【文章內(nèi)容簡介】 手微 機(jī) 臺 ， 顯 示 器 ， 鍵 盤 ， 打 印機(jī)保 護(hù) 柜 ， 變 送 器 柜 ， 電 度 表柜 ， 監(jiān) 控 柜前部后部 (2) 控制臺式 ： 再主控室前部設(shè)控制臺，無模擬屏。在控制臺對面設(shè)保護(hù)柜，變送器柜，監(jiān)控柜，電度表柜和交直流電源柜 等設(shè)備?？刂婆_上或旁邊放主機(jī)顯示器 CRT。打印機(jī)和鍵盤。模擬主接線，操作把手，必要的儀表和光字均安裝在控制臺面上。 主 控 室 前 部 的控 制 臺上 面 安 裝 顯 示 器 ， 打 印 機(jī) ，鍵 盤 ， 模 擬 主 接 線 ， 操 作 把手 ， 必 要 儀 表保 護(hù) 柜 ， 變 送器 柜 ， 監(jiān) 控柜 ， 電 度 表柜 ， 電 流 柜O P P O S I T E (3)微機(jī)臺式 ： 在主控室前部設(shè)微機(jī)臺，無模擬憑，無控制臺。主控室后部設(shè)保護(hù)柜，變送器柜，監(jiān)控柜，電度表柜，交直流電源柜等設(shè)備。微機(jī)臺內(nèi)裝主機(jī)和微機(jī)電源， 微機(jī)臺上放 CRT，打印機(jī)和鍵盤。 主 控 室前 部 微 機(jī) 臺內(nèi) 設(shè) 有 主 機(jī) 和 微 機(jī) 電 源 ， 打 印 機(jī) ， 鍵 盤后 部保 護(hù) 柜 ， 變 送 器 柜 ， 監(jiān) 控 柜 ， 電 度 表柜 ， 交 直 流 電 流 柜 硬件的配 置原則 綜合自動化系統(tǒng)硬件配置應(yīng)遵循下列原 則： (1):各自獨(dú)立，相互配合。不同功能的硬件之間只能有信息交換，不應(yīng)有電的直接聯(lián)系。采用光電隔離和繼電器接點(diǎn)閑離的方法實(shí)現(xiàn)。保護(hù)柜內(nèi)各單元應(yīng)有獨(dú)立的交流輸入，獨(dú)立電源，獨(dú)立出口，應(yīng)有可靠的抗干擾措施。監(jiān)控部分在監(jiān)控機(jī)，電度機(jī)，采樣機(jī)，遠(yuǎn)傳機(jī)任一故障情況下，應(yīng)不影響其他機(jī)正常工作。 (2): 軟硬件模塊化，方便維護(hù)和擴(kuò)展。各單元應(yīng)具有模塊化的主機(jī)板，開出板。開入板，模入板等，方便維護(hù)，并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)。 (3)： 具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 滿足在強(qiáng)電場，高頻影響和諧波沖擊等環(huán)境下可靠工作，并能防止雷電 沖擊。 微機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展大致可以分為以下幾個(gè)階段： 第一階段是以單 cpu 的硬件結(jié)構(gòu)為主，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由逐次逼近式 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，硬件和軟件的設(shè)計(jì)符合四統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其代表產(chǎn)品為微機(jī)高壓輸電線路保護(hù)裝置。 第二階段以多單片機(jī)構(gòu)成的多 cpu 硬件結(jié)構(gòu)為主，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為電壓頻率轉(zhuǎn)換原理的計(jì)數(shù)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，硬件軟件的設(shè)計(jì)吸取了第一代微機(jī)保護(hù)裝置的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用多 cpu 的特點(diǎn)，強(qiáng)化了自檢和互檢功能，使硬件故障可以定位，對保護(hù)的跳閘出口回路，具有完善的抗干擾措施以及防止拒動和誤動的措施。 第三階段以高 性能的 16 位單片機(jī)構(gòu)成的硬件結(jié)構(gòu)為主，具有總線不需引出芯片，電路結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，抗干擾能力進(jìn)一步加強(qiáng)，并且完善了通信功能， 為實(shí)現(xiàn)變電站自動化提供了方便。再現(xiàn)階段，在一些微機(jī)繼電保護(hù)裝置中，個(gè)別產(chǎn)品也采用了性能更好，功能更強(qiáng)大的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。 變電站綜合自動化系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)的硬件結(jié)構(gòu) (1) 處理器分為單片機(jī)和數(shù)字信號處理器兩種。 單片機(jī)通過大規(guī)模集成電路技術(shù)將 CPU ,ROM, RAM, 和 I/O 接口電路封裝在一塊芯片中，具有可靠性高，接口設(shè)計(jì)簡單，運(yùn)行速度快，功耗低，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。 使用單片 機(jī)的微機(jī)保護(hù)具有較強(qiáng)的針對性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，整體性能和可靠性高，但通用性和可擴(kuò)展性相對較差。而且某些保護(hù)算法需要使用乘法，除法或是開平方運(yùn)算，而早期的片內(nèi)資源有限，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常常需要對其功能進(jìn)行補(bǔ)充和外部擴(kuò)展。 新型高性能的單片機(jī)性能得到了很大的提高。運(yùn)行能力也得到了大大的加強(qiáng)，出現(xiàn)了無須進(jìn)行外部擴(kuò)展的所謂總線不出芯片的新型微機(jī)保護(hù)。此保護(hù)采用了高集成度 16 位單片機(jī)，其內(nèi)部包含了 124KEP ROM， 4KRAM，接近10 個(gè)內(nèi)部計(jì)數(shù)器，定時(shí)器和中斷口， 2 個(gè)全雙工的串行口，以及整個(gè)內(nèi)部 A/D轉(zhuǎn)換器。其高效豐富的 指定系統(tǒng)使得編程及其應(yīng)用即靈活又簡潔。高性能單片機(jī)包含了微機(jī)保護(hù)所需要的各種硬件功能，使新型微機(jī)保護(hù)的電路設(shè)計(jì)異常簡單可靠。 由于單片機(jī)價(jià)格低廉，因此，微機(jī)保護(hù)由當(dāng)初的單 CP U 的硬件結(jié)構(gòu)為主發(fā)展到為多單片機(jī)構(gòu)成的多 CPU 硬件結(jié)構(gòu)為主。大量使用單片機(jī)的微機(jī)保護(hù)在電力系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，也由于新型單片機(jī)的卓越性能，現(xiàn)階段使用單片機(jī)的微機(jī)保護(hù)仍將是我國微機(jī)保護(hù)的主流產(chǎn)品。 數(shù)字信號處理器 DSP：它與目前通用的 CPU 不同，是一種為了達(dá)到快速運(yùn)算而具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。 DSP 具有強(qiáng)大的處理功能，在相同的主頻率下 ，甚至比目前最先進(jìn)的個(gè)人計(jì)算機(jī)快 10—50 倍?？焖俚闹噶钪芷冢鸾Y(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)，可以使DSP 的指令周期達(dá)到 200ns。 DSP 的突出特點(diǎn)是計(jì)算能力強(qiáng)，精度高，總線速度快，吞吐量大，尤其是采用專用硬件實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)和浮點(diǎn) 加乘運(yùn)算，速度非常的快。將數(shù)字信號處理器應(yīng)用于微機(jī)繼電保護(hù)，極大的縮短了數(shù)字濾波。濾序和傅立葉變換算法的主要時(shí)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 COU完成的運(yùn)算功能，甚至完成獨(dú)立的繼電保護(hù)功能。隨著數(shù)字信號處理器芯片和開發(fā) 工具的價(jià)格下降，可以預(yù)期數(shù)字信號處理器將會在微機(jī)繼電保護(hù)裝置中發(fā)揮重要的作用。 (2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)： 變電站綜合自動化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為三種：逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 電壓頻率轉(zhuǎn)換原理的計(jì)數(shù)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ， 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ① 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)： 早期的微機(jī)保護(hù)線路中，考慮到 A/D 轉(zhuǎn)換器價(jià)格昂貴，因此采用多個(gè)通道共用一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器的方案。每個(gè)通道各有一個(gè)采樣保持器，其采樣脈沖輸入端并聯(lián)后聯(lián)到 CP U 插件上的定時(shí)器輸出端，以實(shí)現(xiàn)對各通道的同時(shí)采樣。模擬量多路轉(zhuǎn)換 開關(guān)采用硬件電路控制記數(shù)自動進(jìn)位切換通道號。為了節(jié)省 CPU的工作時(shí)間，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在變化完成后的得到的數(shù)字輸出不需要經(jīng)過 CP U控制，而經(jīng) DMA 控制直接存入本插件的 RAM 中。再同一時(shí)刻采樣的全部通道轉(zhuǎn)換完成并存入 RAM 后，才由 DMA 請求中斷，由 CPU 做出相應(yīng)的處理。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的芯片比較多，電路復(fù)雜，抗干擾能力差，因此，在其改進(jìn) 型產(chǎn)品中使用了電壓頻率轉(zhuǎn)換原理的計(jì)數(shù)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 ② 電壓頻率轉(zhuǎn)換原理的計(jì)數(shù)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)： 第 2 代微機(jī)線路保護(hù)的 VFC (電壓頻率保護(hù) ) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了提高數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)的采集速度，每個(gè)模擬輸入通道都需要使用單獨(dú)的電壓頻率轉(zhuǎn)換 /光耦合器，其輸出頻率信號送至可編程計(jì)數(shù)器 8255 進(jìn)行頻率測量，在每個(gè)數(shù)據(jù)采集周期由 CP U 讀取可編程計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，并進(jìn)行標(biāo)度變換以獲得實(shí)際的采樣植。主要優(yōu)點(diǎn)是：通過光電耦合器與 CPU 接口，因此抗干擾能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)多單片機(jī)系統(tǒng)的多 CPU 接口。 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(shù)和小波分析理論，以及行波保護(hù)，暫態(tài)保護(hù)等概念逐步引入繼電保護(hù)領(lǐng)域，對采樣速度提出了更高的要求。在變電站的母線保護(hù)，變壓器保護(hù)和發(fā)電機(jī)保護(hù)中， 由于需要進(jìn)行采樣的電流通道很多，對采樣的速度也有很高的要求。采樣率的提高導(dǎo)致了采樣間隔的縮短，從而留給 CP U 進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理，保護(hù)啟動計(jì)算，主保護(hù)計(jì)算的時(shí)間大大縮短。因此，必須大大的壓縮數(shù)據(jù)采集的時(shí)間。 保護(hù)裝置使用公控機(jī)時(shí)，通常采用工控機(jī)智能同步數(shù)據(jù)采集模板完成采樣，再將采樣數(shù)據(jù)通過雙口 RAM， FIFO 等方式傳送給主 CPU 進(jìn)行處理，因此并不占用主 CPU 的處理時(shí)間。當(dāng)保護(hù)裝置使用單片機(jī)時(shí)，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(dú)進(jìn)行考慮。為了進(jìn)一步簡化電路設(shè)計(jì)和調(diào)試，一些半導(dǎo)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)采集而無須 CPU 干預(yù)。采用這種專用數(shù)據(jù)采集芯片，將極大簡化單片機(jī)型微機(jī)保護(hù)裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)，調(diào)試方式，大大的提高其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力。 (3) 微機(jī)保護(hù)硬件的一般結(jié)構(gòu)： 微機(jī)保護(hù)的硬件類型分為三種：高壓線路微機(jī)保護(hù)，微機(jī)元件繼點(diǎn)保護(hù)，低壓線路的微機(jī)保護(hù) . ① 高壓線路微機(jī)保護(hù)： 目前我國的高壓線路微機(jī)保護(hù)裝置的原理，性能，主要指標(biāo)以及制造工藝方面以達(dá)到了國際先進(jìn)水平，微機(jī)保護(hù)的動作正確率也已經(jīng)超過了常規(guī)保護(hù)。對于高壓和超高壓輸電線 路微機(jī)保護(hù)裝置，多單片機(jī)構(gòu)成的多 CPU 硬件結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)行的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。這種類型的微機(jī)保護(hù)裝置的基本特點(diǎn)是：電壓頻率轉(zhuǎn) 換原理的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為整套裝置的公共部分 ,其頻率輸出信號分別傳送給各個(gè)保護(hù)插件，再由各個(gè)保護(hù)插件完成相應(yīng)的測頻，采樣值標(biāo)度變換，保護(hù)功能計(jì)算。 3 個(gè)保護(hù) CPU 分別完成高頻保護(hù)，距離保護(hù)，零序保護(hù)功能。監(jiān)控 CPU主要負(fù)責(zé)人機(jī)接口，保護(hù)定值管理。通信控制，保護(hù) CP U 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能 。 3 個(gè)保護(hù)插件啟動元件按三取二的原則啟動各套保護(hù)裝置的出口回路，從而大大的提高了保護(hù)裝置的可靠性。 監(jiān) 控 C P UV / F 轉(zhuǎn) 換通 信 接 口I / O 接 口保 護(hù) C P U 1保 護(hù) C P U 2保 護(hù) C P U 3 但是這種多 CP U 微機(jī)保護(hù)裝置采用了不完全冗余技術(shù)。保護(hù)輸入和輸出通道不采用冗余技術(shù)，而只是在信號處理器部分采用。如果模擬輸入通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生故障，那麼輸入 3 個(gè) CP U 插件的故障數(shù)據(jù)將不在準(zhǔn)確，整套裝置不能正確工作；跳閘出口通道發(fā)生故障，整套裝置同樣不能正確工作。因此整個(gè)保護(hù)裝置并不因?yàn)椴捎昧硕?CPU 技術(shù)而使可靠性大幅度的提高。 多 CPU 微機(jī)保護(hù)裝置除完成本線路的繼電保護(hù)功能外，同時(shí)還必須完成相鄰線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)功能。廣泛的使用多 CPU 微機(jī)保護(hù)裝置中，距離保護(hù)三段和零序保護(hù)三段，都具有遠(yuǎn)后備的功能。在距離保護(hù) CP U 插件或者零序保護(hù) CPU 插件發(fā)生故障時(shí)，即使線路的主保護(hù) 可以正常工作，仍將失去遠(yuǎn)方后備保護(hù)的功能。由于以上的原因，在高壓和超高壓輸變電線路中，不但主保護(hù)必須雙重化配置，后備保護(hù)也必須雙重化配置。 ② 微機(jī)元件繼電保護(hù)： 微機(jī)元件 保護(hù)的種類很多，硬件結(jié)構(gòu)也各有特色，基本的類型有單片機(jī)型和工控機(jī)型微機(jī)元件保護(hù)。許多廠家得宜于線路微機(jī)保護(hù)的成功開發(fā)和應(yīng)用中的成功經(jīng)驗(yàn)，推出了許多與微機(jī)線路保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)相似的單片機(jī)型微機(jī)元件保護(hù)。比如采用了高壓線路保護(hù)類似的 VFC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高性能單片機(jī)構(gòu)成的雙 CPU 系統(tǒng)，變壓器主保護(hù)與變壓器各側(cè)的后備保護(hù)分別采用不同的 CP U完成保護(hù)功能。為適合變電站自動化的發(fā)展，新型微機(jī)變壓器保護(hù)也提供了基于現(xiàn)場總線的通信接口功能。 采用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)的微機(jī)保護(hù)，具有小型化，低成本，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。工控機(jī)總線接口簡單，模塊化程度高，容易結(jié)合，使用維護(hù)方便，系統(tǒng)功能容易擴(kuò)展。可以大大縮短微機(jī)保護(hù)裝置的開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)微機(jī)繼電保護(hù)裝置的系列 化和標(biāo)準(zhǔn)化，便于運(yùn)行部門的運(yùn)行維護(hù)，必將在微機(jī)保護(hù)的發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。 ③ 低壓線路的微機(jī)保護(hù)： 這種類型的保護(hù) 裝置可以分為兩種：一種為 “一對一 ”方式，即一套裝置實(shí)現(xiàn)一條線路的保護(hù)；另一種為 “一對 N”方式，即一套裝置實(shí)現(xiàn)多條線路保護(hù)。采用 “一對一：實(shí)現(xiàn)時(shí)，一套裝置負(fù)責(zé)一條線路或一臺變壓器的測量，保護(hù)和控制。使用 “一對 N”方式實(shí)現(xiàn)時(shí)，一套裝置負(fù)責(zé)多條線路或變壓器的測量，保護(hù)和控制。它具有分布式結(jié)構(gòu)的全部優(yōu)點(diǎn)而且又便于設(shè)計(jì)安裝及運(yùn)行維護(hù)。為中低壓變電站廣為采用。 小節(jié) 本節(jié)介紹了變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，并介紹了各種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn) ；變電站綜合自動化系統(tǒng)主要包括監(jiān)測，監(jiān)控，遠(yuǎn)傳和保護(hù)四部分，介 紹了各部分的主要功能。介紹了綜合自動化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及主要的配置，為下一章的通信協(xié)議做好了鋪墊。 第 3 章 變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò) 通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展： 目前，國內(nèi)變電站綜合自動化系統(tǒng)用的通信網(wǎng)絡(luò)主要是總線式網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)最初使用 RS232 總線，后來用到 RS485 總線。近年來隨著新型現(xiàn)場總線CANBUS 和 LONWORKS 的推出，變電站綜合自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信得到了新的發(fā)展，新型現(xiàn)場總線 CAN BUS 是變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)性價(jià)比最好的一種。 RS232， RS422 和 RS485 總線： RS232 串口通信標(biāo)準(zhǔn)是美國電子工業(yè)協(xié)會于 1969 年公布的，該標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間按位串行傳輸?shù)慕涌谕ㄐ?。通常用于近距離傳輸，此時(shí)可將兩臺具有 RS232 接口的通信設(shè)備直接相連，如果要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，可以再加調(diào)制器即可。 RS422 為全雙工，可以同時(shí)接收和發(fā)送。采用 RS422 標(biāo)準(zhǔn)，可以削弱干擾的影響，獲得更長的傳輸距離和允許更大的信號衰減。采用 RS422 標(biāo)準(zhǔn)通信時(shí)位率可達(dá)到 10Mbit/s。 RS485 為半雙工通信方式，在某一 時(shí)刻，一個(gè)發(fā)送一個(gè)接受，當(dāng)用于多站互連時(shí)，可節(jié)省信號線，便于高速遠(yuǎn)距離的傳送。 LONWORKS 總線 LONWORKS 是美國 Echeton 公司推出的一種新型現(xiàn)場總線。它的基本思想是將控制系統(tǒng)按局域網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)造，用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)代替局域網(wǎng)中的工作站，