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摘 要：针对目前微机保护技术飞速发展的形势和国内高校微机保护实验的现状，分析了各类微机继电保护装置所需要采集的模拟量情况，提出了一种通用的微机保护实验装置的设计思路以及基于DSP和PC104的软硬件设计方案，对其实现方法和其他关键技术进行了研究。该系统能够承担《电力系统继电保护》和《电力系统微机保护》课程的教学实验。
关键词：微机继电保护；实验装置批；软硬件设计
Design of General Microprocessor based Experiment Apparatus for Relay Protection
WEI Yihua, JIAO Yanjun, ZHANG Xinguo, ZHANG Yandong
(School of Electrical Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071003, China)
Abstract：Aiming at present condition of microprocessorbased relay protection experiment in domestic universities and the quick developments of microprocessorbased re lay protection, this paper analyzes the analog items required by most microproce ssor relay protection equipments. A new general design method as well as the sof tware and hardware scheme based on DSP and PC104 have been put forward. This pap er also makes research on its implement methods and other key techniques. The pr oposed system is able to take on the teaching experiments of Power System Relay Protection and Power System Microcomputer Protection.
Key words：microprocessor based relay protection; experimen t equipment; software and hardware design
1前言
近20年来，微机型继电保护装置在我国电力系统中获得广泛应用，常规的电磁型、电动型、整流型、晶体管型以及集成电路型继电器已经逐渐被淘汰。以往，继电保护装置与继电保护原理是一一对应的，不同的保护原理必须用不同的硬件电路实现。微机继电保护的诞生与应用彻底改变了这一状况。微机继电保护硬件的通用性和软件的可重构性，使得在通用的硬件平台上可以实现多种性能更加完善、功能更加复杂的继电保护原理。一套微机保护往往采用了多种保护原理，例如高压线路保护装置具有高频闭锁距离、高频闭锁方向相间阻抗、接地阻抗、零序电流保护及自动重合闸功能。微机保护还可以方便地实现一些常规保护难以实现的功能，如工频变化量阻抗测量和工频变化量方向判别。在电力系统继电保护人才培养方面，高校中的电力系统继电保护实验室所开出的电磁型、整流型、晶体管型各种原理的继电保护实验，对于培养学生的实际操作能力、继电保护原理的理解和掌握发挥了重要作用，但与当前继电保护的应用现状和人才的培养要求存在一定的差距［1］。解决这一问题的途径在于，一方面对使用多年的《电力系统继电保护原理》教材的体系结构与内容重新整合，补进当今微机保护中的最新原理，剔除一些过时的内容；另一方面，配合新教学内容的实验手段亟待改进。开发一种既借鉴常规继电器形象直观的优点又能适应当今继电保护最新技术发展现状的实验教学装置成为一个迫切问题。由于微机继电保护装置广泛意义上的硬件通用性，单独开发某一原理的实验教学装置实无必要。基于此，笔者设计了一种通用的电力系统继电保护微机型教学实验装置，它不仅可以供学生理解继电保护原理使用，还可以用作继电保护科研调试的实验平台。
2微机保护装置的基本构成
2.1微机保护装置的硬件构成
微机继电保护装置一般采用插件式结构，通常包含交流变换插件、模数转换和微处理器插件、人机管理插件、开关量输入插件、电源插件和继电器插件等。尽管不同厂家的产品采用的微处理器和模数转换方式可能不同，但微机保护装置的结构却基本相同。典型的微机保护装置结构框图如图1所示。其中模数转换包括A/D和VFC两种不同方式，其工作原理如图2所示。开关量输入和开关量输出一般都经过光电隔离，以增强抗干扰能力。 （图片） 随着微处理器技术的发展，内部集成的资源越来越多，一个处理器芯片往往就是一个完整的微处理器系统，使得硬件设计变的非常简单。较复杂的微机保护装置通常采用多CPU结构。多个保护CPU通过串行通讯总线与人机管理CPU相连。通过装置面板上的键盘和液晶显示实现对保护CPU的调试与定值设置。人机管理CPU设计通过现场通信总线与调度直接连接，便于实现变电站无人值守和综合自动化。（图片） 2.2微机保护装置的原理
微机保护的原理随保护的对象不同而不同，也随应用场合变化而变化（主要是电压等级、设备类型等）。不同的保护原理需要采集的模拟量、开入量和开出量也各不相同。虽然一套微机保护装置集成了许多保护原理，但各种保护原理仍然是相对独立的。表1对利用电气量较多的保护原理所采集模拟量的情况进行了比较。可以看出典型的各种保护原理最多需要10路电流量和6路电压量。微机继电保护装置的软件配置一般为一个主程序和两个中断服务程序。主程序包括初始化和自检循环模块、保护逻辑判断模块和跳闸（及后加速）处理模块。不同保护原理的第一、三个模块是基本相同的，但保护逻辑判断模块随不同的保护原理而相差甚远。如距离保护中含有振荡闭锁程序部分，而零序电流保护则没有振荡闭锁部分。中断服务程序包括定时采用中断服务程序和串行口通信中断服务程序［2］。（图片） 3继电保护实验的基本要求和内容
3.1基本要求
过去常规的电力系统继电保护原理实验的基本要求包括了对装置的构成、工作原理和对电力系统继电保护构成原理两部分。通过动手接线熟悉和掌握某一继电器的构成原理。通过正确的实验方法得到与电力系统继电保护原理相一致的实验结果。随着微机型继电保护装置的应用，这一状况有所改变，在充分了解微机型继电保护装置的硬件结构后，可以集中精力理解和掌握电力系统继电保护原理的核心内涵，使得在短时间内完成多种保护原理的实验成为可能。随着微机保护试验测试装置的应用，过去在一些高等院校无条件进行的变压器和发电机等教学实验，借助于一套通用的微机型实验装置可以方便快捷地进行。通用的微机型电力系统继电保护原理教学实验装置在我校承担《微机继电保护》和《电力系统继电保护原理》两门课程的实验教学任务。《微机继电保护》实验教学的基本要求是：了解和认识微机保护的硬件结构，各部分电路的工作原理；理解和掌握各种数字滤波器的工作原理、滤波器的频率响应特性，使含有多种频率成分的信号通过滤波器，观察滤波后的信号以得到滤波效果的直观认识，体会数字滤波器的作用；认识和掌握微机继电保护的各种算法。《电力系统继电保护原理》教学实验的目的是使学生通过实验理解和掌握电力系统继电保护的工作原理，并培养正确的实验方法。
3.2实验内容
虽然本装置能够进行电力系统大多数继电保护原理的实验，但是，在教学学时的限制下，该实验装置的教学内容应与理论教学配套为宜，表2列出了拟定的与《电力系统继电保护原理》和《微机继电保护》课程相配套的实验内容。（图片） 4微机型继电保护教学实验装置设计
4.1硬件设计
通过对各种实际微机继电保护装置及其原理的分析，结合《电力系统继电保护原理》和《微机继电保护》教学实验的要求和内容，确定了实验装置的总体设计方案，如图3所示。实验所需要的故障电压电流信号来自继电保护测试仪或物理实验系统，信号进入交流变换插件进行幅值变换后，由继电保护实验装置进行处理。如果满足动作条件，继电保护装置将发出动作信号并驱动保护按既定逻辑动作，同时通过串口与实验微机操作平台（即上位机）通讯，最后由上位机综合所有信息，并对信号和动作行为做进一步离线分析。（图片） 数据采集及处理插件由A/D模数转换芯片（或VFC电压频率变换器）和DSP芯片及外围电路构成。A/D和VFC都通过数据总线与DSP相连，但同时只有其中之一投入。DSP采用TI公司的16位定点DSP芯片TMS320F206，其CPU采用改进的哈佛结构、流水线操作以及专用的硬件乘法器，保证其运算速度优于单片机和通用微机。TMS320F206片内自带4.5kB的RAM，32kB的FALSH MEMORY，无须再为DSP配置外围的存储器，而且比无内置存储器DSP加外围存储器的结构具有更好的抗干扰性能。该芯片具有适合信号处理和实时性强的特点，满足电力系统故障过程中大量数据采集的要求［3］。在本装置中，DSP的功能是控制A/D或VFC按一定的采样频率进行采样，并根据采样值计算出电气量的幅值和相角。采样值和计算结果存放于双端口RAM，供动作逻辑插件调用。
动作逻辑插件是整套继电保护实验装置的核心，主要由嵌入式工控机PC104及其外围电路构成。PC104是一款高度集成的CPU模块，它在板集成了10/100BaseT以太网接口及128M内存，其CPU是一片与X86兼容的64位微处理器，最高运行速度可达300MHz，其图形处理器可支持各种LCD及TFT显示屏，同时还支持PS/2键盘、PS/2鼠标、EIDE接口、Floppy接口、两串一并接口、CF（Compact Flash）卡、USB及WatchDog等。动作逻辑插件通过双端口RAM从数据采集插件取得数据，完成保护方案整定、实时计算、逻辑判断及运行状态监视、按通讯协议与上位机通讯等任务。
4.2软件设计
微机型继电保护实验装置的软件设计有三方面的内容：1）实现微机保护数据采样和预处理的DSP程序，包括半周积分算法、全周傅氏算法、解微分方程算法等多种算法，不同算法的精度和速度有所差别，在实验时可以灵活选用；2）保护逻辑判断原理程序，所有实现各种保护原理的程序都存放在PC104中高速存取的CF卡上，不同保护原理对应不同的程序模块；3）实验微机操作平台的辅助教学软件采用多媒体技术，把采样数据处理成表单或曲线图的形式，将动作过程处理成动画形式，可以帮助实验人员获得直观、形象的感性认识，加深对抽象的继电保护实验原理的理解，同时内部的信号分析工具，还可以显示电气量的向量关系、信号的频谱等，便于研究人员进行深入的离线分析。
5结语
本文介绍了一种新型微机保护实验装置，提出了总体设计方案和实现方法。采用该方案设计的继电保护实验装置解决了以往实验装置中存在的不直观和与现场应用脱节等问题，教学效果良好，满足现阶段继电保护教学的需要。
参考文献
［1］王明江，范春菊，房鑫炎(Wang Mingjiang,Fan Chunju,FangXinyan).开放式微机保护试验平台的研制(Development of open test platform for microcomputerbased protection)［J］.电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2003，15(1)：63-66.
［2］杨新民，杨隽琳(Yang Xinmin,Yang Juanlin).电力系统微机保护培训教材( Electric Power System Microcomputerbased Protection Teaching Material)［M］.北京：中国电力出版社(Beijing:China Electric Power Press)，2000.
［3］宁改娣，杨拴科(Ning Gaidi,Yang Shuanke).DSP控制器原理及应用(Theory and Application of DSP Controller)［M］.北京：科学出版社(Beijing:Science Press)，2002.
［4］贺家李，宋从矩(He Jiali,Song Congju).电力系统继电保护原理(Theory o f Electric Power System Relay Protection)［M］.北京：中国电力出版社(Biejing:Chin a Electric Power Press)，1994.
8/8/2005
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