第1章 微机继电保护装置的硬件原理
第1章微机继电保护装置的硬件原理
1.2 比较式数据采集系统
微机保护装置中的数据采集系统按模数转换器的类型分为：
采用逐次逼近式模数转换的比较式数据采集系统， 采用V∕F变换器（VFC）实现数据转换的压频转换式数据采集系统。
本节将介绍比较式数据采集系统
1.2.1 电压形成回路
要求
–继电保护所使用的电压、电流都是来自于电压互感器（100伏、线间电压）和电流互感器（额定电流5安或1安，
短路电流100安）
–把100伏左右的电压变换为适合AD转换需要的正负2.5伏、正负5伏、正负10伏的电压；
–把小于1安～100安的电流变换为适合AD转换需要的正负
2.5伏、正负5伏、正负10伏的电压
–隔离和屏蔽作用，以减小高压设备对微机保护装置的干扰。
为了保证电压或电流变换的准确性，通常在设计变换器时，应考虑满足以下原则：
（1）电压变换器之间、电流变换器之间以及电压变换器与电流变换器之间的原副方相位移要一致。
（2）变换器的铁芯磁导率要选取适当，在整个工作范围内保持线性传变，输入小信号时不失真，输入大信号时不饱和。
（3）变换器本身的损耗要小，使变换器在传变过程中一次、二次侧电量的相角差尽可能的小。
在设计电流变换器应考虑以下几点：
（1）优先保证在输出为最小工作电流时，对应A∕D变换的结果应具有足够的分辨能力；
（2）保证在可能出现的最大短路电流条件下，电流变换器输出的电压不应使A∕D变换出现溢出，从而避免造成数字量紊乱；
（3）适当选择电流变换器二次侧负载，使电流变换器在一次侧出现最大短路电流时不至于出现饱和现象。
1.无源低通滤波器
在微机保护中常采用的一种二阶RC 滤波器如图1-3所示。
其传递函数为：
i
u o
u R
C
C
R
图1-3 二阶RC 滤波器
2
)(311
)()()(RCs RCs s U s U s H i o ++=
=
图1－6 采样保持过程
1.2.4 模拟量多路转换开关
组成：包括选择接通路数的二进制译码电路和多路电子开关。
–二进制译码电路决定哪个电子开关接通——接入相应的待转换模拟量
–多路电子开关起分断其它回路而仅仅接通待转换的哪一路模拟量作用
常用的多路开关有8通道的AD7501、CD4501，16通道的AD7506等。
以16路多路转换开关例
A0～A3是路数选择线
接CPU，控制哪一路选通
A1～A16是模拟量入
AS1～AS16是电子开关
En是始能端
1.2.5 模数转换器
定义：是一个硬件电路，用于实现模拟量到数字量的转换，也称为A/D
转换器。
它将输入的模拟量相对于模拟参考量（模拟基准量）进行比较，经
过译码电路转换成数字量输出。
它是把模拟量变成能让计算机识别的数字量
的桥梁。
应用范围及其宽广：随时间连续变化的模拟量、需要计算机来处理的都必须经过这个环节。
像电压、电流、温度、压力速度等.
1.3 压频转换式（VFC）数据采集系统
VFC-Voltage Frequency Converter,电压频率转换器
经电压形成回路后，经过VFC，将模拟电压变换为脉冲信号，由计数器进行计数。
这样在采样间隔内的计数值就与采样对象的积分值成比例。
实现了模数转换。
1.4 微机继电保护装置的CPU主系统
CPU主系统是微机继电保护装置的核心部分，包括中央处理器单元（CPU）、只读存储器（一般用EPROM）、随机存取存储器（RAM ）以及定时器等。
中央处理器单元（CPU）的不同结构，可以分为以下几种形式：
4．ARM+DSP 结构
采用ARM+DSP 的双CPU 系统中，ARM 处理器作为主CPU 主要用于与变电站级的通信（以太网接口）。
DSP 利用自身运算速度快擅长数字信号处理的优点进行数据采集、计算、逻辑判断，有效地保证了微机保护的选择性、速动性、可靠性，并在发生故障时进行录波，记录故障下的数据以供分析。
备用电池开关量输入输出
光电隔离
RAM
双口RAM
看门狗电路
以太网控制器CS8900A
PSD
LCD 键盘
DS80320
MC68332时钟电路
RAM
DSP
A/D
信号调高电路
PT CT
图1-20 ARM+DSP 的双CPU 系统硬件结构
WXH820系列微机保护硬件电路板
WXH820系列微机保护开关量输出电路板。
WXJ50微机继电保护测控装置技术说明书
保护测控装置保护功能
主要功能项目 适用范围
无时限过流保护 两段式定时限过流保护 三段式零序过流保护 三相一次重合闸(检无压/检同期) 合闸后加速功能 低频减载功能 PT 断线监视 两段式相间过流保护 零序过流保护 零序电压保护 过电压保护 失电压保护 不平衡保护(差压和差流) 无时限过流保护 两段式定时限过流保护 反时限过负荷保护 高压侧零序过流保护 低压侧零序反时限过流保护 非电量保护 短路保护 启动时间过长保护 两段式过流保护 低电压保护 零序电流保护 两段式负序电流保护 反时限电流保护 过热保护 堵转保护 零序过压保护 自启动功能 分为桥备自投装置和进线备自投装置 可实现逆向备自投
1.2.7过载能力
（ 1） （ 2） （ 3） 交流电流回路：2 倍额定电流连续工作；10 倍额定电流工作 10s；20 倍额定电流工作 1s。 交流电压回路：1.2 倍额定电压连续工作。 电源回路：80%－120%额定电压正常工作。
1.2.8绝缘性能
（ 1） （ 2） 所有电路与外壳间的绝缘电阻在标准实验条件下小于 100MΩ。 所有电路与外壳间的介质强度能耐受交流 50Hz、电压 2kV（有效值） 、历时 1min 的试验 而无绝缘击穿或闪络现象。
பைடு நூலகம்
1.1产品分类
WXJ-50 系列装置包括以下 6 类保护装置：
WXJ-51 线路保护测控装置 WXJ-52 电容器保护测控装置 WXJ-53 厂用变保护测控装置 WXJ-54 电动机保护测控装置 WXJ-55 备用电源自投装置
WXJ-56 PT 切换装置
可靠
系列装置元器件全部采用军品或工业品，稳定性、可靠性高，可以在工业恶劣环境下 稳定运行； 系列装置硬件设计采用多种隔离、屏蔽措施，软件设计采用数字滤波技术和先进的保 护算法及其它抗干扰措施，使得保护的抗干扰性能大大提高； 采用SoC解决方案，数据处理、逻辑运算和信息储存能力强，运行速度快，可靠性高。
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第1章 微机继电保护装置的硬件原理
（2）多通道间的采样方式
1）同时采样
通道1 采样保 持器1
A/D转 换器1
通道2 采样保 持器2
A/D转 换器2
数 据
总
线
通道n 采样保 持器n
A/D转 换器n
a
通道1 采样保 持器1
通道2 采样保 持器2
通道n 采样保 持器n
多
数
路
据
转 换 器
A/D转 总
换器
线
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1.2.2 前置模拟低通滤波器
滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时拟制无用频 率信号的电路。低通滤波器是只让低于截止频率通过的滤波 器。
前置模拟低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于 各种消费、控制电路中的采样电路前，滤除高于2倍采样频率 的信号，因此截至频率被设置为1/2fs。
2. 输入模拟量的极性。指模数转换器要求输入的信号是单极性还是双极性 的电压。
3.量程。指模数转换器输入模拟电压转换的范围，如0～+5V，0～+10V，5V～+5V等。
4. 精度。模数转换器的转换精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。通 常 用 数 字 量 的 位 数 来 表 示 绝 对 精 度 单 位 ， 如 精 度 是 最 低 位 的 1/2 位 即 ±1/2LSB；而用百分比来表示满量程的相对误差，如0.05%。 5. 转换时间与速率。指模数转换器完成一次将模拟量转换为数字量的过程所 需要的时间。
低通滤波器可以采用有源的、也可以采用无源的。 无源滤波器构成简单，但电阻和电容回路对信号有衰减作 用，并会带来时间延迟，仅适用于对速度和性能要求不高的 微机保护 有源滤波器抗冲击干扰能力差，但滤波性能好。性能越好 的滤波器延时越长，造成信号不同步的可能性越大。 继电保护常常采用普通的一阶（最高二阶的有源或无源） 滤波器来限制接近工频分量的谐波信息混进来！
微机继电保护 第一章
三、开关量输出 (DO)回路 实际的微机保护 装置输出跳闸回路中, 需要对跳闸出口继电 器的电源回路采取控 制措施, 同时对光电 隔离回路采用异或逻 辑控制。
图1-23 具有电源控制的跳闸出口继电器输出回路
第一章 微机继电保护装置硬件原理
第五节 微机继电保护的发展趋势 一、微机保护装置的发展 计算机化, 网络化, 保护、控制、测量、数据 通信一体化和人工智能化。 二、微机保护算法和原理的发展 基于故障分量原理的保护(暂态故障分量保护 和工频故障分量保护) 算法 , 小波分析在保护中 的应用, 利用通信技术构成的“广域保护”, 以及模 糊理论、人工神经网络、自适应理论、专家系统 等智能技术在继电保护装置的应用等。
第一章 微机继电保护装置硬件原理
第六节 微机继电保护装置的功能编号 将继电保护装置通过对功能进行详细描述、 定义 。采用ANSI/IEEE Standard C37.2 标准的继 电保护功能编号见表1－1。 表中给出了标准的功能号 , 广泛应用于工程图 例、流程图、操作过程及其他应用书籍中。采用 标准功能编号 , 每个继电器或继电保护装置可细 分为一系列功能 , 方便设计、制造、运行维护等 各个环节 , 简洁易懂。
第一章 微机继电保护装置硬件原理
第四节 开关量输入及输出回路 一、光电隔离 实现两侧电路之间的电气隔离，解决不同逻 辑电平之间的信号传递和控制。 二、开关量输入(DI)回路 用于识别运行方式、运行条件等。开关量状态正 好对应二进制数字的“1” 或 “0”, 开关量可作为数 字量读入。DI接口作用是为开关量提供输入通道, 并在数字保护装置内外部之间实现电气隔离, 一类是装在保护装置面板上的接点，另一类 是从装置外部经过端子排引入装置的接点。
第一章 微机继电保护装置硬件原理
微机继电保护装置
微机继电保护装置一、引言微机继电保护装置是一种新型的电力保护装置，它采用了微机技术和现代电力保护原理相结合的方式，使得电力系统的保护更加灵活、可靠和高效。
二、发展历程随着电力系统的发展和电力负荷的增加，传统的继电保护装置已经难以满足对电力保护的需求。
因此，微机继电保护装置应运而生。
从上世纪80年代开始，微机技术逐渐应用于电力保护领域，取得了显著的成果。
经过多年的发展和改进，微机继电保护装置已经成为电力系统安全稳定运行的重要组成部分。
三、工作原理微机继电保护装置采用了微机技术和数字信号处理技术，能够对电力系统中的各种异常情况进行精确的检测和判断，并在出现故障时快速做出保护动作。
其工作原理主要包括以下几个方面：1. 信号采集和处理：微机继电保护装置通过传感器采集电力系统中的各种信号，包括电压、电流、功率等参数，并将其转化为数字信号进行处理。
2. 信号分析和判断：微机继电保护装置通过对采集到的信号进行分析和判断，可以准确地判断出电力系统中是否存在故障或异常情况。
3. 保护动作控制：微机继电保护装置在判断出故障或异常情况后，会对电力系统进行保护动作控制，如切断故障回路、断开电源等，以保证电力系统的安全运行。
四、特点和优势微机继电保护装置相较于传统的继电保护装置具有如下特点和优势：1. 灵活性：微机继电保护装置可以根据电力系统的实际需求进行配置和调整，以适应不同的保护要求。
2. 可靠性：微机继电保护装置采用了先进的数字信号处理技术，提高了保护的精度和可靠性，并能够自动监测和诊断故障。
3. 高效性：微机继电保护装置具有快速的保护动作速度和精确的保护动作，可以在最短的时间内切断故障回路，避免电力系统的损坏。
4. 易维护性：微机继电保护装置采用了模块化设计，易于维护和故障排除。
五、应用领域微机继电保护装置广泛应用于各种规模的电力系统，包括电力变电站、电力配电系统、工矿企业的电力系统等。
它可以对电力系统中的各种异常情况进行保护，并确保电力系统的安全运行。
分享微机继电保护装置基础知识
分享微机继电保护装置基础知识1. 继电保护基本概念1.1 继电保护在电力系统中的作用地理分散的发电厂通过输电线路、变压器和变电所等相互连接形成电力系统，它包括发电、输电、配电、用电等4个环节。
电力系统输配电网络分几个电压等级，在传输距离和传输容量一定的条件下，选用的电压等级越高，则线路电流越小，相应线路的功率损耗和电压损耗也越小，但相应的绝缘要求也越高，造价也越高。
一般来说，传输功率越大、传输距离越远，所选用的电压等级也越高。
现阶段我国电力系统主要电压等级有750KV、500KV、330KV、220KV、110KV、35KV等。
电力系统输电是三相制的，分别称为A相、B相和C相，相与相、相与地之间是绝缘的。
正常运行时电力系统A相、B相和C相的电流、电压是50HZ正序交流量，即三相幅值相等，相位是A相超前B相120度，B相超前C相120度，C相超前A相120度。
电力系统出现最多的故障形式就是短路，所谓短路就是一相或多相载流导体接地或相接触，是绝缘损坏造成的。
短路对电力系统的影响主要有以下几个方面：u 短路电流可能达到该回路额定电流的几倍到几十倍甚至上百倍。
当巨大的短路电流流经导体时，将使导体严重发热，造成导体溶化和绝缘损坏。
同时巨大短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。
u 短路时往往同时有电弧产生，高温电弧不仅可能烧毁故障元件本身，也可能烧毁周围设备。
u 短路造成网络电压降低，巨大的短路电流流经电力系统网络造成电压损失增大，越靠近短路点电压降低越多。
当供电地区电压降至额定电压的60％时，如不能快速切除故障就可能造成电压崩溃，引起大面积停电。
u 短路还可能会引起并列运行的发电机稳定性破坏，即使短路切除后，系统也可能振荡。
导致大量甩负荷。
u 不对称短路还将产生负序电流、电压，可能损伤发电机或电动机。
电力系统在运行中，可能发生各种类型的故障运行状态。
最常见同时也是最危险的故障是各种形式的短路，它严重危及设备安全和系统可靠运行。
电力系统微机保护装置原理 ppt课件
开关量输入/输出通道以及人机接 口（键盘，液晶显示器等）。
微机保护从功能上分为6个组成部 分： 数据采集系统（模拟量输入系统） 数据处理系统（CPU主系统） 开关量输入/输出回路 人机接口 通信接口 电源回路
数据采集系统：模拟量
离散的数字量
作用：滤去高于2fs信号 分类：有源滤波：滤波性能良好，介数高
无源滤波：频率特性是单调衰减
采样保持回路： Ts：采样周期 采样频率 fs=1/Ts 采样频率fs误差越小，CPU性能要求越高。 采集点数=fs/50
利用电压/频率变换（VFC）的数据采集系统
原理：VFC把输入的交流模拟电压量usr(t)转变为脉冲信号u0(t)输出。
模拟量：电量信号是在时间和数值上连续变化的信号。 数字量：信号在时间上离散，在数值上量化的信号。
两种A/D转换（数/模转换）方式： 一是基于逐次逼近型A/D转换方式（ALF） 二是利用电压/频率变换（VFC）
基于逐次逼近型A/D转换方式（ALF）的数据采集系统
基于逐次逼近型A/D转换方式（ALF）组成： 电压形成回路，模拟滤波器ALF，采样保持回路S/H，多路开关MPX，A/D转换
3. 继电保 护知识 复习
1、复合电压启动的过电流保护的 动作条件，原理图与逻辑图的比较
2、功率方向元件的作用、动作 特性及90°接线、按相启动
3、定时限与反时限电流保护特点
1、复合电压启动的过电流保护的动作条件
低电压 负序电压 过电流
原理图
比较
逻辑图
低电压U＜和负序电压U2是或门关系 或门与过电流I＞是与门关系 逻辑图比原理图直观清晰
功能：
故障计算
微机保护的基本原理与构成课件
输入；执行通过开关量输出，起动信号、跳闸继电器等，完成保护各种功能。
④ 人机对话接口 用于调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。
包括：打印、显示、键盘及信号灯、音响或语言告警等。
⑤ 电源 电源是微机保护装置重要组成部分，通常采用逆变稳压电源。
3
2、微机保护数据采集系统 A/D式数据采集系统如图所示：
① 电压形成回路 微机继电保护要从被保护对象的电流、电压互感器处取得相应信息。但
这些二次数值、输入范围对典型的微机继电保护电路却不适用，需要降低 和变换。一般采用变换器来实现变换。（微机保护参数的输入范围：0～5V 或4～20mA）
4
② 采样保持与低通滤波 由于微机保护只能对数字量进行运算和判断，所以应将连续模拟量变
为离散量。采样保持电路作用就是在一个极短的时间测出模拟量在该时 刻的瞬时值；并要求在A／D转换期间保持不变。
同时采样：继电保护大多数原理是基于多个输入信号，如三相电流、 三相电压等。在每一个采样周期对通道的量全部同时采样。
5
采样频率：采样间隔 的倒数称为采样频率 。采样频率的选 择是微机保护中的一个关键问题。频率高，采样精确，但对A/D转换器 的转换速度要求也高，投资也就越高。
监控程序主要是键盘命令处理程序，为接口插件及各CPU保护插件进 行调节和整定而设置的程序；接口的运行程序由主程序和定时中断服务程 序构成。主程序完成巡检、键盘扫描和处理、故障信息的排列和打印。
2、保护软件的配置 保护软件含主程序和中断服务程序。 主程序：初始化、自检；保护逻辑判断和跳闸处理。 中断程序：定时采样中断和串行口通信中断服务程序。
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。
微机继电保护装置硬件原理
第1章 微机继电保护装置的硬件原理
采样电路的工作原理
组成：它由电子模拟开关AS、保持电容器Ch及两个 阻抗变换器组成。
Ch的作用是记忆AS闭合时刻的电压，并在AS打开后 保持该电压。
阻抗变换器I在Ch端提供低阻抗，使得Ch电压建立 迅速，而在输入端呈现高阻抗，以尽量减少对输入回路 的影响；
第1章 微机继电保护装置的硬件原理
微机继电保护装置硬件原理
第1章 微机继电保护装置的硬件原理
1.1 微机继电保护装置硬件的基本结构
微机继电保护装置的硬件包括以下五个部分：
– 数据采集系统（或称模拟量输入系统）：包括电压形成、 采样保持、多路开关及模数转换。
– CPU（或微处理器）主系统：包括微处理器、程序存储器 （ROM）、数据存储器（RAM）、定时器、并串接口等。
如果考虑目前的继电保护主要是基于工频故 障信息构成的，那么，高频故障信息应该/可以 滤除，这样将降低对CPU和采样速率的要求。目 前微机保护普遍采用600毫秒）、1kHz（1毫 秒）、1.8毫秒）的采样频率，它们都能够满足 工频故障信息和3次、5次谐波的采样和分辨要 求。
微机继电保护装置硬件原理
第1章 微机继电保护装置的硬件原理
阻抗变换器Ⅱ在Ch端提供高阻抗，使得Ch衰减缓慢， 而在后边呈现低阻抗以提高带负载的能力。
阻
阻
uin
抗 变
AS
抗 变
uout
换
换
器
Ch
器
逻辑输入 微机继电保护装置硬件原理
第1章 微机继电保护装置的硬件原理
微机继电保护装置硬件原理
图1－6 采样保持过程
第1章 微机继电保护装置的硬件原理
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
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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。