電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)研究

候星華

摘 要：本文重點(diǎn)介紹了微機(jī)繼電保護(hù)相對(duì)于傳統(tǒng)繼電保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，以及微機(jī)繼電保護(hù)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、主程序流程、自檢模塊與中斷服務(wù)流程。

關(guān)鍵詞：微機(jī)繼電保護(hù)；硬件設(shè)計(jì)；程序設(shè)計(jì)

0 引言

運(yùn)行過(guò)程中的電力系統(tǒng)，由于雷擊、倒塔、內(nèi)部過(guò)壓或錯(cuò)誤的運(yùn)行操作等都會(huì)造成故障及危害。一旦發(fā)現(xiàn)故障，我們就必須迅速采取相應(yīng)措施切除故障，保證非故障段能繼續(xù)正常運(yùn)行，降低故障的危害并確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。當(dāng)電氣設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的維護(hù)要求，確定出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。為了確保電力系統(tǒng)能夠安全可靠的運(yùn)行，繼電保護(hù)裝置就此運(yùn)應(yīng)而生。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，使電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)突破了傳統(tǒng)的電磁型、晶體管型及集成電路型繼電保護(hù)形式，出現(xiàn)了微型機(jī)、微控制器為核心的繼電保護(hù)形式，這種保護(hù)形式稱為電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)[1]

1 微機(jī)繼電保護(hù)的應(yīng)用與發(fā)展

70年代初，LSI（大規(guī)模集成電路）技術(shù)的成熟與發(fā)展，使計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了重大的突破，微型計(jì)算機(jī)和微型處理器也得到了廣泛的應(yīng)用。從而使計(jì)算機(jī)價(jià)格大幅下降的同時(shí)，大幅提高了其可靠性和運(yùn)行速度，把微機(jī)保護(hù)的研究推向了一個(gè)新的高潮。80年代，微機(jī)保護(hù)在軟硬件的技術(shù)方面都漸漸成熟，并在一些國(guó)家開(kāi)始投入試運(yùn)行。90年代，微機(jī)保護(hù)進(jìn)入繁榮階段，成為第四代電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)，完成了一項(xiàng)光榮的里程碑[2]。

微機(jī)保護(hù)的硬件設(shè)備隨著信息化的進(jìn)步，也在不斷的發(fā)展。在短短5年的時(shí)間里，從8 bit單CPU架構(gòu)的微機(jī)保護(hù)發(fā)展成多CPU架構(gòu)，又發(fā)展成總線集成的大模塊構(gòu)架，大大提高了性能，從而得到了社會(huì)的廣泛應(yīng)用。

電力系統(tǒng)對(duì)微機(jī)保護(hù)的要求，除了基本的保護(hù)功能，還需要具備一個(gè)長(zhǎng)期高容量存儲(chǔ)空間用以存放大量故障信息和數(shù)據(jù)。同時(shí)擁有強(qiáng)大的通訊能力，快速的數(shù)據(jù)處理能力，以及高級(jí)語(yǔ)言編程的能力。這就要求微機(jī)保護(hù)裝置能夠像個(gè)人電腦一樣功能強(qiáng)大。如今，與微機(jī)保護(hù)裝置大小相近的IPC（工控機(jī)），無(wú)論是應(yīng)用功能，運(yùn)行速度，還是存儲(chǔ)容量都超越了當(dāng)初的小型機(jī)，因此，IPC（工控機(jī)）保護(hù)套裝將成為微機(jī)保護(hù)發(fā)展方向之一。

70年代末，在科學(xué)研究院和高等院校的先驅(qū)領(lǐng)導(dǎo)下，我國(guó)的計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)研究也踏上了征程。1984年原華北電力學(xué)院便率先獲得鑒定，通過(guò)了輸電線路微機(jī)保護(hù)裝置的研究，翻開(kāi)了中國(guó)微機(jī)繼電保護(hù)歷史發(fā)展的新篇章，為繼電保護(hù)的開(kāi)拓與發(fā)展鋪就了一條新道路。從此不同型號(hào)、不同原理的計(jì)算機(jī)線路及電力系統(tǒng)主設(shè)備的保護(hù)裝置各放異彩，為電力系統(tǒng)提供了新一代工作可靠、功能完善、性能優(yōu)異的繼電保護(hù)裝置。

2 微機(jī)繼電保護(hù)的原理與特點(diǎn)

傳統(tǒng)的模擬式繼電保護(hù)是根據(jù)電力系統(tǒng)中的模擬量（電壓U、電流I）進(jìn)行工作的，也就是將采集的模擬量與給定的機(jī)械量（彈簧力矩）、電氣量（門檻電壓）進(jìn)行對(duì)比和邏輯運(yùn)算，作出判斷，從而完成相應(yīng)的保護(hù)。

繼電保護(hù)裝置滿足的四項(xiàng)基本要求依次是靈敏性、選擇性、速動(dòng)性、可靠性。

繼電保護(hù)裝置工作原理包括以下三部分：①信號(hào)檢測(cè)部分、②邏輯判斷部分、③保護(hù)動(dòng)作部分。其具體工作流程如下：信號(hào)檢測(cè)部分從被保護(hù)側(cè)采集相應(yīng)的模擬量和開(kāi)關(guān)量，傳送到邏輯判斷部分，通過(guò)算法進(jìn)行處理，將所得結(jié)果與給定的整定值進(jìn)行對(duì)比，判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障并發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作命令，最終再由保護(hù)動(dòng)作部分執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作[2]。

現(xiàn)代微機(jī)保護(hù)則是將電力系統(tǒng)的模擬量（電壓U、電流I）進(jìn)行采樣和編碼之后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、運(yùn)算和判斷，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)[3]。

微機(jī)繼電保護(hù)具有的特點(diǎn)：穩(wěn)定性好、邏輯判斷準(zhǔn)確、設(shè)備維護(hù)方便、設(shè)備附加值高、適應(yīng)性強(qiáng)。

3 微機(jī)繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)

微機(jī)繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。微機(jī)繼電保護(hù)的硬件設(shè)計(jì)，從功能上講，微機(jī)保護(hù)裝置包括五個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)處理單元（CPU），開(kāi)關(guān)量輸入輸出回路，人機(jī)接口部分和電源回路。

微機(jī)繼電保護(hù)的軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)軟件是整個(gè)保護(hù)裝置的靈魂，基于各個(gè)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)線路繼電保護(hù)及監(jiān)控的各種功能。這里以微機(jī)三段式電流保護(hù)為例主要介紹微機(jī)保護(hù)的主程序設(shè)計(jì)與自檢模塊。

3.1 微機(jī)繼電保護(hù)主程序設(shè)計(jì)

主程序是一個(gè)循環(huán)監(jiān)控和保護(hù)的過(guò)程，它包括監(jiān)控部分和運(yùn)行部分。

監(jiān)控部分（主程序）主要包含有開(kāi)中斷、人機(jī)接口、鍵盤命令、裝置自檢、整定值設(shè)置以及報(bào)警的處理程序。當(dāng)設(shè)備裝置上電或復(fù)位之后，第一步就是打開(kāi)中斷；當(dāng)采樣間隔時(shí)間到時(shí)，就向微處理器申請(qǐng)中斷，響應(yīng)中斷之后便跳到運(yùn)行部分（中斷服務(wù)程序），執(zhí)行數(shù)據(jù)采樣、數(shù)字濾波、保護(hù)算法、故障判別以及故障保護(hù)動(dòng)作等程序處理，完成一套完整的系統(tǒng)保護(hù)功能[4]。

3.2 自檢模塊

自檢服務(wù)程序是微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。自檢內(nèi)容主要包括微處理器RAM、EPROM、A/D通道以及定值等的自檢測(cè)試服務(wù)，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出錯(cuò)，就發(fā)出報(bào)警信號(hào)。自檢服務(wù)程序的存在，保證了裝置始終都能處于安全、無(wú)隱患的硬件狀態(tài)下進(jìn)行工作，從而也大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3.3 保護(hù)算法

中斷服務(wù)程序中的保護(hù)算法是微機(jī)保護(hù)最重要的一部分。保護(hù)算法是根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器所提供的采樣數(shù)值進(jìn)行分析與運(yùn)算，從而用來(lái)判別故障，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的功能。在微機(jī)保護(hù)里，算法分為兩大類：①、特征量算法，即計(jì)算保護(hù)所需要的各種電氣量的特征參數(shù)，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(hù)動(dòng)作判據(jù)的算法，即用特征量算法的結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的動(dòng)作方程和特性，所以保護(hù)算法與具體的保護(hù)功能密切相關(guān)[5]。

本設(shè)計(jì)采用的保護(hù)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(shí)部、虛部的大小。該算法的基本思想源于傅里葉級(jí)數(shù)。假設(shè)輸入信號(hào) 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(shù)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(shí)部和虛部，且為

（4-2）

（4-3）

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

（4-4）

（4-5）

該算法的數(shù)據(jù)窗為一個(gè)完整的基頻周期，故稱為全周傅里葉算法。當(dāng)取n=1時(shí)，可得基頻分量的實(shí)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(jiàn)，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(duì)非整次諧波分量和按指數(shù)衰減的非周期分量有一定的抑制作用，尤其對(duì)高頻分量的濾波能力相當(dāng)可觀，因此，全周傅里葉算法在供電系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)中得到了的廣泛應(yīng)用[5]。

4 結(jié)論

隨著電力自動(dòng)化技術(shù)的日益發(fā)展，微機(jī)繼電保護(hù)裝置取代傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置是個(gè)必然的趨勢(shì)。通過(guò)引進(jìn)微機(jī)控制技術(shù)，可使電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全、可靠、穩(wěn)定、高效率。總之，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)繼電保護(hù)和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)在逐漸向智能化與網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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