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浅谈通用继电保护微机型实验装置的设计
2005年8月19日 9:24  来源:华北电力大学  作者:魏宜华 焦彦军 张新国

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DSPPC104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 microprocessorbased relay protection experiment in domestic universities and the quick developments of microprocessorbased 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

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。

微机保护装置的基本构成

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。其中模数转换包括A/D和VFC两种不同方式,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。

    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

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。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]。

继电保护实验的基本要求和内容

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。

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