【導(dǎo)讀】第一節(jié)變電站直擊雷過(guò)電壓保護(hù).....

　　

【正文】 成的保護(hù)裝置，但是這些繼電保護(hù)裝置都有一 個(gè)共同的特點(diǎn)，它們的輸入、輸出量以及在繼電保護(hù)裝置各個(gè)環(huán)節(jié)的“流通”過(guò)程中 的“信息”都是“模擬量”，因此統(tǒng)稱為“模擬型繼電保護(hù)裝置”。從 20 世紀(jì) 70 年代 開始，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展帶來(lái)了新的工業(yè)革命，一種新型的繼電保護(hù)裝置應(yīng)運(yùn)而生，這就是微 機(jī)保護(hù) 裝置。它們除了輸入量及部分輸出量仍以“模擬量”形式出現(xiàn)外， 在繼電保護(hù)裝置各環(huán)節(jié)的“流通”過(guò)程中的“信息”已經(jīng)變?yōu)椤皵?shù)字量”，因此又稱為“數(shù)字型繼電保護(hù)裝置”。其工作原理為：首先將以模擬量輸入的電流、電壓的瞬時(shí)值變換成離散的數(shù)字量，然后才送入計(jì)算機(jī)的中央處理器，按規(guī)定的算法和程序進(jìn)行運(yùn)算，且將運(yùn)算結(jié)果隨時(shí)與給定的數(shù)字進(jìn)行比較，最后做出是否跳閘的判斷。 計(jì)算機(jī)在繼電保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用從 20 世紀(jì) 50 年開始， 70 年代世界上掀起了計(jì)算 機(jī)保護(hù)的研究高潮。微機(jī)繼電保護(hù)的真正的工程應(yīng)用出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 80 年 代。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1986 年日本的繼電保護(hù)設(shè)備總產(chǎn)值中微機(jī)保護(hù)的產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到一般， 20 世紀(jì) 90 年代 日本危機(jī)保護(hù)產(chǎn)值比重超過(guò) 80%。之后，微機(jī)繼電保護(hù)主要的發(fā)展方向是多 CPU、單 片機(jī)、并行處理式以及引進(jìn)人工智能等。 我國(guó)在這方面起步相對(duì)較晚， 20 世紀(jì) 80 年代國(guó)內(nèi)各高校及電力部門發(fā)展這方面 的研究工作，到 20 世紀(jì) 90 年代推出了不少成型的產(chǎn)品， 2021 年之后則進(jìn)入了全面應(yīng) 用的時(shí)期。 二 、微機(jī)保護(hù)的基本構(gòu)成 微機(jī)保護(hù)由“硬件”與“軟件”兩部分構(gòu)成，以下作簡(jiǎn)單介紹： 微機(jī)保護(hù)的“硬件 ” 微機(jī)保護(hù)的“硬件”由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 CPU 主系統(tǒng)、 開關(guān)量輸出、輸入系統(tǒng)及外圍設(shè)備組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又稱為模擬量輸入系統(tǒng)，它的 作用是將從互感器二次側(cè)輸出的電壓、電流等模擬量經(jīng)過(guò)隔離、采樣、 A/D 變換等步 驟轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接受與識(shí)別的數(shù)字量，然后送入 CPU 主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算； 開關(guān)量輸出、輸入系統(tǒng)得作用主要是輸出跳閘、信號(hào)等信息；外圍設(shè)備包括打印及調(diào) 試、整定設(shè)備等。通常整套硬件是用單獨(dú)的專用的機(jī)箱組裝成的。 微機(jī)保護(hù)的“軟件” 微機(jī)保護(hù)的“軟件”由初始化模塊、數(shù)據(jù)采樣管理系 統(tǒng)模塊、故 障檢出模塊、故障計(jì)算模塊與自檢模塊等組成。根據(jù)保護(hù)的功能與性能的 不同，模塊的數(shù)量與內(nèi)容也有所區(qū)別，這些程序一般都已經(jīng)固化在芯片中。微機(jī)保護(hù) 的“軟件”的核心部分是故障檢出模塊和故障計(jì)算模塊，這些模塊通常是根據(jù)所需設(shè) 置保護(hù)（如電流保護(hù)）的保護(hù)算法，用匯編語(yǔ)言編寫而成。 30 三 、微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn) 微機(jī)保護(hù)具有多功能性； 微機(jī)保護(hù)具有靈活性； 微機(jī)保護(hù)具有很高的可靠性； 維護(hù)調(diào)試方便； 微機(jī)保護(hù)的經(jīng)濟(jì)性 1）具有多重性； 2）基建投資和運(yùn)行費(fèi)用低； 3）隨著微機(jī)芯片的性能價(jià)格比的不斷提高，今后微 機(jī)保護(hù)的價(jià)格回比傳統(tǒng) 保護(hù)裝置還要低。 四 、微機(jī)保護(hù)的硬件組成 微機(jī)保護(hù)的“硬件”由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 CPU 主系統(tǒng)、開關(guān)量輸出、輸入系統(tǒng)及外 圍設(shè)備等四部分組成。 1. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又稱為模擬量輸入系統(tǒng)，它 由電壓形成，低通模擬濾波器（ ALE）、采樣保持（ S/H）、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（ MPX） 與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ A/D）幾個(gè)環(huán)節(jié)組成。其作用是將電壓互感器（ TV）和電流互感 器（ TA）二次輸出的電壓、電流模擬量經(jīng)過(guò)上述環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接受和識(shí)別 的，而且大小與輸入量程成正比，相位不失真的數(shù)字量，然后送 入 CPU 主系統(tǒng)進(jìn) 行處理及計(jì)算。 2. CPU 主系統(tǒng) 如上圖 101 所示，微機(jī)保護(hù)的 CPU 主系統(tǒng)是由 MPU 微 處理 微處理器用于控制與計(jì)算，由于微機(jī)保護(hù)的信息量大、要求處理的速度快，因此 一般都采用 16 位以上的高速芯片。這里采用 Intel 公司生產(chǎn)的 8098 單片機(jī)，由其 執(zhí)行控制和運(yùn)算功能。它包含 16 位 CPU，片內(nèi) 8KB ROM/EPROM，高速輸入 /輸 出接口， 4 個(gè)多用途 I/O 口，全雙工串行口， 4 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，脈寬調(diào)制器， 1 個(gè) 16 位監(jiān)視定時(shí)器 ， 2 個(gè) 16 位定時(shí)器， 4 個(gè)軟件定時(shí)器，存儲(chǔ)器控制器及中斷 控制器等主要部件。 PROM 用于存儲(chǔ)各種程序及必要的數(shù)據(jù)，如操作系統(tǒng)、保護(hù)算法、數(shù)據(jù)濾波、自 檢程序等。 RAM 用于存放經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理的電力系統(tǒng)信息，以及各種中間計(jì)算結(jié)果、 和需要輸出的數(shù)據(jù)，由于信息量很大，而 RAM 的容量是有限的，因此 RAM 中所 存放的信息只是故障前的若干周波的信息，而正常情況下的信息則采用“流水作 業(yè)”的方式存儲(chǔ)。 接口板是主系統(tǒng)不可缺少的組成部分，它是主系統(tǒng)御外界交流的通道。 定時(shí)器是計(jì)算機(jī)本身工作、采集以及 與電力系統(tǒng)的聯(lián)系的時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，也是必須 的而且要求時(shí)間精度很高。 開關(guān)量輸出、輸入系統(tǒng) 從上圖 101 中可以看出，開關(guān)量輸出、輸入系統(tǒng)的主 要作用是輸出跳變、信號(hào)等信息；與外圍設(shè)備包括打印機(jī)和調(diào)試、整定設(shè)備等接 口。為防止干擾的入侵，通常經(jīng)過(guò)光電隔離電路將開關(guān)量輸出、輸入回路與微機(jī) 保護(hù)的主系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的隔離，使兩者不存在電的直接聯(lián)系。這也是微機(jī)保護(hù)保 證可靠性的重要措施之一。 微機(jī)保 31 護(hù)開關(guān)量輸入，即接點(diǎn)狀態(tài)（接通或斷開）的輸入可以分為兩類： 1）安裝在面板上的各種用于調(diào)試、檢查、切換等需要的開關(guān)接 點(diǎn)。 2）從微機(jī)保護(hù)外部經(jīng)過(guò)端子排引入的各種用于檢查、切換等需要壓板或轉(zhuǎn)換開 關(guān)接點(diǎn)，其他保護(hù)裝置或繼電器的接點(diǎn)。 五、 機(jī)保護(hù)的軟件組成 微機(jī)保護(hù)的“軟件”由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集管理模塊、故障檢出模塊、數(shù)字濾波模塊、故障計(jì)算模塊與自檢模塊等組成。 （一）數(shù)據(jù)采集管理模塊 微機(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換后已經(jīng)變成了數(shù)字量，這種 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與 CPU 的接口，目前在微機(jī)保護(hù)數(shù)據(jù)采集管理中有以下幾種方式實(shí)現(xiàn)， 即：程序查詢方式、中斷方式、直接內(nèi)存存?。?DMA）方式與多 CPU 方式。其中 程序 查詢方式和中斷方式硬件最簡(jiǎn)單，但 CPU 介入最多。程序查詢方式的基本思想是微機(jī)保護(hù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得全部工作都由 CPU 通過(guò)軟件 來(lái)指揮，每輪數(shù)據(jù)采集與交換時(shí)，在確定了各通道采樣值的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放的地址以后， CPU 就指揮各通道的數(shù)值逐個(gè)進(jìn)入 RAM，直到整組采樣轉(zhuǎn)換完成后 CPU 才去做其他事 情。直接內(nèi)存存取（ DMA）方式是另外一組 RMA 來(lái)存儲(chǔ)采樣轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，然后直接與主 RMA 發(fā)生內(nèi)存操作，這樣就大大減輕了 CPU 的負(fù)擔(dān)。多 CPU 方式是利用一個(gè)輔助的 CPU 來(lái)管理數(shù)據(jù)采集的工作，這 些方式的前提是必 須增加硬件的投資。 微機(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集管理模塊的程序框圖如下圖 102 所示 ,其主要包括兩部分： 初始化程序和中斷服務(wù)程序。初始化程序是讓有關(guān)的接口、寄存器、定時(shí)器等處于準(zhǔn) 備狀態(tài)，中斷服務(wù)程序是安排 CPU 工作的重要方式，這里只是與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有關(guān)的中斷服務(wù)程序， （二）數(shù)字濾波模塊 數(shù)字濾波器 在微機(jī)保護(hù)中是一個(gè)必要的環(huán)節(jié)，它用于濾去各種不需要的諧 波，數(shù)字濾波器不同于模擬濾波器，它不是一種純硬件構(gòu)造的濾波器，而是一個(gè)由采 樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/D、數(shù)字處理部件與數(shù)模轉(zhuǎn)換器 D/A 組成的一個(gè)系統(tǒng)。在微機(jī)保護(hù)中，數(shù)字濾波器實(shí)際上只是一段數(shù)字處理的軟件而已。數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比， 其主要優(yōu)點(diǎn)在于不存在因?yàn)樵匦缘牟顒e、溫度變化或元件老化等因素造成濾波特 性的變化，而且也不存在阻抗匹配的問(wèn)題。加上它可以根據(jù)需要濾去特定次數(shù)的諧波， 因而在各種數(shù)字化的裝置及微機(jī)保護(hù)中獲得廣泛的應(yīng)用。 差分濾波器 是最簡(jiǎn)單的一種遞歸數(shù)字濾波器。又稱為減法濾波器。 六 、微機(jī)保護(hù)的算法 ： 微機(jī)保護(hù)算法的定義 微機(jī)保護(hù)中根據(jù)數(shù)日的電氣量的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn) 算和判斷，以實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能的方法稱 為算法。也可以說(shuō)違紀(jì)保護(hù)的算法就是微機(jī) 保護(hù)的數(shù)學(xué)模型。 微機(jī)保護(hù)算法的分類 微機(jī)保護(hù)的算法的分類方法很多，大體有以下幾種： 32 1）按目標(biāo)分類可分為“直接法”和“間接法”，直接法可根據(jù)采樣值直接算出各 種所需的電氣量如電流、電壓、阻抗等的值，而間接法則類似傳統(tǒng)的繼電保護(hù)的作法， 即以模擬型保護(hù)的動(dòng)作方程為依據(jù)編程。 2）按“數(shù)據(jù)窗”長(zhǎng)短可將算法分為長(zhǎng)數(shù)據(jù)窗算法和短數(shù)據(jù)窗算法，“數(shù)據(jù)窗”的 概念簡(jiǎn)單地說(shuō)就是算法的每次計(jì)算過(guò)程中所需要的采樣值個(gè)數(shù)，一般地說(shuō)，短數(shù)據(jù)窗 算法每次計(jì)算時(shí)要求的采樣值個(gè)數(shù)不大于半周波 的采樣數(shù)，而長(zhǎng)數(shù)據(jù)窗算法通常需要 的采樣值個(gè)數(shù)要超過(guò)半周波的采樣數(shù)。 3）按算法的原理來(lái)分類時(shí)，可分為正弦量算法、相關(guān)函數(shù)法、微分方程法、最小 二乘法等。 七 、提高微機(jī)保護(hù)可靠性的措施 ： 繼電保護(hù)的可靠性是評(píng)價(jià)繼電保護(hù)裝置的四個(gè)重要指標(biāo)的之一。對(duì)微機(jī)保護(hù)的可靠性的最大“威脅”來(lái)自兩個(gè)方面，即“干擾”與其他“人為的因素”。“干擾”的來(lái) 源有來(lái)自大氣放電的“天電干擾”及由于發(fā)電廠、變電站中大量的電路閉合與斷開操 作所造成的環(huán)境“工業(yè)干擾”。人為因素包括管理、操作人員的素質(zhì)、對(duì)設(shè)備的維護(hù)不當(dāng)以及習(xí)慣勢(shì)力等。 提高 微機(jī)保護(hù)的可靠性是從提高抗干擾能力、增強(qiáng)微機(jī)保護(hù)硬件的可靠性及完善 軟件的性能這幾方面來(lái)保證的。為防止外部干擾的入侵，主要措施是硬件系統(tǒng)得可靠地“接地”、“屏蔽”與“隔 離 ”。通常經(jīng)過(guò)光電隔離電路將開關(guān)量輸出、輸入回路與微機(jī)保護(hù)的主系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格 的隔離，使兩者不存在電的直接聯(lián)系。這是微機(jī)保護(hù)保證可靠性的第一項(xiàng)重要措施。 為了增強(qiáng)微機(jī)保護(hù)硬件的可靠性，除了選用高質(zhì)量的元器件外，還可采用多重化 和容錯(cuò)技術(shù)。容錯(cuò)機(jī)的基本原理是讓硬件有冗余度，例如采用三套完全相同的硬件， 并且讓其同步工作，然后采用 2/3 表決方 式確定其輸出結(jié)果。但是在微機(jī)保護(hù)中一般 可以采用“雙重化“的方式，即兩套完全獨(dú)立的保護(hù)（保護(hù)的原理可以相同也可以不同）安裝在同一地點(diǎn)，作用也完全一樣。 在完善軟件的性能方面，微機(jī)保護(hù)與所有的微機(jī)應(yīng)用裝置一樣，保護(hù)的軟件中包括故障自檢模塊，它使微機(jī)保護(hù)具有自動(dòng)檢測(cè)和自診斷能力，能夠自動(dòng)檢測(cè)硬件的故 障，這是傳統(tǒng)的繼電保護(hù)所不具備的。同時(shí)軟件還具有自檢能力，可以對(duì)輸入的數(shù)據(jù) 進(jìn)行交錯(cuò)。 33 結(jié)束語(yǔ) 本設(shè)計(jì)題目是 某賓館 10KV 變電所設(shè)計(jì)。在 王立東老師 的指導(dǎo)下，依 照國(guó)家相關(guān)規(guī)范及畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 要求，根據(jù)自己所學(xué)的有關(guān)供配電的理論知識(shí)，經(jīng)過(guò)三個(gè)月的努力，終于完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。 在做設(shè)計(jì)的開始，王 立東 老師就諄諄教導(dǎo)我們要嚴(yán)格要求自己，要勤于思考，勤于 動(dòng)手，勤于詢問(wèn)。經(jīng)過(guò)這三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)生活，我學(xué)到了許多東西。提高了自己的獨(dú)立思考的能力，提高了自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，鍛煉了自己吃苦耐勞的品 質(zhì)，培養(yǎng)了自己嚴(yán)格依照國(guó)家相關(guān)規(guī)范、規(guī)定做工程設(shè)計(jì)的良好習(xí)慣。盡管自己還存 在著這樣或那樣的不足，在今后的學(xué)習(xí)和工作中，我會(huì)努力改進(jìn)和提高。 在此向王廣老師和在設(shè)計(jì)過(guò)程中所有提供幫助的老師致謝！由于時(shí)間倉(cāng)促 ，設(shè)計(jì) 者能力有限，難免存在這樣或那樣的問(wèn)題，懇請(qǐng)老師和專家批評(píng)指正！ 設(shè)計(jì)者： 于濤 2021年 5月 10 日 34 參考文獻(xiàn) [1]中國(guó)建筑工業(yè)出版社 .電氣設(shè)計(jì)規(guī)范 [M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社 .2021. 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