开关量输入输出回路设计与应用

变电站综合自动化系统中，除模拟量外，还有大量的以二进制数字变化为特点的信号，称为开关量。二进制的一位可取“0”或“1”，对应了开关的分或合两种状态。开关量以8位、16位或32位并行方式输入或输出微机系统。

开关量输入电路的功能是将测控对象需要的状态信号引入微机系统；开关量输出电路的功能是将CPU送出的数字信号或数据进行显示、控制或调节。

（一）开关量输入（简称开入）电路

输入微机系统的开关量包括断路器和隔离开关的辅助触点，某些数值的限内或越限，人机联系的功能键状态，跳合闸位置继电器接点，有载调压变压器分接头位置，微机装置上连接片位置，轻瓦斯和重瓦斯继电器接点等。这些输入可以分为两类：

（1）安装在装置面板上的接点。

（2）从装置外部经过端子排引入装置的接点。

对于装置面板上的接点，可直接接至微机的并行口，如图3-16（a）所示。这种输入电路的工作原理是：在运行初始化程序时，设置PIO口为输入端，则微机可通过查询或中断方式获取开关量的状态。

图3-16　开关量输入回路

对于从装置外部引入的接点，为了防止给微机装置带来干扰，须采取隔离措施，常用的有光电隔离、继电器隔离或两者双重隔离。图3-16（b）为经继电器隔离的开关量输入回路电路图，图3-16（c）为经继电器隔离的开关量输入回路电路图。

由图3-16（b）可以看出，当外部触点闭合时，光耦的发光二极管导通发光，光敏三极管导通，P点为低电平0V；当外部触点打开时，发光二极管截止，光敏三极管截止，P点为高电平5V。因此，光敏三极管的导通和截止反映了外部触点的状态。由于一般光电耦合芯片发光二极管的反向击穿电压较低，为防止开关量输入回路电源极性接反时损坏光电耦合器，设置了反接二极管V，用来保护光耦。

由图3-16（c）可以看出，利用现场断路器或隔离开关的辅助触点S1、S2接通，去启动小信号继电器K1、K2，然后由K1、K2的触点K1-1、K2-1等输入至微机系统，这样做可起到很好的隔离作用。输入至微机系统的继电器触点，可采用与微机系统输入接口板配合的弱电电源UC。

（二）开关量输出回路

开关量输出（简称开出）主要包括保护的跳闸出口、本地和中央信号以及通信接口、打印机接口等，一般都采用并行接口的输出来控制有接点继电器（干簧或密封小中间继电器）的方法，但为提高抗干扰能力，最好也经过一级光电隔离。

对于通信接口、打印机接口等装置内部的数字信号，可以采取如图3-17（a）所示的接法。由于不是直接控制跳、合闸，实时性和重要性的要求并不是很高，所以可用一个输出逻辑信号控制输出数字信号。这里光电耦合器的作用是既实现两侧电气的隔离，提高抗干扰能力，又可以实现不同逻辑电平的转换。

图3-17　开关量输出回路

对于保护的跳闸出口、本地和中央信号等，微机保护装置通过数字量输出的“0”或“1”状态来控制执行回路（如报警信号或跳闸回路继电器触点的“通”或“断”）。开关量输出电路的作用是为正确地发出开关量操作命令提供输出通道，并在微机装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路的安全且减少外部干扰。一种典型的使用光电耦合器件的开关量输出接口电路如图3-17（b）所示。由软件使并行口输出“0”，发光二极管导通，光敏三极管导通，出口继电器KCO励磁，提供一副空触点输出。

继电器线圈两端并联的二极管称为续流二极管。它在CPU输出由“0”变为“1”，光敏三极管突然由“导通”变为“截止”时，为继电器线圈释放储存的能量提供电流通路，这样一方面加快继电器的返回，另一方面避免电流突变产生较高的反向电压而引起相关元件的损坏和产生强烈的干扰信号。(www.xing528.com)

为了防止因保护装置上电（合上电源）或工作电源不正常通断在输出回路出现不确定状态时，导致装置发生误动，常采用异或逻辑电路来控制光耦的导通，其电路如图3-18所示。

图3-18　开关量输出回路

只要通过软件使并行口的PB0输出“0”，PB1输出“1”，便可使与非门H1输出低电平，光敏三极管导通，继电器K被吸合。

在初始化和需要继电器K返回时，应使PB0输出“1”，PB1输出“0”。

设置反相器B1及与非门H1而不将发光二极管直接同并行口相连，一方面是因为并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二极管，另一方面因为采用与非门后要满足两个条件才能使K动作，增加了抗干扰能力。为了防止拉合直流电源的过程中继电器K的短时误动，将PB0经一反相器输出，而PB1不经反相器输出。因为在拉合直流电源过程中，当5V电源处于某一个临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成自动装置误动作，特别是自动装置的电源往往接有大量的电容器，所以拉合直流电源时，无论是5V电源还是驱动继电器K用的电源E，都可能相当缓慢地上升或下降，从而完全可能来得及使继电器K的接点短时闭合。由于采用上述接法后，两个反相条件的互相制约，可以可靠地防止误动作。

图3-19为具有自检能力的开关量输出电路，图中PB0～PB2控制两路开关量输出，PC0用于开关量输出回路故障的自检。自检时PB0～PB2分别短时输出各开关量动作编码，若输出回路光耦正确工作，则CPU可通过PC0检测到动作信号。由于自检时间极短，远小于出口跳闸继电器动作时间，可保证各个出口继电器ZJ不会误动作。为进一步保证可靠性，出口跳闸继电器到跳闸负电源之间可采用故障启动继电器触点进行控制。

图3-19　具有自检能力的开关量输出电路

（三）开关量变位检测

变电站断路器的状态平时一般很少变动，如果终端装置重复发送内容不变的开关量数据给变电站层或调度端就没有多大意义，并且占用了信道和装置的工作时间。但是，一旦变电站故障或其他原因使断路器动作，其状态发生变化，必须及时传向变电站层或调度端，以利于事故的处理。因此，开关量信息一般可采用无变位时不发送；一旦发生变位，则插入传送的方式。

开关量信息在采集和处理上常采用软件定时扫查和变位触发两种不同的方式。在软件扫查方式中，CPU不断扫查各断路器的状态，如发现有变位就予以处理。在硬件变位触发中断方式中，以专用的硬件电路对断路器位置状态进行监视，如发现变位就申请中断，由CPU进行处理。

1.定时扫查方式

开关量信息不同于模拟量信息，它不是随时随刻都在变化，通常情况下其状态是不变化的，而状态的改变往往又是瞬时完成的。因此，对开关量采集时，CPU定时对开关量扫描，所得数据存入内存的开关量数据区。检查开关量是否变位就是检查开关现在的状态是否和上一次相同。因此CPU必须不断地对开关量扫描，将开关量数据读入后，还必须和内存中原有的相应数据进行对比。如两者相同，开关量无变位，则不作处理。如两者不相同，说明有断路器变位，于是就把内存中相应的开关量数据更新，并对变位开关进行必要的处理。

通常系统对开关量采集有一分辨率的指标，即对同一开关量的前后两次扫查的时间间隔。根据分辨率可以设定开关量扫查的时间间隔，一般将开关量扫查置于实时时钟中断服务程序中，每一个等时间间隔，如1～10ms，都要对全部的开关量进行一次扫查，这样构成的扫查方式为定时扫查方式。

开关量定时扫查模式在每一个定时间隔中都要进行全开关量扫查，如果采集的开关量大，同时要求分辨率高，则会加重CPU的负荷，影响CPU对其他中断的响应速度，延长程序的执行时间，降低了实时性。这些问题的解决通常采用智能开关量采集，即用一CPU专门负责开关量采集，构成多CPU系统结构。如果是单CPU结构系统，要有高的开关量分辨率，同时又有整体的实时性，则可以开关量变位触发方式加以实现。

2.变位触发中断方式

用专用硬件来监视断路器变位，其主要特点是反应快，同时也节省了软件扫查方式中CPU用于扫查的时间。当断路器变位时，断路器辅助触点位置发生变化，同时向CPU提供相应的断路器跳闸变位信息或申请中断。CPU响应这一中断申请后，读取断路器状态数据，并与内存中开关量数据区所存的内容比较以确定发生变位的断路器，更新内存中开关量数据区的内容，同时记下断路器变位的时间，并对变位开关量作必要的处理。