微机继电保护

1 引言

1.1 微机继电保护概述

1.1.1 微机继电保护的发展

微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护[1]。它起源于20世纪60年代中后期，是在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。60年代中期，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是由于当时计算机的价格昂贵，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础。计算机技术在70年代初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。价格的大幅度下降，可靠性、运算速度的大幅度提高，促使计算机继电保护的研究出现了高潮。在70年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。80年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，并已在一些国家推广应用。90年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代，它是继电保护技术发展历史过程中的第四代[2]。

我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。经过10年左右的奋斗，到了80年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的作用。从70年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通

过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的推广开辟了道路[3]。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机－变压器组保护也相继于1989年、1994年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993年、1996年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。因此到了90年代，我国继电保护进入了微机时代。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中[4]。

1.1.2 微机继电保护的主要特点[5]

1、改善和提高继电保护的动作特征和性能，动作正确率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护；可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率很高也已在运行实践中得到证明。

2、可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。

3 、工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小，减少了盘位数量；功耗低。

4、可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。

5、使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。

6、可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。

1.1.3 微机继电保护的优点

与传统的继电保护技术相比，微机继电保护主要有以下的优点[6]：

（1）改善和提高继电保护的动作特性和性能；

（2）可靠性大为提高；

（3）内部编程软接线的方式大大降低了电气二次线路的复杂性；

（4）可以充分利用CPU的资源，实现其他测量、管理、通讯等功能；

（5）微机特有的记忆存槠功能能很好的实现故障追忆，提高运行管理效率；

（6）自检能力强，可以省去每年花费大量人力物力而必须去做的继电保护预防性试验，可以保证生产的连续运行。

1.1.4 微机继电保护的发展趋势

继电保护技术发展趋势向计算机化、网络化、智能化、保护、控制、测量和数据通信一体化发展。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引人注目的新趋势[7、8].

1.2 本论文的主要工作

电力工业的发展和继电保护相关科学技术的进步都给微机继电保护装置的研制提出了前所未有的机遇与挑战。本文在借鉴国内外微机继电保护发展的成功经验基础之上，跟踪继电保护相关高新技术，探讨了新型微机继电保护硬件方案的研制。本文的主

要内容包括以下几个方面:

1、概述了微机继电保护技术。主要介绍了国内国外微机继电保护的发展史、继电保护的几大特点、主要的理论技术和成果以及今后总的发展要求和趋势。

2、选择芯片，采用16位或32位CPU提高保护系统的性能；采用14~16位A/D转换器提高微机保护的精度。

3、概述MODBUS通讯协议的原理，以及其使用方法

4、系统硬件设计原理与过程。包括A/D模块、D/A模块、通讯模块、数据采集模块和时钟模块。

5、系统软件设计过程。主要包括A/D模块、D/A模块的底层驱动程序和MODBUS通讯协议。

2 系统总体电路设计与分析

2．1硬件电路总体设计

随着电力系统的发展，电网结构的日益复杂，对其保护、控制、变量、通信等功能的要求越来越高，而且由于新一代、高性能微控制器的出现，微机保护装置将逐步实现