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1、绪论一、计算机在继电保护领域中的应用和发展概况电子计算机特别是微型计算机（以下简称微型机）技术发展很快，其应用已广泛而深入地影响着科学技术、生产和生活等各个领域。它使各行业的面貌发生了巨大的，往往是质的变化，继电保护技术也不例外。在继电保护技术领域，除了离线地应用计算机作故障分析和继电保护装置的整定计算、动作行为分析外，60 年代末期已提出用计算机构成保护装置的倡议。最早的两篇几乎同时发表的关于计算机保护的研究报告1，2 ，揭示了它的巨大潜力，引起了世界各国继电保护工作者的兴趣。在70 年代，掀起了研究热潮，仅公开发表的有关论文就有200 余篇 3 ，在此期间提出了各种不同的算法原理和分析方法
2、。但是限于计算机硬件的制造水平以及价格过高，故当时还不具备商业性地生产这类保护装置的条件。早期的研究工作是以小型计算机为基础的，出于经济上的考虑，曾试图用一台小型计算机来实现多个电气设备或整个变电站的保护功能。这种想法使可靠性难以得到保证，因为一旦当该台计算机出现故障，所有的被保护设备都将失去保护，同时，按照当时计算机的接口条件和内部资源来说，也无法实现这种设想。到了70 年代末期，出现了一批功能足够强的微型机，价格也大幅度降低，因而无论在技术上还是经济上，已具备用一台微型机来完成一个电气设备保护功能的条件。甚至为了增加可靠性，还可以设置多重化的硬件，用几台微型机互为备用地构成一个电气设备的保
3、护装置，从而大大提高了可靠性。美国电气和电子工程师学会（IEEE）的教育委员会在1979 年曾组织过一次世界性的计算机保护研究班（其讲义有中译本4）。这个研究班之后，世界各大继电器制造商都先后推出了各种定型的商业性微机保护装置产品。由于微机保护装置具有一系列独特的优点，这些产品问世后很快受到用户的欢迎。国内在微型机保护方面的研究工作起步较晚，但进展却很快。1984 年国内第一套微机距离保护样机在经过试运行后，通过了科研鉴定5。1986 年，全国第一台微机高压线路保护装置研制成功，并在辽宁省辽阳供电局投入试运行。为了检验微机高压线路保护在实际短路情况下的动作行为，河北省电力局还于1987 年9
4、月26 日在邯郸供电局下属的店头变电站和王凤变电站之间进行了一次人工短路试验，试验表明：微机保护动作可靠、迅速，抗弧光电阻能力强，测距较为准确。随即，河北省电力局在石家庄、定州、保定之间的两条双回线上全部采用了微机保护。经过研究、制造人员和东北电管局、河北省电力局及继电保护领域许多技术人员的积极配合与共同努力下，微机保护很快就进入了推广和应用阶段，翻开了国内微机保护应用的新篇章。经过十几年的研究、应用、推广与实践，现在，新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品，继电保护领域的研究部门和制造厂家已经完全转向进行微机保护的研究与制造，出现了百花齐放、百家争鸣的竞争与发展共存的良好局面
5、。与此同时，在微机保护和网络通信等技术结合后，变电站综合自动化系统、配网自动化系统也已经在全国电力系统中得到了广泛的应用，将保护、测量、控制、录波、监视、通讯、调节、报表和防误操作等多种功能融为一体，为电力系统的安全、稳定和可靠、经济运行奠定了基础，为电网高质量的电能传输和供电提供了良好的技术保障，也为变电站实现无人或少人值班创造了必要的条件。预计未来几年内，微机保护将朝着高可靠性、简便性、开放性、通用性、灵活性和网络化、智能化、模块化、动作过程透明化方向发展，并可以方便地与电子式互感器、光学互感器195，220实现连接，同时，要跳出传统的“继电器”概念，充分利用计算机的计算速度、数据处理能力
6、、通信能力和硬件集成度不断提高等各方面的优势，结合模糊理论、自适应原理、行波原理、小波技术和波形特征等，设计出性能更为优良和维护工作量更少的微机保护设备。二、微机继电保护装置的特点1维护调试方便在微机保护应用之前，整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂的保护，例如超高压线路的保护设备，调试一套保护常常需要一周，甚至更长的时间。究其原因，这类保护装置都是布线逻辑的，保护的每一种功能都由相应的硬件器件和连线来实现。为确认保护装置是否完好，就需要把所具备的各种功能都通过模拟试验来校核一遍。微机保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功能是由相应的软件（程序）来实现的。换言之
7、，它是用一个只会做几种单调的、简单操作（如读数，写数以及简单的运算）的硬件，配以软件，把许多简单操作组合而完成各种复杂功能的。因而只要用几个简单的操作就可以检验微机的硬件是否完好。或者说如果微机硬件有故障，将会立即表现出来。如果硬件完好，对于已成熟的软件，只要程序和设计时一样（这很容易检查），就必然会达到设计的要求，用不着逐台做各种模拟试验来检验每一种功能是否正确。实际上如果经检查，程序和设计时的完全一样，就相当于布线逻辑的保护装置的各种功能已被检查完毕。第四章将介绍微机保护装置具有很强的自诊断功能，对硬件各部分和程序（包括功能、逻辑等）不断地进行自动检测，一旦发现异常就会发出警报。通常只要给
8、上电源后没有警报，就可确认装置是完好的。所以对微机保护装置可以说几乎不用调试，从而可大大减轻运行维护的工作量。2可靠性高计算机在程序指挥下，有极强的综合分析和判断能力， 因而它可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动地识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。另外它有自诊断能力，能够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动，因此可靠性很高。目前，国内设计与制造的微机保护均按照国际标准的电磁兼容试验（EMC）来考核，进一步保证了装置的可靠性。3易于获得附加功能应用微型机后，如果配置一个打印机，或者其它显示设备，或通过网络连接到后台计算机监控系统，可以在电力系统发生故障后提供多
9、种信息。例如保护动作时间和各部分的动作顺序记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等。对于线路保护，还可以提供故障点的位置（测距）。这将有助于运行部门对事故的分析和处理。4. 灵活性大由于微机保护的特性主要由软件决定（不同原理的保护可以采用通用的硬件），因此只要改变软件就可以改变保护的特性和功能。从而可灵活地适应电力系统运行方式的变化。5保护性能得到很好改善由于微型机的应用，使很多原有型式的继电保护中存在的技术问题，可找到新的解决办法。例如对接地距离保护的允许过渡电阻的能力，距离保护如何区别振荡和短路，大型变压器差动保护如何识别励磁涌流和内部故障等问题都已提出了许多新的原理和解决方法
10、。可以说，只要找出特征的区别方案，微机保护基本上都能予以实现。第一章微型机保护的硬件原理11 概述微型机保护系统的硬件一般包括以下三大部分。（1）数据采集系统（或称模拟量输入系统）包括电压形成、模拟滤波、采样保持（S/H）、多路转换（MPX）以及模数转换（A/D）等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为所微型机能够识别的数字量。（2）微型机主系统包括微处理器（MPU）、只读存储器（ROM）或闪存内存（FLASH）、随机存取存储器（RAM）、定时器、并行接口以及串行接口等。微型机执行编制好的程序，对由数据采集系统输入至RAM 区的原始数据进行分析、处理，完成各种继电保护的测量、逻辑和控制功能。（3
11、）开关量（或数字量）输入输出系统由微型机的并行接口（PIA 或PIO）、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部触点输入、人机对话及通讯等功能。图 1l 为一种典型的硬件结构示意框图。目前，随着集成电路技术的不断发展，已有许多单一芯片将微处理器（MPU）、只读存储器（EPROM）、随机存储器（RAM）、定时器、模数转换器（A/D）、并行接口适配器（PIO）、闪存单元（FLASH）、数字信号处理单元（DSP，Digital Signal Processor）、通讯接口等多种功能集成于一个芯片内，构成了功能齐全的单片微型机系统，为微机保护的硬件设计提供了更多
12、的选择。其中，还出现了芯片对外连线已没有了任何数据、地址和控制总线的微型机，实现了“总线不出芯片”的设计，这种芯片的应用将有利于提高微机保护设备的可靠性和抗干扰性能。在集成电路技术飞速发展、单芯片功能越来越强的情况下，本书不对微型计算机、单片机、微控制器等几个概念进行界定，而统一称为微型机，或沿用CPU 的简称。由于介绍微型机方面的书籍很多，读者可自行参考，所以，本书只分别介绍除微型机主系统以外的各子系统的电路构成原理及其设计原则。12 模拟量输入系统（数据采集系统）一、电压形成回路微机保护模拟量的设置应以满足保护功能为基本准则，输入的模拟量与计算方法结合后，应能够反应被保护对象的所有故障特征
13、。以高压线路保护和三卷变压器差动保护为例，由于高压线路保护一般具备了全线速动保护（如高频保护或光纤电流纵联差动保护）、距离保护、零序保护和重合闸的功能，所以，模拟量一般设置为Ia、Ib、Ic、3I0、Ua、Ub、Uc、Ux 共8 个模拟量，其中，Ia、Ib、Ic、3I0、Ua、Ub、Uc 用于构成保护的功能，Ux 为断路器的另一侧电压，用于实现重合闸功能；对于三卷变压器的差动保护，至少应该接入三侧的三相电流，共9 个模拟量。微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得信息，但这些互感器的二次数值、输入范围对典型的微机电路却不适用，故需要降低和变换。在微机保护中，
14、通常根据模数转换器输入范围的要求，将输入信号变换为5V 或10V 的电压信号。因此，一般采用中间变换器来实现以上的变换。交流电压信号可以采用电压变换器；而将交流电流信号变换为成比例的电压信号，可以采用电抗变换器或电流变换器，二者各有优缺点。1电抗变换器具有阻止直流、放大高频分量的作用，因此当一次流过非正弦电流时，其二次电压波形将发生严重的畸变，这是所不希望的。电抗变换器的优点是线性范围较大，铁芯不易饱和，有移相作用，另外，其抑制非周期分量的作用在某些应用中也可能成为优点。2电流变换器最大优点是，只要铁芯不饱和，则其二次电流及并联电阻上的二次电压的波形可基本保持与一次电流波形相同且同相，即它的传
15、变可使原信息不失真。这点对微机保护是很重要的，因为只有在这种条件下作精确的运算或定量分析才是有意义的。至于移相、提取某一分量或抑制某些分量等，在微机保护中，根据需要可以容易地通过软件来实现。电流中间变换器的缺点是，在非周期分量的作用下容易饱和，线性度较差，动态范围也较小，这在设计和使用中应予以注意。综合比较电抗变换器和电流变换器的优缺点后，在微机保护中，一般采用电流变换器将电流信号变换为电压信号，当然，也有采用电抗变换器的。采用电流变换器时，连接方式如图12 所示。图中，Z 为模拟低通滤波器及A/D 输入端等回路构成的综合阻抗，在工频信号条件下，该综合阻抗的数值可达80K 以上；RLH 为电流
16、变换器二次侧的并联电阻，数值为几欧姆到十几欧姆，远远小于Z。因为RLH 与Z 的数值差别很大，所以，由图12 可得：于是，在设计时，相关参数应满足下列条件：式（11）和（12）中，RLH为并联电阻；nLH 为电流变换器的变比；i1max为电流变换器原边电流的最大瞬时值；Umax 为A/D转换器在双极性输入情况下的最大正输入范围，例如A/D的输入范围为5V，则Umax 5V。通常，在中间变换器的原边和副边之间，应设计一个屏蔽层，并将屏蔽层可靠地与地网连接，以便提高交流回路抗共模干扰的能力。在共模干扰情况下（差模和共模干扰的示意图参阅图41），等效电路如图13 所示，其中，C1、C2 为变换器两侧与屏蔽层之间的等效电容，ZL 为交流输入传输导线的等效阻抗，Zf 为设备对地的等效阻抗，Zg 为接地阻抗（一般要求Zg 小于0.5）。由于Zg 很小，所以，
