摘要：随着计算机技术的进步，微机保护控制是实现变电站综合自动化的必然发展趋势。本文在简要介绍了微机保护的特点基础上，对变电站保护测控装置的数据采集、开关量的输入输出回路等硬件组成、软件实现方法和装置抗干扰防护做了详细的阐述。该保护控制装置不仅能够满足变电站保护的实时性和可靠性要求，还能与其他功能单元协同工作，实现变电站微机综合自动化功能。
关键词：微机综合自动化；保护测控装置；硬件设计；软件设计；抗干扰
随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的发展，变电站的综合自动化技术也得到了迅速的发展。近几年，变电站综合自动化得到了我国电力工业部门的高度重视，成为我国当前电力工业推行技术进步的重点之一。
1 变电站微机自动化的继电保护
微机保护是综合自动化系统的关键环节，它主要提供对变电站主要设备和配电线路的全套保护。以全微机化的新型二次设备代替常规的电磁式设备,并尽可能做到硬件资源共享,以不同的软件模块实现常规的硬件才能完成的功能,用计算机局部通信网络代替大量的信号电缆的连接,不仅减少了设计、维护工作量,而且也使得改造后的变电站自动化程度及安全、运行的可靠性得到提高。
1.1 技术特点
变电站综合自动化控制系统是一种集控制、保护、测量及远动等功能于一身的微机控制系统，接线简单，可以很容易解决传统的变电站二次系统存在的问题，提高了电力系统的供电可靠性，其主要有以下几个主要特点：功能综合化：通过一定的结构形式，用一个通讯网络连接起来；结构微机化：系统的主要元件实现微机化；操作监视屏幕化；运行管理智能化：由于微机保护控制单元具有实时在线自诊断功能，使得工作人员可以随时掌握保护单元的运行状态，体现了可靠性高、实时性强的特点。
1.2 微机保护优越性
微机保护装置具有如下几个优点：维护调试方便。；可靠性高；易于获得附加功能；灵活性大；保护性能得到很好的改善。
2 测控单元硬件设计
本保护测控单元主要由以下几个部分构成数据采集系统，电能计量模块，CPU系统、开关量输入输出回路，人机接口系统，以及电源插件。其硬件总体结构如图1：
2.1 电源插件
电源插件把外部提供的交流电源转换为保护装置所需要电压范围。输入为交流220V，内设电源开关，经抗干扰滤波回路后，进入电源变换模块。输出为+5V、±15V、+24V。三组电压均不共地，且采用浮地方式，同外壳不相连。+5V电压用于装置的数字回路，±15V用于模拟量回路，+24V电压用于继电器驱动及脉冲、开入的正电源输入使用。
2.2 数据采集系统
从电力系统CT，PT来的二次测送来的电气量的值可能很大，也可很小，与微机保护装置输入通道允许的电平不相匹配，所以不能直接送入装置中，必须设计交流变换电路，以达到使输入信号电平与微机保护装置输入通道允许的电平相匹配的目的。需要变换的电气量有A、B、C相的电压、电流，及其零序电压和电流。交流电压一般通过隔离变压器获得所需要的电平。交流电流则先通过隔离变流器，然后再通过阻抗变换器直接转换为合适的电压。同时交流变换电路的另外一个作用是实现装置内外的电隔离，即使系统二次设备（包括信号系统、继电保护和自动装置等）与保护装置之间不存在直接的电联系，以提高抗干扰的能力。
由于采样总是按照一定的频率工作的，为了避免因采样频率不够高而产生频域混叠现象，必须要满足采样定理，因此须限制输入信号的最高频率，也就是必须给输入信号一定的带限，把输入信号频率限制在一定范围内。经由电压电流变换器而来的模拟信号内含有很多高次谐波，尤其是在故障初期，其高次谐波含量更多更复杂。因此，需要用低通滤波器来消除输入信号中的高频部分。本系统中采用由网络与运算放大器构成的有源低通滤波器。在RC网络中引入有源器件，能够实现传递函数在S域左半平面出现共辘极点，得到良好的滤波特性。为了不增加装置的复杂性和时延，阶数选取不宜过高，本系统中选用二阶低通滤波器。
2.3 开关量回路
关量回路包括开关量输入回路和开关量输出回路。不论是开关量输入还是开关量输出，他们所要检测和控制的设备对象都来自220V的高压环境中，电磁干扰比较严重，因此都需要光电隔离器件，隔离外部干扰信号，防止外界干扰进入CPU系统。在开关量输入中，应用光电隔离器件有着两方面的作用，一是可以隔离外部干扰，二是起到电平转换的作用，将继电器的电压转换为系统可以处理的电平范田之内。开关量输出回路时由CPU的I/O口发出的信号，驱动继电器动作的回路。因为驱动出口部分靠近控制对象，工作环境比较恶劣，容易受到各种干扰因素的影响。为防止由外界干扰造成的误发信号，因此出口命令不能只由一位来表征，当出现电平输出和整定值不符合的情况时，而延时时间到，CPU就要发出相应的保护动作信号，否则任意对该位的千扰都会引发误操作，降低了保护装置的可靠性。
3 软件设计
保护测控单元的整个系统是由保护CPU MSP430F1611、测量CPU P89C51RD2FA和显示CPUP89C51RD2FA构成。各个CPU软件由初始化程序、主程序、中断服务子程序组成。初始化程序主要完成CPU的一些工作方式的选择，以及相关外围器件的初始值和工作方式的设置。主程序则是完成一些对实时性要求不是太高的操作。中断服务子程序主要功能是完成实时数据的采集、保护功能的实现、保护CPU与测量CPU的串口通讯、测量CPU和显示CPU的串口通讯以及测量CPU与上位机通讯。
3.1 保护设计
初始化子程序对CPU的工作方式进行了选择。保护CPU工作核心是完成保护功能和实时数据的采集上传、及事件的数据的形成。通过采用MSP430F1611的软件定时器，通过周期性的中断完成对实时数据采集以及保护功能。因此在初始化子程序中开启软件定时器，完成对RAM片内的清零。
3.2 软件保护中断
保护中断子程序是通过CPU MSP430F1611的软件定时器中断来实现严格满足一个周波12点的等间隔采样，每隔1.667ms触发一次。在每次进入软件定时器中断后，重置定时器基准时间，和下次中断时间。保护中断子程序中主要完成开关量的处理、数据采集、模拟量幅值计算、故障录波数据的采集、保护功能的实现及故障后事件记录的记录。
保护装置是确保电力系统稳定和设备安全的装置，在设计保护控制单元寸，应充分考虑到保护的相对独立性。即一套硬件一套软件，实现不同监控对象的策略。当变电站内其它设备出现故障，退出运行时，不会影响各个保护控制单元的正常运行。若某一微机保护控制单元出现故障或异常时，可以只停下该单元设备，不至于影响其它单元的正常工作。本套装置主要面对的对象为10KV变电站中的电源、母联、馈线、电容等，提供的保护种类包括电流速断(一段保护)、限时电流速断(二段保护)、定时限过电流(三段保护)、低压保护、过压保护、单相接地保护、馈线重合闸、母联自投等及故障录波记录等功能。
3.3 低压保护
采用相电压判别。在PT处于正确位置时，当三相电压中的任一相电压小于整定值时，同时延时时间到，保护动作出口，并发相应的保护动作信号。
PT短线的判别方法是采用电压求和检查和三相失压相结合的方法。利用三相电压求和大于8V，且起动元件未动作，则表示有PT一相或者两相断线。三相失压检查时根据每相电压均小于8V，且有一相电流值大于有流判定值，则认为是三相PT断线。
结论。本文在对现有保护测控单元功能的分析比较后，参与设计的保护测控装置的软件中心问题在于保护模块、通讯模块的实现，达到了设计的预期目标。硬件上协同工作满足了电力系统故障保护的实时性要求。变电站综合自动化系统以其简单可靠、可扩展性强、兼容性好等特点逐步在一些变电站监控项目中获得成功的应用。自动化系统对于实现电网调度自动化和现场运行管理现代化,提高电网的安全和经济运行水平起到了很大的促进作用,大大加强了电网一次、二次系统的效能和可靠性,对保证电网安全稳定运行具有重大的意义。
参考文献
[1] 杨丽涉,包毅,郝玉东等. 电力系统微机保护算法的研究[M]. 郑州工业大学学报，1998
[2] 罗士萍. 微机保护实现原理和装置[M]. 中国电力出版社，2001
[3] 黄益庄. 变电站综合自动化技术[M]. 中国电力出版社，2000
作者简介：李涛 1974.9、女、汉族，硕士学历，工程师，从1998年起长期从事电力工程设计研究工作。