摘 要：微機型繼電保護裝置擔(dān)負著判斷電力系統(tǒng)故障并給出保護動作信號的任務(wù)，同時還要向運行人員提供信息并與其它設(shè)備進行通訊，因此它必須是一套具有高性能和高可靠性的計算機測控系統(tǒng)。文中分析了基于STD總線的微機型繼電保護裝置的系統(tǒng)組成，并重點介紹了浮點數(shù)據(jù)采集技術(shù)在微機型繼電保護裝置中的應(yīng)用以及微機型繼電保護裝置的可靠性設(shè)計。根據(jù)文中所述技術(shù)設(shè)計的微機型繼電保護具有較高的精度和可靠性，已成功地應(yīng)用于華中電力系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：繼電保護，STD總線，浮點數(shù)據(jù)采集，可靠性設(shè)計 Abstract: The computer protective relaying equipments take on the role of judging the failure in electric power system, at the same time they give message to run personnel and communicate with other devices, so they must be highly reliable measurement and control systems with high performance. The paper analyses the composing of computer protective relaying equipments based on standard bus and mainly introduces the float-point data acquisition technique and its appliance to computer protective relaying equipments and the reliability design of computer protective relaying equipments. The computer protective relaying equipments designed according to these techniques possess high precision and reliability performance and have been successfully applied to Center China Electric Power System. Keywords: protective relaying, STD bus, float-point data acquisition, reliability design 1 系統(tǒng)的功能與特點 　　繼電保護裝置在電力系統(tǒng)中擔(dān)負著保證電力系統(tǒng)安全可靠運行的重要任務(wù)。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為了防止故障的擴大，要求繼電保護裝置能夠迅速、可靠地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，從而將故障對電力系統(tǒng)的影響限制在盡可能小的范圍內(nèi)。微機型繼電保護裝置是一種高性能的計算機測控系統(tǒng)，它比傳統(tǒng)的晶體管型和集成電路型繼電保護裝置具有更高的可靠性和靈敏度[1]。本文介紹了一種基于STD總線的微機型繼電保護裝置，其主要特點是： 　?。?） 采用了功能強大的16位微處理器80C196，并且創(chuàng)造性地運用了許多新的判據(jù)與算法，保證了系統(tǒng)的先進性; 　　（2） 采用STD總線結(jié)構(gòu)，在軟硬件上采取了許多抗干擾措施，增強了系統(tǒng)的可靠性。 2 微機型繼電保護裝置的總線結(jié)構(gòu) 　　對于微機型繼電保護裝置而言，采用總線式結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性。在總線式結(jié)構(gòu)的測控系統(tǒng)中，總線構(gòu)成系統(tǒng)的物理框架，各個功能模板部件通過系統(tǒng)總線連接為一個整體。在微機型繼電保護裝置中采用總線式結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點[2]： 　?。?） 繼電保護裝置的軟硬件設(shè)計簡捷方便; 　　（2） 簡化了裝置結(jié)構(gòu)，各個功能模板部件只需“掛接”到系統(tǒng)總線上即可，并且易于實現(xiàn)硬件冗余設(shè)計; 　?。?） 增強系統(tǒng)的可擴展性和可維護性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，可快速確定并替換故障模板。 　　STD總線是工業(yè)自動化系統(tǒng)中常用的一種系統(tǒng)總線，它支持多種微處理器，可靠性高，擴展能力強?；赟TD總線的微機型繼電保護裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 基于STD總線的微機型繼電保護裝置的結(jié)構(gòu)框圖[/align] 3 浮點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 　　為了在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時能從故障后的暫態(tài)信號中迅速準(zhǔn)確地判斷故障類型和計算有關(guān)參數(shù)，一個高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對于微機型繼電保護裝置是不可缺少的。微機型繼電保護裝置的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：保護裝置測量元件的相對誤差應(yīng)小于5%，電流的測量范圍為0.5A～100A[3]。要在這樣大的量程范圍內(nèi)達到規(guī)定的精度要求，單純采用12位A/D轉(zhuǎn)換器是難以實現(xiàn)的，而16位甚至更高位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器不僅價格昂貴，而且對外圍器件的要求也相當(dāng)苛刻，在電站惡劣的工作環(huán)境下難以滿足。而采用浮點數(shù)據(jù)采集技術(shù)則可以有效地解決這一難題。 　　浮點數(shù)據(jù)采集就是先通過一個精密的數(shù)控變增益電路對輸入信號進行適當(dāng)?shù)姆糯?，然后再對放大了的信號進行采樣。數(shù)控變增益電路對于不同幅度的輸入信號有不同的放大倍數(shù)，這一般通過電壓比較網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。如果把浮動的放大倍數(shù)稱為階碼，把A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果稱為尾碼，這樣每個采樣值就都由“階碼+尾碼”構(gòu)成，它類似于浮點數(shù)的表示方法，故稱為浮點數(shù)據(jù)采集。圖2為浮點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖[4]。 　　在浮點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，若A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為N，數(shù)控變增益電路的放大倍數(shù)級數(shù)為L（按2的冪次方變化），則所構(gòu)成的浮點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍（系統(tǒng)允許的最大輸入信號幅度與能分辨的最小輸入信號幅度只比，一般按分貝計算）為20lg2L+N;如果采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)控變增益電路的放大倍數(shù)設(shè)計為8級，則浮點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍可達到120.4dB，等效于一個20位A/D轉(zhuǎn)換器的量化效果。并且，由于數(shù)控變增益電路保證了進入A/D轉(zhuǎn)換器的信號幅度幾乎總是處于上半量程之內(nèi)，因而量化的信噪比將近似保持一致[5,6]。 [align=center] 圖2 浮點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖[/align] 4 繼電保護裝置的可靠性設(shè)計 　　由于繼電保護裝置的可靠性直接影響到電力系統(tǒng)的可靠性，繼電保護裝置的可靠性設(shè)計尤為重要。在電站內(nèi)存在嚴重的電磁干擾，它們會導(dǎo)致繼電保護裝置內(nèi)模擬電路的噪聲增大和數(shù)字電路工作不穩(wěn)定，甚至還會使存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)丟失，使繼電保護裝置不能正常工作。為了有效地抑制電磁干擾，在基于STD總線的微機型繼電保護裝置中主要采取了如下措施[7]： 　?。?） 屏蔽：結(jié)合STD總線的標(biāo)準(zhǔn)機籠結(jié)構(gòu)，在保護裝置中采取了雙層屏蔽的措施;STD總線的金屬機籠作為內(nèi)屏蔽層，金屬機箱作為外屏蔽層，并且在安裝時接大地。 　?。?） 隔離：模擬量通過電壓、電流變送器隔離，開關(guān)量通過光耦隔離，強弱電電源隔離。 　?。?） 濾波和接地：在電子元器件的電源和地之間就近加接濾波電容，是抑制干擾的簡單而有效的方法;在每一模板的周圍布置地線網(wǎng)絡(luò)，使電路能方便地就近接地，可以減小地電流對電路的影響。 　?。?） 動態(tài)硬件冗余設(shè)計：對于重要的功能部件，如數(shù)據(jù)采集部件，由兩塊地址不同但功能完全相同的模板來實現(xiàn)，其中一塊作為工作板，另一塊作為備用板;CPU周期性地命令兩塊A/D模板對接入的同一路標(biāo)準(zhǔn)信號進行采樣并判斷結(jié)果，若工作板結(jié)果正確則仍作為工作板，否則若備用板結(jié)果正確，則備用板自動轉(zhuǎn)為工作板，原工作板退出運行并且顯示相應(yīng)信息。 　?。?） 超時復(fù)歸與多重校核：利用硬件和軟件自復(fù)位定時器（WDT）都可以使微機型繼電保護裝置具有超時自動復(fù)歸能力，如果發(fā)生程序運行出軌，裝置將自動恢復(fù)正常;由于干擾是隨機和短時的，如果事先規(guī)定滿足多重條件時才能發(fā)出出口命令，干擾造成多重條件都能滿足的概率就會很小，從而可以避免因干擾而導(dǎo)致的保護裝置誤動作。 5 結(jié)束語 　　基于STD總線的微機型繼電保護裝置是一套具有高性能和高可靠性的計算機測控系統(tǒng)，采用浮點數(shù)據(jù)采集技術(shù)可以有效地解決測量與控制中的精度問題，從而保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行。根據(jù)上述技術(shù)設(shè)計的微機型繼電保護裝置已在河南某水電站無故障運行五年，充分證明了設(shè)計的正確性和系統(tǒng)的可靠性。 　　本文作者創(chuàng)新點：采用STD總線式結(jié)構(gòu)增強了系統(tǒng)的可擴展性和可維護性，采用浮點數(shù)據(jù)采集技術(shù)提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍和精度，采用多種抗干擾措施保證了系統(tǒng)的可靠性。 參考文獻 　　[1] 陳德樹. 計算機繼電保護原理與技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社，1992 　　[2] 尤一鳴等. 單片機總線擴展技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993 　　[3] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).微機線路保護裝置通用技術(shù)條件.GB/T15145-94.國家技術(shù)監(jiān)督局，1995 　　[4] 林君，別紅霞. 電子電路系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)[M]：最佳設(shè)計及實踐. 北京：國防工業(yè)出版社，1998 　　[5] 陳棣湘等. 浮點數(shù)據(jù)采集技術(shù)及其在微機繼電保護裝置中的應(yīng)用[J]. 電子測量技術(shù)，2000，117（4）：31-33 　　[6] 王毅峰，溫希東. 基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計[J]. 微計算機信息，2005，11-2：58-60 　　[7] 陳棣湘等. 基于STD總線的高可靠性計算機繼電保護裝置[J]. 國防科技大學(xué)學(xué)報，2000，22（4）：116-118