二、微机保护的结构框图原理

     在实际应用中，微机保护装置分为单CPU和多CPU的结构方式。在中、低压变电所中多数简单的保护装置采用单CPU结构，而在高压及超高压变电所中复杂保护装置广泛采用多CPU的结构方式。

    （一）单 CPU的结构原理

    单CPU的微机保护装置是指整套微机保护共用一个单片微机，无论是数据采集处理，开关量采集，人机接口及出口信号等均由一个单片微机控制。如图1－2所示。该图是WBZ－01型第一代微机变压器保护装置的硬件方框图，其他单CPU的微机保护结构与WBZ－0的结构相类似。

    从图1－2可见，模拟量输入回路部分由隔离与电压形成、低通滤波回路、多路开关及模数变换组成；单片微机系统是由CPU、EPROM、RAM、组成；开关量输入由光隔输入组成；人机接口部分由键盘和显示器、实时时钟、打印电路组成；开关量输出通道由 1／O、信号和出口回路组成。、全套装置由逆变稳压电源供电。

从图1－2还可以看出，模拟量输入回路、单片微机系统、开关量输入、人机接口和开关量输出各插件均通过总线（BUS）联系在一起，由CPU通过BUS实现信息数据传输和控制的。该总线（BUS）称为三总线：AB地址总线，DB数据总线，CB控制总线。CPU通过AB地址总线选通各功能芯片，通过CB控制总线控制各功能芯片的工作方式。最终由DB数据总线传送信息和数据。

单CPU结构的微机保护的基本原理如下：各交流量分别经信号输入回路、模拟低通滤波器送到CPU控制的多路开关，经模数转换后，由DB数据总线送到数据存储器（RAM）。CPU通过调用程序存储器（EPROM）内的程序对采集的数据进行计算，其计算结果与存放在电可擦存储器（）中的整定值进行比较，作出相应判断。再通过输入输出端口（I／O）将处理信号送到相应外设（信号与出口）发出报警信号，或执行跳闸。键盘、显示器、打印机用于人机对话，以便对整个保护系统进行调试、整定、监视。开关量输入电路用于将高压断路器或隔离开关的辅助触点引入，对于变压器保护还需将瓦斯、温度等触点引入，以便CPU检测，作出相应控制。硬件自检电路用来检测CPU程序工作是否正常，一旦 CPU工作不正常即闭锁保护并发出报警信号。

单CPU结构的微机保护虽然结构简单，但其容错能力不高，一旦CPU或其中某个插件工作不正常就影响到整套保护装置。由于后备保护与主保护共用同一个CPU，因此主保护不能正常工作时往往也影响到后备保护，其可靠性必然下降。

（二）多CPU微机保护装置的结构原理

为了提高微机保护的可靠性，目前高压及超高压变电所微机保护都已采用多CPU的结构方式。所谓多CPU的结构方式就是在一套微机保护装置中，按功能配置有多个CPU模块，分别完成不同保护原理的多重主保护和后备保护及人机接口等功能。显然这种多CPU结构方式的保护装置中，如有任何一个模块损坏均不影响其他模块保护的正常工作，有效地提高了保护装置的容错水平，防止了一般性硬件损坏而闭锁整套保护。多CPU结构的保护装置还提供了采用三取二保护启动方式的可能性，大大提高了保护装置启动的可靠性。多CPU结构的保护装置硬件框图如图1－3所示，这是我国第二代微机保护装置WXH－11和  WXB－11的典型结构框图。

 该套保护装置由四个硬件完全相同的保护CPU模块构成，分别完成高频保护、距离保护、零序电流保护以及综合重合闸等保护功能。另外还配置了一块带CPU的接口模板（MONITOR），完成对保护（CPU）模块巡检、人机对话和与监控系统通信联络等功能。

从框图可见，整套保护装置仍然由模拟量输入、单片微机系统、人机接口及开入开出回路、电源等组成。模拟量输入回路包括有交流输入①、模数变换②、③组成；单片微机系统即保护CPU模块由高频④、距离⑤、零序电流⑥、综合重合闸⑦等保护组成；人机接口模块由接口⑧和打印机构成；开关量输入由⑨、⑩组成，开关量输出通道由逻辑⑽、跳闸(12)、信号(13)、告警(14)组成。此外还有逆变电源(15)。

多CPU结构中某一种保护的工作原理同单CPU结构的保护基本相同。在图1－2和图

l－3中都有模拟量输入部分，所不同的仅仅是数据采样的方式区别。这里的模拟量输入部分

的作用同样是完成模拟量信号的强弱电变换、隔离、VFC模数变换等任务。输入的交流信号是三相电压和三相电流，3Uo、3Io及重合闸鉴定同期的线路抽取电压UL等九个模拟量的输入。单片微机保护部分由四个独立的保护CPU模块组成，其中高频保护和综合重合闸保护共用③号模数变换插件板，距离保护和零序电流保护共用②号模数变换插件板。这样的

接线方式增加了保护的冗余量，从而进一步高了保护的可靠性，但相对增加了保护的复杂性。

多CPU结构的保护装置中，每个保护CPU插件都可以独立工作。各保护之间不存在依赖关系。例如高频保护是由高频距离和高频零序方向二个主保护组成，其中距离元件和零序方向元件都是独立的，不依赖于距离保护CPU和零序保护CPU插件中的距离元件及零序方向元件。保护CPU的完整性和独立性又大大提高了保护可靠性。

人机接口的媒介是键盘、液晶（数码管）显示器、打印机、信号灯。工作入员通过命令和数值键入，完成对各保护插件定值的输入、控制方式字的输入及对系统各部分的检查；计算机将系统自检结果及各部分运行状况数据通过液晶（数码管）显示器或打印机输出，完成人机对话。人机接口部分的任务还包括对各CPU保护插件的集中管理、巡检等。多CPU结构的保护装置，实质上是主从分布式的微机工控系统，人机接口部分是主机，完成集中管理及人机对话的任务。而单片机保护部分是四个智能从机，它们分别独立完成部分智能保护任务。四种保护综合完成一条高压输电线路的全部保护，即输电线路各类相间和接地故障的主保护和后备保护，并能各自独立完成综合重合闸功能。

（三）第三代微机保护装置的硬件结构

 1．硬件框图

 第三代微机保护以 CS系列保护装置为代表，其结构框国如图 1－4所示。该图是CST－200系列变压器保护的硬件框图。

2．模拟量输入部分

第三代微机保护装置的结构仍与图1－l所示的典型微机保护系统框图相类似。模拟量输入回路由交流插件AC和模数变换插件VFC构成。VFC采用第三代模数变换技术，分辨率高达14位，提高了保护的精度。

3．单片机系统

CS系列变压器保护的单片机系统包括信号锁存、开关量输入和输出、主保护CPU1、高压侧后备保护CPU2、低压侧后备保护CPU3（图1－4中未画出CPU2和CPU3，其框图与CPU1相同），显然它仍然是多CPU系统。

第三代微机保护的CPU芯片，总线不引出芯片，是一种不扩展的单片机，因此抗干扰能力很强，调试也简单。在CPU芯片内集成了微处理器、RAM、EPROM。但未集成在芯片内，采用串行可避免总线引出芯片，因此它仅需要两根I／O线与CPU芯片相连，一根作串行数据线（SD），另一根作串行时钟线（SC）。

在CPU插件上设置了锁存器，在CPU的控制下锁存经VFC插件来的信号，可以使外部异步脉冲信号变成同步脉冲信号，对抗干扰有利，同时还起了脉冲整形的作用。

为了进一步提高抗干扰能力，避免单片机的任一端子不经隔离直接引出插件，开关量输入和输出的光隔电路均安装在CPU插件上，而不另外设置开关量输入和输出插件。

4．输出通道（继电器插件）

开关量输出通道有启动、闭锁、跳闸及信号继电器，此外还有告警和复位继电器。

    5．人机接口（MM1）部分

    人机接口部分硬件包括单片机（CPU4）、键盘、液晶显示器、串行硬时钟及与保护CPU和PC机的串行通信。

    CS系列人机接口的最大特点是单片机芯片内集成了很强的计算机网络功能，可以通过在片外的网络驱动器直接连至高速数据通信网，与变电所内监控网络相连。

    人机接口的串行通信口，可以与PC机及保护CPU的UART0串口通信。当保护CPU发讯时，PC机和MM1都能收到，通过键盘命令可切换PC机或MMI对保护CPU的发讯。MMI还设有开入及开出量，开入量用于监视启动继电器的状态，开出量用于驱动告警（MM1本身出错）、复位、启动。启动继电器动作时发绿色闪光信号及控制液晶显示背景光。

    MMI还设置了一个时钟芯片，并带有充电干电池，保证装置停电时，时钟不停。