数字核心部件：继电保护程序与CPU的关键作用

数字式保护装置的数字核心部件实质上是一台特别设计的专用微型计算机，一般由中央处理器（CPU）、存储器、定时器/计数器及控制电路等部分组成，并通过数据总线、地址总线、控制总线连成一个系统，实现数据交换和操作控制。继电保护程序在数字核心部件内运行，完成数字信号处理任务，指挥各种外围接口部件运转，从而实现继电保护的原理和各项功能。

（1）中央处理器（CPU）

CPU是数字核心部件以及整个数字保护装置的指挥中枢，计算机程序的运行依赖于CPU来实现，在很大程度上CPU决定了数字保护装置的技术水平。CPU的主要技术指标包括字长（用二进制位数表示）、指令的丰富性、运行速度（用典型指令执行时间表示）等。当前应用于数字式保护装置的CPU主要有以下几种类型。

①单片机微处理器。其特点是将CPU与定时器/计数器及部分输入/输出接口集成在一起，特别适于构成紧凑的测量、控制及保护装置，如Intel公司的8031系列及其兼容产品（字长8位）、8096以及80C196（字长16位）等。目前，低压或中、小型电力设备的数字式保护装置多采用16位单片微处理器。

②通用微处理器。如Intel公司的X86及Core系列、Motorola公司的MC963XX系列等。其中的32/64位CPU具有很高的性能，适用于各种复杂的数字式保护装置。

③数字信号处理器（DSP）。其主要特点是高运算速度、高可靠性、低功耗以及可由硬件完成某些数字信号处理算法。目前，DSP已在各类数字保护装置中得到广泛使用，尤其是可支持浮点运算的32位DSP具有极高信息处理能力，特别适于构成高性能的数字式保护装置。

（2）存储器

存储器用来保存程序和数据等数字信息，其存储容量和访问速度（读取时间）是影响整个数字式保护装置性能的两个主要技术指标。数字信息大致可分为3类：

①可变数据，主要为CPU和存储器之间高速交换数据（读写），如实时采样值、控制变量、运算过程的数据等；

②计算机程序，在开发阶段之后不再需要也不允许改变，装置失电后也不允许改变；(www.xing528.com)

③整定值及其他控制参数，需要依据被保护对象的实际运行方式由专业人员予以调整，但装置掉电后不允许随意改变。根据上述3类数字信息的特点，通常将存储器在存储空间分为数据存储区、程序存储区和定值存储区，分别采用3种不同类型存储器件。

a.随机存取存储器（RAM）。RAM用来暂存需要快速交换的大量临时数据，如数据采集系统提供的数据信息、计算处理过程的中间结果等。RAM中的数据允许高速读取和写入，但在失电后会丢失。还有一种存储器件称为非易失性随机存取存储器（NVRAM），既可以高速读写，又可以在失电后不丢失数据，适于用来快速保存大量数据。

b.只读存储器（ROM）。实际使用的是可擦除可编程只读存储器（EPROM），用来保存数字式保护的运行程序和一些固定不变的数据。EPROM中的数据允许高速读取且在失电后不会丢失。改写EPROM存储的内容需要两个过程：首先在专用擦除器内经紫外线较长时间照射擦除原来保存的数据，然后在专用写入器（称为编程器）写入新数据，因此EPROM的内容不能在数字保护装置中直接改写，但保存数据的可靠性极高。

c.电可擦可编程只读存储器（EEPROM）。其用来保存在使用中有时需要改写的控制参数，如继电保护的整定值等。EEPROM中保存的数据允许高速读取且在失电后不会丢失，同时无须专用设备就可以在使用中在线改写，对于修改整定值比较方便。但也正是因为改写方便，EEPROM保存数据的可靠性不如EPROM，因而不宜用来保存程序；另外EEPROM写入数据的速度很慢，也不能用它来代替RAM。目前使用的EEPROM有两种接口形式：一种为并行数据总线；另一种为串行数据总线。后者的数据操作需要按特定编码格式逐位进行（类似于串行通信），读写速度相对前一种较慢，但数据保存的可靠性较高。因此目前更倾向于采用串行EEPROM来保存定值，并通过在数字式保护装置上电或复位后将串行EEPROM中的定值调入RAM存储区来满足继电保护运行中高速使用定值的要求。

目前还广泛使用快闪存储器（Flash Memory，也称为快擦写存储器），其数据读写和存储特点与并行EEPROM类似（即快读慢写、掉电后不丢失数据），但存储容量更大且可靠性更高，在数字式保护装置中不仅可以用来保存整定值，还可以用来保存大量的故障记录数据（便于事后事故分析），也可用来保存程序。目前，不少CPU（如常用的DSP）中已内置了Flash Memory器件，主要用来保存程序，从而可省去外部程序存储器。

（3）定时器/计数器

定时器/计数器在数字式保护中也是十分重要的器件，除了为延时动作的保护提供精确计时外，还可以用来提供定时采样触发信号、形成中断控制等。目前，很多CPU中已将定时器/计数器集成在其内部。

（4）控制电路

数字核心部件的控制电路包括地址译码器、地址锁存器、数据缓冲器、晶体振荡器及时钟发生器、中断控制器等，其作用是保证整个数字电路的有效连接和协调工作。早期这些控制电路由分离的逻辑器件相互连线构成，而现在已广泛采用大规模可编程逻辑器件（如CPLD和FPGA等器件），大大简化了印制板的连线，提高了数字核心部件的可靠性。由于这些部分是微机原理课程的内容，此处不赘述，读者可查阅相关资料。