电力系统微机继电保护的设计研究

候星华

摘 要：本文重点介绍了微机继电保护相对于传统继电保护的优点，以及微机继电保护的硬件设计、软件设计、主程序流程、自检模块与中断服务流程。

关键词：微机继电保护；硬件设计；程序设计

0 引言

运行过程中的电力系统，由于雷击、倒塔、内部过压或错误的运行操作等都会造成故障及危害。一旦发现故障，我们就必须迅速采取相应措施切除故障，保证非故障段能继续正常运行，降低故障的危害并确保系统的可靠运行。当电气设备出现问题时，应根据系统运行的维护要求，确定出相应的保护动作。为了确保电力系统能够安全可靠的运行，继电保护装置就此运应而生。

随着计算机技术和电子技术的发展，使电力系统的继电保护突破了传统的电磁型、晶体管型及集成电路型继电保护形式，出现了微型机、微控制器为核心的继电保护形式，这种保护形式称为电力系统微机继电保护[1]

1 微机继电保护的应用与发展

70年代初，LSI（大规模集成电路）技术的成熟与发展，使计算机技术得到了重大的突破，微型计算机和微型处理器也得到了广泛的应用。从而使计算机价格大幅下降的同时，大幅提高了其可靠性和运行速度，把微机保护的研究推向了一个新的高潮。80年代，微机保护在软硬件的技术方面都渐渐成熟，并在一些国家开始投入试运行。90年代，微机保护进入繁荣阶段，成为第四代电力系统保护技术，完成了一项光荣的里程碑[2]。

微机保护的硬件设备随着信息化的进步，也在不断的发展。在短短5年的时间里，从8 bit单CPU架构的微机保护发展成多CPU架构，又发展成总线集成的大模块构架，大大提高了性能，从而得到了社会的广泛应用。

电力系统对微机保护的要求，除了基本的保护功能，还需要具备一个长期高容量存储空间用以存放大量故障信息和数据。同时拥有强大的通讯能力，快速的数据处理能力，以及高级语言编程的能力。这就要求微机保护装置能够像个人电脑一样功能强大。如今，与微机保护装置大小相近的IPC（工控机），无论是应用功能，运行速度，还是存储容量都超越了当初的小型机，因此，IPC（工控机）保护套装将成为微机保护发展方向之一。

70年代末，在科学研究院和高等院校的先驱领导下，我国的计算机继电保护研究也踏上了征程。1984年原华北电力学院便率先获得鉴定，通过了输电线路微机保护装置的研究，翻开了中国微机继电保护历史发展的新篇章，为继电保护的开拓与发展铺就了一条新道路。从此不同型号、不同原理的计算机线路及电力系统主设备的保护装置各放异彩，为电力系统提供了新一代工作可靠、功能完善、性能优异的继电保护装置。

2 微机继电保护的原理与特点

传统的模拟式继电保护是根据电力系统中的模拟量（电压U、电流I）进行工作的，也就是将采集的模拟量与给定的机械量（弹簧力矩）、电气量（门槛电压）进行对比和逻辑运算，作出判断，从而完成相应的保护。

继电保护装置满足的四项基本要求依次是灵敏性、选择性、速动性、可靠性。

继电保护装置工作原理包括以下三部分：①信号检测部分、②逻辑判断部分、③保护动作部分。其具体工作流程如下：信号检测部分从被保护侧采集相应的模拟量和开关量，传送到逻辑判断部分，通过算法进行处理，将所得结果与给定的整定值进行对比，判断系统是否出现故障并发出相应的动作命令，最终再由保护动作部分执行相应的动作[2]。

现代微机保护则是将电力系统的模拟量（电压U、电流I）进行采样和编码之后，转换成数字量，通过微型计算机进行分析、运算和判断，从而实现电力系统的继电保护[3]。

微机继电保护具有的特点：稳定性好、逻辑判断准确、设备维护方便、设备附加值高、适应性强。

3 微机继电保护的设计

微机继电保护的设计分为硬件设计和软件设计两部分。微机继电保护的硬件设计，从功能上讲，微机保护装置包括五个部分：数据采集单元，数据处理单元（CPU），开关量输入输出回路，人机接口部分和电源回路。

微机继电保护的软件设计中，系统软件是整个保护装置的灵魂，基于各个硬件设备的基础之上实现线路继电保护及监控的各种功能。这里以微机三段式电流保护为例主要介绍微机保护的主程序设计与自检模块。

3.1 微机继电保护主程序设计

主程序是一个循环监控和保护的过程，它包括监控部分和运行部分。

监控部分（主程序）主要包含有开中断、人机接口、键盘命令、装置自检、整定值设置以及报警的处理程序。当设备装置上电或复位之后，第一步就是打开中断；当采样间隔时间到时，就向微处理器申请中断，响应中断之后便跳到运行部分（中断服务程序），执行数据采样、数字滤波、保护算法、故障判别以及故障保护动作等程序处理，完成一套完整的系统保护功能[4]。

3.2 自检模块

自检服务程序是微机保护系统的一个关键环节。自检内容主要包括微处理器RAM、EPROM、A/D通道以及定值等的自检测试服务，若发现系统出错，就发出报警信号。自检服务程序的存在，保证了装置始终都能处于安全、无隐患的硬件状态下进行工作，从而也大大提高了系统运行的可靠性。

3.3 保护算法

中断服务程序中的保护算法是微机保护最重要的一部分。保护算法是根据A/D转换器所提供的采样数值进行分析与运算，从而用来判别故障，实现继电保护的功能。在微机保护里，算法分为两大类：①、特征量算法，即计算保护所需要的各种电气量的特征参数，如电流或电压的幅值及相位、序分量、基波分量、某次谐波分量的大小等；②、保护动作判据的算法，即用特征量算法的结果来实现保护的动作方程和特性，所以保护算法与具体的保护功能密切相关[5]。

本设计采用的保护算法是全周傅里叶算法。全周傅里叶算法可求取电流或电压的基波幅值以及谐波分量的幅值，包括实部、虚部的大小。该算法的基本思想源于傅里叶级数。假设输入信号 中除基频分量外，还包含直流分量和各种整次谐波分量，即可表示为

（4-1）

式中n——自然数0，1，2，…，表示n次谐波；

——基频角频率；

In、——分别为第n次谐波分量的幅值和相位；

IRn、IIn——分别为第n次谐波分量的实部和虚部，且为

（4-2）

（4-3）

根据三角函数在区间[0，T1] （T1为基频周期）上的正交性和傅里叶系数的计算方法，并取每基频周期N点采样，i（k）表示第k点采样值，利用梯形法积分可求得谐波分量实、虚部为

（4-4）

（4-5）

该算法的数据窗为一个完整的基频周期，故称为全周傅里叶算法。当取n=1时，可得基频分量的实部IR1和虚部In，将它们代入式（4-4）和式（4-5），便可求得基频分量的有效值和相角为

（4-6）

（4-7）

分析全周傅里叶算法的幅频特性可得，可见，该算法不仅可以保留基波，完全滤除纯直流分量和整次谐波分量，而且对非整次谐波分量和按指数衰减的非周期分量有一定的抑制作用，尤其对高频分量的滤波能力相当可观，因此，全周傅里叶算法在供电系统微机保护中得到了的广泛应用[5]。

4 结论

随着电力自动化技术的日益发展，微机继电保护装置取代传统继电保护装置是个必然的趋势。通过引进微机控制技术，可使电力系统的运行更加安全、可靠、稳定、高效率。总之，随着微电子技术、计算机技术、网络技术和通信技术的发展，微机继电保护和变电站自动化系统在逐渐向智能化与网络化方向发展。

参考文献：

[1]于群，曹娜.电力系统微机继电保护[M].机械工业出版社， 2012.

[2]张秋增.浅谈电力系统继电保护技术的现状与发展[J].科技资讯，2009（14）：128.

[3]田有文，宋涛，李季.微机继电保护的研究现状及展望[J].沈阳农业大学学报，2002，33（03）：219-222.

[4]朱玉峰.试论35kV变电站微机继电保护[J].电气工程与自动化，2011（30）：52-57.

[5]余健明，同向前，苏文成.供电技术[M].北京：机械工业出版社，2008.