重庆能源职业学院
课程设计
题 目 微机继电保护综述
系
专 业
班 级
姓 名
指导教师
年 月 日
目录
摘要 ............................................................................................................................................ 1
1 微机继电保护的发展 ............................................................................................................ 2
1.1世界微机保护的发展历史 .......................................................................................... 2
1.2我国微机保护的发展历史 .......................................................................................... 2
1.3在未来几年内。微机保护发展趋势 .......................................................................... 2
2 微机继电保护装置的特点 .................................................................................................... 3
2.1微机继电保护装置特点 .............................................................................................. 3
2.2微机继电保护优、缺点 .............................................................................................. 4
3 微机继电保护硬件组成原理 ................................................................................................ 4
3.1微机继电保护装置的硬件包括以下五个部分： ...................................................... 4
3.2比较式数据采集系统 .................................................................................................. 5
3.2.1数据采集系统的作用 ....................................................................................... 5
3.2.2数据采集系统的特点： ................................................................................... 5
3.2.3电压形成回路 ................................................................................................... 6
3.2.4电压变换器 ....................................................................................................... 6
4 微机继电保护的算法 ............................................................................................................ 6
4.1 数字滤波 ..................................................................................................................... 6
4.2正弦函数模型算法 ...................................................................................................... 6
4.2.1半周积分算法 ................................................................................................... 6
4.2.2导数算法 ........................................................................................................... 6
4.2.3两采样值积算法 ............................................................................................... 6
4.2.4三采样值积算法 ............................................................................................... 7
4.3 傅里叶算法（傅氏算法） ......................................................................................... 7
4.3.1全周波傅里叶算法 ........................................................................................... 7
4.3.2半周波傅里叶算法 ........................................................................................... 7
4.4 解微分方程算法 ......................................................................................................... 7
式中R１、L1 分别为故障点至保护安装处线路段的正序电阻和电感，u、i 分别
为保护安装处的电压和电流。 ................................................................................ 8
4.4.1差分法 ............................................................................................................... 8
4.4.2积分法 ............................................................................................................... 8
5 数字滤波器概述 .................................................................................................................... 8
摘要
应用微型计算机或微处理机构成的继电保护。1965年已开始计算机保护的研究工作，但由于在价格、计算速度和可靠性方面的原因，发展缓慢。70年代初、中期，大规模集成电路技术的飞速发展，微型计算机和微处理机问世，价格大幅度下降，计算速度不断加快，可靠性也大为提
高，微机继电保护的研制随之出现高潮，到70年代后期已趋于实用。本文主要讲述微机继电保护硬件组成原理，微机继电保护的算法，数字滤波器的概述及输电线路微机保护装置举例。
1 微机继电保护的发展
1.1世界微机保护的发展历史
1）20世纪60年代末期，开始倡议用计算机构成继电保护。
2）20世纪70年代，掀起了研究热潮。
3）20世纪70年代末期，开始进入实用化阶段。
4）1979年后，推出各种定型的商业性微机保护产品，并迅速推广。
1.2我国微机保护的发展历史
1）70年代后半期开始，对国外计算机继电保护的发展做了广泛的介绍和综述分析。
2）70年代末至80年代初广泛地开展各种算法以至样机的研制。
3）1984年，华北电力学院杨奇逊教授主持研制的第一套微机距离保护样机在河北马头电厂投入试运行。
4）1986年，全国第一台微机高压线路保护装置投入试运行。
5）1987年9月26日，微机距离保护经受人工短路考验。
6)目前，高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。
7）在微机保护和网络通信等技术结合后，变电站自动化、配电网自动化系统也已在全国系统中广泛应用。
1.3在未来几年内。微机保护发展趋势
1) 从应用上，向高可靠性、简便性、开放性、通用性、灵活性和动作过程透明方向发展。
2) 从原理上，向智能化、模块化、网络化和综合化方向发展。
2 微机继电保护装置的特点
2.1微机继电保护装置特点
由于我国大量使用整流型或晶体管型继电保护装置，因此调试工作量大，尤其是一些复杂的保护，调试一套保护常常需要较长的时间。究其原因，这类保护装置是布线逻辑，保护的每一种功能都由相应的器件和连线来实现。为确保保护装置完好，需要把所具备的各种功能通过模拟试验来校核一遍。微机继电保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功能是由相应的程序来实现。即微机保护是由只会做几种单调的、简单操作的硬件，配以程序，把许多简单操作组合而完成各种复杂功能的。因而只要用简单的操作就可以检验微机的硬件是否完好。同时，微机保护装置具有自诊断功能，对硬件各部分和存放在EPROM中的程序不断进行自动检测，一旦发现异常就会报警，通常只要接通电源后没有报警，就可确认装置是完好的，所以对微机保护装置可以说几乎不用调试，从而大大减轻运行维护的工作量。 计算机在程序的指挥下，有极强的综合分析和判断能力，因而微机继电保护装置可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自地识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。另外微机继电保护装置有自诊断能力，能够自动检测出计算机本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动，因此可靠性很高。
使用微型计算机后，如果配置一台打印机或其他设备，可以在系统发生故障后提供多种信息。如保护各个部分的动作顺序和动作记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等，还可以提供故障点到保护安装处的距离。这样有助于运行部门对事故的分析处理。
由于计算机保护的特性主要由程序决定，所以不同原理的保护可以采用通用的硬件，只要改变程序就可以改变保护的特性和功能，因此可灵活地适应电力系统运行方式的变化。
采用微型计算构成的保护，使原有型式的继电保护装置中存在的技术问题，可以找到新的解决办法。如对距离保护如何区分振荡和短路，如何识别变压器差动保护励磁涌流和内部故障等问题，都提供了许多新的原理和解决方法。
2.2微机继电保护优、缺点
从微机继电保护出现以来，人们都不断对它的发展、前途和优缺点等作出过评述和估计。微机保护的优缺点如下
优点：
（1）程序可以实现自适应性，可按系统运行状态而自动改变整定值和特性。
（2）有可存取的存储器。
（3）在现场可灵活地改变继电器的特性。
（4）可以使保护性能得到更大的改进。
（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。
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)硬件很快成为过时。
(4)要求硬件和软件有高度可靠性。
(5)在操纵和维护过程中，使用人员较难常握。
微机继电保护装置的优缺点既取决于技术方面，又与各国的技术经济发展状况有关。例如，微机继电保护对长期从事传统继电保护维护运行人员来说是不熟悉的，要普遍使用则要有一个过程。
3 微机继电保护硬件组成原理
3.1微机继电保护装置的硬件包括以下五个部分：
1）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。
2）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（RAM）、定时器、并串接口等。
3）开关量输入输出系统：并行接口、光电耦合器及中间继电器等组成。完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入等功能。
4）人机接口与通信系统：由液晶显示器、键盘、打印机及通信芯片等组成。完成装置调试、系统状态显示、定值整定及实现与其他设备通信等功能。
5）电源系统：提供整个装置所需要的直流稳压电源。
3.2比较式数据采集系统
3.2.1数据采集系统的作用
为模数转换（AD）做准备、转换模拟量为数字量
3.2.2数据采集系统的特点：
适应电力系统故障信号特点
频谱分布宽广：从直流、衰减直流、工频基波分量到各次谐波
（最高到数百千赫兹）在内的暂态信号
•动态范围宽广：从正常运行的几十安培到短路状态下的几万安
培甚至几十万安培
适应继电保护特点要求
•模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则
•典型的高压线路保护需要：三相电流、零序电流；三相电压、
线路侧线间电压；
•典型的三绕组变压器差动保护需要：每一绕组侧的三相电流
因此，微机保护是一个多模拟量输入系统
3.2.3电压形成回路
3.2.4电压变换器
4 微机继电保护的算法
4.1 数字滤波
数字滤波器不同于模拟滤波器，它不是一种纯硬件构成的滤波器，而是由软件编程去实现，改变算法或某些系数即可改变滤波性能，即滤波器的幅频特性和相频特性。 在微机保护中广泛使用的简单的数字滤波器，是一类用加减运算构成的线性滤波单元。 差分滤波
它们的基本形式 加法滤波
积分滤波等
4.2正弦函数模型算法
4.2.1半周积分算法
4.2.2导数算法
导数算法是利用正弦函数的导数为余弦函数这一特点求出采样值的幅值和相位的一种算法。
导数算法最大的优点是它的“数据窗”即算法所需要的相邻采样数据是三个，即计算速度快。导数算法的缺点是当采样频率较低时，计算误差较大。
4.2.3两采样值积算法
两采样值积算法是利用2个采样值以推算出正弦曲线波形，即用采样值的乘积来计算电流、电压、阻抗的幅值和相角等电气参数的方法，属于正弦曲线拟合法。 这种算法的特点是计算的判定时间较短。
4.2.4三采样值积算法
三采样值积算法是利用三个连续的等时间间隔TS的采样值中两两相乘，通过适当的组合消去ωt项以求出u、i的幅值和其它电气参数。
三采样值积算法的数据窗是2Ts。从精确角度看，如果输入信号波形是纯正弦的，这种算法没有误差，因为算法的基础是考虑了采样值在正弦信号中的实际值。
4.3 傅里叶算法（傅氏算法）
4.3.1全周波傅里叶算法
全周波傅里叶算法本身具有滤波作用，在计算基频分量时，能抑制恒定直流和消除各整数次谐波，但对衰减的直流分量将造成基频（或其它倍频）分量计算结果的误差。另外用近似数值计算代替积也会导致一定的误差。算法的数据窗为一个工频周期，属于长数据窗类型，响应时间较长。
4.3.2半周波傅里叶算法
4.4 解微分方程算法
解微分方程算法是假定保护线路分布电容可以忽略，故障点到保护安装处的线路段可用一电阻和电感串联电路，即R－L串联模型来表示，于是下述微分方程成立 uR1iL1didt
式中R１、L1 分别为故障点至保护安装处线路段的正序电阻和电感，u、i 分别为保护安装处的电压和电流。
4.4.1差分法
4.4.2积分法
5 数字滤波器概述 数字滤波器一词出现在60年代中期。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。数字滤波器是对数字信号进行滤波处理以得到期望的响应特性的离散时间系统。作为一种电子滤波器，数字滤波器与完全工作在模拟信号域的模拟滤波器不同。数位滤波器工作在数字信号域，它处理的对象是经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号。
数字滤波器的工作方式与模拟滤波器也完全不同：后者完全依靠电阻、电容、晶体管等电子元件组成的物理网络实现滤波功能；而前者是通过数字运算器件对输入的数字信号进行运算和处理，从而实现设计要求的特性。
重庆能源职业学院
课程设计
题 目 微机继电保护综述
系
专 业
班 级
姓 名
指导教师
年 月 日
目录
摘要 ............................................................................................................................................ 1
1 微机继电保护的发展 ............................................................................................................ 2
1.1世界微机保护的发展历史 .......................................................................................... 2
1.2我国微机保护的发展历史 .......................................................................................... 2
1.3在未来几年内。微机保护发展趋势 .......................................................................... 2
2 微机继电保护装置的特点 .................................................................................................... 3
2.1微机继电保护装置特点 .............................................................................................. 3
2.2微机继电保护优、缺点 .............................................................................................. 4
3 微机继电保护硬件组成原理 ................................................................................................ 4
3.1微机继电保护装置的硬件包括以下五个部分： ...................................................... 4
3.2比较式数据采集系统 .................................................................................................. 5
3.2.1数据采集系统的作用 ....................................................................................... 5
3.2.2数据采集系统的特点： ................................................................................... 5
3.2.3电压形成回路 ................................................................................................... 6
3.2.4电压变换器 ....................................................................................................... 6
4 微机继电保护的算法 ............................................................................................................ 6
4.1 数字滤波 ..................................................................................................................... 6
4.2正弦函数模型算法 ...................................................................................................... 6
4.2.1半周积分算法 ................................................................................................... 6
4.2.2导数算法 ........................................................................................................... 6
4.2.3两采样值积算法 ............................................................................................... 6
4.2.4三采样值积算法 ............................................................................................... 7
4.3 傅里叶算法（傅氏算法） ......................................................................................... 7
4.3.1全周波傅里叶算法 ........................................................................................... 7
4.3.2半周波傅里叶算法 ........................................................................................... 7
4.4 解微分方程算法 ......................................................................................................... 7
式中R１、L1 分别为故障点至保护安装处线路段的正序电阻和电感，u、i 分别
为保护安装处的电压和电流。 ................................................................................ 8
4.4.1差分法 ............................................................................................................... 8
4.4.2积分法 ............................................................................................................... 8
5 数字滤波器概述 .................................................................................................................... 8
摘要
应用微型计算机或微处理机构成的继电保护。1965年已开始计算机保护的研究工作，但由于在价格、计算速度和可靠性方面的原因，发展缓慢。70年代初、中期，大规模集成电路技术的飞速发展，微型计算机和微处理机问世，价格大幅度下降，计算速度不断加快，可靠性也大为提
高，微机继电保护的研制随之出现高潮，到70年代后期已趋于实用。本文主要讲述微机继电保护硬件组成原理，微机继电保护的算法，数字滤波器的概述及输电线路微机保护装置举例。
1 微机继电保护的发展
1.1世界微机保护的发展历史
1）20世纪60年代末期，开始倡议用计算机构成继电保护。
2）20世纪70年代，掀起了研究热潮。
3）20世纪70年代末期，开始进入实用化阶段。
4）1979年后，推出各种定型的商业性微机保护产品，并迅速推广。
1.2我国微机保护的发展历史
1）70年代后半期开始，对国外计算机继电保护的发展做了广泛的介绍和综述分析。
2）70年代末至80年代初广泛地开展各种算法以至样机的研制。
3）1984年，华北电力学院杨奇逊教授主持研制的第一套微机距离保护样机在河北马头电厂投入试运行。
4）1986年，全国第一台微机高压线路保护装置投入试运行。
5）1987年9月26日，微机距离保护经受人工短路考验。
6)目前，高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。
7）在微机保护和网络通信等技术结合后，变电站自动化、配电网自动化系统也已在全国系统中广泛应用。
1.3在未来几年内。微机保护发展趋势
1) 从应用上，向高可靠性、简便性、开放性、通用性、灵活性和动作过程透明方向发展。
2) 从原理上，向智能化、模块化、网络化和综合化方向发展。
2 微机继电保护装置的特点
2.1微机继电保护装置特点
由于我国大量使用整流型或晶体管型继电保护装置，因此调试工作量大，尤其是一些复杂的保护，调试一套保护常常需要较长的时间。究其原因，这类保护装置是布线逻辑，保护的每一种功能都由相应的器件和连线来实现。为确保保护装置完好，需要把所具备的各种功能通过模拟试验来校核一遍。微机继电保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功能是由相应的程序来实现。即微机保护是由只会做几种单调的、简单操作的硬件，配以程序，把许多简单操作组合而完成各种复杂功能的。因而只要用简单的操作就可以检验微机的硬件是否完好。同时，微机保护装置具有自诊断功能，对硬件各部分和存放在EPROM中的程序不断进行自动检测，一旦发现异常就会报警，通常只要接通电源后没有报警，就可确认装置是完好的，所以对微机保护装置可以说几乎不用调试，从而大大减轻运行维护的工作量。 计算机在程序的指挥下，有极强的综合分析和判断能力，因而微机继电保护装置可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自地识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。另外微机继电保护装置有自诊断能力，能够自动检测出计算机本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动，因此可靠性很高。
使用微型计算机后，如果配置一台打印机或其他设备，可以在系统发生故障后提供多种信息。如保护各个部分的动作顺序和动作记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等，还可以提供故障点到保护安装处的距离。这样有助于运行部门对事故的分析处理。
由于计算机保护的特性主要由程序决定，所以不同原理的保护可以采用通用的硬件，只要改变程序就可以改变保护的特性和功能，因此可灵活地适应电力系统运行方式的变化。
采用微型计算构成的保护，使原有型式的继电保护装置中存在的技术问题，可以找到新的解决办法。如对距离保护如何区分振荡和短路，如何识别变压器差动保护励磁涌流和内部故障等问题，都提供了许多新的原理和解决方法。
2.2微机继电保护优、缺点
从微机继电保护出现以来，人们都不断对它的发展、前途和优缺点等作出过评述和估计。微机保护的优缺点如下
优点：
（1）程序可以实现自适应性，可按系统运行状态而自动改变整定值和特性。
（2）有可存取的存储器。
（3）在现场可灵活地改变继电器的特性。
（4）可以使保护性能得到更大的改进。
（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。
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)硬件很快成为过时。
(4)要求硬件和软件有高度可靠性。
(5)在操纵和维护过程中，使用人员较难常握。
微机继电保护装置的优缺点既取决于技术方面，又与各国的技术经济发展状况有关。例如，微机继电保护对长期从事传统继电保护维护运行人员来说是不熟悉的，要普遍使用则要有一个过程。
3 微机继电保护硬件组成原理
3.1微机继电保护装置的硬件包括以下五个部分：
1）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。
2）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（RAM）、定时器、并串接口等。
3）开关量输入输出系统：并行接口、光电耦合器及中间继电器等组成。完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入等功能。
4）人机接口与通信系统：由液晶显示器、键盘、打印机及通信芯片等组成。完成装置调试、系统状态显示、定值整定及实现与其他设备通信等功能。
5）电源系统：提供整个装置所需要的直流稳压电源。
3.2比较式数据采集系统
3.2.1数据采集系统的作用
为模数转换（AD）做准备、转换模拟量为数字量
3.2.2数据采集系统的特点：
适应电力系统故障信号特点
频谱分布宽广：从直流、衰减直流、工频基波分量到各次谐波
（最高到数百千赫兹）在内的暂态信号
•动态范围宽广：从正常运行的几十安培到短路状态下的几万安
培甚至几十万安培
适应继电保护特点要求
•模拟量设置应满足继电保护功能要求为准则
•典型的高压线路保护需要：三相电流、零序电流；三相电压、
线路侧线间电压；
•典型的三绕组变压器差动保护需要：每一绕组侧的三相电流
因此，微机保护是一个多模拟量输入系统
3.2.3电压形成回路
3.2.4电压变换器
4 微机继电保护的算法
4.1 数字滤波
数字滤波器不同于模拟滤波器，它不是一种纯硬件构成的滤波器，而是由软件编程去实现，改变算法或某些系数即可改变滤波性能，即滤波器的幅频特性和相频特性。 在微机保护中广泛使用的简单的数字滤波器，是一类用加减运算构成的线性滤波单元。 差分滤波
它们的基本形式 加法滤波
积分滤波等
4.2正弦函数模型算法
4.2.1半周积分算法
4.2.2导数算法
导数算法是利用正弦函数的导数为余弦函数这一特点求出采样值的幅值和相位的一种算法。
导数算法最大的优点是它的“数据窗”即算法所需要的相邻采样数据是三个，即计算速度快。导数算法的缺点是当采样频率较低时，计算误差较大。
4.2.3两采样值积算法
两采样值积算法是利用2个采样值以推算出正弦曲线波形，即用采样值的乘积来计算电流、电压、阻抗的幅值和相角等电气参数的方法，属于正弦曲线拟合法。 这种算法的特点是计算的判定时间较短。
4.2.4三采样值积算法
三采样值积算法是利用三个连续的等时间间隔TS的采样值中两两相乘，通过适当的组合消去ωt项以求出u、i的幅值和其它电气参数。
三采样值积算法的数据窗是2Ts。从精确角度看，如果输入信号波形是纯正弦的，这种算法没有误差，因为算法的基础是考虑了采样值在正弦信号中的实际值。
4.3 傅里叶算法（傅氏算法）
4.3.1全周波傅里叶算法
全周波傅里叶算法本身具有滤波作用，在计算基频分量时，能抑制恒定直流和消除各整数次谐波，但对衰减的直流分量将造成基频（或其它倍频）分量计算结果的误差。另外用近似数值计算代替积也会导致一定的误差。算法的数据窗为一个工频周期，属于长数据窗类型，响应时间较长。
4.3.2半周波傅里叶算法
4.4 解微分方程算法
解微分方程算法是假定保护线路分布电容可以忽略，故障点到保护安装处的线路段可用一电阻和电感串联电路，即R－L串联模型来表示，于是下述微分方程成立 uR1iL1didt
式中R１、L1 分别为故障点至保护安装处线路段的正序电阻和电感，u、i 分别为保护安装处的电压和电流。
4.4.1差分法
4.4.2积分法
5 数字滤波器概述 数字滤波器一词出现在60年代中期。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。数字滤波器是对数字信号进行滤波处理以得到期望的响应特性的离散时间系统。作为一种电子滤波器，数字滤波器与完全工作在模拟信号域的模拟滤波器不同。数位滤波器工作在数字信号域，它处理的对象是经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号。
数字滤波器的工作方式与模拟滤波器也完全不同：后者完全依靠电阻、电容、晶体管等电子元件组成的物理网络实现滤波功能；而前者是通过数字运算器件对输入的数字信号进行运算和处理，从而实现设计要求的特性。