技術背景

微機保護是由微型計算機構成的繼電保護，具有高可靠性，高選擇性和高靈敏度的優點，是電力系統繼電保護的發展方向（現已基本實現，尚需發展）。微機保護系統以微處理器為核心，配以輸入輸出通道、人機接口和通訊接口等。微機保護系統廣泛應用于電力、石化、礦山冶煉、鐵路以及民用建筑等領域。

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

傳統的繼電保護裝置是使輸入的電流、電壓信號直接在模擬量之間進行比較和運算處理，使模擬量與裝置中給定的機械量（如彈簧力矩）或電氣量（如門檻電壓）進行比較和運算處理，決定xx是否跳閘。較于傳統的繼電保護，微機保護系統的工作過程更加系統化和智能化，微機保護的工作過程如下：

當電力系統發生故障時，故障電氣量通過模擬量輸入系統轉換成數字量，然后送入計算機的中央處理器，對故障信息按相應的保護算法和程序進行運算，

將運算的結果隨時與給定的整定值進行比較，判別是否發生故障。

確認區內故障發生，根據開關量輸入的當前斷路器和跳閘繼電器的狀態，經開關量輸出系統發出跳閘信號，并顯示和記錄故障信息。

在高壓變頻器的應用上，目前國內外尚無使用微機保護裝置的先例。究其原因，首先是因為高壓變頻器設有幾十路模擬信號，在現有的電力系統上使用微機保護裝置成本太高，其次由于高壓變頻器的控制器具備一定的信號采集、處理和系統保護功能，使微機保護的應用相對困難。但是，由于高壓變頻器的功率單元一直存在一個問題：若無啟動電阻，啟動電流太大；加上啟動電阻，則每個單元需加3個功率電阻和一個交流接觸器，若是9級串聯的高壓變頻器(有27個功率單元)，則需額外增加81個功率電阻和27個接觸器。如此一來，不僅無法省去熔斷器，還增大了變頻器的體積和生產成本。

技術方案

若將微機保護系統應用在高壓變頻器上，首先要考慮微機保護裝置的安裝體積問題，不能給高壓變頻器增加太大負擔。相比低壓變頻器來說，高壓變頻器系統復雜，但是相比整個電力系統或者電站，高壓變頻器的容量很小。所以，現行的微機保護裝置不能用在高壓變頻器上，想要應用微機保護，只能簡化微機保護裝置。

高壓變頻器運行控制的核心為控制器，系統控制核心是接口板，顯示和發送命令靠監視器，所有涉及運行有關的狀態和指令都跟控制器聯系，涉及系統保護和啟停命令的狀態和指令要經過接口板，跟顯示有關的狀態要送到監視器。比如電網電壓的幅值、相位和頻率都會快速給到控制器；輸入電壓、電流、功率及功率因數需要通信傳到監視器；而過流過壓保護跳閘信號需傳給接口板。

微機保護裝置由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件電路由數據采集系統、微機主系統、開關量輸入輸出電路、工作電源、通信接口和人機對話系統六個功能單元構成；軟件由初始化模塊、數據采集管理模塊、故障檢出模塊、故障計算模塊、自檢模塊等組成。

人機對話系統用監視器代替；數據采集系統采集的模擬量在重要電壓電流信號上，而且在保證整體需求滿足的情況下，模擬量采集越少越好；開關量輸入輸出電路通過接口板實現；至于通信系統，微機保護跟控制器和監視器進行數據交換。如此一來，微機保護裝置不僅實現了結構小巧緊湊，而且能跟整個系統進行信息交換。

合康第三代高壓變頻器開始應用微機保護裝置。如圖1，在數據采集管理模塊上，微機保護裝置采集主電路的模擬信號（包括電壓電流信號），檢測主電路的運行狀態；在開關量輸入輸出電路模塊上，微機保護裝置與接口板進行信息交換，能夠實時了解高壓變頻器的工況和輸出保護信號；在通信接口上，微機保護裝置與控制器進行485慢速通信和光纖快速通信，各模擬信號的狀態能及時反饋到控制器（一部分數據控制器做自用，一部分數據控制器再與監視器進行485通信，送到監視器做顯示），光纖快速通信保證了控制器數據更新的實時性，485慢速通信的通信速率也能滿足顯示要求。

圖1微機保護裝置框架圖

下面詳細介紹一下第三代高壓變頻器微機保護裝置，如圖2。

高壓變頻器微機保護裝置，包括一塊主控板、一塊微機保護接口板（此處區別高壓變頻器的接口板）及三塊單元電流檢測板，主控板和每塊單元電流檢測板上各有一個控制器；單元電流檢測板用來檢測單元輸入電流并進行處理；主控板是微機保護裝置的核心；微機保護接口板是微機保護系統用來與別的系統進行IO信號傳輸、485通信、光纖通信的連接板。

通過電流互感器及電路處理，將每個單元的電流模擬信號轉化為電壓模擬信號，通過AD轉換為數字信號，單元電流檢測板的控制器中將每一路數字信號通過三級反時限特性運算，模擬熔斷器的特性，進而對高壓變頻器進行保護；因為主控板的控制器通過IO信號與高壓變頻器的控制系統通信，所以能夠區分上電和正常運行兩種情況，然后所述主控板將這個信號通過SPI通信方式傳給所述單元電流檢測板，避免了熔斷器的選型偏大的缺點；主控板和單元電流檢測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；同時這款芯片擁有豐富的SPI通信和485通信外設，因此單元電流檢測板可以將輸入電流狀態快速傳給所述主控板的控制器；按照高壓變頻9級串聯設計微機保護裝置，高壓變頻器U、V、W三相均由9個單元級聯，移相變壓器二次側有27組A、B、C三相線圈，高壓變頻器的每個單元連接移相變壓器的一個A、B、C三相線圈，但只采集每個單元的A、C兩相輸入電流，每相需要采集18路電流信號，每個單元電流檢測板采集U、V、W中的一相輸入電流。 

圖2 微機保護裝置原理圖

總結

目前，高壓變頻器的功率單元在上電時沖擊電流很大，為避開上電沖擊電流，熔斷器的選型往往偏大，因此導致高壓變頻器運行時熔斷器無法保護功率單元的隱患（通常表現為功率單元燒毀，而熔斷器還沒進行保護；嚴重者可能會燒掉變頻器的移相變壓器，而熔斷器依然沒有保護動作）。高壓變頻器加入微機保護裝置后，既能克服熔斷器選型偏大的缺點，又能允許上電沖擊大電流，還能在正常運行時實現過流有效保護。因此，微機保護的應用會給高壓變頻器更安全有效地保護。

在眾人的期待和矚目中，合康變頻第三代高壓變頻調速系統應運而生。從最初的課題設立，到任務分配，再到具體的研發細節，近于一年的艱苦奮戰，300多個難眠的日日夜夜，這款集傳統科技與創新技術于一體的高性能變頻器，凝聚了全體技術小組成員們心血和汗水。所有的創造都是艱苦的，第三代高壓變頻調速系統也不例外，在它誕生的道路上，項目小組遇到了一個又一個的技術難題，微機保護系統的應用就是最典型的一個。