微机继电保护发展的现状及趋势

微机继电爱护发展的历史、现状及趋势

成都瑞科电气有限公司工程部吴俊辉

继电爱护技术的发展是伴随着电力系统、电子技术、计算机技术、

通信技术的发展而发展的。当今电力系统的飞速发展对继电爱护不断

提出新的要求，电子技术、计算机技术及通信技术的匕速发展乂为继

电爱护技术的发展不断地注入了新的活力，电力系统继电爱护经过长

期发展，已经进入微机继电爱护发展时期。

一、微机继电爱护的特点

探讨和实践证明，及传统的继电爱护相比较，微机爱护有很多优点,

其主要特点如下：

1.改善和提高继电爱护的动作特征和性能，动作正确率高。主要表

现在能得到常规爱护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现

故障重量爱护；可引进自动限制、新的数学理论和技术，如自适应、

状态预料、模糊限制及人工神经网络等，其运行高正确率也已在实践

中得到证明。

2.可以便利地扩充其他协助功能。如故障录波、波形分析等，可以

便利地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。

3.工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造简洁统一标准；

装置体积小，削减了盘位数量；功耗低。

4.牢靠性简洁提高。体现在数字元件的特性不易受温度变更、电源

波动、运用年限、元件更换的影响；且自检和巡检实力强，可用软件

方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。

5.运用敏捷便利，人机界面越来越友好。其维护调试也更便利，从

而缩短修理时间；同时依据运行阅历，在现场可通过软件方法变更特

性、结构。

6.可以进行远方监控。微机爱护装置具有串行通信功能，及变电所

微机监控系统的通信联络使微机爱护具有远方监控特性。

二、微机继电爱护的发展史

电力系统继电爱护的发展经验了机电型、整流型、晶体管型和集

成电路型几个阶段后，现在发展到了微机爱护阶段。

微机继电爱护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构

成的继电爱护。它起源于20世纪60年头中后期，60年头中期，有

人提出用小型计算机实现继电爱护的设想，但是由于当时计算机的

价格昂贵，同时也无法满意高速继电爱护的技术要求，因此没有在爱

护方面取得实际应用，但由此起先了对计算机继电爱护理论计算方

法和程序结构的大量探讨，为后来的继电爱护发展奠定了理论基础。

计算机技术在70年头初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路

技术的飞速发展，使得微型处理器和微型计算机进入了好用阶段。价

格的大幅度下降，牢靠性、运算速度的大幅度提高，促使计算机继电

爱护的探讨出现了高潮。在70年头后期，出现了比较完善的微机爱

护样机，并投入到电力系统中试运行。80年头，微机爱护在硬件结

构和软件技术方面日趋成熟，并已在一些国家推广应用。90年头，电

力系统继电爱护技术发展到了微机爱护时代，它是继电爱护技术发

展历史过程中的第四代。随着计算机硬件的迅猛发展，微机爱护硬件

也在不断发展。从8位单CPU结构的微机爱护问世,不到5年时间就

发展到多CPU结构，又发展到总线不出模块的大模块结构，性能大

大提高，得到了广泛应用，后又发展到以工控机核心部分为基础的

32位微机爱护。采纳32位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受

A/D转换器辨别率的限制，超过16位时在转换速度和成本方面都是

难以接受的；更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度，很高的

工作频率和计算速度，很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的

输入输出口。CPU的寄存器、数据总线、地址总线都是32位的，具

有存储器管理功能、存储器爱护功能和任务转换功能，并将高速缓存

(Cache)和浮点数部件都集成在CPU内。

电力系统对微机爱护的要求不断提高，除了爱护的基本功能外,

还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理

功能，强大的通信实力，及其它爱护、限制装置和调度联网以共享全

系统数据、信息和网络资源的实力，高级语言编程等。这就要求微机

爱护装置具有相当于一台PC机的功能。在计算机爱护发展初期，曾

设想过用一台小型计算机作成继电爱护装置。由于当时小型机体积

大、成本高、牢靠性差，这个设想是不现实的。现在，同微机爱护装

置大小相像的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型

机，因此，用成套工控机做成继电爱护的时机已经成熟，这将是微

机爱护的发展方向之一。

三、我国继电爱护的现状

我国从70年头末即已起先了计算机继电爱护的探讨，高等院校和

科院起着先导的作用。华中理工高校、东南高校、华北电力学院、西

安交通高校、天津高校、上海交通高校、重庆高校和南京电力自动化

探讨院都相继研制了不同原理、不同型式的微机爱护装置。1984年

原华北电力学院研制的输电线路微机爱护装置首先通过鉴定，并在系

统中获得应用，揭开了我国继电爱护发展史上新的一页，为微机爱护

的推广开拓了道路。在主设备爱护方面，东南高校和华中理工高校研

制的发电机失磁爱护、发电机爱护和发电机、变压器组爱护也相继于

1989、1994年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化探讨院研制的

微机线路爱护装置也于1991年通过鉴定。天津高校及南京电力自动

化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频爱护，西安交通高校

及许昌继电器厂合作研制的正序故障重量方向高频爱护也相继于

1993>1996年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的微机线路和

主设备爱护各具特色，为电力系统供应了一批新一代性能优良、功能

齐全、工作牢靠的继电爱护装置。可以说从90年头起先我国继电爱

护技术已进入了微机爱护的时代。随着微机爱护装置的探讨，在微机

爱护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中。

四、继电爱护的将来发展

计算机硬件的更新和网络化发展在计算机领域，发展速度最快的

当属计算机硬件，根据闻名的摩尔定律，芯片上的集成度每隔18〜

24个月翻一番。其结果是不仅计算机硬件的性能成倍增加，价格也

在快速降低。微处理机的发展主要体现在单片化及相关功能的极大增

加，片内硬件资源得到很大扩充,单片机及DSP芯片二者技术上的融

合，运算实力的显著提高以及嵌入式网络通信芯片的出现及应用等

方面。这些发展使硬件设计更加便利，高性价比使冗余设计成为可能,

为实现敏捷化、高牢靠性和模块化的通用软硬件平台创建了条件。硬

件技术的不断更新，使微机爱护对技术升级的开放性有了迫切要求。

网络特殊是现场总线的发展及其在实时限制系统中的胜利应用充分

说明，网络是模块化分布式系统中相互联系和通信的志向方式。如基

于网络技术的集中式微机爱护，大量的传统导线将被光纤取代，传统

的繁琐调试维护工作将转变为检查网络通信是否正常，这是继电爱

护发展的必定趋势。微机爱护设计网络化，将为继电爱护的设计和发

展带来一种全新的理念和创新，它会大大简化硬件设计、增加硬件的

牢靠性，使装置真正具有了局部或整体升级的可能。继电爱护装置的

微机化、计算机化是不行逆转的发展趋势。但对如何更好地满意电力

系统要求，如何进一步提高继电爱护的牢靠性，如何取得更大的经

济效益和社会效益，尚须进行详细深化的参讨。计算机网络作为信息

和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产和社会生

活的面貌发生了根本变更。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工

业领域供应了强有力的通信手段。到目前为止，除了差动爱护和纵联

爱护外，全部继电爱护装置都只能反应爱护安装处的电气量。继电爱

护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范围。这主要是由于

缺乏强有力的数据通信手段。继电爱护的作用不只限于切除故障元件

和限制事故影响范围（这是首要任务），还要保证全系统的平安稳

定运行。这就要求每个爱护单元都能共享全系统的运行和故障信息的

数据，各个爱护单元及重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上

协调动作，确保系统的平安稳定运行。明显，实现这种系统爱护的基

本条件是将全系统各主要设备的爱护装置用计算机网络联接起来，

亦即实现微机爱护装置的网络化。这在当前的技术条件下是完全可能

的。对于一般的非系统爱护，实现爱护装置的计算机联网也有很大的

好处。继电爱护装置能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、

故障位置的推断和故障距离的检测愈精确。对自适应爱护原理的探讨

已经过很长的时间，也取得了肯定的成果，但要真正实现爱护对系

统运行方式和故障状态的自适应，必需获得更多的系统运行和故障信

息，只有实现爱护的计算机网络化，才能做到这一点。对于某些爱护

装置实现计算机联网，也能提高爱护的牢靠性。在实现继电爱护的计

算机化和网络化的条件下，爱护装置事实上就是一台高性能、多功能

的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网

上获得电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的

被爱护元件的任何信息和数据传送给网络限制中心或任一终端。因此,

每个微机爱护装置不但可完成继电爱护功能，而且在无故障正常运

行状况下还可完成测量、限制、数据通信功能，亦即实现爱护、限制、

测量、数据通信一体化。用于变电站的监视、限制、爱护，包括故障

录波、紧急限制装置，虽然已实现了微机数字化，但儿乎都是功能单

一的独立装置，各个装置缺乏整体协调和功能的调优，且功能交叉，

输入信息不能共享，接线困难，从整体上降低了牢靠性，同时不能

充分利用微机数据处理的强大功能和速度，经济上也是一种奢侈。现

在广泛应用的变电站自动化系统为常规自动化系统，它应用自动限制

技术、计算机数据采集和处理技术、通信技术，代替人工对变电站进

行正常运行的监视、操作、电压无功限制、量测记录和统计分析、故

障运行的监视、报警和事务依次记录及运行操作，大多不涉及继电爱

护、紧急限制、故障录波、RTU、修理状态信息处理等功能，功能相

对比较简洁。目前，为了测量、爱护和限制的须要，室外变电站的全

部设备，如变压器、线路等的二次电压、电流都必需用限制电缆引到

主控室。所敷设的大量限制电缆不但要大量投资，而且使二次回路特

别困难。但是假如将上述的爱护、限制、测量、数据通信一体化的计

算机装置，就地安装在室外变电站的被爱护设备旁，将被爱护设备

的电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主

控室，则可免除大量的限制电缆。假如用光纤作为网络的传输介质，

还可免除电磁干扰。现在光电流互感器（OTA）和光电压互感器（OTV）

已在试验阶段，将来必定在电力系统中得到应用。在采纳OTA和OTV

的状况下，爱护装置应放在距OTA和OTV最近的地方，亦即应放在被

爱护设备旁边。OTA和OTV的光信号输入到此一体扮装置中并转换成

电信号后，一方面用作爱护的计算推断；另一方面作为测量量，通

过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被爱护设备的操作限制

吩咐送到此一体扮装置，