摘要：针对当前微机保护技术快速发展的形势以及国内高校微机保护实验的现状，本文分析了各类微机继电保护装置所需采集的模拟量情况，提出了一种通用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，并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；软硬件设计

1. 引言

近20年来，微机型继电保护装置在我国电力系统中得到广泛应用，传统的电磁型、电动型、整流型、晶体管型及集成电路型继电器逐渐被淘汰。以往，继电保护装置与保护原理一一对应，不同原理需用不同硬件实现。微机继电保护的出现彻底改变了这一局面，其硬件通用性和软件可重构性使得在通用硬件平台上可实现多种性能更完善、功能更复杂的保护原理。例如，高压线路保护装置可集成高频闭锁距离、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等功能。微机保护还能方便地实现工频变化量阻抗测量和方向判别等传统保护难以实现的功能。在人才培养方面，高校实验室仍以电磁型、整流型等传统实验为主，与当前应用现状存在差距[1]。因此，开发一种既借鉴常规继电器直观优点又适应最新技术发展的实验教学装置成为迫切需求。本文设计了一种通用电力系统继电保护微机型教学实验装置，既可用于教学，也可作为科研调试平台。

2. 微机保护装置的基本构成

2.1 硬件构成

微机继电保护装置通常采用插件式结构，包括交流变换插件、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。模数转换有A/D和VFC两种方式，开关量输入/输出均经光电隔离以增强抗干扰能力。随着微处理器技术的发展，单芯片集成资源日益丰富，硬件设计趋于简化。复杂装置常采用多CPU结构，多个保护CPU通过串行总线与人机管理CPU相连，通过面板键盘和液晶显示进行调试与定值设置。人机管理CPU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。

2.2 保护原理

微机保护原理因保护对象和应用场合（电压等级、设备类型等）而异。不同原理所需采集的模拟量、开入量和开出量各不相同。软件配置一般包括一个主程序和两个中断服务程序。主程序包含初始化与自检循环、保护逻辑判断、跳闸及后加速处理模块。不同原理的第一、三模块基本相同，但保护逻辑判断模块差异显著，如距离保护含振荡闭锁，而零序电流保护则无。

3. 继电保护实验的基本要求与内容

3.1 基本要求

传统实验要求掌握装置构成、工作原理及保护原理。微机保护应用后，学生可集中精力理解保护原理核心，在短时间内完成多种原理实验。本装置承担《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。《微机继电保护》实验要求：了解微机保护硬件结构及电路原理；理解数字滤波器工作原理及频率响应特性；掌握各种算法。《电力系统继电保护原理》实验旨在通过实验理解保护工作原理，培养正确实验方法。

3.2 实验内容

本装置可进行大多数电力系统继电保护原理实验，但教学内容需与理论教学配套。

4. 微机型继电保护教学实验装置设计

4.1 硬件设计

通过对实际微机保护装置及原理的分析，结合教学要求，确定总体方案：故障电压电流信号来自继电保护测试仪或物理实验系统，经交流变换插件幅值变换后，由实验装置处理。若满足动作条件，装置发出动作信号并驱动逻辑动作，同时通过串口与上位机通讯，进行离线分析。数据采集及处理插件由A/D（或VFC）和DSP芯片及外围电路构成。DSP采用TI公司16位定点芯片TMS320F206，其改进的哈佛结构、流水线操作及专用硬件乘法器保证运算速度。片内集成4.5kB RAM和32kB FLASH MEMORY，无需外扩存储器，抗干扰性能更优。DSP控制A/D或VFC按采样频率采样，计算电气量幅值和相角，结果存放于双端口RAM供动作逻辑插件调用。动作逻辑插件是核心，由嵌入式工控机PC104及其外围电路构成。PC104高度集成，板载10/100BaseT以太网接口、128M内存，CPU为64位微处理器，最高300MHz，支持LCD/TFT显示、PS/2键盘鼠标、EIDE、Floppy、串并口、CF卡、USB及WatchDog等。动作逻辑插件通过双端口RAM获取数据，完成保护方案整定、实时计算、逻辑判断、状态监视及与上位机通讯。

4.2 软件设计

软件设计包括三部分：1）DSP程序实现数据采样和预处理，提供半周积分、全周傅氏、解微分方程等多种算法，精度和速度各异，可灵活选用；2）保护逻辑判断程序，所有保护原理程序存放在PC104的CF卡上，不同原理对应不同模块；3）上位机辅助教学软件采用多媒体技术，将采样数据处理为表单或曲线图，动作过程处理为动画，帮助获得直观认识，同时提供信号分析工具（如向量关系、频谱）便于离线分析。

5. 结论

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。该装置解决了传统实验装置不直观、与现场脱节等问题，教学效果良好，满足现阶段继电保护教学需要。

参考文献

[1] 王明江，范春菊，房鑫炎. 开放式微机保护试验平台的研制[J]. 电力系统及其自动化学报，2003，15(1)：63-66.

[2] 杨新民，杨隽琳. 电力系统微机保护培训教材[M]. 北京：中国电力出版社，2000.

[3] 宁改娣，杨拴科. DSP控制器原理及应用[M]. 北京：科学出版社，2002.

[4] 贺家李，宋从矩. 电力系统继电保护原理[M]. 北京：中国电力出版社，1994.