電力系統微機繼電保護的設計研究

候星華

摘 要：本文重點介紹了微機繼電保護相對于傳統繼電保護的優點，以及微機繼電保護的硬件設計、軟件設計、主程序流程、自檢模塊與中斷服務流程。

關鍵詞：微機繼電保護；硬件設計；程序設計

0 引言

運行過程中的電力系統，由于雷擊、倒塔、內部過壓或錯誤的運行操作等都會造成故障及危害。一旦發現故障，我們就必須迅速采取相應措施切除故障，保證非故障段能繼續正常運行，降低故障的危害并確保系統的可靠運行。當電氣設備出現問題時，應根據系統運行的維護要求，確定出相應的保護動作。為了確保電力系統能夠安全可靠的運行，繼電保護裝置就此運應而生。

隨著計算機技術和電子技術的發展，使電力系統的繼電保護突破了傳統的電磁型、晶體管型及集成電路型繼電保護形式，出現了微型機、微控制器為核心的繼電保護形式，這種保護形式稱為電力系統微機繼電保護[1]

1 微機繼電保護的應用與發展

70年代初，LSI（大規模集成電路）技術的成熟與發展，使計算機技術得到了重大的突破，微型計算機和微型處理器也得到了廣泛的應用。從而使計算機價格大幅下降的同時，大幅提高了其可靠性和運行速度，把微機保護的研究推向了一個新的高潮。80年代，微機保護在軟硬件的技術方面都漸漸成熟，并在一些國家開始投入試運行。90年代，微機保護進入繁榮階段，成為第四代電力系統保護技術，完成了一項光榮的里程碑[2]。

微機保護的硬件設備隨著信息化的進步，也在不斷的發展。在短短5年的時間里，從8 bit單CPU架構的微機保護發展成多CPU架構，又發展成總線集成的大模塊構架，大大提高了性能，從而得到了社會的廣泛應用。

電力系統對微機保護的要求，除了基本的保護功能，還需要具備一個長期高容量存儲空間用以存放大量故障信息和數據。同時擁有強大的通訊能力，快速的數據處理能力，以及高級語言編程的能力。這就要求微機保護裝置能夠像個人電腦一樣功能強大。如今，與微機保護裝置大小相近的IPC（工控機），無論是應用功能，運行速度，還是存儲容量都超越了當初的小型機，因此，IPC（工控機）保護套裝將成為微機保護發展方向之一。

70年代末，在科學研究院和高等院校的先驅領導下，我國的計算機繼電保護研究也踏上了征程。1984年原華北電力學院便率先獲得鑒定，通過了輸電線路微機保護裝置的研究，翻開了中國微機繼電保護歷史發展的新篇章，為繼電保護的開拓與發展鋪就了一條新道路。從此不同型號、不同原理的計算機線路及電力系統主設備的保護裝置各放異彩，為電力系統提供了新一代工作可靠、功能完善、性能優異的繼電保護裝置。

2 微機繼電保護的原理與特點

傳統的模擬式繼電保護是根據電力系統中的模擬量（電壓U、電流I）進行工作的，也就是將采集的模擬量與給定的機械量（彈簧力矩）、電氣量（門檻電壓）進行對比和邏輯運算，作出判斷，從而完成相應的保護。

繼電保護裝置滿足的四項基本要求依次是靈敏性、選擇性、速動性、可靠性。

繼電保護裝置工作原理包括以下三部分：①信號檢測部分、②邏輯判斷部分、③保護動作部分。其具體工作流程如下：信號檢測部分從被保護側采集相應的模擬量和開關量，傳送到邏輯判斷部分，通過算法進行處理，將所得結果與給定的整定值進行對比，判斷系統是否出現故障并發出相應的動作命令，最終再由保護動作部分執行相應的動作[2]。

現代微機保護則是將電力系統的模擬量（電壓U、電流I）進行采樣和編碼之后，轉換成數字量，通過微型計算機進行分析、運算和判斷，從而實現電力系統的繼電保護[3]。

微機繼電保護具有的特點：穩定性好、邏輯判斷準確、設備維護方便、設備附加值高、適應性強。

3 微機繼電保護的設計

微機繼電保護的設計分為硬件設計和軟件設計兩部分。微機繼電保護的硬件設計，從功能上講，微機保護裝置包括五個部分：數據采集單元，數據處理單元（CPU），開關量輸入輸出回路，人機接口部分和電源回路。

微機繼電保護的軟件設計中，系統軟件是整個保護裝置的靈魂，基于各個硬件設備的基礎之上實現線路繼電保護及監控的各種功能。這里以微機三段式電流保護為例主要介紹微機保護的主程序設計與自檢模塊。

3.1 微機繼電保護主程序設計

主程序是一個循環監控和保護的過程，它包括監控部分和運行部分。

監控部分（主程序）主要包含有開中斷、人機接口、鍵盤命令、裝置自檢、整定值設置以及報警的處理程序。當設備裝置上電或復位之后，第一步就是打開中斷；當采樣間隔時間到時，就向微處理器申請中斷，響應中斷之后便跳到運行部分（中斷服務程序），執行數據采樣、數字濾波、保護算法、故障判別以及故障保護動作等程序處理，完成一套完整的系統保護功能[4]。

3.2 自檢模塊

自檢服務程序是微機保護系統的一個關鍵環節。自檢內容主要包括微處理器RAM、EPROM、A/D通道以及定值等的自檢測試服務，若發現系統出錯，就發出報警信號。自檢服務程序的存在，保證了裝置始終都能處于安全、無隱患的硬件狀態下進行工作，從而也大大提高了系統運行的可靠性。

3.3 保護算法

中斷服務程序中的保護算法是微機保護最重要的一部分。保護算法是根據A/D轉換器所提供的采樣數值進行分析與運算，從而用來判別故障，實現繼電保護的功能。在微機保護里，算法分為兩大類：①、特征量算法，即計算保護所需要的各種電氣量的特征參數，如電流或電壓的幅值及相位、序分量、基波分量、某次諧波分量的大小等；②、保護動作判據的算法，即用特征量算法的結果來實現保護的動作方程和特性，所以保護算法與具體的保護功能密切相關[5]。

本設計采用的保護算法是全周傅里葉算法。全周傅里葉算法可求取電流或電壓的基波幅值以及諧波分量的幅值，包括實部、虛部的大小。該算法的基本思想源于傅里葉級數。假設輸入信號 中除基頻分量外，還包含直流分量和各種整次諧波分量，即可表示為

（4-1）

式中n——自然數0，1，2，…，表示n次諧波；

——基頻角頻率；

In、——分別為第n次諧波分量的幅值和相位；

IRn、IIn——分別為第n次諧波分量的實部和虛部，且為

（4-2）

（4-3）

根據三角函數在區間[0，T1] （T1為基頻周期）上的正交性和傅里葉系數的計算方法，并取每基頻周期N點采樣，i（k）表示第k點采樣值，利用梯形法積分可求得諧波分量實、虛部為

（4-4）

（4-5）

該算法的數據窗為一個完整的基頻周期，故稱為全周傅里葉算法。當取n=1時，可得基頻分量的實部IR1和虛部In，將它們代入式（4-4）和式（4-5），便可求得基頻分量的有效值和相角為

（4-6）

（4-7）

分析全周傅里葉算法的幅頻特性可得，可見，該算法不僅可以保留基波，完全濾除純直流分量和整次諧波分量，而且對非整次諧波分量和按指數衰減的非周期分量有一定的抑制作用，尤其對高頻分量的濾波能力相當可觀，因此，全周傅里葉算法在供電系統微機保護中得到了的廣泛應用[5]。

4 結論

隨著電力自動化技術的日益發展，微機繼電保護裝置取代傳統繼電保護裝置是個必然的趨勢。通過引進微機控制技術，可使電力系統的運行更加安全、可靠、穩定、高效率。總之，隨著微電子技術、計算機技術、網絡技術和通信技術的發展，微機繼電保護和變電站自動化系統在逐漸向智能化與網絡化方向發展。

參考文獻：

[1]于群，曹娜.電力系統微機繼電保護[M].機械工業出版社， 2012.

[2]張秋增.淺談電力系統繼電保護技術的現狀與發展[J].科技資訊，2009（14）：128.

[3]田有文，宋濤，李季.微機繼電保護的研究現狀及展望[J].沈陽農業大學學報，2002，33（03）：219-222.

[4]朱玉峰.試論35kV變電站微機繼電保護[J].電氣工程與自動化，2011（30）：52-57.

[5]余健明，同向前，蘇文成.供電技術[M].北京：機械工業出版社，2008.