2015年微机继电保护技术手册

第一节微机继电保护装置简介

1.1概述

自从微型机引入继电保护以来，微机保护在利用故障分量方面取得了长足的进步，另一方面,

结合了自适应理论的自适应式微机保护也得到较大发展，同时:计算机通信和网络技术的发展及

其在系统中的广泛应用，使得变电站和发电厂的集成控制、综合自动化更易实现。未来儿年内，

微机保护将朝着高可靠性、简便性、通用性、灵活性和网络化、智能化、模块化等方向发展，并

可以与电子式互感器、光学互感器实现连接；同时，充分利用计算机的计算速度、数据处理能力、

通信能力和硬件集成度不断提高等各方面的优势，结合模糊理论、自适应原理、行波原理、小波

技术等，设计出性能更优良和维护工作量更少的微机保护设备。

微机继电保护装置优点

1.调试维护方便

2.高可靠性

3.易于获得附加功能

4.灵活性

5.改善保护性能

6.智能化、网络化

微机保护硬件系统包含以下四个部分

(1)数据采集单元即模拟量输入系统。包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模

数转换等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量。

(2)数据处理单元即微机主系统。包括微处理器，只读存储器、随机存取存储器以及定时器等。

微处理器执行存放在只读存储器中的程序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进

行分析处理，以完成各种继电保护的功能。

(3)数字量输入/输出接口即开关量输入输出系统。包括若干并行接口，光电隔离器及中间继

电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸，信号警报，外部接点输入及人机对话等功能。

(4)通信接口。包括通讯接口电路及接口以实现多机通讯或联网。

硬件示意框图如图14—2所示。

一

模

量

恭KPX

多

入

路

〈

转

由

换，输入/总出系统

IPTI开

和

关

S开关置簌入

二

।___光-WT印机

次—H电压形成卜|ALF河］■

他

来I出口开关量党出

二离电路

商「二厂祯拓§

+l并行接口I

1.2微机保护硬件各子系统电路构成原理

1.2.1数据采集单元

(1)电压形成

微机保护要从被保护设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得信息，但这些互感

器的二次数值的输入范围对微机电路并不适用，故需要降低和变换，在微机保护中通常要求输入

信号为±5V或±10V的电压信号，具体取决于所用的模数转换器。因此，一般采用中间变换器

来实现以上的变换。交流电流的变换一般采用电流中间变换器并在其二次侧并电阻以取得所需的

电压。如图14—3所示，此外，这些中间变换器还起到屏蔽和隔离的作用，提高了保护的抗干扰

能力和可靠性。

阻

阻

抗

AS抗

变

变

换

换-0

器

器

1产h2

逻辑输入\

_n_n_

(2)采样保持(S/H)电路及采样频率的选择

采样保持电路的作用是在一哥极短郁川耐豳蟾蜩嘟啾在该时刻的瞬时值，并在模拟一

-数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。

(3)模拟低通滤波器(ALF)

滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的电路。随着数字处理技术的

发展，除了模拟滤波器之外，还出现了数字滤波器。

对微机保护系统来说，在故障初瞬，电压、电流中可能含有相当高的频率分量，为防止频率

混叠，fs将不得不用得很高，从而对硬件速度提出过高的要求。但实际上目前大多数的模拟微机

保护原理都是反映工频量的，在这种情况下可以在采样前用一个模拟低通滤波器将高频分量滤

掉，这样就可以降低fs，从而降低对硬件提出的要求。以后我们将介绍，由于数字滤波器的作用,

通常并不要求低通滤波器滤掉所有的高频分量而仅用它滤掉fs/2以上的分量，以消除频率混叠,

防止高频分量混到工频附近来。低于fs/2的其它暂态频率分量，可以通过数字滤波来滤除。还

应当指出，电流互感器、电压互感器对高频分量已有相当大的抑制作用，因此，不必对抗混叠的

低通模拟滤波的频率特性提出很严格的要求。模拟低通滤波器通常可分为两大类，一类是无源滤

波器，由RLC元件构成；另一类是有源滤波器，主要由集成运算放大器和RC元件构成。

(4)模数转换器(A/D转换器)

在微机保护中，常需将检测到的连续变化的模拟量如转化成离散的数字量，才能输入到单片

微机中进行处理。实现模拟量变换成数字量的设备称为模数转换器(ADC),简称A/D。

根据A/D转换器的原理可将其分成两大类。一类是直接型A/D转换器，另一类是间接

型A/D转换器。在直接型A/D转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何

中间变量；在间接型A/D转换器中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量(频率)，然

后再把这个中间变量转换成数字代码输出。目前A/D转换器的种类很多，但应用较广泛的主要

有三种类型。逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器和VFC变换式A/D转换器。

1)逐次逼近式A/D转换器原理

图14—6是逐次逼近式A/D转换器的电路原理图。其主要原理为：将一待转换的模拟输入

信号UN与一个推测信号U相比

较,根据推测信号大于还是小于输

入信号来决定增大还是减小该推

测信号，以便向模拟输入信号逼

近。推测信号由D/A转换器的输

出获得，当推测信号与模拟信号相

数等时，向D/A转换器输入的数

据

输字就是对应模拟输入量的数字量。

出

其推测值的取值方法如下:使

二进制计数器中（输出锁存器）的

每一位从最高位起依次置1,每置

一位时都要进行测试。若模拟输入

信号UIN小于推测信号5,则比较

器输出为零，并使该位清零；若模

时钟

拟输入信号UM大于推测信号U"

比较器输出为1,并使该位保持为

图14-6逐次逼近A/D转换器工作原理lo无论哪种情况，均应继续比较

下一位，直到最末位为止。此时，

D/A转换器的数字输入即为对应模拟输入信号的数字量。

2）VFC变换式A/D转换器

VFC转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，其输出为一个等幅脉冲串，重复频率随时

正比于输入电压瞬时值，如图14-9所示。它有良好的精度、线性度。此外，它的应用电路简单,

对外围元件性能要求不高，对环境适应能力强，转换速度不低于•般的双积分型A/D器件，且

价格较低，其转换原理见图14—10所示。

A1和RC构成一个积分器，A2是零电压比较

器，恒流源IR和模拟开关S构成积分器反充电回

路。当模拟开关S处于2位置即与运放A1输出端

接通时，积分器处于充电过程，积分器输出电压不

断下降，当积分器输出电压下降至零伏时.，A2发

生跳变触发单稳定时器，使其产生一个脉宽为tos

的脉冲，此脉冲使模拟开关S至1位置与运放A1

的反相输入端导通tos时间，对C进行反充电，使

VOLTS上升，到t°s结束时又使模拟开关S处于2

位置，C再次进入充电阶段，VOLTS下降，当V°LTS

下降至零伏又使单稳定时器产生一个t°s脉冲，如

此反复形成频率输出，波形图如14—11所示。

VFC从原理上不能反映输入电压的极性，因

而用于双极性输入时都要设置一个偏置电压，使双图14—9VFC的输入输出关系示意图

极性信号先变成单极性。例如，AD654的VFC芯

片，采用负极性接线时，其直流偏置电压为一5伏,保证了输入电压可以有±5伏峰峰值的线性

测量范围。

a、分辨率高，电路简单。图14一10电荷平衡式VFC电路结构图

b、抗干扰能力强。c、与CPU的接口简单。VFC的工作根本不需CPU控制。

d、多个CPU共享一套VFC,且接口简单。

根据电压频率变换的原理,VFC型A/D的最大测量

范围取决于两个因素，•是VFC输出的最高频偏；二是

计数器的计数间隔大小，VFC输出最高频偏越大，计数

器记数间隔越大，VFC型A/D的最大测量范围越大，其

分辨率越高。因此VFC型A/D不太适合于要求不失真

地反映输入信号中高频分量的保护装置，因为这种情况下

不允许取大的计数间隔，因而分辨率难以满足要求。但较

大的计数间隔虽可以提高转换的分辨率，却由于积分过程

带来了附加延时。所以，目前有的保护装置可以根据不同

的算法，用软件自动改变计数间隔，以兼顾速度和精度。

对微机保护来说，选择A/D转换芯片时要考虑的两

个主要指标是：A/D转换的分辨率和转换速率。图14—11电荷平衡式VFC波形图

除以上两个指标外，A/D芯片还有许多其它指标,

如线性度、温度漂移等。检验线性度和零漂的方法，这里不作详细说明。

光电耦合

VFC

1.2.2数据处理单元图14—12VFC型A/D原理接线图

如前所述，一般的单片机都有一定的内部寄存器、存贮器和输入、输出U。但当单片机用于

实现保护功能时，首先遇到的问题就是存储器的扩展。单片机内部虽然设置了一定容量的存储器,

但这种存储器一般容量较小，远远满足不了实际需要，因此需要从外部进行扩展，配置外部存储

器，包括程序存储器和数据存储器。为了满足继电保护定值设置的需求，还配置了电可擦除的可

编程只读存储器。程序常驻于只读存储器(EPROM)中。计算过程和故障数据记录所需要的临

时存储是由随机读写存储器(RAM)实现。设定值或其它重要信息则放在电可擦可编程只读存储

器(E2PROM)中。它可在单一5V电源下反复读写，无需特殊读写电路，写入成功后即使断电

也不会丢失数据。处理器通过其数据线、地址线、控制线及译码器来与存储器部件进行通讯。根

据不同保护功能的要求，一般还要扩展一些并行U等。1.2.3数字量输入/输出接口

(1)开关量输入回路

对微机保护装置的开关量输入，即接点状态(接通或断开)的输入可以分成以下两大类。

I)安装在装置面板上的接点。这类接点包括在装置调试时用的或运行中定期检查装置用的键

盘接点以及切换装置工作方式用的转换开关等。

2)从装置外部经过端子排引入装置的接点。例如需要由运行人员不打开装置外盖而在运行

中切换的各种压板、转换开关以及其他保护装置和操作继电器的接点等。

对于装在装女直瞒于琲图14—13所示。只要在初始

化时规定图中可编程嵋-当心豳廨般出硼初射藏题楠通过软件查询，随时知道图14-

13中外部接点n的状态。

对于从装置外部引入的接点，如果也按图14—13接线将给微机引入干扰，故应经光电隔离,

如图14—14所示。

(2)开关量输出回路

开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及

本地和中央信号等。-一般都采用并行接口的输

出口来控制有接点继电器(干簧或密封小中间

继电器)的方法，但为提高抗干扰能力，最好

也经过一级光电隔离如图14—15所示。

(3)打印机并行接口回路

微机通过并行接口芯片与打印机相联接。

由于继电保护对可靠性要求特别高，又由于它

的装设环境电磁干扰比较严重，所有的输入输

出线均经光电隔离。图14—15装置开关量输出回路接线图

（4）人机对话接口回路

人机对话接口回路主要包括以下两部分内容：1）由可编程键盘/显示控制器实现对数码显

示管和键盘的控制或由专门控制电路实现对液晶显示器和面板键盘的控制，为调试、整定与运行

提供简易的人机对话功能。2）由硬件时钟芯片提供日历与计时，可实现从毫秒到月份的自动计

时。

1.2.4通讯接口

在微型计算机系统中，CPU与外部的基本通讯方式有两种：

并行通讯一一数据各位同时传送；

串行通信一一数据一位一位顺序传送。

前面涉及的数据传由遹龊采用并行方式，如主机与存储器，1用作黑傕IJ机之间的通讯。从图14

一16可以看到，在并行通讯中，数据有多少位就需要多少条传送线；而串行通讯只需要一对传送

线，故串行通讯能节省传送线，特别是当数据位数很多和远距离数据传送时，这优点更加突出，

串行通讯的主要缺点是传送速度比并行通讯要慢。

1.3微机保护软件构成

微机保护软件一般可分为三个部分，a）主程序。包括初始化，循环自检等；b）中断服务程

序。有采样中断、串行口中断等.前者包括A/D转换、数据处理、起动判定等，后者为通讯、

数据传送、监控等；c）故障处理程序。在保护起动后才投入，用以进行保护特性计算、判定故

障性质等。

（1）主程序

主程序框图见图14-19

给装置上电或按复归按钮后，进入图14—19上方的程序入口，在进行必要的初始化，如堆

栈寄存器赋值，控制U的初始化，查询面板上开关的位置，如在调试位置进入监控程序，否则进

入运行状态。此时，CPU开始运行状态所需的各种准备工作。首先是往并行控制口写数，让所有

继电器处于正常位置，然后，询问面板上定值切换开关的位置，按照定值套号从E2PROM中取

出定值，放在规定的定值RAM区。准备好定值后，CPU将装置各部分进行全面自检，在确证•

切良好后，才允许数据采集系统开始工作。全面自检包括有：RAM区读写检查，EPROM中程序

和E2PROM中定值求和检查，开出量回路检查等。通用自检包括有：定值选择拔轮的监视和开入

量的监视等。

（2）采样中断服务程序

采样中断服务程序示于图14-20,这部分程序主要有以下几个内容：

1）采样及存贮；2）对相电流突变量启动元件；3）电压、电流求和自检

微机保护通常采用电流突变量起动元件。因为循环寄存区有一定的存储和记忆容量，可以方

便地取得电流的突变量，

△小=卜一正飞(14-1)

式中ik---电流在某一时刻k的采样值；

N-----个工频周期内的采样点数，在Ts=1ms时，N=20；

k-N---比设早20ms的采样值;

AiK一一k时刻电流的突变量。

电压求和自检不通过

门槛7V--------------

k-2Nk-N

从图14—21可以图14—21突变量起动元件原理示意图看出，当系统在

正常运行忖，负荷电流是稳定的，或

者说负荷虽时时有变化但不会在一个工频周期这样短的时间内突然变化很大，因此这时正和iK-

N应当接近相等。如果在某一时刻发生短路，故障相电流突然增大如图14-21中虚线所示，则

在k点以后将有突变量电流。按式（14—1）计算得到的&K实质是用叠加原理分析短路电流时的

事故分量电流，负荷分量在式（14-1）中被减去了。显然从式（14—1）取得的突变量仅在短路

发生后的第一个周期内存在。式（14一1）的突变量计算法存在的一个问题是电网频率偏离50HZ

时会产生一定的不平衡电流，因为k和次-N的采样时刻差20ms,这决定于微机的定时器，它是

由石英晶体振荡器控制的，卜分精确和稳定。电网频率变化后，次和IN对应电流波形的电角度

将不再同相，而有一个差值△。特别是当k落在电流过零附近时，由于电流变化较快，不大的A8

引起的不平衡电流较大。在线路满载时可能使起动元件误动作。为了补偿电网频率变化引起的不

平衡电流，本装置采用的方法是按式（14-2）取得突变量电流：

△/=I1K—>K-NI-I1K-N-1K-2NI(14-2)

起动元件入口

B相（同A相）

如果由于频率偏离，造成证和iK-N之间有一个相角差则i"N和iK-2N之间的角差也应

当相同，因而式（14—2）右侧两项可以得到部分抵消。特别是当k落在电流过零附近时，这两

项各自都可能较大，但由于△。很小时.，sinAQ^AO,所以这两项将几乎完全抵消。应当指出，用

式（14-2）不仅可以补偿频率偏离产生的不平衡电流，还可以减弱由于系统静稳破坏而引起的

不平衡电流，使只有在振荡周期很小时才会误动作，这就保证了静稳破坏检测元件能可靠地抢先

动作。

该装置起动元件的实际程序流程图示于图14—22。注意它是安排在中断服务程序中的，因此

是每一毫秒执行一次（若每周采样20点）。图14-22中Aia（k）为按式（14—2）计算得到的当

前一次采样值（k）的A相电流突变量。kA则为RAM区某一字节，用作计数标志，它在初始化

和整组复归时被清零。图中只详细画出了A相部分,B相和C相的流程和A相一样。三者构成“或”

的关系。由图可见，为了提高抗干扰能力。起动元件在任一相电流累计有三次超过门槛值的突变

量时才起动。显然，这种相电流突变量起动元件也可以可靠地反映三相同时的对称短路。

（3）故障处理程序

进入故障处理程序后，先查电压和电流求和自检标志，以确定采样中断服务程序中是求和自

检出错，还是相电流突变量起动元件而来，是出错则闭锁保护并报警，是起动元件动作则进行故

障判定以确定保护是否动作。故障处理程序简图如图14-23所示。因不同保护原理故障处理程

序将不相同，所以，这里未加详述。故障处理完后，延时整组复归回到主程序以准备下一次故障

的到来。

对于来自外部的干扰信号，主要是采取防止干扰进入保护装置的措施，而对于装置内部产生

的干扰信号，主要是采取减少竭再龈的^赧障处理程序入口（简图）

近年来，在微机保护装置的硬件设计方面，为提高装置的可靠性，在芯片选择、印刷电路板

制作、焊接组装、总线形式、屏柜结构等方面采取了许多提高可靠性的措施。就硬件抗干扰措施

来说，可主要归纳为隔离、屏蔽和接地三项措施。

1.4.1微机保护屏采取的抗干扰措施

《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》中，有关微机保护屏抗干扰措施主要

的有以下几点要求：（D保护屏必须有接地端子，并用截面不小于4mm2的多股铜导线与接地网

直接连通，微机保护屏间应用截面不小于100mm2的专用接地铜排首尾相连，然后在接地网的一

点经铜排与控制室的接地网相连。（2）引到微机保护装置的交流和直流电缆线，应先经过抗干扰

电容，然后再进入保护屏内。抗干扰电容的一端直接与电缆引入端连接，另一端并接后与保护屏

接地端子可靠连接。(3)引入微机保护装置的电流、电压和信号角点线，应采用屏蔽电缆，屏

蔽层在开关场与控制室同时接地。(4)经控制室令相小母线(N600)连通的儿组电压互感器二次回

路，只应在控制室将N600•点接地，各电压互感器二次侧中性点在开关场的接地点应断开。为

保证可靠接地，电压互感器的中性点不允许接有可能断开的断路器或接触器。

1.4.1.1接地处理

在微机保护装置中有多种地线。一般在微机保护装置中有下列几种地线：

(1)数字地。也称逻辑地线。这是指微机系统工作电源的地线，在模数转换芯片中该引脚以DGND

表示。例如微机系统工作在5V电源下。5V电源的地即为数字地。

(2)模拟地。这是指微机保护装置的数据采集系统中模拟信号的公共端。在实现模数转换的芯片

上该引脚以AGNG表示。模拟地和数字地应在一点以可能最短的连接可靠连接。(3)屏

蔽地。是将保护装置外壳以及电流、电压变换器的屏蔽层接地，以防止外部电磁场干扰以及输入

回路串入的干扰。

(4)电源地。微机保护装置中一般有多级直流电压，分别供不同的电路。一般有5V电源，供微

机系统使用；±15V(或±12V)电源，供数据采集系统使用；第一组24V电源，供微机保护装置中

的开关量输出驱动的各类继电器使用；第二组24V电源，供外部开关量输入使用。这些电源均采

用不共地的方式o数据采集系统的电源地应和模拟地连在一起。

(5)机壳地。在微机保护装置的机箱上设有一个接地端子。屏蔽地应与这个端子连接，最近通过

这个端子与保护屏上的接地端连接，最终与变电站的接地网相连。

此外，信号地是指通过把装置中的两点或多点接地点用低阻抗的导体连在一起，为内部微机

电路提供一个电位基准。功率地是将微机保护电源回路串入的以及低通滤波器回路耦合进的各种

干扰信号滤除。微机保护装置通常是由多个插件组成，各插件板应遵循一点接地的原则。由于芯

片集成度的提高和功能的加强，在每个插件上又可能包括多种功能模块。例如，在一个保护功能

插件上包括了单片机系统、数据采集系统、开关量输入系统和开关量输出系统。各个系统采用的

电压又不同。在电源线和地线的布置上可采用的方案有：采用多层板技术，将电源、地线布置在

不同印制板层；当同一印制电路板上有多个不同功能模块时，可将同•功能模块的元件集中在一

起一点接地；电源线、地线走向应与信号线走向一致，有助于增强抗噪声的能力。

电源线和地线的宽度应使它能通过三倍于印制板上的电流。地线宽度应不小于3nun,地线宽

度的增加，可降低地线电阻，减小地线压降产生的噪声干扰。在可能的条件下，地线应布置成环

状或网状。

为了有效地抑制共模干扰，装置内部的零电位应全部悬浮，即不与机壳连接。并且尽量提高

零电位与机壳之间的绝缘强度和减少分布电容。为此，可将印制板周围都用零线或5V线封闭起

来，以减少板上电路元件与机壳之间的耦合。

1.4.1.2屏蔽措施

隔离和屏蔽技术是防止外部电磁干扰进入装置内部的有效措施。屏蔽是指用屏蔽体把通过空

间电场、磁场耦合的干扰部分隔离开，割断其空间传播的途径，即阻隔来自空间电磁场的辐射干

扰。良好的屏蔽和接地紧密相连，可大大降低噪声耦合，取得较好的抗干扰效果.根据干扰的耦

合通道性质，屏蔽可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。

在微机保护装置中采用的屏蔽措施有：

(1)保护小间屏蔽。微机保护的出现使保护放置于开关场成为可能。为减少开关场的强电磁场对

微机保护装置的干扰，可将微机保护装置安装在保护小间内。这个保护小间构成了一个屏蔽体。

有两种方案，一种是全密封式，一种是网孔式，为加强屏蔽效果，可采用双层屏蔽措施。

(2)保护柜屏蔽。将保护装置安装于密封的保护柜内，保护柜安装于开关场。为保证保护装置正

常工作，柜内设有温度调节系统。此时，保护柜起到了屏蔽作用。

(3)机箱屏蔽。连成一体的保护机箱可起到一定屏蔽作用。

(4)模拟变换器的原副边设有屏蔽层。

(5)印制板内的布线屏蔽。

1.4.1.3隔离措施

隔离实质是一种切断电磁干扰传播途径的抗干扰措施，在电路上把干扰源与受干扰的部分从电

气上完全隔开。通常将保护装置中与外界相连的导线、电源线等经过隔离后再连入装置，这种方

法能有效抑制共模干扰。

在微机保护装置中，采用的隔离措施主要有：

(1)光电隔离。光电隔离主要是采用了光电耦合器件。采用光电隔离器件后，输入、输出电路

完全没有电的联系。因此，输入电路与输出电路可采用完全不同的工作电压。在微机保护中采用

光电隔离的电路主要有：VFC式数据采集系统的光电隔离，开关量输入电路的光电隔离，开关量

输出电路的光电隔离，驱动打印机电路的光电隔离等。

(2)变压器隔离。

(3)继电器隔离。继电器的线圈与接点之间没有电气的联系，因此继电器线圈、接点之间是相互

隔离的。这也是微机保护装置的最终跳闸出口仍然采用有触点的继电器的原因。在微机保护装置

的硬件设计上，对驱动跳闸的开关量输出非常重视，为保证其可靠性，通常加有告警继电器或总

闭锁继电器的触点控制，实际上就是继电器隔离措施。

1.4.1.4滤波与退耦

抑制差模干扰的主要措施是采用滤波和退耦电路。在数据采集系统中，电压、电流变换器的

二次信号通常要经过模拟低通滤波器和运算放大器后才进入采样/保持电路。模拟低通滤波器采

用一阶或两阶RC低通滤波器。低通滤波器的设置除了要满足采样定理的要求外，它还兼有抗菌

素干扰的作用。另外，为防止直流系统引入的干扰，通常在直流电源的入口接有滤波元件。由于

微机保护装置工作于高频率的数字信号环境下，信号电平的转换过程中会产生很大的尖峰冲击电

流，并在传输线和电源内阻上产生较大的压降，形成严重的干扰。为抑制这种干扰，一种方法是

在布线上采取措施，尽量使杂散电容降到最小。另一种方法是设法降低电源内阻。但常用的方法

是在每个集成电路芯片的电源线与地线之间接入去耦电容。去耦电容一方面提供和吸收该集成电

路开关瞬间的充放电能量，另一方面旁路掉该元件的高频噪声。对微机保护装置，其值一般在

0.1〜0.01范围内均可。止匕外，还应在每个插件的供电电源入口接入两个抗干扰电容。容量较大

的电容主要是抗低频干扰，而容量小的电容主要是抗高频干扰。

1.4.1.5硬件设计采用容错设计

目前，在微机保护中的容错设计主要是硬件结构的冗余设计。主要有以下几个方面。

(1)完全双重化的保护配置方案。在220kV及以上的高压、超高压输电线路上，配置两套完全独

立的微机保护装置，要求主保护的原理不同，以相互补充。两套保护的出口应分别作用于高压断

路器的不同跳闸线圈。对500kV变压器，大容量发电机一变压器组也提出了主保护双重化的配置

方案。

(2)在微机保护装置内部实现部分插件的双重化或热备用。在有些厂家的保护装置中，输电线路

的保护装置配置了两块VFC插件(大多数为一块VFC插件)，有些配置了两个逆变稳压电源。

(3)部分元件采用了三取二表决方案。在WXB-11系列微机保护装置中，为防止突变量启动元件

故障造成误动，采用了三取二表决法。即当高频保护、距离保护、零序保护三种保护的启动元件

中，至少有两种保护的启动元件动作，才将出口跳闸回路的负电源开放。

1.4.1.6出口跳闸回路的多重闭锁措施

在保护装置的跳闸出口回路设计的闭锁措施有：

(1)采用双线驱动命令编码方式。

(2)出口电源受告警继电器和启动元件三选二闭锁。

(3)5V驱动电路与24V驱动电路之间的光电隔离措施。

1.4.2自动检测技术

1.4.2.1读写存储器RAM自检

可对装置RAM区的每一个地址，可以循环地进行自动检测。通过对该RAM地址写入全“0”即00H

和全“1”即FFH检测其是否良好。应当注意对于某些存放重要标志字的RAM地址的检测不允许

被中断，必须在最高优先权级的中断服务程序中进行。

1.4.2.2只读存储器EPROM(EEPROM)自检

为了检测固化中的数码(程序的指令)是否改变，一种最简单的也是常用的方法是累加求和自检。

即将EPROM中存放的全部数码字节(或双字节)累加，舍去累加过程中溢出的部分，保留累加结

果的一个字节(或双字节)的和数同预先存放在EPROM中某地址的已知的和数进行比较，以判断

固化的内容是否改变。

1.4.2.3芯片的检测

是电擦除、电改写的只读存储器芯片，用于存放微机保护的定值。对其检查的方法与对EPROM

的求和尾数校验法相同。

1.4.2.4开关量输入通道自检

对开关量输入通道的检测主要是指对各光电耦合器件及传送开关量的并行接口的检测。首先在保

护整定好后的各开入量状态（0或1）构成一个“字节”或“字”，作为正确的开入量状态字存

入RAM中。在自检时，扫描开入量各位，得到当前的开入量状态字，与RAM中的已存储的正确状

态校对，如果不一致，表示开入量受干扰或人员误碰发生了改变，应该报警。

1.4.2.5开关量输出回路自检

自检的原理利用了继电器K的吸和时间远大于电子电路的反应时间这一特点。对开关量输出回路

进行自检时可以用软件通过并行接口传送-一个继电器动作命令，使光耦合器件G1的光敏三极管

导通，然后CPU通过并行接口2监视光耦合器件G2是否导通，如果此开关量输出通道正常，G2

应很快导通，CPU检测到G2导通后立即撤回从并行口1送出的驱动命令。由于这一过程极短，仅

几个微妙，继电器K不会吸合。如果此开关量输出通道有元件损

1.4.2.6其他软件抗干扰措施

1）设置上电标志

微机保护装置中的单片机均设有RESET弓|脚，即复位引脚。当装置上电时，通过复位电路在

该引脚上产生规定的复位信号后，装置进入复位状态，软件从中断相量地址单元取指令，程序开

始运行。进入复位状态的方式除上面提到的上电复位还有软件复位（执行复位指令）和手动复位。

手动复位是指装置已经上

坏，则CPU经过预定的时间收不到G2导通的信号，也应立即撤回驱动命令并发出警报。

电，操作人员按下装置的复位按键进入复位状态的情况。我们把上电复位称为“冷启动”，把手

动复位称为“热启动”。冷启动时需进行全面初始化；而热启动则不需要全面初始化，只需部分

初始化。为区别两种情况，可设置上电标志。

2）指令冗余技术

在单字节指令和三字节指令的后面插入两条空操作（N0P）指令。可保证其后的指令不被拆散。

由于干扰造成程序“出格”时，可能使取指令的第一个数据变为操作数，而不是指令代码。由于

空操作指令的存在，避免了把操作数当作指令执行，从而可使程序正确运行。对重要的指令重复

执行。例如影响程序执行顺序的指令,如RET、RETI、LJMP等指令。

3）软件陷阱技术

软件陷阱就是用引导指令强行使“飞掉”的程序进入复位地址，使程序能从开始执行。例如

在EPROM的非程序区设置软件陷阱。在EPROM的空白区为FFH,对于8031单片机，这是一条数据

传送指令：MOVR7,A。因此，若程序“飞掉”进入非程序区将执行这•指令，改变R7的内容，

甚至造成“死机”。设置软件陷阱可防止这种情况。对于MCS-96系列的单片机，FFH是一条软件

复位指令：RST。该指令刚好使程序从2080H的地址开始执行

单片机一般可响应多个中断请求。但用户往往只使用了少部分的中断源。在未使用的中断相量地

址单元设置软件陷阱，使系统复位.一旦干扰使未设置的中断得到响应，可执行软件复位或利用

单片机的软件“看门狗”使系统复位。

4）软件“看门狗”技术

在有些多单片机内部设有监视定时器。监视定时器的作用就是当干扰造成程序“出格”

时使系统恢复正常运行。监视定时器按一定频率进行计数，当其溢出时产生中断，在中断中可安

排软件复位命令，使程序恢复正常运行。在编制软件时，可在程序的主要部位安排对监视定时器

的清零指令，且应保证程序正常运行时监视定时器不会溢出。一旦程序“出格”，必然不会按正

常的顺序执行，当然，也无法使监视定时器清零。这样，经一短延时，监视定时器溢出，产生中

断，使程序从开始执行。

5）密码和逻辑顺序校验

对微机保护装置来说，出口跳闸回路无疑是最重要的部分。因此在硬件和软件的设计中

都十分重视其可靠性。除了在硬件上对跳闸出口电路设计了多重闭锁措施外，在软件上也设计了

增加其可靠性的许多措施。主要是：

跳闸出口命令采用编码逻辑，而不是简单的清零或置1。在故障处理的各个逻辑

1.5微机继电保护装置的管理制度

1.5.1运行管理制度

1.5.1.1电气检修人员应定期核对微机继电保护装置的各相交流电流、各相交流电压、零序电流

（电压）、差电流、外部开关量变位和时钟，并做好记录，核对周期不应超过一个月。

1.5.1.2微机继电保护装置在运行中需要切换已固化好的成套定值时，由检修人员按规定的方法

改变定值，此时可不停用微机继电保护装置，但应立即显示（打印）新定值，并与主管调度核对

定值单。

L5.1.3微机继电保护装置动作后，运行人员应按要求作好记录和复归信号，将动作情况和测距

结果立即向调度和公司值班人员汇报，并打印故障报告。未打印出故障报告之前，现场人员不得

自行检查装置。

1.5.1.4微机继电保护装置出现异常时，当值运行人员应根据该装置的现场运行规程进行处理，

并立即向主管调度汇报，及时通知相关人员。

1.5.1.5在下列情况下应停用整套微机继电保护装置：

a）微机继电保护装置使用的交流电压、交流电流、开关量输入、开关量输出回路作业；

b）装置内部作业；

c）继电保护人员输入定值影响装置运行时。

1.5.1.6微机线路保护装置如需停用直流电源，应在两侧线路差动保护停用后，才允许停直流电

源。

1.5.1.7时钟

a）微机继电保护装置和电厂综合自动化系统应经GPS对时，如果条件允许同一发电厂的微机继

电保护装置和电厂综合自动化系统应采用同一时钟源。

c）运行中的微机继电保护装置和综合自动化系统电源恢复后，若不能保证时钟准确，运行人员

应联系检修人员。

151.8微机继电保护装置插件出现异常时，继电保护人员应用备用插件更换异常插件，更换备用

插件后应对整套保护装置进行必要的检验。

151.9对于微机继电保护装置投入运行后发生的第一次区内、外故障，继电保护人员应通过分析

微机继电保护装置的实际测量值来确认交流电压、交流电流回路和相关动作逻辑是否正常。既要

分析相位，也要分析幅值。

151.10继电保护复用通信通道。

工作人员在通道设备上工作影响继电保护装置的正常运行，作业前工作人员应填写工作票，

经调度和相关领导批准后，工作人员方可进行工作。

电气检修班应定期对与微机继电保护装置正常运行密切相关的光电转换接口、接插部件、

PCM（或2M）板、光端机、通信电源的通信设备的运行状况进行检查，可结合微机继电保护装

置的定期检验同时进行，确保微机继电保护装置通信通道正常。光纤通道要有监视运行通道的手

段，并能判定出现的异常是由保护还是由通信设备引起。

1.5.2技术管理

1.5.2.1微机继电保护装置投运时，应具备如下的技术文件：

a）竣工原理图、安装图、设计说明、电缆清册等设计资料；

b）制造厂商提供的装置说明书、保护柜（屏）电原理图、装置电原理图、故障检测手册、合格

证明和出厂试验报告等技术文件；

c）新安装检验报告和验收报告；

d）微机继电保护装置定值通知单；

e）制造厂商提供的软件逻辑框图和有效软件版本说明；

f）微机继电保护装置的专用检验规程或制造厂商保护装置调试大纲。

1.522运行资料（如微机继电保护装置的缺陷记录、装置动作及异常时的打印报告、检验报告、

软件版本和6.2所列的技术文件等）应由专人管理，并保持齐全、准确。

152.3运行中的装置作改进时，应有书面改进方案，按管辖范围经继电保护主管部门批准后方允

许进行。改进后应做相应的试验，及时修改图样资料并做好记录。

1.5.2.4各微机继电保护装置应统一规定检验报告的格式。

1.525公司应对我厂的各类（型）微机继电保护装置的动作情况进行统计分析，并对装置本身进

行评价。对不正确的动作应分析原因，提出改进对策，并及时报主管部门。

1.5.2.6微机继电保护装置的软件管理。

1对各种保护软件版本的统一管理，建立微机继电保护装置档案，记录各装置的软件版本、校

验码和程序形成时间。

2运行或即将投入运行的微机继电保护装置的内部逻辑不得随意更改。确有必要对保护装置

软件升级时，应由微机继电保护装置厂家向相应市电力公司继电保护科提供保护软件升级说明，

经相应继电保护运行管理部门同意后方可更改。改动后应进行相应的现场检验

3.凡涉及微机继电保护功能的软件升级，应通过市局继电保护科认可的动模和静模试验后方

可投入运行。

4.投入运行的微机继电保护装置应设有专责维护人员，建立完善的岗位责任制。

5备用插件的管理。

运行维护单位应储备必要的备用插件，备用插件宜与微机继电保护装置同时采购。备用插件

应视同运行设备，保证其可用性。储存有集成电路芯片的备用插件，应有防止静电措

每年12月底，我公司应向上级单位报备用插件的清单，并向有关部门提出下一年备用插件

需求计划。

1.527检验管理

1微机继电保护装置检验时，应认真执行DL/T995及有关微机继电保护装置检验规程、反

事故措施和现场工作保安规定。

2对微机继电保护装置进行计划性检验前，应编制继电保护标准化作业书，检验期间认真

执行继电保护标准化作业书，不应为赶工期减少检验项目和简化安全措施。

3进行微机继电保护装置的检验时，应充分利用其自检功能，主要检验自检功能无法检测

的项目。

4新安装、全部和部分检验的重点应放在微机继电保护装置的外部接线和二次回路。

5微机继电保护装置检验工作宜与被保护的•次设备检修同时进行。

6对运行中的微机继电保护装置外部回路接线或内部逻辑进行改动工作后，应做相应的试

验，确认接线及逻辑回路正确后，才能投入运行。

7根据系统各母线处最大、最小阻抗，核对微机继电保护装置的线性度能否满足系统的要

求。

8逆变电源的检查按照DL/T995的规定执行。

9微机继电保护装置检验应做好记录，检验完毕后应向运行人员交待有关事项，及时。

10检验所用仪器、仪表应由检验人员专人管理，特别应注意防潮、防振。仪器、仪表应保

证误差在规定范围内。使用前应熟悉其性能和操作方法，使用高级精密仪器一般应有人监护。

152.8定值管理

技术部门应根据DL/T584的规定制定本电网使用的3kV-110kV微机继电保护装置整定计

算原则。

对定值通知单规定如下：

现场微机继电保护装置定值的变更，应按定值通知单的要求执行，并依照规定日期完成。如

根据一次系统运行方式的变化，需要变更运行中保护装置的整定值时，应在定值通知单上说明。

1.对定值通知单的控制字宜给出具体数值。为了便于运行管理，每种微机继电保护装置中

每个控制字的选择应尽量统一，不宜太多。

2.定值通知单应有计算人、审核人签字并加盖“继电保护专用章”方能有效。定值通知单应

按年度编号，注明签发日期、限定执行日期和作废的定值通知单号等，在无效的定值通知单上加盖

“作废”章。

3.定值通知单宜一式四份，其中下发定值通知单的继电保护部门自存1份、调度1份、运

行单位2份（现场及继电保护专业各1份）。新安装保护装置投入运行后，施工单位应将定值通

知单移交给运行单位。运行单位接到定值通知单后，应在限定日期内执行完毕，并在继电保护记

事簿上写出书面交待，将“定值单回执”寄回发定值通知单单位。

4.定值变更后，由现场运行人员与上级调度人员按调度运行规程的相关规定核对无误后方

可投入运行。调度人员和现场运行人员应在各自的定值通知单上签字和注明执行时间。

5.UOkv系统微机继电保护装置整定计算所需的电力主设备及线路的参数，应使用实测参数

值。

1.5.3微机继电保护装置的运行一般规定和原则

1.5.3.1电气运行人员要熟悉和掌握：

1）继电保护的动作原理及配置情况。

2）继电保护保险、压板、控制开关等作用及操作方法。

3）根据继电保护动作情况能正确判断异常原因。

4）根据继电保护进行异常情况的分析和处理。

5.集控室应配备以下资料，并有专人管理：

1）继电保护及自动装置运行规程。

2）继电保护整定值管理制度及整定值变更记录。

3）继电保护图纸。

4）继电保护工作记录簿、继电保护动作记录簿。

1.5.3.2电气主值对继电保护装置的一般职责：

1）批准和监督所管辖设备范围内的保护装置正确使用和运行，并将有关情况详细记录。

2）根据继电保护整定值监视设备不超过最大允许负荷电流。

3）切实掌握保护装置整定值，并督促继保人员执行。

4）掌握运行的保护装置所存在缺陷及不正常情况。作好预防措施，并督促消除缺陷。

5）当改变运行方式时:应考虑保护装置的变更，遇到特殊运行方式应取得继电保护专业人员同

意。

6）进行电气操作时应包括继电保护及自动装置的有关操作。

1.5.3.3通常情况下，电气设备不允许无保护运行，保护装置故障情况下，可申请将故障部分退

出运行（情况严重者，可先退出后申请），并通知继电保护人员处理。

1.5.3.4继电保护和自动装置的投退必须经有关部门批准，主系统继电保护装置（11OKV母线和线

路保护及主变零序保护）须经市调批准；发-变组、厂用系统的继电保护及自动装置应经总工程师

和当值值长批准。

1.5.3.5继电保护投入运行前，值班人员应检查下列各项：

1）应有继电保护人员“可以投入运行”的书面通知。

2）各继电器元件，压板及试验部件应在正常位置，整定值应与整定通知单或调度命令相符。

3）应用万用表电压档测量跳闸回路中的电压正确后，再投入压板。

1.5.3.6值班人员一般只进行投入、切除装置功能压板和控制电源的操作。在处理事故或异常情

况时，如果明确判断为继电保护或自动装置的异常引起误动时，可退出跳闸压板解除该装置。并

尽快与有关人员取得联系和做好记录。退出装置时应先切除跳闸出U压板，然后切除装置电源。

继电保护和自动装置的定值（市调定值和我厂定值）记录应与实际相符。主要保护按规定定

期进行核对与试验。集控室内应保存一套完整、正确的继电保护原理图，并有完整的定值记录单。

继电保护装置和自动装置的定值变更，应根据有关部门的通知书或电话命令进行调整和更改

（110KV母线和线路保护及主变、高厂变零序保护属市调管，其余属本厂管），其调整和更改均由

继电保护人员执行。运行人员应会同变更保护定值的工作负责人一起核对无误后方能投入保护，

属后调下达的定值，由值班人员与市调值班调度员核对无误后，方能投入保护，并将保护定值变

更情况详细记入继电保护记录簿内。

1.5.3.7运行中改变定值应按下列顺序进行：

1）核对调度命令或整定通知单上的原定值与实际定值是否相符。

2）断开压板，应在监护下进行调整并复查。

3）定值改变后记入定值记录簿。

4）测量压板两端电压正确。

1.5.3.8对于故障时反应数值上升的保护若定值是由小改大，可在运行方式改变前进行调整，若

定值由大改小，则应在运行方式改变后方可进行调整。

对于在故障时反应数值下降的保护（如低电压、距离保护等），则与上述相反。

1.5.3.9改变继电保护和自动装置的接线回路，必须根据有关领导批准的图纸进行。工作结束后

继保人员必须将设备异动报告及改动原因、内容，详细记录在“设备异动”簿内。

电压互感器二次回路拆装后，必须进行同期核相无误后，方能将保护、自动装置投入运行。

电流互感器二次回路拆装后，必须核对电流回路的相位正确，方能将带有方向性的的保护、

自动装置投入运行。

在运行设备的互感器二次回路上工作或调整定值时，必须充分考虑防止电流互感器二次回路

开路和电压互感器二次回路短路、接地而引起断流、失压导致保护误动作的安全措施。

断开电压互感器电源时，应先解除该电压互感器所接的保护（如如距离保护、低电压保护、

低电压闭锁（或复合电压过流保护），逆功率、失磁、距离、定子接地、AVR装置等，当PT故障停

用或在其电压回路上工作（包括处理PT保险熔断）时，必须退出该保护装置。等）及有关自动装

置，或采取相应的措施，然后断开电压互感器的电源。

1.5.3.10当继电器保护装置动作后，值班人员必须及时作好记录，严禁事后凭记忆记录。若保护

发生误动作，应尽可能保持原有状态，并通知有关人员进行处理。对于重要保护信号，应经值长

确认后方可复归。

1.5.3.11主变、高厂变需要在运行中加油、滤油等，应将重瓦斯改投信号，经24小时运行鉴定

无气体时，再恢复其跳闸位置。

1.5.3.12继电保护屏前后，必须有正确的设备名称，继电器、压板均应有正确的标志，投停前均

应该核对设备正确无误。

1.5.3.13保护装置或二次回路的检查、试验应配合一次设备停电进行，但天气较好时，且保证有

一套主保护不退出运行的情况下，允许其它保护装置短时停用。

1.5.3.14为防止运行设备的保护误动作，不允许在运行的继电保护柜上或附近进行打眼等振动较

大的工作，必要时采取措施或停用部分保护。

1.5.3.15保护动作使开关跳闸后，若需强送应先复归信号。

1.5.3.16设备检修时，值班人员应负责审查工作票上继电保护的安全措施是否恰当、完善。

1.5.3.17继电保护装置检验后，值班人员应认真查看设备变动和试验记录。

1.5.3.18值班人员应定期清扫继电保护盘面。清扫时应设法防止震动，以免引起误动。并禁止用

水和湿布洗刷继电保护盘上的设备。

运行人员在清扫保护室地面时，注意不要碰撞保护柜、继电器，运行人员不得清扫继电器、

保护柜的接线端子排。

1.5.3.19值班人员每班至少对继电保护装置进行一次巡视检查，检查微机型继电保护及自动装置

各信号指示正确，压板位置正确，无其它异常现象。

1.5.3.20值班人员应定期检查事故音响等信号装置动作情况，直流对地绝缘，直流电压是否正常

等。

1.5.3.21在巡视时需要检查开关和保护用端子箱是否关闭严密，不漏雨，电缆是否有明显损伤。

运行中的设备因需要停用两种以上保护之一进行维修检查时，在不影响其它保护或装置情况

下，可停用其中之一，但不得停用该设备的主保护；只有单一保护者，不得停用。

1.5.3.22保护或装置在调试维修后，在终结工作票前运行人员应要求检修人员交代以下情况，并

做好详细记录：

1)、工作内容和试验性质与实际是否相符；

2)、整定值与接线变更情况；

3)、发现的问题及处理的情况；

4)、调节试验及带负荷检查情况；

5)、对保护或装置的使用要求及意见；

6)、保护或装置是否能投运的结论以及投入的注意事项。

7)、在保护或装置调试维修后，运行人员应做好如下检查验收：

(1)、检查工作现场是否整洁，是否存留物件等；

(2)、检查工作中连续的临时引线是否已全部拆除；

(3)、检查拆动的连续线是否已恢复正常；

(4)、检查标志是否齐全，是否清晰；

(5)、切换过的压板是否已恢复；

(6)、与运行人员交代的情况是否完整、清楚并做好记录；

(7)、在投入运行时有可能不清楚的方面，应询问清楚做好记录。

1.5.3.23新安装和改造后的保护投入运行前需具备下列条件：

5.2.17.1集控室需要有继电保护原理图或展开图，整定值和有关注意事项。

5.2.17.2值班人员必须了解其动作原理及操作方法等。

1.5.3.24值班人员应监视直流电压的波动，正常时，应保持在225V-235V之间。

1.5.3.25集控室应具有继电保护整定的最大允许负荷表，值班人员应监视负荷不得超过允许值，

在异常运行方式时，更要认真监视，以免造成过负荷跳闸。

1.5.3.26发生直流接地后，值班人员应尽快找出接地支路，及时通知有关人员进行处理。在直流

回路上与消除直流接地无关的工作应停止。

1.5.3..27保护投、停的操作步骤和方法：

1.投入前必须对其回路进行详细检查

(1)该回路已无工作，工作票已结束，并交待可以投运、更改项目、存在的问题及对保护的影

响。

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