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微机型继电保护基础1微机继电保护原理(培训教材)李永丽贺家李中国电力培训微机型继电保护基础2本培训教材是在《电力系统继电保护原理，增订版》一书的基础上编写的，在编写中参考了杨奇逊黄少锋编著的《微机继电保护基础，第二版》和一些装置的说明书，再此表示感谢微机型继电保护基础3微机继电保护(培训教材)第一章概述一．微机保护发展的历史回顾在七十年代初、中期，计算机技术出现了重大突破，随着其价格的大幅度下降和可靠性的提高，开始了计算机保护的研究热潮。七十年代中、后期，国外已有少数样机在电力系统中试运行，微型计算机保护逐渐趋于实用。国内对计算机继电保护的研究从70年代后半期开始，84年底第一套微机距离保护样机经试运行后通过电力部门的科研鉴定[1]。目前，在我国不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护异彩纷呈，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。无人值班的变电站内，微机型继电保护装置与变电站监控系统已形成一个网络，保护装置可以通过微机监控系统的通信网络，将其运行状态、动作情况、信号等传送给集控站和调度所，值班员可以在远方投切保护装置、查看保护状态、修改保护定值。随着对微机保护的不断深入研究，在保护软件算法等方面也取得了很多新的理论成果。一些人工智能技术也逐渐引入到继电保护中来。在发达国家，微机保护已占现有保护的70%以上。实践证明，微机保护无论从动作速度、还是动作性能及可靠性方面都将超越传统保护。二．微机保护装置的特点[2]1．维护调试方便通常情况下传统继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂原理的保护。例如超高压线路的高频保护装置，既有保护装置又有高频通道的调试，投运之前的调试时间常常需要一周甚至更长。微机保护装置则不同，它硬件的主要元件是单片机（单片微型计算机简称单片机）或数字信号处理器。新一代的单片机或数字信号处理器把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、输入输出(I/O)接口电路、定时器和计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，再配以所需的相关外围芯片即可构成微机保护装置。各种复杂的保护功能是由相应的软件来实现的。保护装置对硬件和软件都具有自诊断功能，一旦发现异常就会发出警告。通常只要给上电源后保护自检通过没有报警，即可认为装置是完好的。所以对微机保护装置而言除了输入和修改定值及检查外部接线外几乎不用调试，从而大大减轻了运行维护的工作量。2．可靠性高微机保护具有在线自检功能。自检的内容既包括装置的硬件也包括程序软件。由此可避免由于装置硬件的异常引起的保护误动作或电力系统故障时保护的拒动。在保护软件的编程上可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止由于采样信号受到干扰而造成保护误动作。因此微机保护可靠性很高。3．易于获得附加功能微机保护装置通常配有通信接口。如果连接打印机或者其它显示设备，可以在系统发生故障后提供多种信息。例如，保护各部分的动作顺序和动作时间记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的录波等。还可将保护动作信息上传至故障录波信息系统，实现调度的实时检测及对保护动作情况的分析。对于线路保护，还可以计算和显示故障点的位置（测距）。微机型继电保护基础4这样有助于事故后的分析及判定保护的动作情况。4．灵活性大目前，国内中、低压变电站内不同一次设备的保护装置在硬件设计时，尽可能采用同样的设计方案。而超高压电力系统保护装置若采用多CPU实现多种保护功能时，每块CPU模块的硬件设计也倾向于尽量相同。由于保护的原理主要由软件决定，因此，只要改变软件就可以改变保护的特性和功能，从而可灵活地适应电力系统发展对保护要求的变化，也减少了现场的维护工作量。5．保护性能得到很好改善由于微处理器的使用，使传统型式的继电保护中存在的很多技术问题，可找到新的解决方法。人工智能技术或复杂的数学算法可以在保护中得以实现。例如，接地距离保护承受过渡电阻能力的改善、距离保护如何区分振荡和短路、变压器差动保护如何识别励磁涌流和内部故障、母线保护如何检测电流互感器饱和等问题都已提出了许多新的原理和解决方法。这些新方法只有用微机保护才能实现。6．经济性好微处理器和集成电路芯片的性能不断提高而价格一直在下降，而电磁型继电器的价格在同一时期内却不断上升。而且，微机保护装置是一个可编程序的装置，它可基于通用硬件实现多种保护功能，使硬件种类大大减少。这样，在经济性方面也优于传统保护。第二章微处理器简介微机保护装置硬件的核心是微处理器。微处理器的选择遵循以下原则：一是速度，二是功能，三是通用性，四是工作环境。微处理器的速度选择以能在两个相邻采样间隔内完成必要的工作为准，并不是在任何情况下速度越高越好。随着大规模集成电路的发展，微处理器正在向两个方向发展：一方面，往功能强的方向发展（例如数字信号处理的功能）；另一方面，在同样的集成度下，不集成高功能、快速的微处理器，而是把许多其它功能如模数(A／D)转换、通信接口、定时器等集成在一个芯片上，往功能全的方向发展。为了便于集成电路硬件芯片的购买和升级换代，一定要选择大公司的主流芯片。由于继电保护对可靠性、安全性要求很高，再加上保护装置工作环境恶劣，所以，要尽可能选择工业级的微处理器。目前，国内外微机保护装置所用的微处理器有两大类：一类是单片机；另一类是数字信号处理器。下面予以分别介绍。一．单片机简介单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM或可擦除只读存储器EPROM、I／O接口电路、定时器／计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫单片微控制器（SingleChipMicrocontroller）。又可称作单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）。单片机的共有特点是：（1）控制功能强；（2）体积小；（3）功耗小；（4）成本低。由于上述优越性，单片机已在工业、民用、军事等工程领域得到了广泛应用。特别是随着数字技术的发展，在很大程度上改变了传统的设计方法，在软件和扩展接口支持下，单片机可以代替以往模拟式和数字式电路实现的系统，使原来很多电路设计问题化为方便的程序设计问题。微机型继电保护基础5单片机问世以来，应用日趋广泛，性能不断地改善和提高，在许多应用场合取代了现有的微型计算机系统，但其性能价格比却更为优越，体积也大为减小。单片机的潜在能力愈来愈为人们所注意。按照单片机的特点，它的应用可分为单机和多机应用两种。单机应用在一个应用系统中，只使用一片单片机，这是目前应用最多的方式，单片机应用的主要领域有：（l）测控系统。用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。例如，温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统、车辆检测系统、机器人轴处理器等。（2）智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表及智能电度表等。通过采用单片机软件编程技术，使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。（3）机电一体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机、电一体化产品。例如，在电传打字机的设计中由于采用了单片机，取代了近千个机械部件；在数控机床的简易控制机中，采用单片机可提高可靠性及增强功能，降低控制机成本。（4）智能接口。在计算机系统，特别是较大型的工业测、控系统中，如果用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机并行工作，可以大大提高系统的运行速度。例如，在大型数据采集系统中，用单片机对模／数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预处理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。多机应用单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。（1）功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能要求而设置的多机系统。例如，一个加工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外，还要控制对刀系统、坐标指示、刀库管理、状态监视、伺服驱动等机构。（2）并行多机控制系统。并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题，以便构成大型实时工程应用系统。典型的有快速并行数据采集、处理系统，实时图像处理系统。（3）局部网络系统。单片机网络系统的出现，使单片机应用进入了一个新的水平。目前单片机构成的网络系统主要是分布式测、控系统。单片机主要用于系统中的通信控制，以及构成各种测、控用子级系统。随着单片机应用的进一步深入，单片机技术也在不断发展。除了提高计算速度、指令周期和效率外，为了用户的需求，中断源、I/O口和定时器得到了充足的扩展，还有可编程的时钟输出、可编程的计数器阵列、看门狗定时器、I²C串行总线接口等。随着单片机自身功能的不断提高，其适用范围亦更加广泛，表现在：操作电压范围和温度范围的放宽、晶振频率的提高、封装形式的多样化、片内程序和数据空间的加大，有的芯片片内只读存储器ROM空间已达64k。有的芯片还带有新型的可擦除非易失性记忆元件-闪存存储器（FLASH），可以通过在系统中编程(ISP:in-systemprogramming)或在应用中编程(IAP:in-applicationprogramming)以实现程序加载。有的芯片带有2k字节的电可擦除只读存储器(EEPROM)。目前，新型单片机采用多流水线结构，CPU位数可达32位，其运算速度比标准单片机高出10倍以上。因此，8位机和32位机将成为单片机领域中的两个主流[3]。微机型继电保护基础6二．数据信号处理器（DSP）简介DSP是英文DigitalSignalProcessor的缩写，即数字信号微处理器的意思[4]。DSP芯片专门用于完成各种实时数字信息处理。60年代和70年代是数字信号处理技术的理论研究阶段，在此阶段最具代表性的著作是美国A.V.Oppenheim（A.V.澳本海姆）和R.W.Schafer（R.W.沙佛）写的《DigitalSignalProcessing》，这是数字信号处理的经典著作。80年代初，随着微电子技术的发展而出现了DSP器件，这些器件的出现使得各种数字信号处理的算法得以实时实现。实际上，DSP器件不仅使数字信号处理从理论研究发展到实际应用，还从信号处理领域拓宽到系统控制领域，从而诞生了一大批新型的电子产品。随着DSP技术的迅速普及，应用DSP器件的电子产品除了为今天的”信息高速公路”奠定基础外，也迅速地应用到其它领域。下面是DSP的一些典型应用。（1）通用数字信号处理。数字滤波、卷积算法、相关算法、卡尔曼滤波、FFT、希尔伯特变换、自适应滤波、窗函数、波形生成；（2）通信。高速调制解调器、编/解码器、自适应均衡器、传真、蜂房网移动电话、数字留言机、语音信箱、回音消除、电视会议、扩频通信；（3）声音/语音信号处理。语音信箱、语言识别、语音鉴别、语音合成、文字变声音、语音矢量编码等；（4）图形/图象信号处理。三维图形变换处理、机器人视觉、模式识别、图象增强、动画、电子地图、桌面出版系统；（5）控制。磁盘/光盘伺服控制、激光打印机伺服控制、机器人控制、发动机控制、电机调速、无刷直流电机；（6）仪器。谱分析、函数发生、波形发生、数据采集、暂态分析、模态分析、石油/地质勘探、飞行器风洞试验等；面对DSP的巨大的市场和广阔发展前景，世界上最大的几个半导体公司都在DSP开发上开展竞争。如美国TI公司（TexasInstruments－美国德州仪器公司）、ADI（AnalogDevicesInc.－美国模拟器件公司）、SiemensSemiconductor等都在全力开发和生产DSP器件。最新的DSP芯片具有如下的特点：（1）在单个指令周期内完成乘法/累加运算；指令中有循环寻址、位倒序操作等；（2）速度达到101～103MIPS(每秒百万指令mil