技術(shù)背景

微機(jī)保護(hù)是由微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的繼電保護(hù)，具有高可靠性，高選擇性和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的發(fā)展方向（現(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)，尚需發(fā)展）。微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)以微處理器為核心，配以輸入輸出通道、人機(jī)接口和通訊接口等。微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、石化、礦山冶煉、鐵路以及民用建筑等領(lǐng)域。

微機(jī)保護(hù)裝置的硬件可以通用，而保護(hù)性能和功能的大小則由軟件的功能決定。微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的微處理器的主流芯片為單片機(jī)（MCU），輸入輸出通道包括模擬量輸入通道和數(shù)字量輸入輸出通道、人機(jī)接口、各種報(bào)警信號(hào)、跳閘信號(hào)及電度脈沖等。

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置是使輸入的電流、電壓信號(hào)直接在模擬量之間進(jìn)行比較和運(yùn)算處理，使模擬量與裝置中給定的機(jī)械量（如彈簧力矩）或電氣量（如門(mén)檻電壓）進(jìn)行比較和運(yùn)算處理，決定xx是否跳閘。較于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)，微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的工作過(guò)程更加系統(tǒng)化和智能化，微機(jī)保護(hù)的工作過(guò)程如下：

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障電氣量通過(guò)模擬量輸入系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送入計(jì)算機(jī)的中央處理器，對(duì)故障信息按相應(yīng)的保護(hù)算法和程序進(jìn)行運(yùn)算，

將運(yùn)算的結(jié)果隨時(shí)與給定的整定值進(jìn)行比較，判別是否發(fā)生故障。

確認(rèn)區(qū)內(nèi)故障發(fā)生，根據(jù)開(kāi)關(guān)量輸入的當(dāng)前斷路器和跳閘繼電器的狀態(tài)，經(jīng)開(kāi)關(guān)量輸出系統(tǒng)發(fā)出跳閘信號(hào)，并顯示和記錄故障信息。

在高壓變頻器的應(yīng)用上，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)使用微機(jī)保護(hù)裝置的先例。究其原因，首先是因?yàn)楦邏鹤冾l器設(shè)有幾十路模擬信號(hào)，在現(xiàn)有的電力系統(tǒng)上使用微機(jī)保護(hù)裝置成本太高，其次由于高壓變頻器的控制器具備一定的信號(hào)采集、處理和系統(tǒng)保護(hù)功能，使微機(jī)保護(hù)的應(yīng)用相對(duì)困難。但是，由于高壓變頻器的功率單元一直存在一個(gè)問(wèn)題：若無(wú)啟動(dòng)電阻，啟動(dòng)電流太大；加上啟動(dòng)電阻，則每個(gè)單元需加3個(gè)功率電阻和一個(gè)交流接觸器，若是9級(jí)串聯(lián)的高壓變頻器(有27個(gè)功率單元)，則需額外增加81個(gè)功率電阻和27個(gè)接觸器。如此一來(lái)，不僅無(wú)法省去熔斷器，還增大了變頻器的體積和生產(chǎn)成本。

技術(shù)方案

若將微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用在高壓變頻器上，首先要考慮微機(jī)保護(hù)裝置的安裝體積問(wèn)題，不能給高壓變頻器增加太大負(fù)擔(dān)。相比低壓變頻器來(lái)說(shuō)，高壓變頻器系統(tǒng)復(fù)雜，但是相比整個(gè)電力系統(tǒng)或者電站，高壓變頻器的容量很小。所以，現(xiàn)行的微機(jī)保護(hù)裝置不能用在高壓變頻器上，想要應(yīng)用微機(jī)保護(hù)，只能簡(jiǎn)化微機(jī)保護(hù)裝置。

高壓變頻器運(yùn)行控制的核心為控制器，系統(tǒng)控制核心是接口板，顯示和發(fā)送命令靠監(jiān)視器，所有涉及運(yùn)行有關(guān)的狀態(tài)和指令都跟控制器聯(lián)系，涉及系統(tǒng)保護(hù)和啟停命令的狀態(tài)和指令要經(jīng)過(guò)接口板，跟顯示有關(guān)的狀態(tài)要送到監(jiān)視器。比如電網(wǎng)電壓的幅值、相位和頻率都會(huì)快速給到控制器；輸入電壓、電流、功率及功率因數(shù)需要通信傳到監(jiān)視器；而過(guò)流過(guò)壓保護(hù)跳閘信號(hào)需傳給接口板。

微機(jī)保護(hù)裝置由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件電路由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機(jī)主系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路、工作電源、通信接口和人機(jī)對(duì)話(huà)系統(tǒng)六個(gè)功能單元構(gòu)成；軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集管理模塊、故障檢出模塊、故障計(jì)算模塊、自檢模塊等組成。

人機(jī)對(duì)話(huà)系統(tǒng)用監(jiān)視器代替；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的模擬量在重要電壓電流信號(hào)上，而且在保證整體需求滿(mǎn)足的情況下，模擬量采集越少越好；開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路通過(guò)接口板實(shí)現(xiàn)；至于通信系統(tǒng)，微機(jī)保護(hù)跟控制器和監(jiān)視器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如此一來(lái)，微機(jī)保護(hù)裝置不僅實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)小巧緊湊，而且能跟整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。

合康第三代高壓變頻器開(kāi)始應(yīng)用微機(jī)保護(hù)裝置。如圖1，在數(shù)據(jù)采集管理模塊上，微機(jī)保護(hù)裝置采集主電路的模擬信號(hào)（包括電壓電流信號(hào)），檢測(cè)主電路的運(yùn)行狀態(tài)；在開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路模塊上，微機(jī)保護(hù)裝置與接口板進(jìn)行信息交換，能夠?qū)崟r(shí)了解高壓變頻器的工況和輸出保護(hù)信號(hào)；在通信接口上，微機(jī)保護(hù)裝置與控制器進(jìn)行485慢速通信和光纖快速通信，各模擬信號(hào)的狀態(tài)能及時(shí)反饋到控制器（一部分?jǐn)?shù)據(jù)控制器做自用，一部分?jǐn)?shù)據(jù)控制器再與監(jiān)視器進(jìn)行485通信，送到監(jiān)視器做顯示），光纖快速通信保證了控制器數(shù)據(jù)更新的實(shí)時(shí)性，485慢速通信的通信速率也能滿(mǎn)足顯示要求。

圖1微機(jī)保護(hù)裝置框架圖

下面詳細(xì)介紹一下第三代高壓變頻器微機(jī)保護(hù)裝置，如圖2。

高壓變頻器微機(jī)保護(hù)裝置，包括一塊主控板、一塊微機(jī)保護(hù)接口板（此處區(qū)別高壓變頻器的接口板）及三塊單元電流檢測(cè)板，主控板和每塊單元電流檢測(cè)板上各有一個(gè)控制器；單元電流檢測(cè)板用來(lái)檢測(cè)單元輸入電流并進(jìn)行處理；主控板是微機(jī)保護(hù)裝置的核心；微機(jī)保護(hù)接口板是微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)用來(lái)與別的系統(tǒng)進(jìn)行IO信號(hào)傳輸、485通信、光纖通信的連接板。

通過(guò)電流互感器及電路處理，將每個(gè)單元的電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號(hào)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單元電流檢測(cè)板的控制器中將每一路數(shù)字信號(hào)通過(guò)三級(jí)反時(shí)限特性運(yùn)算，模擬熔斷器的特性，進(jìn)而對(duì)高壓變頻器進(jìn)行保護(hù)；因?yàn)橹骺匕宓目刂破魍ㄟ^(guò)IO信號(hào)與高壓變頻器的控制系統(tǒng)通信，所以能夠區(qū)分上電和正常運(yùn)行兩種情況，然后所述主控板將這個(gè)信號(hào)通過(guò)SPI通信方式傳給所述單元電流檢測(cè)板，避免了熔斷器的選型偏大的缺點(diǎn)；主控板和單元電流檢測(cè)板的控制器均采用了STM32F103ZE芯片，這款芯片擁有最多21路ADC，可以采集21路模擬信號(hào)；同時(shí)這款芯片擁有豐富的SPI通信和485通信外設(shè)，因此單元電流檢測(cè)板可以將輸入電流狀態(tài)快速傳給所述主控板的控制器；按照高壓變頻9級(jí)串聯(lián)設(shè)計(jì)微機(jī)保護(hù)裝置，高壓變頻器U、V、W三相均由9個(gè)單元級(jí)聯(lián)，移相變壓器二次側(cè)有27組A、B、C三相線(xiàn)圈，高壓變頻器的每個(gè)單元連接移相變壓器的一個(gè)A、B、C三相線(xiàn)圈，但只采集每個(gè)單元的A、C兩相輸入電流，每相需要采集18路電流信號(hào)，每個(gè)單元電流檢測(cè)板采集U、V、W中的一相輸入電流。 

圖2 微機(jī)保護(hù)裝置原理圖

總結(jié)

目前，高壓變頻器的功率單元在上電時(shí)沖擊電流很大，為避開(kāi)上電沖擊電流，熔斷器的選型往往偏大，因此導(dǎo)致高壓變頻器運(yùn)行時(shí)熔斷器無(wú)法保護(hù)功率單元的隱患（通常表現(xiàn)為功率單元燒毀，而熔斷器還沒(méi)進(jìn)行保護(hù)；嚴(yán)重者可能會(huì)燒掉變頻器的移相變壓器，而熔斷器依然沒(méi)有保護(hù)動(dòng)作）。高壓變頻器加入微機(jī)保護(hù)裝置后，既能克服熔斷器選型偏大的缺點(diǎn)，又能允許上電沖擊大電流，還能在正常運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)過(guò)流有效保護(hù)。因此，微機(jī)保護(hù)的應(yīng)用會(huì)給高壓變頻器更安全有效地保護(hù)。

在眾人的期待和矚目中，合康變頻第三代高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。從最初的課題設(shè)立，到任務(wù)分配，再到具體的研發(fā)細(xì)節(jié)，近于一年的艱苦奮戰(zhàn)，300多個(gè)難眠的日日夜夜，這款集傳統(tǒng)科技與創(chuàng)新技術(shù)于一體的高性能變頻器，凝聚了全體技術(shù)小組成員們心血和汗水。所有的創(chuàng)造都是艱苦的，第三代高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)也不例外，在它誕生的道路上，項(xiàng)目小組遇到了一個(gè)又一個(gè)的技術(shù)難題，微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用就是最典型的一個(gè)。