【关键词】 高压线路 单片机 保护装置
1 概述
输变电行业是从电能产生到使用消耗的重要的中间环节，高压线路的保护至关重要，对工农业生产、交通、运输、国防以及日常的生产生活具有非常重要的意义。国家电业部门也对高压开关柜等设备提出了严格的要求，并逐渐形成了相关的法规标准。进入80年代，随着计算机微型化技术的迅速发展，使小型化的微机控制系统快速成熟起来。同样，在输变电行业中，单片机控制技术具有先天优势，在控制技术或电子信号方面，可大大提高控制与保护的精度、速度、范围，而且还能与计算机联网，构成系统化管理体系和无人职守的站点，极大地降低了工作人员的劳动强度，提高了安全性。
2 单片微型计算机的工作原理
单片机是将具备计算机内部各个基本功能的模块集成在单一硅片上的微型计算机，具备计算机的全部基本功能，是目前用于自动化(或智能化)控制的理想芯片，通常芯片内掩膜CPU、RAM、EPROM (或EEPROM)，其基本构成如图1所示。
INTEL8051微处理器是该类产品的典型代表，属于8位带有256BRAM、1KBROM的单片机，并有4个并行口或多功能端口。在用于自动控制系统时，用于执行各种保护、检测、控制等功能子程序。并且一般采用外接RAM和EEPROM来存放数据和程序。外接RAM用于存放过程物理量检测值，以便于控制程序调用和工作人员查询；EEPROM用于存放各种检测、保护等功能程序和保护设定值，8255用于对并行口的扩展，来实现人机对话，进行数据更改、查询等操作，另外，还有地址译码器、地址锁存器，用于CPU对各单元芯片进行访问与联络时指定位置。
3 信号输入回路
在输入回路中通常采用传感元件将强电信号转换成弱电信号，并将输入通道用光电隔离器将二者隔离，以减少系统对检测电路的影响与干扰。一般有电压量、电流量、频率量等输入，采样电路则根据这些量之间的物理联系，转化成所需要的系统电压信号、电流信号、频率信号、功率因数信号、负荷状况等表征系统运行状态的物理量。传感元件一般有电压互感器、电流互感器、零序电流互感器、频率计等。
在输入通道中，通常设置了多路模/数转换器，用于对各种不同回路的物理量进行转换与采样。如INTEL公司生产的ADC0809，就是根据积分比较原理进行转换的8位芯片，它将前方传送的数据进行转换后并保持，以便CPU进行处理。在模/数转换器与前方输入通道之间通常设置快速光隔，以最大限度地减低干扰信号的进入，并进一步抑制共模干扰信号，提高CPU系统工作可靠性与控制精度。
4 控制量输出回路
控制量输出一般采用性能可靠、适合微机管理的元件或机构，如出口继电器、断路器的分闸合闸机构、脱扣器、步进电机、晶闸管等，这些元件一般受控于模拟量或开关量，CPU发出控制信号时，需要将数字量转化成模拟量或开关量，再由驱动回路将此信号进行放大，驱动执行机构动作，在对高压线路实施保护控制时一般采用的执行元件或执行机构有：出口继电器、永跳继电器、启动继电器、三相重合闸装置等。其中永跳继电器用于驱动操作回路中的防跳继电器，以作为三跳继电器拒动时的后备跳闸回路，即在CPU发出三跳命令0.25s后。故障点仍有电流时驱动此继电器，以便通过断路器的闭锁接点锁住重合装置。
为确保系统的可靠性，可由多片CPU组成不同功能的模件，在各自的CPU芯片中设有自诊断程序，通常情况下，如果模件上有硬件损坏可由模件自诊断功能检出，之后一方面直接驱动相应模件发出报警信号，另一方面通过串口向人机对话模件报告，通过驱动打印机或显示器发出关于故障点的详细信息(如故障点位置、故障类型、芯片名称等)，如果某一CPU模件的硬件在致命部位有故障，致使模件不能正常工作，即失去了自诊断与报警功能，此时可由入机对话模件通过巡检发现而告警。人机对话模件在运行状态下不断通过通讯口向其它CPU模件发出巡检令，并作出相应回答，如若不回答则先对回路复位后再次巡检，仍不应答则发出故障信息。
5 装置的保护类型
5.1 距离保护
所谓距离保护是指相间故障、接地故障时采取的保护措施。当故障发生后，如相间短路、单相接地、缺相运行等故障，CPU首先会接到相应回路点发来的中断信号，然后根据其中所包含的故障信息作出相应的判断，并向执行部件发出动作指令。
当系统发生第一次故障时，利用电压记忆，CPU准确判断1～3段任何故障的类型和方位，在震荡闭锁期间，如再发生故障，因系统可能处于震荡状态，使测量不可靠，故对各种不对称故障均采用负序方向元件来把关，此时，震荡闭锁中的控制采用偏移进行矫正。为保障动作的可靠性，而设置此逻辑，并应具备以下条件：(1)、敏感元件应先有信号发出；(2)电阻分量应变化很小：(3)以此来判定震荡是否发生。
5.2 零序保护逻辑
当系统出现某相接地或发生零序电流泄漏时，该逻辑中的零序保护程序作出响应。正常情况下零序保护元件发出开口三角电压UO，而软件可根据三相电压信号自产出U=Ua＋Ub＋Uc，若故障前发现Ua＋Ub＋Uc=U不成立，而U≠0，则故障仍采用U；若UO=0则采用UO。
5.3 负荷控制
通常在此逻辑中，根据各回路中的负荷情况，将数据进行汇总向上级电业部门进行报送，当出现电力负荷不均衡时，电力部门按照有关规定，根据负荷等级向用电部门发出指令进行统一调配，单片机在此进行数据汇总，并与上级电业管理部门进行通讯联络。
5.4 三相重合闸
该逻辑用于回路中突发性短时故障时，故障能在发生后自动消除情况下，若再次送电不会发生故障时能及时恢复电网供电。此类故障，如相间因细小的金属线等杂物短路，当金属线烧短后，再次送电并不影响系统正常运行。该逻辑设有突变量启动元件，该元件不动作时，重合闸的各种功能均不投入，仅保留了轻载下断路器偷跳时的重合闸功能，如偷跳时负荷电流小而不足以使启动元件启动，可部分启动重合闸，如装置内任一种保护发出跳合闸时，可由逻辑插件中的三跳固体继电器经光隔来启动重合闸插件的电流元件，切除故障时刻并开始计时，在每次重合闸后都进行一段延时，以防止多次跳合。
此外，还可设置功率因数调整、运行检测显示、表格制作、图形打印等管理功能。
6 结语
高压线路微机保护系统综合了多方面技术，如传感器技术、单片机技术、过程控制理论、信号转换技术、电力运行技术等，该技术的出现以不断的发展完善将对电力运行带来极大的便利，也给电力安全运行创造了极好的条件，但目前的多种控制系统仍有待进一步完善和标准化。
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