【文章內容簡介】 手微 機 臺 ， 顯 示 器 ， 鍵 盤 ， 打 印機保 護 柜 ， 變 送 器 柜 ， 電 度 表柜 ， 監(jiān) 控 柜前部后部 (2) 控制臺式 ： 再主控室前部設控制臺，無模擬屏。在控制臺對面設保護柜，變送器柜，監(jiān)控柜，電度表柜和交直流電源柜 等設備?？刂婆_上或旁邊放主機顯示器 CRT。打印機和鍵盤。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 ，鍵 盤 ， 模 擬 主 接 線 ， 操 作 把手 ， 必 要 儀 表保 護 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)微機臺式 ： 在主控室前部設微機臺，無模擬憑，無控制臺。主控室后部設保護柜，變送器柜，監(jiān)控柜，電度表柜，交直流電源柜等設備。微機臺內裝主機和微機電源， 微機臺上放 CRT，打印機和鍵盤。 主 控 室前 部 微 機 臺內 設 有 主 機 和 微 機 電 源 ， 打 印 機 ， 鍵 盤后 部保 護 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)硬件配置應遵循下列原 則： (1):各自獨立，相互配合。不同功能的硬件之間只能有信息交換，不應有電的直接聯(lián)系。采用光電隔離和繼電器接點閑離的方法實現(xiàn)。保護柜內各單元應有獨立的交流輸入，獨立電源，獨立出口，應有可靠的抗干擾措施。監(jiān)控部分在監(jiān)控機，電度機，采樣機，遠傳機任一故障情況下，應不影響其他機正常工作。 (2): 軟硬件模塊化，方便維護和擴展。各單元應具有模塊化的主機板，開出板。開入板，模入板等，方便維護，并可在此基礎上進一步開發(fā)。 (3)： 具有較強的抗干擾能力。 滿足在強電場，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。 微機保護裝置的發(fā)展大致可以分為以下幾個階段： 第一階段是以單 cpu 的硬件結構為主，數(shù)據采集系統(tǒng)由逐次逼近式 A/D 模數(shù)轉換器構成，硬件和軟件的設計符合四統(tǒng)一設計標準，其代表產品為微機高壓輸電線路保護裝置。 第二階段以多單片機構成的多 cpu 硬件結構為主，數(shù)據采集系統(tǒng)為電壓頻率轉換原理的計數(shù)式數(shù)據采集系統(tǒng)，硬件軟件的設計吸取了第一代微機保護裝置的成功運行經驗，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和誤動的措施。 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，電路結構簡單的特點，抗干擾能力進一步加強，并且完善了通信功能， 為實現(xiàn)變電站自動化提供了方便。再現(xiàn)階段，在一些微機繼電保護裝置中，個別產品也采用了性能更好，功能更強大的工業(yè)控制計算機。 變電站綜合自動化系統(tǒng)微機保護的硬件結構 (1) 處理器分為單片機和數(shù)字信號處理器兩種。 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，具有可靠性高，接口設計簡單，運行速度快，功耗低，性價比高的優(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，但通用性和可擴展性相對較差。而且某些保護算法需要使用乘法，除法或是開平方運算，而早期的片內資源有限，實際應用時常常需要對其功能進行補充和外部擴展。 新型高性能的單片機性能得到了很大的提高。運行能力也得到了大大的加強，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 16 位單片機，其內部包含了 124KEP ROM， 4KRAM，接近10 個內部計數(shù)器，定時器和中斷口， 2 個全雙工的串行口，以及整個內部 A/D轉換器。其高效豐富的 指定系統(tǒng)使得編程及其應用即靈活又簡潔。高性能單片機包含了微機保護所需要的各種硬件功能，使新型微機保護的電路設計異常簡單可靠。 由于單片機價格低廉，因此，微機保護由當初的單 CP U 的硬件結構為主發(fā)展到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，是一種為了達到快速運算而具有特殊結構的微處理器。 DSP 具有強大的處理功能，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。快速的指令周期，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。 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 加乘運算，速度非常的快。將數(shù)字信號處理器應用于微機繼電保護，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間，不但可以完成數(shù)據采集，信號處理的功能，還可以完成以往主要由 COU完成的運算功能，甚至完成獨立的繼電保護功能。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。 (2) 數(shù)據采集系統(tǒng)： 變電站綜合自動化的數(shù)據采集系統(tǒng)分為三種：逐次逼近式 A/D 轉換器構成的 數(shù)據采集系統(tǒng)， 電壓頻率轉換原理的計數(shù)式數(shù)據采集系統(tǒng) ， 高速數(shù)據采集系統(tǒng) ① 逐次逼近式 A/D 轉換器構成的數(shù)據采集系統(tǒng)： 早期的微機保護線路中，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)后聯(lián)到 CP U 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的工作時間，數(shù)據采集系統(tǒng)在變化完成后的得到的數(shù)字輸出不需要經過 CP U控制，而經 DMA 控制直接存入本插件的 RAM 中。再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 做出相應的處理。這種數(shù)據采集系統(tǒng)使用的芯片比較多，電路復雜，抗干擾能力差，因此，在其改進 型產品中使用了電壓頻率轉換原理的計數(shù)式數(shù)據采集系統(tǒng)。 ② 電壓頻率轉換原理的計數(shù)式數(shù)據采集系統(tǒng)： 第 2 代微機線路保護的 VFC (電壓頻率保護 ) 數(shù)據采集系統(tǒng)中，為了提高數(shù)據采 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)據采集周期由 CP U 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植。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)多單片機系統(tǒng)的多 CPU 接口。 ③ 高速數(shù)據采集系統(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，對采樣的速度也有很高的要求。采樣率的提高導致了采樣間隔的縮短，從而留給 CP U 進行采樣數(shù)據預處理，保護啟動計算，主保護計算的時間大大縮短。因此，必須大大的壓縮數(shù)據采集的時間。 保護裝置使用公控機時，通常采用工控機智能同步數(shù)據采集模板完成采樣，再將采樣數(shù)據通過雙口 RAM， FIFO 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)據采集系統(tǒng)難以滿足要求，必須對此單獨進行考慮。為了進一步簡化電路設計和調試，一些半導體廠家將完整的數(shù) 據采集系統(tǒng)集成到一塊芯片中，能夠自動完成所有輸入通道的數(shù)據采集而無須 CPU 干預。采用這種專用數(shù)據采集芯片，將極大簡化單片機型微機保護裝置數(shù)據采集系統(tǒng)的設計，生產，調試方式，大大的提高其數(shù)據采集系統(tǒng)的數(shù)據采集能力。 (3) 微機保護硬件的一般結構： 微機保護的硬件類型分為三種：高壓線路微機保護，微機元件繼點保護，低壓線路的微機保護 . ① 高壓線路微機保護： 目前我國的高壓線路微機保護裝置的原理，性能，主要指標以及制造工藝方面以達到了國際先進水平，微機保護的動作正確率也已經超過了常規(guī)保護。對于高壓和超高壓輸電線 路微機保護裝置，多單片機構成的多 CPU 硬件結構已成為現(xiàn)行的實際標準。這種類型的微機保護裝置的基本特點是：電壓頻率轉 換原理的數(shù)據采集系統(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保護插件，再由各個保護插件完成相應的測頻，采樣值標度變換，保護功能計算。 3 個保護 CPU 分別完成高頻保護，距離保護，零序保護功能。監(jiān)控 CPU主要負責人機接口，保護定值管理。通信控制，保護 CP U 運行狀態(tài)監(jiān)控等功能 。 3 個保護插件啟動元件按三取二的原則啟動各套保護裝置的出口回路，從而大大的提高了保護裝置的可靠性。 監(jiān) 控 C P UV / F 轉 換通 信 接 口I / O 接 口保 護 C P U 1保 護 C P U 2保 護 C P U 3 但是這種多 CP U 微機保護裝置采用了不完全冗余技術。保護輸入和輸出通道不采用冗余技術，而只是在信號處理器部分采用。如果模擬輸入通道和數(shù)據采集系統(tǒng)發(fā)生故障，那麼輸入 3 個 CP U 插件的故障數(shù)據將不在準確，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。因此整個保護裝置并不因為采用了多 CPU 技術而使可靠性大幅度的提高。 多 CPU 微機保護裝置除完成本線路的繼電保護功能外，同時還必須完成相鄰線路的遠后備保護功能。廣泛的使用多 CPU 微機保護裝置中，距離保護三段和零序保護三段，都具有遠后備的功能。在距離保護 CP U 插件或者零序保護 CPU 插件發(fā)生故障時，即使線路的主保護 可以正常工作，仍將失去遠方后備保護的功能。由于以上的原因，在高壓和超高壓輸變電線路中，不但主保護必須雙重化配置，后備保護也必須雙重化配置。 ② 微機元件繼電保護： 微機元件 保護的種類很多，硬件結構也各有特色，基本的類型有單片機型和工控機型微機元件保護。許多廠家得宜于線路微機保護的成功開發(fā)和應用中的成功經驗，推出了許多與微機線路保護硬件結構相似的單片機型微機元件保護。比如采用了高壓線路保護類似的 VFC 數(shù)據采集系統(tǒng)和高性能單片機構成的雙 CPU 系統(tǒng)，變壓器主保護與變壓器各側的后備保護分別采用不同的 CP U完成保護功能。為適合變電站自動化的發(fā)展，新型微機變壓器保護也提供了基于現(xiàn)場總線的通信接口功能。 采用工控機實現(xiàn)的微機保護，具有小型化，低成本，高可靠性等優(yōu)點。工控機總線接口簡單，模塊化程度高，容易結合，使用維護方便，系統(tǒng)功能容易擴展?？梢源蟠罂s短微機保護裝置的開發(fā)周期，實現(xiàn)微機繼電保護裝置的系列 化和標準化，便于運行部門的運行維護，必將在微機保護的發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。 ③ 低壓線路的微機保護： 這種類型的保護 裝置可以分為兩種：一種為 “一對一 ”方式，即一套裝置實現(xiàn)一條線路的保護；另一種為 “一對 N”方式，即一套裝置實現(xiàn)多條線路保護。采用 “一對一：實現(xiàn)時，一套裝置負責一條線路或一臺變壓器的測量，保護和控制。使用 “一對 N”方式實現(xiàn)時，一套裝置負責多條線路或變壓器的測量，保護和控制。它具有分布式結構的全部優(yōu)點而且又便于設計安裝及運行維護。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)的結構形式，并介紹了各種結構形式的特點 ；變電站綜合自動化系統(tǒng)主要包括監(jiān)測，監(jiān)控，遠傳和保護四部分，介 紹了各部分的主要功能。介紹了綜合自動化系統(tǒng)的硬件結構以及主要的配置，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)的通信網絡 通信網絡的發(fā)展： 目前，國內變電站綜合自動化系統(tǒng)用的通信網絡主要是總線式網絡。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)的網絡通信得到了新的發(fā)展，新型現(xiàn)場總線 CAN BUS 是變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網絡性價比最好的一種。 RS232， RS422 和 RS485 總線： RS232 串口通信標準是美國電子工業(yè)協(xié)會于 1969 年公布的，該標準定義了數(shù)據終端設備和數(shù)據通信設備之間按位串行傳輸?shù)慕涌谕ㄐ?。通常用于近距離傳輸，此時可將兩臺具有 RS232 接口的通信設備直接相連，如果要進行遠距離傳輸，可以再加調制器即可。 RS422 為全雙工，可以同時接收和發(fā)送。采用 RS422 標準，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 標準通信時位率可達到 10Mbit/s。 RS485 為半雙工通信方式，在某一 時刻，一個發(fā)送一個接受，當用于多站互連時，可節(jié)省信號線，便于高速遠距離的傳送。 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)按局域網絡的方式構造，用網絡節(jié)點代替局域網中的工作站，