变电站中,使位于开关场内的继电保护装置比主控室继电保护所遭受的电磁干扰更加强烈,因此研究微机保护装置的抗电磁干扰性能具有重要的意义,不少学者对此都作了深入探讨[1,2]。

1 电磁干扰源分析

保护设备位于变电站内,变电站的电磁干扰是非常强烈的。随着输电电压的提高,当开关进行运行操作或发生故障时,在空间内会产生更强的电磁场。而且,SF6开关和GIS(Gas-Insulated Substation,GIS)系统的使用也越来越普遍。由于SF6气体的去游离能力极强,当开关操作时,母线上会出现频率极高的快速暂态过电压,向空间辐射上升沿极陡的脉冲电磁场,成为频带很宽的更强烈的干扰源[3],其电磁环境极为恶劣,EMC问题就更加突出。具体地说,可能存在的电磁干扰有很多种,例如变电站内可能产生的电磁干扰如高压回路中操作隔离开关及断路器引起的电气暂态现象;高压回路中绝缘击穿或避雷器和火花间隙放电引起的电气暂态现象;高压装置产生的工频电场和磁场;接地系统中的短路电流引起的电位升;雷电引起的电气暂态现象;低压设备开合操作引起的快速瞬变干扰;静电放电;设施内部或外部的无线电发射装置产生的高频场;设施内部其他电气或电子设备产生的高频传导和辐射干扰;供电线路串来的低频传导干扰;核电磁脉冲(NEMP);地磁干扰等等。归纳起来,常见电磁现象的属性如表1所示。

由于电磁环境是非常复杂的,可以用三类现象来描述所有的电磁干扰。(1)低频现象(传导及辐射的,除静电放电以外);(2)高频现象(传导及辐射的,除静电放电以外);(3)静电放电现象(传导及辐射的)。表2列出了基本电磁干扰现象,其分类是相当广泛的,包罗了绝大多数的电磁现象。在对于一个给定的设备进行抗干扰分析时,需要按照设备所处的环境及固有特性来进行组合分析。

2 电磁兼容性与电磁干扰机理

2.1 电磁兼容性

电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)是研究在有限的空间、有限的时间及有限的频谱资源条件下,各种设备可以共存并不致引起性能降低的一门科学。电磁兼容定义为:“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。”从上述定义看,电磁兼容应包括:设备不受干扰的影响;设备不对周围的其他设备形成不能承受的干扰。电磁兼容涉及到以下问题:干扰源特性的研究,包括电磁干扰产生的机理、频域及时域的特性、抑制其发射强度的方法等;敏感设备的抗干扰性能;电磁干扰的特性,包括辐射和传导;电磁兼容的测量,包括测量设备、测量方法、数据处理方法以及测量结果的评价;系统内及系统间的电磁兼容性。电磁兼容的研究涉及自然界的电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)源及其模型的研究、EMI、EMC的测量及评估、实现EMC的技术及技巧,其内容包括:

(1)自然界及人为的电磁干扰源及其模型的研究:闪电及静电放电是两个自然界的电磁干扰源。

(2)EMI和EMC的测量:开阔场地的测量;辐射干扰的测量;传导干扰的测量;脉冲干扰的测量(静电放电、电快速瞬时变脉冲群、电浪涌)。

(3)实现EMC的技术及技巧:屏蔽;接地;绑接;滤波;适当的频率规划及实现;采用特殊设计的电缆及连接器来抑制干扰。

2.2 电磁干扰机理

形成电磁干扰必须同时具备三个因素:电磁干扰源;对此种类型的干扰能量敏感的接受器(敏感设备);将能量从干扰源耦合到敏感设备的媒质(耦合通道)。因此,抗干扰设计必须从两个方面着手:减小设备内部存在的射频能量(发射);减小进入设备内的射频能量(敏感度或抗扰度)。发射和干扰是通过辐射及传导途径传输。为了更深入地研究干扰途径,必须认识到传播途径包含多种传播方式。一般来说,干扰途径有:从干扰源到敏感设备的直接辐射;从干扰源将射频能量直接辐射到敏感设备的电源线或信号控制电缆;射频能量通过电源线、信号线及控制线,从干扰源辐射到敏感设备;射频能量通过公共电源线或公共信号/控制电缆。对于上述耦合途径,存在四种形式的耦合:传导、电磁场、磁场及电场。

电磁干扰与耦合方式有关。在装置的端口或敏感设备的回路上的作用形式可以分为共模干扰、差模干扰两种情形。差模干扰是串联于信号源之中的干扰;共模干扰是引起回路对地电位发生变化的干扰,即对地干扰。共模干扰可为直流,也可为交流,它是装置不正常工作的主要来源。通常认为差模信号携带有用的数据及信息;共模信号不含有任何有用的信息,是最主要的辐射源,对装置的EMC影响最大。共模电流的幅度一般比差模电流小,但它却能产生非常高的辐射电场。差模电流的辐射发射可以被削弱,但是绝对无法消除,因为两个传输途径不可能绝对一致。此时共模电流的发射也随之产生。有许多因素,如距导电面的距离、结构的对称性等都会产生共模电流。非常小的共模电流产生的RF发射能量将与非常大的差模电流RF能量相当,并且共模电流在RF回流路径中不可能被取消。

应当注意:印制板PCB上的共模电流,与差模电流相比,是很难预测的。共模电流的返回通路常常是经杂散电容(位移电流)至其他相邻物体。因此一个完整的预测方案必须详细考虑PCB和其外壳的机械结构以及对地和对其他设备的接近程度。削弱共模干扰的主要方法有:浮空隔离技术;双层屏蔽技术;系统一点接地;低阻抗匹配传输、电流传输代替电压传输;采用隔离变压器;采用光电耦合器等。

当两个信号线都有差分阻抗,就存在差模电流与共模电流的转换。这些阻抗在射频下主要是由于杂散电容及杂散电感产生。在印制板布置时,一定要使装置的杂散电容及杂散电感最小,以阻止差模、共模电流的产生。由于需要平衡的电压及参考地,对于存在高频信号的电路一定要平衡设计,使每个导体上的杂散电容保持一致,最大程度地降低射频辐射能量、减少对其他信号的影响及提高抗扰度。

3 数字电路在干扰下的行为及其影响因素分析

大多数微控制器(MCU)采用CMOS技术。由于这些器件的同步特性,时钟信号电平的差异可能引起误动作。所有的CMOS设备都有一个噪声阀值,当超过该值时,将产生错误。元器件在干扰作用下被破坏的形式如下:(1)干扰功率过大造成半导体器件PN结点熔化或者烧毁;(2)电压过高,使半导体器件厚度仅为微米级的氧化膜绝缘层击穿而损坏;(3)电流过大使半导体器件的镀敷金属烧毁;(4)出现幅度过大的尖峰电压,使半导体器件处于不能自动恢复至正常状态,造成电路“死机”,切断电源后尚可恢复正常。由于半导体器件的损坏存在累计过程,所以任何不良的影响均会由潜伏性损坏导致永久性损坏。而器件的损坏会带来额定电压下降、性能降低、计算机数据丢失、误动作、拒动作等不良后果。电磁干扰导致电子设备失效的最根本原因在于电子元器件在电磁干扰能量作用下的破坏,其脉冲能量及元器件失效能量如表3和表4所示。

从装置系统级EMC考虑,在EMC研究中应考虑以下几点[4]:(1)频率,研究问题的频谱。(2)幅值,干扰源的电平多强?引起有害干扰的最大电势是多大?(3)时间,研究的问题是连续信号或者仅在操作间隔内出现?(4)阻抗,干扰源、敏感设备的阻抗以及传输途径的阻抗。(5)物理尺寸,设备能够引起发射的物理尺寸。当装置产生EMI问题时,依照上述特性分析问题是非常有益的。此外根据“Norton等效定理”得到的Norton网络,EMI问题都可以迎刃而解。

4 微机保护硬件系统抑制干扰的策略

通常抑制干扰的措施包括:积极防范电磁干扰的措施,即抑制干扰源;消极防电磁干扰措施,即阻断干扰途径;预防性抑制电磁干扰的措施,即降低受干扰装置的噪声敏感度。在研究系统级EMC问题时应当注意:不使用不当的抑制干扰措施;电缆及接插件(连接器)的错误设计、实施及接地处理;错误的印制板(PCB)布置。具体地说,也就是抑制干扰的措施与时钟和周期信号的布线、印制板的布局及信号的布置、选择高频谱能量分布的元器件、共模、差模滤波器、接地处理和不充分的旁路、退耦电容有关系。为了克服上述缺陷,可采用屏蔽、密封、接地、滤波、解耦、正确布线、隔离、电路阻抗控制等措施。

4.1 布局与布线

布局与布线的好坏对PCB的电磁兼容性影响是非常大的,所以在布局与布线前就应考虑到电磁兼容性问题。数字电路、模拟电路以及电源电路的元件的布局和布线特点各不相同,它们产生的干扰以及抑制措施也不相同。所以在元件布局时,应将数字电路、模拟电路以及电源电路分别放置,将高频电路与低频电路分开。在条件允许的情况下应使之各自隔离或单独做成一块电路板。此外,布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向、途径等问题。时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声,要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。

电路元件和信号通路的布局必须最大限度地减少无用信号的相互耦合:低电平信号不能靠近高电平信号和无滤波的电源线;将低电平的模拟电路和数字电路分开,避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合;高、中、低速逻辑电路在PCB上要用不同区域;安排电路时要使得信号线长度最小;保证相邻板之间、同一板相邻层之间、同一层面相邻布线之间不能有过长的平行信号线;EMI滤波器要尽可能靠近EMI源,并放在同一块线路板上;DC/DC变换器、开关元件和整流器尽可能靠近变压器放置,使导线长度最小;尽可能靠近整流二极管放置调压元件和滤波电容器;将印刷电路板按频率和电流开关特性分区,噪声元件与非噪声元件要距离远一些;对噪声敏感的布线不要与大电流,高速开关线平行[5]。在布线时,要注意:

(1)45°角的路径:与过孔相似,应该避免直角的转弯路径,因为它在内部的边缘能产生集中的电场。该场能耦合较强噪声到相邻路径。因此,当转动路径时全部的直角路径应该采用45°。

(2)短截线:会产生反射,同时也潜在增加天线辐射的可能。虽然短截线长度可能不是任何系统已知信号波长的1/4整数,但是附带的辐射可能在短截线上产生振荡。因此,避免在传送高频率和敏感的信号路径上使用短截线。

(3)不变的路径宽度:信号路径的宽度从驱动到负载应该是常数。改变路径宽度时路径阻抗会产生改变,从而产生反射和造成线路阻抗不平衡。

(4)树型信号线排列:虽然树型排列适用于多个PCB印刷线路板的地线连接,但它带有可能产生多个短截线的信号路径。因此,应尽量避免用树型排列高速和敏感的信号线。

(5)辐射型信号线排列:辐射型信号排列通常有最短的路径,以及产生从源点到接收器的最小延迟,但是这也能产生反射和辐射干扰,所以应避免用辐射型排列高速和敏感信号线。

(6)过孔密度:经过电源和地层的过孔过于密集会在接近过孔的地方产生局部化的阻抗差异。这个区域不仅成为信号活动的“热点”,而且电源在这点是高阻,影响射频电流传递。

(7)接地敷铜区:所有的敷铜区应该被连接到地,否则,这些大的敷铜区能充当辐射天线。

(8)最小化环面积:保持信号路径和它的地返回线紧靠在一起将有助于最小化地环,因而,也避免了潜在的天线环。对于高速单端信号,有时如果信号路径没有沿着低阻的地层走,地线回路必须沿着信号路径流动来布置。

(9)其他布线策略:采用平行走线可以减少导线电感,但导线之间的互感和分布电容会增加,如果布局允许,电源线和地线最好采用井字形网状布线结构,具体做法是印刷板的一面横向布线,另一面纵向布线,然后在交叉孔处用金属孔相连。

4.2 接地设计

在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在PCB板的地线设计中,接地技术既应用于多层PCB,也应用于单层PCB。接地技术的目标是最小化接地阻抗,从而减少从电路返回到电源之间的接地回路电势。

(1)正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中,信号的工作频率小于1 MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用单点接地。当信号工作频率大于10 MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10 MHz时,如果采用单点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地。高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗,高频元件周围尽量布置栅格状大面积接地铜箔。

(2)将数字电路与模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路又有模拟电路,应尽量使它们分开,两者的地线不要相混,应分别与电源端地线相连。要尽量加大模拟电路的接地面积。

(3)接地线应尽量短而粗。因为导体电感与其直径对应成反比,而与其长度成正比,若接地线用很细的线条,导线电感增大,接地电位会随电流的变化而变化,致使电子设备的定时电平信号不稳,抗噪声能力变弱。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于印刷线路板的允许电流。

(4)将接地线构成闭环路。在设计只由数字电路组成的地线系统时,将接地线作成闭环路可以明显地提高PCB抗噪声能力。因为当印刷线路板上继承电路元件比较多时,耗电量比较大,受接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地构成环路,则能减小电位差值,提高PCB的抗噪声能力。

(5)当采用多层线路板设计时,可将其中一层作为接地层,这样可以减少接地阻抗,同时又起到屏蔽作用。设计中常在印刷板周边布一圈的地线,也是起同样的作用。

(6)在多层板的设计中,应把电源面和接地面尽可能近地放置在相邻层中,因为电源面和接地面间的绝缘薄层可以产生PCB电容。在单层板中,电源线和地线的平行布放也存在这种电容效应。PCB电容的一个优点是它具有非常高的频率响应和均匀地分布在整个面或整条线上的低串联电感,它等效于一个均匀分布在整个板上的去耦电容。

(7)布放高速电路和元件时应使其接近地面,而低速电路和元件应使其接近电源面。

(8)当电路需要不只一个电源供给时,应采用接地将每个电源分离开。

5 结束语

抗电磁干扰问题是很复杂的,在硬件系统设计中考虑问题稍有不慎,就有可能给微机保护系统留下先天性的故障隐患。随着继电保护装置的更新换代,电磁兼容问题变得尤为突出,因此结合工程实践对微机继电保护装置的抗电磁干扰性能展开研究,针对可能产生的电磁干扰提出抑制相应的抗电磁干扰措施是有工程参考意义的。

参考文献

[1]黄益庄.变电站智能电子设备的电磁兼容技术[J].电力系统保护与控制,2008,36(15):6-9.HUANG Yi-zhuang.EMC technology for IED in substations[J].Power System Protection and Control,2008,36(15):6-9.

[2]黄海,张辉,华栋.变电站内的电磁干扰及电磁兼容问题[J].电力建设,2002(2):32-33.HUANG Hai,ZHANG Hui,HUA Dong.Problems of electromagnetic interference and compatibility within substations[J].Electric Power Construction,2002(2):32-33.

[3]杨吟梅.变电站内电磁兼容问题——有关的基本概念[J].电网技术,1997,21(2):61-69.YANG Yin-mei.Problems of compatibility within substations about basic concepts[J].Power System Technology,1997,21(2):61-69.

[4]Designing for electromagnetic compatibility(EMC)with HCMOS microcontrollers[M].Motorola Inc,2000.

[5]顾海洲.马双武.PCB电磁兼容技术——设计实践[M].北京:清华大学出版社,2004.

微机保护硬件系统 篇2

【关键词】职业能力；继电与微机保护；课程标准

教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中指出：高职学院应建立突出职业能力培养的课程标准，规范课程教学的基本要求，提高教学质量。课程标准是规定某一学科的课程性质、课程目标、内容目标、实施建议的教学指导性文件。课程标准与教学大纲相比，在课程的基本理念、课程目标、课程实施建议等几部分阐述的详细、明确，特别是提出了面向全体学生的学习基本要求。

“电力系统继电与微机保护”课程，我校一直采用教学大纲来指导教学工作。虽然知识目标要求比较明确，但对职业岗位要求的技能、职业素质等方面却没有明确的要求，不适应现代职业教育的基本理念。根据教育部规定，响应学校号召，围绕继电保护岗位（群）职业能力要求，对“电力系统继电与微机保护”课程标准进行开发与研究，对提高教学质量、培养学生职业能力具有重要意义。

一、课程标准制定的指导思想

“电力系统继电与微机保护”课程是电气自动化专业必修的核心课程。学生毕业后的就业岗位主要是在电力生产及用电单位生产第一线，从事继电与微机保护的运行、维护、调试等技术工作。根据电气自动化专业培养目标，明确“电力系统继电与微机保护”课程目标及其在专业培养中的地位与作用，通过对职业岗位群调研，以岗位职业能力需求为导向、以企业需要为指针，以提高学生职业能力为目标，以典型工作任务分析为依据，以真实工作任务为载体，以行业企业共建教学环境为条件，校企合作，培养学生的职业能力和就业竞争力，形成以学生为中心、教师引导、理论-实践-应用一体化的工学结合教学模式。革新高职教育理念，开发“电力系统继电与微机保护”课程标准。

二、课程标准构建的各个要素

通过对国家职业标准、职业岗位（群）人才能力结构、典型工作任务以及相关构建职业标准要素逐一研究，构建包括课程的性质、课程的基本思路、课程目标、教学内容、实施建议等课程标准基本要素。

1.课程的性质

本课程是依据电气自动化专业人才培养目标和相关职业岗位（群）的能力要求而设置的，是一门理论与实践并重的专业课，对本专业所面向的继电与微机保护运行维护岗位所需的知识、技能、素质目标起支撑作用。通过该课程的学习，使学生明确继电与微机保护工作对电力系统安全运行意义重大，着重培养学生从事继电与微机保护的职业能力，达到从事相关岗位（群）所必备的专业知识和技能。

2.课程的基本思路

（1）突出职业技能培养。强化能力培养，是高等职业教育对学生培养目标的核心要求，在夯实学生文化知识底蕴的基础上，应重点关注职业实践能力、开拓创新能力、社会适应能力的培养和提高。结合国家职业标准及行业职业技能鉴定要求，根据岗位典型工作任务选择相关知识点、技能点来组织课程内容，构建突出职业技能培养的课程模式。

（2）构建知识、技能、素质全面发展的高技能人才培养模式。高技能人才是指能“适应生产、建设、管理、服务第一线需要的，德智体美全面发展的高等技术应用型人才”，相应的教学模式应以就业为导向，实现以知识传授为主的教学模式，转向知识、技能、态度并重，“教、学、做”一体化的教学模式，并将职业道德、爱岗敬业精神、团队协作精神等素质教育贯穿到教学活动的各个环节。

（3）构建与“能力本位”相适应的评价体系。重视学习过程，重视实际操作技能，重视学生分析问题和解决问题的能力，重视技能鉴定标准，将这些方面综合来构建评价体系。

3.课程目标

课程目标分为知识目标、技能目标、职业素质养成目标三个方面的要求。

（1）知识目标：了解继电保护装置常用基础元件；学会常用基础元件的的整定、接线、调试技术；掌握电力系统输电线路和电气元件保护的基本原理、配置及整定计算原则和解决继电保护问题的基本方法和基本技能，了解微机保护的实现方法。

（2）技能目标：正确使用常见的与继电保护有关的仪器和仪表，能看懂各种保护装置的原理图、二次展开图、简单的安装图，并能检查其回路接线的正确性，获得电力系统生产一线的二次安装、调试、运行、维护的能力。

（3）职业素质养成目标：获取新知识、独立学习的能力；制定、实施工作计划、检查与评价的工作能力；运用所学知识分析问题、解决问题的决策能力；敬业爱岗、认真细致、勇于创新、团队协作等社会能力。

4.教学内容

对继电与微机保护课程教学内容进行整合，实现理论与实践统一，将教学内容分为课程基础模块、基本技能模块、设计应用模块、综合技能模块。课程基础模块解决电力系统继电保护的理论认知问题；基本技能模块解决继电保护技术在电力系统网络、元件中的设置、配合问题；设计应用模块解决电力系统在运行过程中继电保护与现代技术应用的方式方法问题，学生将按照操作工艺与规程，实际安装保护屏、控制屏，模拟学习现场故障诊断和排除方法；综合技能模块使学生较全面地掌握现代控制系统的综合应用技术，培养学生综合应用能力。

5.实施建议

实施建议包括教学组织、教学评价、教材选用、教学资源开发、教学团队建设、教学环境要求等六个方面。实施建议强调改变传统的以“教师为主、按教材章节顺序进行”的教学方式，采用以“学生为主、按项目内容任务驱动”的教学方式，以岗位需求为指导，以培养职业能力为本位，引导学生在实践中学会学习，改进教学方法，充分利用现代教育技术，运用多种教学手段，跟踪继电保护新技术的发展，并及时引入课堂。

三、课程标准实施的实践体会

围绕突出职业能力培养要求，课题组经过讨论、研究制定出相应的课程标准初稿并请有关专家、教师审定、修改，在电气自动化专业1211级试行。

为达到课程标准制定目标，笔者认为实践教学条件、师资力量、评价工作落实至关重要。

校内外实践教学基础建设是课程标准能否顺利实施的硬件条件，学校与长炼机电公司等企业合作，建立了3个职业技能强、高新技术应用广、对学生毕业后顶岗工作确有帮助的教学实训基地，安排学生到教学实践基地进行教学活动，由学院聘请企业兼职教师现场教学，收到很好的教学效果。

在校外实践教学基础上，要新建微机保护实验系统，自动装置实验系统和变电站仿真系统等，实验实训系统所采用的设备与电力系统实际生产运行的设备型号一致，为学生提供真实的工作场景，使他们走上工作岗位后很快能进入角色。

师资力量、教学团队建设是课程标准能否顺利实施的关键条件。从事本课程的教师应该经常深入电力企业进行培训锻炼，了解行业的发展，及时掌握新设备、新技术；要具有丰富的教学、工程实践经，这样才能为课程标准的实施提供知识和技术基础。

搞好课程评价工作是课程标准能否顺利实施的保障条件，要采取多元化的考核评价方法，要重视学习过程的考核、实践考核、综合能力考核。

通过对岗位高技能人才必须掌握的专业知识、技能的分析，结合国家职业技能鉴定标准，研究制定“电力系统继电与微机保护”课程标准，规范课程教学的基本要求，实现以知识传授为主的教学模式转向知识、技能、职业素质并重的突出职业能力培养的教学模式。

微机保护硬件系统 篇3

继电保护新原理的应用有赖于硬件性能的进一步提高,暂态量保护、间断角涌流闭锁和CT饱和的准确判断都有需要较高的采样速率,势必出现运算复杂度与数据实时处理之间的矛盾。解决这一矛盾要么寻找更优的算法,要么开发高性能的微机保护新硬件平台。微机保护处于强电磁干扰环境下工作,要求有高性能的基础硬件保证微机保护装置的可靠性和可信赖性。实现微机保护的硬件平台化不仅可以减少新产品开发的重复工作,而且有效降低了硬件生产成本和维护费用。结合微机保护通用硬件平台的基本要求和发展方向(即:模块化,开放性,通用性,灵活性,可扩展性和高可靠性),开发具有一定先进性的微机保护硬件平台有极其重要的现实意义。

1 微机保护硬件平台设计的一般问题

1.1 硬件平台通用架构模式

微机保护历经三十年的发展,硬件构架模式不断创新,出现了各种各具特色的构架模式,目前广泛采用的有以下几种:多MCU模式;单MCU(或DSP)模式;MCU+FPGA模式;MCU+DSP模式。

在微机保护发展初期由于单个MCU的处理能力有限,为了实现成套保护的复杂功能采用了多MCU模式,将保护功能分散成相对独立的功能模块(如高频、距离、零序、重合闸等),每个功能模块由单个MCU完成。随着微处理器处理能力的提高,使单片MCU(DSP)完成复杂保护功能成为可能,简化了硬件设计,在一定程度上提高了可靠性,并具有成本优势。随着可编程逻辑器件的发展,FPGA越来越多地用在了微机保护的开发中[1],起初仅用于扩展微处理器的控制逻辑,后来将数字滤波模块以IP核的形式封装到FPGA中[2],这种MCU+FPGA模式可极大提高系统的数据处理性能。为了能同时利用DSP的数据计算能力和MCU的控制和通信功能,将二者充分结合优势互补的MCU+DSP模式将成为目前乃至今后一段时间内的微机保护主流构架模式[3]。

1.2 多处理器之间数据交互方式

对于MCU+DSP模式而言,多个处理器之间协同工作必须要解决好数据交互的问题,目前使用的交互方式,主要有:串口通信;通过CAN、Lonworks等现场总线通信;利用双口RAM进行数据交互;多DSP构架下的CPCI总线数据交互。

微处理器间的串口通信是最简单的通信方式也是早期应用最广泛的,但是其缺点显而易见,速度慢,不适于大量数据的交互,应用越来越少[4]。虽然现场总线应用在间隔层与站控层之间通信的场合越来越少,但是作为微机保护内部多处理器间的通信方式应用还是很广泛的,其优点是传输速度快,抗干扰能力强。应用双口RAM进行数据交互也是较为常见的方式[4],可以实现高速的数据交换,而控制模式较现场总线简单;利用CPCI总线的数据交换方式是最近出现的高端硬件平台的尝试,其运行性能和可靠性还有待于实践检验[5]。

2 新型微机保护硬件平台设计方案

2.1 设计概述

设计实现了新型MCU+DSP架构模式的微机保护通用硬件平台。整体结构见图1。新硬件平台的功能特点如下:(1)可以实现MCU+DSP的多处理并行工作,在单个DSP模块不能达到所需性能要求时,可以灵活配置多个DSP模块;(2)多处理器之间的数据交换通过主控MCU与各DSP的HPI接口实现,简化了硬件设计;(3)实现了3路以太网接口,既提供冗余双以太网对外通信信道又可满足保护信息传输子网单独组网的要求;(4)运算能力极大提高,I/O控制模块极大丰富并可根据需求灵活配置;(5)模拟量采集的前向调理电路采用全差分输入更好地抑制共模干扰。

2.2 MCU模块设计

MCU模块的详细框图见图2,主要完成管理和通信功能,选用Freescale公司的32位Cold Fire系列微处理器MCF5272作为主处理器芯片,内核总线频率可达66 MHz,外围接口十分丰富,集成了快速以太网控制器,通用串口控制器,USB接口控制器及SPI总线控制器等部件,为完成复杂的控制功能和快速以太网通信功能提供了硬件保证。本模块外扩了大容量的FLASH用于存放程序代码和形成Vx Works操作系统下的文件系统,方便通过网络访问装置存储器中的内容;SDRAM芯片用于程序运行空间,上电启动时将程序代码拷贝到SDRAM中运行;SRAM芯片用于存放掉电保持的记录,例如保护事项、运行记录、自检事项、录波数据等;EEPROM用于存放通道校准系数。通过FPGA对接收到的IRIG-B码进行解码,实现全站GPS对时。人机交互模块包括液晶显示和键盘操作两个部分。

MCF5272自带了一路自适应快速以太网控制器,另外增加了两片AX88796以太网控制器,构成独立的3路以太网结构。通过使用以太网物理层芯片LXT971A,实现了物理层双绞线接口和光纤接口的自适应。其中前2路以太网可以实现与站控层通信控制器的冗余网络联接,第3路以太网可以单独组网构成故障信息传输专网。

2.3 DSP模块设计

TMS320C6713数字信号处理器在电力系统自动化设备中已有成功应用案例,但作为微机保护的应用还不多见。该芯片是TI公司推出的面向中高端信号处理应用领域的浮点DSP,片内总线频率198 MHz,外部总线频率66 MHz,具备了大量适用于数字信号处理的优良特性,指令执行的8级流水线结构;两组共8个独立的功能单元每组包含1个乘法器和3个算术逻辑单元,可同时工作,并有交叉数据通路;256位宽的甚长指令字结构可同时取出8条32位宽的指令。

DSP模块的详细框图见图3,C6713的启动可以有多种形式,为了保持其工作的相对独立,将程序代码存放在独立的FLASH中,启动后将代码搬移到片内RAM中运行,所有软件代码都运行在片内RAM,经测试用C语言编写的24点全周傅立叶算法执行时间仅3µs,完全可以保证在每个采样间隔内处理完所有模拟量的计算和保护逻辑判断。外扩的SRAM用于存放掉电保持的记录和配置信息。

2.4 输入输出模块设计

作为数据采集系统的核心,A/D转换芯片采用TI公司的ADS8364,该芯片是独立6通道同步16位高速模数转换器,转换时间仅4µs,支持的最大信号频率250 k Hz,完全满足微机保护的高速高精度采样要求。

模拟信号前向调理电路的主要功能是将一次PT/CT输出的100 V/5 A信号通过小互感器转换为模拟电路可以处理的5 V电压信号,同时通过差分电阻网络将单端信号转化成差分信号,以利用ADS8364的全差分输入模式,这样具有更高的抗共模干扰能力。调理电路通过施密特触发器将正弦信号处理成同频方波,供给后级频率采集使用。为了适应不同保护对象的模拟量采集需求,模拟量模块具有多种选配方式,可灵活配置,增强微机保护硬件平台的通用性。

数字量输入经光电隔离可以适应110 V或220 V电平,SOE记录的时间分辨率可到1 ms。对于复杂的控制出口逻辑及闭锁功能利用FPGA实现,同时完成地址译码、频率采集、采样定时和GPS(IRIG-B)解码等工作,这样可以大大简化外围电路的设计,提高可靠性。出口控制采用编程校核模式,并由启动继电器开放电源,保证在干扰情况下可靠闭锁跳闸出口,防止保护装置的误动作,并可实现自检出错的自动闭锁。出口可灵活设置,方便了现场的各种应用要求。

2.5 数据交互设计

正如引言中所述,在多处理器构架的微机保护硬件平台中使用双口RAM进行数据交互应用非常广泛,但是双口RAM存在一些缺陷,采用双口RAM硬件设计数据线多,控制线复杂,需要占用大量的控制器件和I/O端口,并且高速双口RAM价格昂贵。双口RAM适用于大量的高速数据交互的场合,但是如果MCU和DSP的分工合理的话,可将二者的数据交互量减少,只保证最基本的保护定值、通道系数和各种事项的传递,这类数据的实时性要求不高,而传输的可靠性可以用CRC校验和软件措施保证。如果采取采样值直接交换的方式那么数据量巨大而且实时性和可靠性要求极高,这样并不利于模块内聚性提高和相互之间耦合性的降低。综合考虑,采用DSP的主机HPI接口进行数据交互。

HPI接口最大的特点就是硬件连接十分简单,可以使主处理器MCU像访问自己的一个外设一样方便地访问DSP的任何存储空间(包括片内RAM,EMIF接口等),且对该接口有主动控制权。在使用上,开辟专门的DSP片内RAM区作为数据交互缓存,使用软件实现访问的互斥功能,并保证MCU享有访问优先权。

HPI接口提供固定地址模式和自动增量模式进行交互,使用前首先将地址寄存器、控制寄存器初始化,进行数据交互时,根据采用的模式不同,先将地址寄存器写入访问地址,然后向数据寄存器写入数据即可完成,操作十分方便。

3 结语

微机保护的硬件平台建设是一项极具挑战性的工作,既要保证实用性和可靠性,又需要有一定的前瞻性,同时还要兼顾成本约束。在总结现有硬件平台成功经验的基础上,综合考虑先进性、实用性、可靠性和成本因素设计了新型的多处理器构架的微机保护平台,在此硬件平台上已经成功开发完成线路距离保护和变压器成套保护装置。

参考文献

[1]成敬周,张举,康怡,等.基于可编程芯片及数字信号处理器的微机保护硬件平台设计方案[J].电气应用,2004,27(10):78-82.CHENG Jing-zhou,ZHANG Ju,KANG Yi,et al.PLD and DSP based hardware platform for digital protective relay[J].Electrotechnical Application,2004,27(10):78-82.

[2]张桂青,冯涛,王建华,等.基于片上系统的可配置微机保护硬件平台设计与实现[J].电力系统自动化,2003,27(10):81-84.ZHANG Gui-qing,FENG Tao,WANG Jian-hua,et al.Design and implementation of reconfigurable hardware platform based on SOC design for digital protective relay[J].Automation of Electric Power Systems,2003,27(10):81-84.

[3]樊江涛,陈剑云,韦宝泉.ARM处理器+DSP构架的微机馈线保护装置的研制[J].电力系统自动化,2005,29(2):77-80.FAN Jiang-tao,CHEN Jian-yun,WEI Bao-quan.Microcomputer-based feeder protection an ARM&DSP architecture[J].Automation of Electric Power Systems,2005,29(2):77-80.

[4]潘军军,尹项根,张哲.关于两种微机保护软硬件配置问题的探讨[J].继电器,2006,34(7):78-82.PAN Jun-jun,YIN Xiang-gen,ZHANG Zhe.Research on the hardware and software structure of two microprocessor-based protections[J].Relay,2006,34(7):78-82.

微机保护硬件系统 篇4

微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能。此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起下述的负面效应：(1) A/D转换的量化误差：模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。(2) D/A转换的滞后效应：经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。

随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。但微机数字控制系统的主要特点及其负面效应需要在系统分析中引起重视，并在系统设计中予以解决。

2. 微机数字控制系统硬件组成

2.1 数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种。

2.1.1 数模混合控制系统特点：转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器;电流调节器采用数字调节器;脉冲触发装置则采用模拟电路。

2.1.2 数字电路控制系统特点：除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成。

2.1.3 计算机控制系统在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能，即为计算机控制系统。系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制;全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测;采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。

2.2 微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构。

系统由以下部分组成：主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路。

2.2.1 主回路———微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE有两种方式：直流PWM功率变换器;晶闸管可控整流器。

2.2.2 检测回路———检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中：电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机;转速检测用数字测速。

2.2.2. 1 电流和电压检测———电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。

2.2.2. 2 转速检测有模拟和数字两种检测方法。

(1)模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，并且包含了转速的方向，在调速系统中(尤其在可逆系统中)，转速的方向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经A/D转换后得到的数字量送入微机。但偏移码不能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换为原码或补码，然后进行闭环控制。

(2)对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。

利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。

2.2.3 控制电路———数字控制器，数字控制器是系统的核心，可选用单片微机或数字信号处理器(DSP)比如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等专为电机控制设计的微处理器，本身都带有A/D转换器、通用I/O和通信接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。

2.2.4 系统给定———系统给定有两种方式。

2.2.4. 1 模拟给定：模拟给定是以模拟量表示的给定值，例如给定电位器的输出电压。模拟给定须经A/D转换为数字量，再参与运算。

2.2.4. 2 数字给定：数字给定是用数字量表示的给定值，可以是拨盘设定、键盘设定或采用通信方式由上位机直接发送。

2.2.5 键盘与显示电路。

微机数字控制器的控制对象是功率变换器，可以用开关量直接控制功率器件的通断，也可以用经D/A转换得到的模拟量去控制功率变换器。随着电机控制专用单片微机的产生，前者逐渐成为主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列单片微机可直接生成PWM驱动信号，经过放大环节控制功率器件，从而控制功率变换器的输出电压。

3. 微机数字控制系统软件组成

微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有：主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。

3.1 主程序———完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等功能。

3.2 初始化子程序———完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。

3.3 中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等，中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断。

直流调速系统的基本规律和设计方法，所有的调节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，便于学习，但大量计算太过繁琐。微机数字控制系统应用相应软件来实现算法非常方便。

4. 结语

传统直流调速控制方法主要体现在硬件电路和所用的器件上，因线路复杂、通用性差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。微机数字控制系统直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好、智能化和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。

摘要：以微处理器为核心的数字控制系统 (简称微机数字控制系统) 。其硬件电路的标准化程度高, 制作成本低, 不受器件温度漂移的影响, 其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算, 可以实现不同于一般线性调节的最优化、非线性、智能化等控制规律, 而且更改起来灵活方便。

关键词：微机数字控制,直流调速,PWM调速系统

参考文献

[1]宋家成.直流调速系统应用与维修.中国电力出版社, 2008.

[2]夏德黔.自动控制理论.北京机械工业出版社, 1990.

[3]章兼源.微机控制技术.北京电子工业出版社, 2003.

微机保护硬件系统 篇5

抗干扰措施主要是硬件抗干扰措施。指在硬件设计过程中, 系统不受外来信号干扰所采取的措施, 如“看门狗”电路, 不同信号地之间的广电隔离式信号传递技术、模拟“地”和数字“地”的分开处理技术, 干扰信号的硬件滤波技术、平衡信号传递技术, 控制机执行电路的物理隔离技术等。

1“看门狗”防死机技术

该技术广泛应用于工业控制领域内, 广播发射设备的微机控制系统也不例外。图1是系统原理的简易方框图。

“看门狗”电路说白了就是一个定时器电路, 一般有一个信号输入端 (用于“喂狗”信号的输入) 和一个信号输出 (用于复位信号的输出)

系统在正常工作时, 在一定的时间间隔之内向“看门狗”电路输出一个喂狗信号, “看门狗”电路“吃饱”后, 不输出系统复位信号;如果出现系统死机等现象, 系统停止向“看门狗”电路输出“喂狗”信号时, 由于看门狗电路得不到“喂食”, 向系统输出一个复位信号, 使系统复位, 恢复其正常工作。

2不同信号地之间的光电隔离式信号传输

由于系统设计要求, 在系统中经常遇到不同的电源地之间的信号传输, 为了避免不同信号地之间信号传输造成的干扰及元器件损坏, 必须用光电隔离器, 对不同地之间的信号进行物理隔离。

图2是一个数控无触点音频开关, 单片机输出的高电平时3、5 V, 它经过1 K电阻点亮光电耦合器的发光二极管, 使光电耦合器的光敏三极管饱和导通 (电压降为0.3 V) 左右;此时, 模拟切换开关4066CTRL端得到的电压接近于-8.7V, 断开音频输出, 单片机输出低电平时0 V是, 光电耦合器的发光二极管截止, 停止发光, 使光电耦合器的光敏三极管截止断开 (电压降为9 V) ;此时, 模拟切换开关4066CTRL端得到的电压接近于9 V, 接通音频输出 (音频幅度±9V之间) , 这样我们达到了不同地之间传递信号的目的, 又解决了触点式开关造成的干扰和数字“地”和模拟地分开的问题, 还防止了不同“地”之间串扰难题。

3 信号的平衡方式传输:

3.1 数字信号的平衡传输。

在发射机分布式控制系统中, 采集模块和工控机之间经常采用串行通讯方式进行通讯, 因采集模块和工控机之间的距离较远, 为了通讯不受电磁环境干扰, 采集模块和工控机之间采用平衡传输模式, 也就是RS-485传输模式, 因为此种传输模式中, 采用每一路信号对“地”平衡方式 (一正、一负) 3根线传输, 在传输过程中受到的干扰相互抵消, 接收端不产生干扰。

3.2 模拟信号的平衡传输

在实际控制过程中, 音频信号源和发射机的距离比较远, 音频信号非平衡方式传输的话, 在传输的过程中受到电磁波环境的影响, 产生很大的干扰, 影响播出质量。因此, 模拟信号也在传输过程中采用每一路信号对“地”平衡方式 (一正、一负) 3根线传输, 在传输过程中受到的干扰相互抵消, 接收端不产生干扰。

4 干扰信号的硬件滤波

在计算机控制系统中, 对频谱特性固定的电磁波干扰, 均采用特定频率硬件滤波的方式。这样做的优点是电路简单、效率高, 对干扰信号进行彻底的消除。

广播发射设备计算机控制系统的能否正常稳定运行取决于抗干扰措施的质量, 因此必须多方面考虑, 全方位做好系统的抗干扰措施。

摘要：广播发射设备计算机控制系统, 能否正常稳定运行取决于抗干扰的实施情况, 而广播发射设备在发射过程中自身就会产生较大的电磁波干扰信号, 因此必须多方面考虑, 全方位做好系统的抗干扰。

船舶选择性微机漏电保护系统 篇6

船舶电力系统由于工作环境恶劣,潮湿、振荡与盐腐蚀等因素易造成电力设备的绝缘降低,从而引起漏电故障。而船舶由于空间的限制,船员经常与各用电设备接触,漏电故障会危及船员安全;对于大型油船或LNG船,漏电故障更有可能引起火灾等安全事故[1]。所以,船舶漏电保护对船员的人身安全、船舶电力系统的可靠性及安全性有极其重要作用。

本文主要分析各种漏电保护原理在船舶电力系统中的应用情况。针对零序电流保护方案,提出基于馈电线路π形等效的电流时域补偿方法。仿真结果表明,与常规的稳态电流补偿相比,时域补偿拥有更好的保护性能。在零序电流时域补偿的基础上,研究了船舶漏电保护在微机中的实现,介绍了软硬件实现方案,新方案能为船舶电力提供具有选择性的漏电保护系统。

1 船舶电力系统漏电保护应用分析

1.1 概述

对于三相四线制的供电系统,可以用一个电流互感器测量三相线与中性线的电流和,形成漏电保护器。对于小电流接地系统,从原理上,漏电保护分为附加直流源检测保护原理、零序电压保护原理、零序电流及零序方向保护原理。另外,有学者提出基于自然直流的选择性漏电保护原理[2~6]。在上述保护原理中,只有零序电流、零序方向及自然直流具有选择性。

考虑到供电的安全性与可靠性,在船舶电力系统中,一般采用三相三线制、中性点不接地的供电方式[7,8],所以并不能应用三相四线制的漏电保护方案。另外,由于附加直流检测与自然直流都有人为接地点,对于安全性较高的大型船舶并不适合。再者,船舶母线/配电板处馈线出线较多,无选择性的漏电保护不能满足供电可靠性要求。所以,船舶电力系统中应该重点考虑零序电流及零序方向保护。

1.2 零序电流保护

如图1为典型船舶电力系统出线图,r和C为各支路对地导纳与电容。支路Nf发生接地故障后,系统各支路都会出现零序电流。故障支路的零序电流等于其它支路零序电流之和,根据零序电流的大小变化,可以形成零序电流保护。

对于零序电流保护,当母线出线支路分布电容分散性较大时,必须进行电流补偿以满足选择性[1]。文献[9]提出了一种较为实用的稳态电流补偿方法,但该法未能考虑故障发生后系统的暂态过程。本文提出一种新的微机漏电保护及电流补偿方法,由软件实现电流补偿,既能保证船舶的安全性,又能改善零序电流保护的性能。

2 电流时域补偿法

如图2为图1系统图经过支路π形等效后的故障零序网络图。C01=C02为线路对地零序电容,R0为线路零序电阻,L0为线路零序电感。根据零序网络图可得任意健全支路零序电流与零序电压的关系:

令补偿电流:

将式(2)离散化,令:

根据式(3)得到:

式中:u(k)、i(k)分别为故障发生后第k个采样点的零序电压和零序电流;T为继电器的采样时间间隔。

式(4)中有大量常数,而且采样时间间隔对于保护来说一般是固定的。所以微机保护中,式(4)可以存储成7个常系数,在程序运行计算时只需要进行简单的线性组合计算,计算量很小。值得注意的是式(4)基于瞬时值,所以补偿式应为:

利用式(5)得到动作值序列iop(k),再用傅氏算法可以得到其幅值,进而形成零序电流的保护判据。

3 仿真分析

利用PSCAD/EMTDC建立如图3所示仿真模型;系统电压等级为6.6 k V,电源中性点不接地。设置图3所示共七个故障点,每个故障点仿真单相接地和两相接地短路共6种故障,接地过渡电阻考虑0~35000Ω共计10种情况。考虑到船舶馈线支路分布电容分散性大,特设定三条分布电容有较大差异的支路,各支路零序π形等效参数如下:

仿真得到故障数据并进行数据处理,每个周波40点采样。比较零序电流保护、带稳态补偿的零序电流保护与基于时域补偿的零序电流保护三种方案在反向故障与正向故障时的保护动作情况。

表1为支路N1在F7点单相故障,即反方向故障时三种零序电流继电器不误动作的最小整定值(反向故障时继电器可能误动作,继电器的整定值须大于反向故障时可能出现的最大值),表2为支路N1在F1点单相故障,既正向故障时能动作的最大整定值(正向故障时,若要继电器动作,继电器的整定值须小于出现的最大值)。图4与图5为支路N3在反方向故障与正方向故障时三种零序电流保护动作值随过渡电阻的变化情况。

由表1的数据可以看出,反方向故障时,稳态补偿和时域补偿都能对动作电流进行相应补偿,防止继电器误动作。数据对比可以明显看出时域补偿比稳态补偿的效果更显著,可见时域补偿更能有效地防止反方向漏电故障时继电器误动,提高继电器的可靠性。

表2数据表明,正方向故障时,稳态补偿与时域补偿皆能大幅提高继电器的动作值。这对于继电器的动作十分有利,有效提高继电器的灵敏度。稳态补偿与时域补偿的数据对比可以看出,时域补偿的动作值略小。

对于零序电流继电器的选择性,最主要考虑的是背侧母线处故障时的动作情况,在图3所示系统图中即为F7点故障。表1和表2的数据对比表明,没有补偿的零序电流保护并不具有选择性。稳态补偿后选择性得到一定的满足,但是整定范围较小,灵敏度和可靠性都很低。对于时域补偿,其选择性是很明显的,并且整定范围更大,灵敏度和可靠性都能有很好的裕度。

图4和图5则是支路N3在反向故障与正向故障时三种保护方案的动作值。由图可见,支路N3的变化情况及补偿效果与支路N1基本相同,说明无论线路分布电容的大小,时域补偿皆有很好的效果。

图6是反向故障后第一周波内三种保护方案动作值随采样点的变化情况。从图可以看出,由于故障后暂态过程的影响,零序电流变化剧烈。稳态补偿后,由于补偿过程中并未计及暂态过程的影响,仍然存在两个波峰,易造成继电器误动。时域补偿可以将此暂态过程的电流波动很好补偿,使电流变化趋于平缓,能有效防止继电器的误动作。

从以上仿真分析可以得出如下结论:

1)零序电流保护在应用时须进行电流补偿;电流补偿后,不仅能降低反向故障时的动作值,还能提高正向故障时的动作值,保护的可靠性及灵敏度都有提高;

2)与稳态补偿相比,时域补偿能更好地抑制故障后暂态过程、提高保护的灵敏度与可靠性;

3)时域补偿对支路分布电容的分散性并不敏感,无论支路分布电容大小,都能有很好地补偿效果。

4 硬件装置与主程序流程图

如图7是微机选择性漏电保护装置硬件框图。同一母线下所有馈线的漏电保护在同一台微机中实现,采集的数据主要是各馈线的零序电流以及母线零序电压。其中前置滤波和A/D转换可以由CPU的时钟中断控制多路开关进行分时复用。程序存储器主要存储保护程序、保护的整定参数及一些常数(如式(4)中的七个常数)。数据存储器主要存储记录采样数据、故障支路以及故障发生的时间等。人机交互主要是键盘与显示屏,便于船舶工作人员的整定与监视。通信/继电器出口是漏电故障时的报警与继电器出口跳闸等。

图8是保护主程序流程图。流程图中电流补偿采用性能更好的时域补偿法。

基于电流时域补偿的微机选择性漏电保护具有很好的选择性,对于同电压等级上、下级之间,可以配以一定的延时构成具有纵向选择性的漏电保护。而对于不同的电压等级,由于船舶电力系统中的变压器皆采用不接地的联接方式,不同电压级间的零序网络并无关联,并不影响漏电保护的整定。所以,利用微机选择性漏电保护装置,可以在船舶电力系统中构成一个完整的船舶微机选择性漏电保护系统。保证有选择性地切除漏电故障,加大了电力系统安全性,对船舶工作人员的人身安全和船舶安全有重要作用。

5 结论

对于零序电流保护,由于船舶的高压母线和低压配电板出线较多,支路分布电容分散性大,所以保护中电流补偿是必须的。带算法补偿的零序电流保护不需要有附加的接地点,能有效提高船舶电力系统供电安全性。因此本文提出微机选择性漏电保护,并对电流补偿算法进行了研究。仿真结果表明,本文提出的电流时域补偿法比常规的稳态电流补偿效果要好,能有效提高漏电保护的可靠性与灵敏度。

摘要：漏电保护对保证船舶安全具有重要作用,大型船舶由于结构复杂,其漏电保护系统还需要具有选择性,所以必须对零序电流保护的电容电流进行补偿。提出了基于支路π形等效的时域补偿方法,仿真结果表明,与常规的稳态补偿相比,时域补偿会有更好的保护效果。在此基础上,研究了漏电保护在微机中的实现,介绍了软硬件的实现方案,具有较广的应用前景。

关键词：船舶电力系统,选择性,微机漏电保护,时域补偿

参考文献

[1]唐轶.选择性漏电保护[M].北京:煤炭工业出版社,1995.TANG Yi.Selective Leakage Protection[M].Beijing:Coal Industry Press,1995.

[2]唐翔,张文海,宋连启.自然直流选择性漏电保护原理分析[J].工矿自动化,2002,(3):22-23.TANG Xiang,ZHANG Wen-hai,SONG Lian-qi.The Analysis of Natural DC Selective Leakage Protection Principle[J].Industry and Mine Automation,2002,(3):22-23.

[3]沈祥云,袁振海.自然直流选择性漏电保护的研究[J].工矿自动化,2004,(2):10-13.SHEN Xiang-yun,YUAN Zhen-hai.Study on Selective Leakage Protection System Based on Natural DC[J].Industry and Mine Automation,2004,(2):10-13.

[4]沈祥云.自然直流选择性漏电保护原理的研究[D].南京:南京工业大学,2005.SHEN Xiang-yun.Study on Selective Leakage Protection System Based on Natural DC[D].Nanjing:Nanjing University of Technology,2005.

[5]晁先发,袁振海.自然直流小电流选线系统中的漏电流初步研究[J].微计算机信息,2006,(32):315-317.CHAO Xian-fa,YUAN Zhen-hai.The Introduction Analysis of Grounding Current in Nature DC Small Current Choice Line System[J].Micro Computer Information,2006,(32):315-317.

[6]晁先发,袁振海.自然直流小电流选线系统中的漏电流的深入分析[J].电气应用,2007,(2):67-69,73.CHAO Xian-fa,YUAN Zhen-hai.The Embedded Analysis of Grounding Current in Nature DC Small Current Choice Line System[J].Electrotechnical Application,2007,(2):67-69,73.

[7]肖乐明.船舶电气新式安全系统[J].船舶,1998,(2):23-27.XIAO Le-ming.A New Safety System for Ship’s Electric System[J].SHIP&BOAT,1998,(2):23-27.

[8]史际昌.船舶电气设备及系统[M].大连:大连海事大学出版社,1998.SHI Ji-chang.Ship Electrical Equipment and Systems[M].Dalian:Dalian Maritime University Press,1998.

微机室的电气保护与接地系统 篇7

关键词：负荷平衡,电位基准点,TN-S,防静电接地

在建筑物供配电设计中, 接地系统设计占有重要的地位, 因为它关系到供电系统的可靠性, 安全性。不管哪类建筑物, 在供电设计中总包含有接地系统设计。而且, 随着建筑物的要求不同, 各类设备的功能不同, 接地系统也相应不同。尤其进入90年代后, 大量的微机室的出现对接地系统设计提出了许多新的内容。在常用的几种接地方式中, 哪一种能够适合微机室呢?我们不妨分析一下下面几种接地系统。

一、TN-C系统

TN-C系统被称之为三相四线系统, 该系统中性线N与保护接地PE合二为一, 通称PEN线。这种接地系统虽对接地故障灵敏度高, 线路经济简单, 但它只适合用于三相负荷较平衡的场所。智能化大楼内, 单相负荷所占比重较大, 难以实现三相负荷平衡, PEN线的不平衡电流加上线路中存在着的由于荧光灯、晶闸管 (可控硅) 等设备引起的高次谐波电流, 在非故障情况下, 会在中性线N上叠加, 使中性线N电压波动, 且电流时大时小极不稳定, 造成中性点接地电位不稳定漂移。不但会使设备外壳 (与PEN线连接) 带电, 对人身造成不安全, 而且也无法取到一个合适的电位基准点, 精密电子设备无法准确可靠运行。因此TN-C接地系统不能作为微机室的接地系统。

二、TN-C-S系统

TN-C-S系统由两个接地系统组成, 第一部分是TN-C系统, 第二部分是TN-S系统, 分界面在N线与PE线的连接点。该系统一般用在建筑物的供电由区域变电所引来的场所, 进户之前采用TN-C系统, 进户处做重复接地, 进户后变成TN-S系统。TN-C系统前面已做分析。TN-S系统的特点是:中性线N与保护接地线PE在进户时共同接地后, 不能再有任何电气连接。该系统中, 中性线N常会带电, 保护接地线PE没有电的来源。PE线连接的设备外壳及金属构件在系统正常运行时, 始终不会带电。因此TN-S接地系统明显提高了人及物的安全性。同时只要我们采取接地引线, 各自都从接地体一点引出, 及选择正确的接地电阻值使电子设备共同获得一个等电位基准点等措施, 那么TN-C-S系统可以作为微机室的一种接地系统。

三、TN-S系统

TN-S是一个三相四线加PE线的接地系统。通常建筑物内设有独立变配电所时进线采用该系统。TN-S系统的特点是, 中性线N与保护接地线PE除在变压器中性点共同接地外, 两线不再有任何的电气连接。中性线N是带电的, 而PE线不带电。该接地系统完全具备安全和可靠的基准电位。只要像TN-C-S接地系统, 采取同样的技术措施, TN-S系统可以用作微机室的接地系统。如果计算机等电子设备没有特殊的要求时, 一般都采用这种接地系统。

四、TT系统

通常称TT系统为三相四线接地系统。该系统常用于建筑物供电来自公共电网的地方。TT系统的特点是中性线N与保护接地线PE无一点电气连接, 即中性点接地与PE线接地是分开的。该系统在正常运行时, 不管三相负荷平衡不平衡, 在中性线N带电情况下, PE线不会带电。只有单相接地故障时, 由于保护接地灵敏度低, 故障不能及时切断, 设备外壳才可能带电。正常运行时的TT系统类似于TN-S系统, 也能获得人与物的安全性和取得合格的基准接地电位。随着大容量的漏电保护器的出现, 该系统也会越来越作为智能型建筑物的接地系统。从目前的情况来看, 由于公共电网的电源质量不高, 难以满足智能化设备的要求, 所以TT系统很少被微机室采用。

五、IT系统

IT系统是三相三线式接地系统, 该系统变压器中性点不接地或经阻抗接地, 无中性线N, 只有线电压 (380V) , 无相电压 (220V) , 保护接地线PE各自独立接地。该系统的优点是当一相接地时, 不会使外壳带有较大的故障电流, 系统可以照常运行。缺点是不能配出中性线N。因此它是不适用于拥有大量单相设备的微机室的。

微机保护硬件系统 篇8

眼下, 计算机网络作为信息和数据通信工程已成为信息时代的技术支撑, 使人类生产和社会生活的面貌发生了变化--微机继电保护装置就是其中的一例, 实际上就是一台高性能、多功能的计算机, 是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它能有效从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据, 也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此, 每个微机继电保护装置不但可完成继电保护功能, 而且在无故障正常运行隋况下还可完成测量、控制、数据通信功能亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。

1. 电力系统中微机继电保护装置的应用

我国电力系统中继电保护装置的应用比较广泛, 本文结合笔者工作实际, 就以电力系统中微机继电保护装置为例谈下它在某地区线路中的设计应用。

1.1 电力系统中微机继电保护装置介绍

实际上, 我们所说的微机继电保护装置一般是以微处理器为基础, 采用数字处理的方法用不同的模块化软件来实现各种功能。但是随着我国微电子技术的发展, 各种功能强大的微处理器及其他相关大规模集成电路器件的广泛应用, 使得微机继电保护装置得到了飞速的发展, 它的应用范围越来越大, 功能也越来越大。特别是在电力系统中的保护功能上, 采用不同的装置可以有效地实现线路、变压器、等电力设备的保护功能。不仅如此, 利用微处理器强大的数据处理能力, 还能实现以往难以实现的很多保护功能

以往旧有的电磁和电磁感应原理的保护存在动作速度慢、灵敏度低等缺点, 晶体管继电保护装置也有抗干扰能力差、判据不准确, 装置本身的质量不是很稳定等明显的缺点。但是随着数字计算机技术的发展, 大规模集成电路技术的飞速发展, 微处理器和微型计算机进入实用化的阶段, 微机继电保护装置开始逐渐趋于实用。

1.2 电力系统中微机继电保护装置应用

1.21应用地区情况。某座城市的城区共设有110 k V变电站66座, 日常的运行维护工作分属其下属的供电分公司变电一、二部所管理, 其中变电一部管辖110 k V变电站34座, 主要位于城区西面, 主变压器容量共3142MVA;变电二部管辖110k V变电站32座, 主要位于城区北面, 主变压器容量共2666MVA。全部变电站已实现三遥无人值班。

另外, 110k V变电站采用的保护装置类型达50余种, 数量共有2071套, 其中微机继电型保护装置1764套, 集成型保护装置72套, 电磁型保护装置235套。

笔者从有关数据统计来看, 后一年的微机继电保护正确动作率高于前一年的, 而且在继电保护设备数量不断增加的情况下, 保护正确动作率一直处于较高的水平。

但是也有不正确的动作情况。笔者从具体的数据分析得知, 得出如下的结论:

1.22元器件有故障。在我国的电力系统中, 据笔者所知元器件故障引起保护装置动作不正确所占比例较大。这主要原因是厂家设备制造工艺不良和部分元器件质量不佳。解决这种问题除了要求厂家在质量上严格把关外, 还应对保护装置缺陷进行长期跟踪, 应尽快将运行时间较长、经常出现不正确动作的保护装置列入改造计划并督促实施;此外, 我们还应加强设备的选型工作, 以期将设备质量问题从源头就开始消除。

1.23设备的设计原理存在缺陷。现在的保护装置设计原理缺陷大致可以分为以下两类:第一类是抗干扰能力差, 比如说某个变电站发生事故, 由于本体保护非电量保护启动及出口回路仅由6只2 kΩ电阻和3只24V继电器串联组成, 并没有任何的抗干扰措施, 事故时受雷电干扰导致了本体重瓦斯保护误动作;第二类是保护程序设计错误, 一变电站发生自投装置TV断线后重新上电时, 程序逻辑出错导致了502A开关误动作。对于保护设计错误引起的不正确动作, 笔者建议除了在事故后及时制定相应的反措外, 在设备投运前还应对图纸设计加强审核。另外, 对于新型号装置, 在正式选用前, 二次专业人员也应与厂方设计人员加强技术交流, 以保障新设备的可靠性和适用性。

1.24施工维护也存在一定的问题。如果对变电站开关零序保护动作, 站内1号Z形变压器保护同时出口切开变压器低压侧开关。事故原因是变电站管理移交时图纸和试验数据不完备, 导致Z形变压器存在2套零序保护, 像类似这样的事故表明我们的试验记录和图纸资料管理制度仍有待完善。

2. 电力系统中微机继电保护装置的维护

根据上面案例的分析和比较, 笔者也总结了一些维护微机继电保护装置的方法, 行文如下:

我们电力系统的有关值班人员要定期定时对微机继电保护装置进行巡视和检查, 并做好各仪表的运行记录。在它运行过程中, 如果发现异常现象时, 应加强监视并向主管部门报告, 并建立岗位责任制, 做到每个盘柜有值班人员负责。同时, 我们还要做好继电保护装置的清扫工作。但要注意, 笔者在这建议清扫工作最好由两人进行, 防止误碰运行设备, 注意与带电设备保持安全距离, 避免人身触电和造成二次回路短路、接地事故。对微机保护的电流、电压采样值每周记录一次, 每月对微机保护的打印机进行定期检查并打印。

除了以上的两点外, 还要做到:我们还要全面了解设备的初始状态。微机继电保护设备的初始状态, 影响其日后的正常和有效运行。因此, 必须注意收集整理设备图纸、技术资料以及相关设备的运行和检测数据的资料。对设备日常状态的检修, 要在设备生命周期中各个环节都必须予以关注, 进行全过程的管理。

要对设备运行状态数据进行及时、全面的统计分析。首先要了解设备出现故障的特点和规律, 进而通过对继电保护装置运行状态的日常数据的分析, 预先判断分析故障出现的部分和时间, 在故障未发生时, 及时地排查。提高保护装置的安全系数和使用周期, 保证电力系统的正常运行。

3. 电力系统中微机继电保护装置的发展

据资料显示, 我国从70年代末就已开始了计算机继电保护装置的研究工作, 揭开了我国继电保护发展史上新的一页, 为微机保护的应用打下了基础, 为电力系统提供了性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。

但随着微机保护装置的研究, 在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。这除了保护的基本功能外, 还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间, 快速的数据处理功能, 强大的通信能力, 与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力, 高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能。现在, 同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机, 因此, 用成套工控机作成继电保护的时机已经成熟, 这将是微机继电保护装置的发展方向之一。但继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地满足电力系统要求, 如何进一步提高继电保护的可靠性, 取得更大的经济效益和社会效益, 我们尚须进行具体深入的研究。

摘要：我国的电力系统急速发展, 对继电保护提出了一项新的要求。文章结合实际着重阐述了微机继电保护装置在当下我国电力系统中的应用, 分析了它的未来发展, 供大家参考。

关键词：电力系统,微机继电保护,应用案例,未来发展

参考文献

[1]王泽.关于继电保护可靠性提高措施的探讨[J].中小企业管理与科技 (下旬刊) , 2010年06期.

[2]赵自刚.继电保护运行与故障信息自动化管理系[J].电力系统自动化, 2009.

[3]朱广伟;;微机继电保护在企业供电系统中的应用及发展趋势[J];辽宁科技学院学报, 2006年03.