技術背景

微機保護是由微型計算機構成的繼電保護，具有高可靠性，高選擇性和高靈敏度的優(yōu)點，是電力系統(tǒng)繼電保護的發(fā)展方向（現(xiàn)已基本實現(xiàn)，尚需發(fā)展）。微機保護系統(tǒng)以微處理器為核心，配以輸入輸出通道、人機接口和通訊接口等。微機保護系統(tǒng)廣泛應用于電力、石化、礦山冶煉、鐵路以及民用建筑等領域。

微機保護裝置的硬件可以通用，而保護性能和功能的大小則由軟件的功能決定。微機保護系統(tǒng)的微處理器的主流芯片為單片機（MCU），輸入輸出通道包括模擬量輸入通道和數(shù)字量輸入輸出通道、人機接口、各種報警信號、跳閘信號及電度脈沖等。

傳統(tǒng)的繼電保護裝置是使輸入的電流、電壓信號直接在模擬量之間進行比較和運算處理，使模擬量與裝置中給定的機械量（如彈簧力矩）或電氣量（如門檻電壓）進行比較和運算處理，決定xx是否跳閘。較于傳統(tǒng)的繼電保護，微機保護系統(tǒng)的工作過程更加系統(tǒng)化和智能化，微機保護的工作過程如下：

當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障電氣量通過模擬量輸入系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送入計算機的中央處理器，對故障信息按相應的保護算法和程序進行運算，

將運算的結(jié)果隨時與給定的整定值進行比較，判別是否發(fā)生故障。

確認區(qū)內(nèi)故障發(fā)生，根據(jù)開關量輸入的當前斷路器和跳閘繼電器的狀態(tài)，經(jīng)開關量輸出系統(tǒng)發(fā)出跳閘信號，并顯示和記錄故障信息。

在高壓變頻器的應用上，目前國內(nèi)外尚無使用微機保護裝置的先例。究其原因，首先是因為高壓變頻器設有幾十路模擬信號，在現(xiàn)有的電力系統(tǒng)上使用微機保護裝置成本太高，其次由于高壓變頻器的控制器具備一定的信號采集、處理和系統(tǒng)保護功能，使微機保護的應用相對困難。但是，由于高壓變頻器的功率單元一直存在一個問題：若無啟動電阻，啟動電流太大；加上啟動電阻，則每個單元需加3個功率電阻和一個交流接觸器，若是9級串聯(lián)的高壓變頻器(有27個功率單元)，則需額外增加81個功率電阻和27個接觸器。如此一來，不僅無法省去熔斷器，還增大了變頻器的體積和生產(chǎn)成本。

技術方案

若將微機保護系統(tǒng)應用在高壓變頻器上，首先要考慮微機保護裝置的安裝體積問題，不能給高壓變頻器增加太大負擔。相比低壓變頻器來說，高壓變頻器系統(tǒng)復雜，但是相比整個電力系統(tǒng)或者電站，高壓變頻器的容量很小。所以，現(xiàn)行的微機保護裝置不能用在高壓變頻器上，想要應用微機保護，只能簡化微機保護裝置。

高壓變頻器運行控制的核心為控制器，系統(tǒng)控制核心是接口板，顯示和發(fā)送命令靠監(jiān)視器，所有涉及運行有關的狀態(tài)和指令都跟控制器聯(lián)系，涉及系統(tǒng)保護和啟停命令的狀態(tài)和指令要經(jīng)過接口板，跟顯示有關的狀態(tài)要送到監(jiān)視器。比如電網(wǎng)電壓的幅值、相位和頻率都會快速給到控制器；輸入電壓、電流、功率及功率因數(shù)需要通信傳到監(jiān)視器；而過流過壓保護跳閘信號需傳給接口板。

微機保護裝置由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件電路由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機主系統(tǒng)、開關量輸入輸出電路、工作電源、通信接口和人機對話系統(tǒng)六個功能單元構成；軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集管理模塊、故障檢出模塊、故障計算模塊、自檢模塊等組成。

人機對話系統(tǒng)用監(jiān)視器代替；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的模擬量在重要電壓電流信號上，而且在保證整體需求滿足的情況下，模擬量采集越少越好；開關量輸入輸出電路通過接口板實現(xiàn)；至于通信系統(tǒng)，微機保護跟控制器和監(jiān)視器進行數(shù)據(jù)交換。如此一來，微機保護裝置不僅實現(xiàn)了結(jié)構小巧緊湊，而且能跟整個系統(tǒng)進行信息交換。

合康第三代高壓變頻器開始應用微機保護裝置。如圖1，在數(shù)據(jù)采集管理模塊上，微機保護裝置采集主電路的模擬信號（包括電壓電流信號），檢測主電路的運行狀態(tài)；在開關量輸入輸出電路模塊上，微機保護裝置與接口板進行信息交換，能夠?qū)崟r了解高壓變頻器的工況和輸出保護信號；在通信接口上，微機保護裝置與控制器進行485慢速通信和光纖快速通信，各模擬信號的狀態(tài)能及時反饋到控制器（一部分數(shù)據(jù)控制器做自用，一部分數(shù)據(jù)控制器再與監(jiān)視器進行485通信，送到監(jiān)視器做顯示），光纖快速通信保證了控制器數(shù)據(jù)更新的實時性，485慢速通信的通信速率也能滿足顯示要求。

圖1微機保護裝置框架圖

下面詳細介紹一下第三代高壓變頻器微機保護裝置，如圖2。

高壓變頻器微機保護裝置，包括一塊主控板、一塊微機保護接口板（此處區(qū)別高壓變頻器的接口板）及三塊單元電流檢測板，主控板和每塊單元電流檢測板上各有一個控制器；單元電流檢測板用來檢測單元輸入電流并進行處理；主控板是微機保護裝置的核心；微機保護接口板是微機保護系統(tǒng)用來與別的系統(tǒng)進行IO信號傳輸、485通信、光纖通信的連接板。

通過電流互感器及電路處理，將每個單元的電流模擬信號轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號，通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單元電流檢測板的控制器中將每一路數(shù)字信號通過三級反時限特性運算，模擬熔斷器的特性，進而對高壓變頻器進行保護；因為主控板的控制器通過IO信號與高壓變頻器的控制系統(tǒng)通信，所以能夠區(qū)分上電和正常運行兩種情況，然后所述主控板將這個信號通過SPI通信方式傳給所述單元電流檢測板，避免了熔斷器的選型偏大的缺點；主控板和單元電流檢測板的控制器均采用了STM32F103ZE芯片，這款芯片擁有最多21路ADC，可以采集21路模擬信號；同時這款芯片擁有豐富的SPI通信和485通信外設，因此單元電流檢測板可以將輸入電流狀態(tài)快速傳給所述主控板的控制器；按照高壓變頻9級串聯(lián)設計微機保護裝置，高壓變頻器U、V、W三相均由9個單元級聯(lián)，移相變壓器二次側(cè)有27組A、B、C三相線圈，高壓變頻器的每個單元連接移相變壓器的一個A、B、C三相線圈，但只采集每個單元的A、C兩相輸入電流，每相需要采集18路電流信號，每個單元電流檢測板采集U、V、W中的一相輸入電流。 

圖2 微機保護裝置原理圖

總結(jié)

目前，高壓變頻器的功率單元在上電時沖擊電流很大，為避開上電沖擊電流，熔斷器的選型往往偏大，因此導致高壓變頻器運行時熔斷器無法保護功率單元的隱患（通常表現(xiàn)為功率單元燒毀，而熔斷器還沒進行保護；嚴重者可能會燒掉變頻器的移相變壓器，而熔斷器依然沒有保護動作）。高壓變頻器加入微機保護裝置后，既能克服熔斷器選型偏大的缺點，又能允許上電沖擊大電流，還能在正常運行時實現(xiàn)過流有效保護。因此，微機保護的應用會給高壓變頻器更安全有效地保護。

在眾人的期待和矚目中，合康變頻第三代高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應運而生。從最初的課題設立，到任務分配，再到具體的研發(fā)細節(jié)，近于一年的艱苦奮戰(zhàn)，300多個難眠的日日夜夜，這款集傳統(tǒng)科技與創(chuàng)新技術于一體的高性能變頻器，凝聚了全體技術小組成員們心血和汗水。所有的創(chuàng)造都是艱苦的，第三代高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)也不例外，在它誕生的道路上，項目小組遇到了一個又一個的技術難題，微機保護系統(tǒng)的應用就是最典型的一個。