关键词：继电保护，STD总线，浮点数据采集，可靠性设计
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 系统的功能与特点
继电保护装置在电力系统中担负着保证电力系统安全可靠运行的重要任务。当电力系统出现故障时，为了防止故障的扩大，要求继电保护装置能够迅速、可靠地将故障元件从电力系统中切除，从而将故障对电力系统的影响限制在尽可能小的范围内。微机型继电保护装置是一种高性能的计算机测控系统，它比传统的晶体管型和集成电路型继电保护装置具有更高的可靠性和灵敏度[1]。本文介绍了一种基于STD总线的微机型继电保护装置，其主要特点是：
（1） 采用了功能强大的16位微处理器80C196，并且创造性地运用了许多新的判据与算法，保证了系统的先进性;
（2） 采用STD总线结构，在软硬件上采取了许多抗干扰措施，增强了系统的可靠性。
2 微机型继电保护装置的总线结构
对于微机型继电保护装置而言，采用总线式结构可以提高系统的可靠性和可维护性。在总线式结构的测控系统中，总线构成系统的物理框架，各个功能模板部件通过系统总线连接为一个整体。在微机型继电保护装置中采用总线式结构具有如下优点[2]：
（1） 继电保护装置的软硬件设计简捷方便;
（2） 简化了装置结构，各个功能模板部件只需“挂接”到系统总线上即可，并且易于实现硬件冗余设计;
（3） 增强系统的可扩展性和可维护性，当系统发生故障时，可快速确定并替换故障模板。
STD总线是工业自动化系统中常用的一种系统总线，它支持多种微处理器，可靠性高，扩展能力强。基于STD总线的微机型继电保护装置的结构框图如图1所示。
图1 基于STD总线的微机型继电保护装置的结构框图
3 浮点数据采集系统
为了在电力系统发生故障时能从故障后的暂态信号中迅速准确地判断故障类型和计算有关参数，一个高精度的数据采集系统对于微机型继电保护装置是不可缺少的。微机型继电保护装置的国家标准规定：保护装置测量元件的相对误差应小于5%，电流的测量范围为0.5A～100A[3]。要在这样大的量程范围内达到规定的精度要求，单纯采用12位A/D转换器是难以实现的，而16位甚至更高位数的A/D转换器不仅价格昂贵，而且对外围器件的要求也相当苛刻，在电站恶劣的工作环境下难以满足。而采用浮点数据采集技术则可以有效地解决这一难题。
浮点数据采集就是先通过一个精密的数控变增益电路对输入信号进行适当的放大，然后再对放大了的信号进行采样。数控变增益电路对于不同幅度的输入信号有不同的放大倍数，这一般通过电压比较网络来实现。如果把浮动的放大倍数称为阶码，把A/D的转换结果称为尾码，这样每个采样值就都由“阶码+尾码”构成，它类似于浮点数的表示方法，故称为浮点数据采集。图2为浮点数据采集系统的框图[4]。
在浮点数据采集系统中，若A/D转换器的位数为N，数控变增益电路的放大倍数级数为L（按2的幂次方变化），则所构成的浮点数据采集系统的动态范围（系统允许的最大输入信号幅度与能分辨的最小输入信号幅度只比，一般按分贝计算）为20lg2L+N;如果采用12位的A/D转换器，数控变增益电路的放大倍数设计为8级，则浮点数据采集系统的动态范围可达到120.4dB，等效于一个20位A/D转换器的量化效果。并且，由于数控变增益电路保证了进入A/D转换器的信号幅度几乎总是处于上半量程之内，因而量化的信噪比将近似保持一致[5,6]。
图2 浮点数据采集系统框图
4 继电保护装置的可靠性设计
由于继电保护装置的可靠性直接影响到电力系统的可靠性，继电保护装置的可靠性设计尤为重要。在电站内存在严重的电磁干扰，它们会导致继电保护装置内模拟电路的噪声增大和数字电路工作不稳定，甚至还会使存储器内的数据丢失，使继电保护装置不能正常工作。为了有效地抑制电磁干扰，在基于STD总线的微机型继电保护装置中主要采取了如下措施[7]：
（1） 屏蔽：结合STD总线的标准机笼结构，在保护装置中采取了双层屏蔽的措施;STD总线的金属机笼作为内屏蔽层，金属机箱作为外屏蔽层，并且在安装时接大地。
（2） 隔离：模拟量通过电压、电流变送器隔离，开关量通过光耦隔离，强弱电电源隔离。
（3） 滤波和接地：在电子元器件的电源和地之间就近加接滤波电容，是抑制干扰的简单而有效的方法;在每一模板的周围布置地线网络，使电路能方便地就近接地，可以减小地电流对电路的影响。
（4） 动态硬件冗余设计：对于重要的功能部件，如数据采集部件，由两块地址不同但功能完全相同的模板来实现，其中一块作为工作板，另一块作为备用板;CPU周期性地命令两块A/D模板对接入的同一路标准信号进行采样并判断结果，若工作板结果正确则仍作为工作板，否则若备用板结果正确，则备用板自动转为工作板，原工作板退出运行并且显示相应信息。
（5） 超时复归与多重校核：利用硬件和软件自复位定时器（WDT）都可以使微机型继电保护装置具有超时自动复归能力，如果发生程序运行出轨，装置将自动恢复正常;由于干扰是随机和短时的，如果事先规定满足多重条件时才能发出出口命令，干扰造成多重条件都能满足的概率就会很小，从而可以避免因干扰而导致的保护装置误动作。
5 结束语
基于STD总线的微机型继电保护装置是一套具有高性能和高可靠性的计算机测控系统，采用浮点数据采集技术可以有效地解决测量与控制中的精度问题，从而保证电力系统的安全可靠运行。根据上述技术设计的微机型继电保护装置已在河南某水电站无故障运行五年，充分证明了设计的正确性和系统的可靠性。
本文作者创新点：采用STD总线式结构增强了系统的可扩展性和可维护性，采用浮点数据采集技术提高了数据采集系统的动态范围和精度，采用多种抗干扰措施保证了系统的可靠性。
参考文献
[1] 陈德树. 计算机继电保护原理与技术[M]. 北京：中国电力出版社，1992
[2] 尤一鸣等. 单片机总线扩展技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993
[3] 中华人民共和国国家标准.微机线路保护装置通用技术条件.GB/T15145-94.国家技术监督局，1995
[4] 林君，别红霞. 电子电路系统及标准[M]：最佳设计及实践. 北京：国防工业出版社，1998
[5] 陈棣湘等. 浮点数据采集技术及其在微机继电保护装置中的应用[J]. 电子测量技术，2000，117（4）：31-33
[6] 王毅峰，温希东. 基于CAN总线的数据采集模块设计[J]. 微计算机信息，2005，11-2：58-60
[7] 陈棣湘等. 基于STD总线的高可靠性计算机继电保护装置[J]. 国防科技大学学报，2000，22（4）：116-118
