微机保护的软硬件
简述微机保护的基本构成
简述微机保护的基本构成
微机保护是由一台计算机和相应的软件(程序)来实现各种复杂功能的继电保护装置。
微机保护的特性主要是由软件决定的,具有较大的灵活性,不同原理的保护可以采用通用的硬件。
微机保护包括硬件和软件两大部分。
硬件一般包括以下三大部分。
(1)模拟量输入系统(或称数据采集系统) 包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等功能,完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量。
(2)开关量(或数字量)输入/输出系统由若干并行接口适配器、光电隔离器件及有接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、外部接点输入及人机对话等功能。
微机保护软件是根据继电保护的需要而编制的计算机程序。
(3)CPU主系统包括微处理器(MPU)、只读存储器(EPROM)、随机存取存储器(RAM)以及定时器等。
MPU执行存放在EPROM中的程序,对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理,以完成各种继电保护的功能。
微机保护和传统继电保护的区别
微机保护和传统继电保护的区别微机保护是用微型计算机构成的继电保护，是电力系统继电保护的发展方向，它具有高可靠性，高选择性，高灵敏度，微机保护装置硬件包括微处理器（单片机）为核心，配以输入、输出通道，人机接口和通讯接口等。
该系统广泛应用于电力、石化、矿山冶炼、铁路以及民用建筑等。
一．使用方法微机保护装置的可靠性更高，微机保护集成化的软硬件模式在使用上也更加简便，基本上就是一个黑匣子。
二．通讯功能传统继电保护无法实现远程控制，而微机保护可以扩展出以太网、485等多种通讯接口，通信很方便。
三．原理传统保护与微机保护在原理上并无本质差异，只是微机本身强大的计算能力、存储功能、保护功能使得某些算法在微机上可以很容易的实现。
四．常规继电保护的主要缺点1、占的空间大，安装不方便。
2、保护的灵敏度和可靠性低，采用的继电器触点多。
3、中间没有光电隔离，容易遭受雷击，继电器保护是直接和电器设备连接的。
4、故障分析麻烦，没有时钟同步功能，维护复杂，故障后很难找到问题。
5、运行维护工作量大，运行成本比微机保护增加60%左右。
6、停电才能进行调试，检修复杂，影响正常生产。
7、保护定值修改要在继电器上调节，没有灵活性。
8、继电器线圈的老化直接影响保护的可靠动作，使用寿命太短。
9、继电线路保护功能单一，要安装各种表计才能观察实时负荷。
10、数据不能远方监控，无法实现远程控制。
11、继电器自身不具备监控功能，当继电器线圈短路后，不到现场是不能发现的。
五．微机保护装置的主要优点1、具有远程控制，数据可实现远程监控，具备通讯功能，可以通过网络把用户所需要的各种数据传输到监控中心，进行集中调度。
2、采用光电隔离技术，把所有采集上来的电信号统一形成光信号，这样有强电流攻击时候，设备可以建立自身保护机制。
3、由于设备在正常状态处于休眠状态，各个元器件的寿命大大加长，只有程序实时运行，使用寿命长。
4、具有很高的可靠性和抗干扰能力，采用了多层印刷板和表面贴装技术。
第九章-微机保护概述
1．半周积分算法
半周积分算法的依据是
S
T
2 0
U
m
s in tdt
Um
cos t
T
2 02UmT NhomakorabeaUm
即正弦函数半周积分与其幅值成正比。
式(9-6)的积分可以用梯形法则近似求出：
(9-6)
S
[
1 2
(
u0
u1 )
1 2 ( u1
u2
)
1
2
(
u
N 2
1
uN
2
)]Ts
(9-7)
1
N 21
阻
抗
ui
变 换
器
1
阻
S
抗
变 换
uo
器
Ch
2
s(t)
3.模拟低通滤波器（ALF）
滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率 信号的电路。对微机保护系统来说，在故障初瞬间，电压、 电流中可能含有相当高的频率分量（例如2kHz以上）， 为防止频率混叠，采样频率不得不取值很高，从而对硬件 速度提出过高的要求。但实际上，在这种情况下可以在采 样前用一个低通模拟滤波器(ALF)将高频分量滤掉，这样 就可以降低采样频率，降低对硬件速度的要求。
y(n) x(n) x(n k)
(9-1)
x(t)
A1 sin 2f1t
A3 sin 3f1t t
t nTS kTS t nTS k TS
图 9-12 差 分 滤 波 器 滤 波 原 理 说 明
那么上式所示的滤波器是如何起到滤波作用的哪？我们以图
9-12来说明滤波的原理。设输入信号中含有基波，其频率
开关量输入有两类：
第二节微机保护基本硬件构成
第二节微机保护基本硬件构成本节将要介绍微机保护装置硬件系统构成以及微机保护装置的几种典型结构。
一、微机保护装置硬件系统构成以下主要介绍微机保护装置硬件系统构成与微机继电保护装置硬件系统功能。
1. 微机保护装置硬件系统构成（1）数据采集部分（包括电流、电压等模拟量输入变换、低通滤波回路、模数转换等）。
（2）数据处理、逻辑判断及保护算法的数字核心部分（包括CPU、存储器、实时时钟、WATCHDOG等）。
（3）开关量输入/输出通道以及人机接口（键盘、液晶显示器）。
2. 微机继电保护装置硬件系统-功能上分6块（1）数据采集系统（模拟量输入系统）：①主要功能：采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，并将此信号经过适当的预处理，然后转换为所需要的数字量。
②模拟量输入回路方式（据模数转换原理分）：◆基于逐次逼近型A/D转换的方式：包括电压形成回路、模拟低通滤波器（ALF）、采样保持回路（S/H）、多路转换开关（MPX）及模数转换回路（A/D）等。
◆利用电压/频率变换（VFC）原理进行A/D转换的方式：包括电压形成、VFC回路、计数器等。
（2）数字处理系统（CPU主系统）：①数字处理系统（CPU主系统）：微机保护装置是以CPU为核心，根据数据采集系统采集到的电力系统的实时数据，按照给定的算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种自动装置。
微机保护原理由计算机程序来实现，CPU是计算机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的运行依赖于CPU来实现。
所以CPU的性能直接影响系统优劣。
②数字处理系统主要包括：微机处理器CPU；数据总线为8、16、32位等的单片机、工控机以及DSP 系统；存储器；电擦除可编程只读存储器EEPROM：存放定值；紫外线擦除可编程只读存储EPROM与闪速存储器FLASH：存放程序；非易失性随机存储器NVRAM：存放故障报文、采样数据；静态存储器SRAM：存储计算过程中的中间结果、各种报告。
关于两种微机保护软硬件配置问题的探讨
０ 引 言
微机保护装置是 以中央处理器 Ｃ Ｕ为核心 ， Ｐ 根 据数据采集 系统采集到 的电力 系统 的实时状态 数 据， 按照给定算法来检测 电力系统 是否发生故 障以
在复杂 的超高压输电线路保护 中， 为增加微机 保护的可靠性 ， 常用的方法是主后备保护分板实现 ， 采用两块保护 Ｄ Ｐ互锁出口。 Ｓ 以 Ｉ Ｌ０ Ｄ ５０型超高压 输 电线路 保护装 置为例 。 该 保 护 装 置 由三 块 Ｃ Ｕ完 成 ， 块 Ｍ Ｕ（ 用 Ｐ 一 Ｐ 选 Ａ Ｍ ２０ ） Ｒ ９０ Ｔ 两块 Ｄ Ｐ 选用 Ｔ Ｓ２ Ｖ ３ ） Ｓ（ Ｍ ３０ Ｃ ３ 。其 中 块 Ｄ Ｐ完 成 主 保护 功能 ， 高频 保 护； 一块 Ｓ 如 另
图 １ ＭＰ Ｕ＋２ Ｓ Ｄ Ｐ微 机保 护 装 置 硬 件 结构 图
Ｆ ｇ １ Ｈａ ｄ ａ ｅ ｓ ｕ ｔｒ ｆＭＰ ＋２ Ｓ ｉ． ｒ ｗ ｒ ｔ ｃｕ ｅ ｏ Ｕ ｒ Ｄ Ｐ
ｍｉ ｏ—ｏｍｐ ｅ ｒ ｔｃｉ ｎ ｃｒ ｃ ｕｔｒｐ ｏｅ ｔｏ
１２ 软件配置 ． １２ １ 保护 Ｃ Ｕ的软件配置 ．． Ｐ 在这种硬件方案里 ， 由于保护功能 由两块 Ｄ Ｐ Ｓ 分板实现 ， 管理 Ｍ Ｕ无法 同步 收集两块 Ｄ Ｐ的采 Ｐ Ｓ 样值 和逻辑量等实 时数据 ， 所以该保护装置 的事件 记录和录波功 能 由各个保 护 Ｄ Ｐ单独 完成 。每块 Ｓ
（ 中科技 大学电气与 电子工程 学院 ， 华 湖北 武汉 ４ ０ ７ ） ３ ０ ４
摘 要 ：为满足微 机继 电保护装 置的四统一标准 ， 国研 制的第三代微机 保护装 置 多采 用 ＭＰ 我 Ｕ＋Ｄ Ｐ的结构。 Ｓ
该文描 述 了目前 常用 的 Ｍ Ｕ－两 Ｄ Ｐ结构和 Ｍ Ｕ－ Ｄ Ｐ 构两种微机保护 结构 ， Ｐ Ｉ Ｓ － Ｐ Ｉ Ｓ结 － 单 分别给 出了其保 护软件 的 实现方法。 同时在分析其在 软硬 件 配置 上 的优 缺 点ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的基础 上 ， 对两种 微 机保 护 结构进 行 了对 比 ， 出 针 指
浅谈微机保护及特点
浅谈微机保护及特点作者：顿珠来源：《管理观察》2010年第29期摘要:本文对微机的保护及特点做简单分析。
关键词:微机保护模拟量数字量可靠性灵活性多功能早在60年代后期就已提出利用计算机构成保护的设想,但由于当时计算机的质量和可靠性不能满足继电保护的要求,其优越性尚未被人们认识,特别是当时计算机价格昂贵,因此,这一设想未能付诸实践。
到了70年代,数字计算机首先在电力系统离线计算方面得到广泛应用。
后来,在电力系统安全监测、控制和继电保护方面,开展了大量研究工作,并取得显著成绩。
例如,有关继电保护算法方面的研究工作就是在这一时期进行的,并发表了大量论文。
近年来,大规模集成电路和数字技术的飞速发展,特别是价格便宜的微处理器的出现,这就给微机在继电保护专业上的开发应用提供了有利条件,从而引起广大继电保护工作者的兴趣和关注。
目前,国外已研制出多种类型微机保护,有些已取得成功的现场运行经验。
而国内在计算机保护方面的研究工作起步较晚,但进展较快。
1984年,华北电力学院杨奇逊教授研制的一套微机距离保护样机,在经过试运后通过科研鉴定。
据东北电管局调度通信局在微机保护应用总结报告中提到,微机保护在电网试运后,受到现场继电保护人员和运行人员的普遍欢迎,并决定今后新建的220kV和500kV线路,在保护选型上首先要考虑选用微机保护。
微机保护之所以受到欢迎,是因为它具有整流型保护、晶体管型保护以及集成电路型保护无法比拟的优越性。
一、微机保护的概念微机保护与传统的模拟式保护不同,传统的模拟式继电保护是根据电力系统中的模拟量(连续时间变量)电流、电压等工作的,即将模拟量与装置中给定的机械量(如弹簧力矩)或电气量(门槛电压)进行比较和逻辑运算而构成的保护。
而微机保护是计算机技术在电力系统继电保护领域的应用。
是将代表电力系统工作状态的模拟量(电流、电压)经采样、量化编码变为数字量后,输入到微机进行分析、计算、判断,从而构成继电保护保护装置。
微机继电保护装置的硬件原理
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。
一般采用电流变换器将电流信号变换为电压信号
第一章 微型机保护的硬件原理
1－2 模拟量输入系统（数据采集系统）
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 80KΩ 以上
在逻辑输入为高电平时 AS 闭合，此时，电路处于采样 状态。Ch 迅速充电或放电到usr(t)在采样时刻的电压值。 AS 的闭合时间应满足使Ch 有足够的充电或放电时间 即采样时间，显然希望采样时间越短越好。这里，应 用阻抗变换器I 的目的是，它在输入端呈现高阻抗，对 输入回路的影响很小；而输出阻抗很低，使充放电回 路的时间常数很小，保证Ch 上的电压能迅速跟踪到 usr(t)在采样时刻的瞬时值。
跟随器的输入阻抗很高（达1010Ω），输出阻抗很低 （最大6Ω），因而A1对输入信号usr来说是高阻，而在 采样状态时，对电容Ch 为低阻充放电，故可快速采样。 又由于A2 的缓冲和隔离作用，使电路有较好的保持性 能。
第一章 微型机保护的硬件原理
二、采样保持电路和模拟低通滤波器
（二）对采样保持电路的要求
阻抗变换器I 和Ⅱ可由运算放大器构成。
TC 称为采样脉冲宽度，TS 称为采样间隔（或称采样 周期）。
等间隔的采样脉冲由微型机控制内部的定时器产生。
第一章 微型机保护的硬件原理
二、采样保持电路和模拟低通滤波器
（二）对采样保持电路的要求
1）Ch 上电压按一定的精度（如误差小于0.1％）跟踪上 Usr 所需要的最小采样宽度Tc（或称为截获时间），对 快速变化的信号采样时，要求Tc 尽量短，以便可用很 窄的采样脉冲，这样才能更准确地反映某一时刻的Usr 值。
4.微机保护软件构成
Imax ≥ IⅠ?
Y
Imax≥
2
3
IⅠ?
Y
发跳闸命令，报告Ⅰ段动作
至Ⅱ、Ⅲ段判别
提高灵敏度的电流速断流程图
IRQ
CD段流程
IRQ
XY段流程
t
t1
t6
tk
tk+1
程序入口 （上电或RESET后） 初始化 开中断 Y 改定值 Y 发送报告 N TN2 = 0
a 计算: I 求: I m = Im3=
N
发跳闸 修改定值？ N N
有报告？ N
N
自检时间到？ Y 自检 装置有问题？ Y 报警，存报告
3中断服务程序的流程初始化3中断服务程序的流程初始化控制数据采集系统将各模拟输入量的信号转换成数字量的采样值然后存入ram区的循环寄存器中控制数据采集系统将各模拟输入量的信号转换成数字量的采样值然后存入ram区的循环寄存器中时钟计时功能计算保护功能中用到的所有测量值将测量电流与段电流定值进行比较在电流段的功能之后执行电流段的功能电流段的功能逻辑和比较过程均与电流段相似当段的电流测量元件都不动作时再控制出口回路使出口继电器处于都不动作状态达到收回跳闸命令的目的当段的电流测量元件都不动作时再控制出口回路使出口继电器处于都不动作状态达到收回跳闸命令的目的b系统程序和中断服务程序的关系在微型机开中断后每间隔一个ts定时器就会发出一个采样脉冲随即产生中断请求
P=0 P=1 P=N-1
A P按模(N-1)加1
P=0 P=N-2
A N
B
N
B
N
（a）
（b）
（c）
5、电流保护的流程
在微机电流保护中，大致包括系统程序流程和 中断服务程序流程。 （1）系统程序； （2）定时中断服务程序； （3）其它中断服务程序。
微机保护的硬件结构
• 一、微机保护装置的硬件结构 • （一）硬件结构框图
• （二）各组成部分作用 • 1、信号输入电路 • 微机保护装置输人信号主要有两类，即开关量和模拟量信号。信号 输人部分就是妥善处理这二类信号，完成单片微机输人信号接口功能。 • 2、单片微机系统 • 微机保护装置的核心是单片机系统，它是由单片微机和扩展芯片构 成的一台小型工业控制微机系统，除了硬件之外，还有存储在存储器 里的软件系统。这些硬件和软件构成的整个单片微机系统主要任务是 完成数值测量、逻辑运算及控制和记录等智能化任务。除此之外，现 代的微机保护应具备各种远方功能，它包括发送保护信息并上传给变 电站微机监控系统，接收集控站、调度所的控制和管理信息。 • 这种单片微机系统可以是单 CPU 或采用多 CPU 系统。
( 5 ）有自检能力。 ( 6 ）有利于事故后分析。 ( 7 ）可与计算机交换信息 ( 8 ）可增加硬件的功能。 ( 9 ）可在低功率传变机构内工作。 （二） 缺点： ( 1 ）与传统的保护有根本性的背离。 ( 2 ）使用者较难维护。 ( 3 ）要求硬件和软件有高度可靠性 ( 4 ）硬件很快成为过时。 ( 5 ）在操纵和维护过程中，使用人员较难掌握。
微机继电保护的硬件结构
• • • •
•
一、计算机继电保护的发展 在继电保护技术领域，计算机除了用作故障分析和保护动作性能分析外， 1965 年已提出用计算机构成继电保护装置。 在 20 世纪 70 年代．计算机继电保护的研究工作主要是作理论探索，只有个 别部门作了一些现场试验，但是限于计算机硬件的制造水平以及价格问题， 故当时还不具备商业性地生产计算机继电保护装置的条件。 到了 20 世纪 70 年代末期，计算机出现了重大突破，大规模集成电路技术飞 速发展，出现了一批功能足够强的微型计算机，价格也大幅度降低，因而无 论在技术上还是经济上，已具备用一台微型计算机来完成一个电气设备保护 功能的条件。1979 年美国电气和电子工程师学会的教育委员会组织过一次世 界性的计算机继电保护研究班。在此之后，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型计算机保护装置产品。目前发展最快的是日本， 据日本有关部门预计， 1987 年的定货可能达到继电保护设备总产值的 70 ％ 我国在计算机保护方面的研究工作起步较晚，但进步却很快。 1984 年，华 北电力学院研制的第一台以 6809 ( CPU ）为基础距离保护样机在经过试运 行后通过了科研鉴定，它标志着我国计算机保护的开发开始进入了重要的发 展阶段。
基于Visual Basic的微机线路保护实验台远程监控软硬件设计
Ｖｏ ． ５ １ ２ ．Ｎｏ １ ．
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基 于 Ｖｉｕ ｌ ａ ｉ ｓ ａ Ｂ ｓｃ的微 机线 路保 护 实验 台远 程监 控 软硬 件设 计
何桂 雄 ，晁 勤 ，李凤 婷
（ 疆 大学 电 气 工 程学 院 ， 疆 鸟 鲁 术 齐 ８ ０ ０ ） 新 新 ３ ０ ８
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微机保护是用微型机组成的继电保护装置，是供电系统继电保护装置的发展前景（已经基础保持，有待发展趋势），它具备销售电价，高目的性，高灵敏。
微机保护装置硬件配置包含中央处理器（单片机设计）为关键，和键入、輸出安全通道，人机接口和通信插口等.该系统软件运用于电力工程、石油化工、矿山开采冶炼厂、铁路线及其工业建筑等。
微型机的硬件配置是通用性的，而维护的特性和作用是由手机软件决策。
微机保护装置的大数字关键通常由CPU、存储芯片、定时器/电子计数器、Watchdog等构成。
现阶段大数字关键的流行为内嵌式微处理器（MCU），即一般常说的单片机设计;I/O安全通道包含模拟量输入安全通道（模拟量输入转换控制回路（将CT、PT所精确测量的量转化成更低的合适內部A/D变换的工作电压量，±2.3V、±5V或±12V）、低通滤波器及取样、A/D 变换）和大数字量I/O安全通道（人机接口和各种各样告警信号、脱扣数据信号及电度单脉冲等）。
传统式的继电保护装置是使键入的电流量、工作电压数据信号立即在模拟量输入中间开展较为和与运算解决，使模拟量输入与设备中给出的机械设备量（如弹黄扭矩）或电气设备量（如门坎工作电压）开展较为和与运算解决，决策是不是脱扣。
微机保护由硬件配置和软件两一部分构成。
微机保护的软件由复位控制模块、数据收集管理方法控制模块、常见故障验出控制模块、常见故障测算控制模块、自查控制模块等构成。
一般微机保护的硬件配置电源电路由6个作用模块组成，即数据管理系统、微型机主系统软件、电源开关量I/O电源电路、工作中开关电源、通信接口和人机对换系统软件。
计算机软件只有作大数字与运算或逻辑运算，因而微机保护的工作中全过程大概是：当供电系统产生常见故障时，常见故障电气设备量根据模拟量输入系统软件转化成大数字量，随后送进电子计算机的中央处理器，对常见故障信息内容按相对的维护优化算法和程序流程开展与运算，且将与运算的結果随时随地与给出的整定值开展较为，辨别是不是产生常见故障。
如果确定区域内常见故障产生，依据电源开关量键入的当今隔离开关和脱扣汽车继电器的情况，经电源开关量輸出系统软件传出脱扣数据信号，并显示信息和复印常见故障信息内容。