计算机技术在继电保护中的应用

目录
摘要 (1)
前言 (1)
1.微机继电保护技术的理解 (1)
2.计算机技术在继电保护中的运用特性 (2)
2.1计算机技术在继电保护中的智能化运用特性增强 (2)
2.2计算机技术使继电保护更加网络化 (2)
2.3计算机技术在继电保护中的更新发展显著 (3)
3.继电保护功能的进一步拓宽 (3)
4.微机继电保护的构成 (3)
4.1微机继电保护装置的硬件系统 (4)
4.2微机继电保护装置的软件系统 (5)
5.微机继电保护的发展史 (5)
5.1微机继电保护新技术 (7)
5.2自适应控制技术在继电保护中的应用 (7)
5.3人工神经网络在继电保护中的应用 (7)
6.微机继电保护发展现状 (9)
6.1 微机继电保护技术在电力系统中的显着特点 (10)
6.2 缺陷的防范 (11)
6.3 微机继电保护技术的发展前景 (12)
致谢 (15)
参考文献 (16)
计算机技术在继电保护中的应用
学生：高明月
指导教师：陕春玲
（三峡大学职业技术学院）
摘要
电力系统继电保护经过长期发展，已经进入微机继电保护发展时期。

为此，对微机继电保护的发展史作了简述，指出其与传统的继电保护相比所具有的优点。

重点介绍了微机继电保护的新趋势，即自适应控制技术、人工神经网络、变电所综合自动化技术的应用。

关键词：继电保护；微机继电保护；自适应；人工神经网络
前言
微机继电保护技术的发展是电力安全发展趋势的一种必然选择,也是企业在供电过程中不可缺少的一种重要应用工程。

该技术的运用必将随着电力的不断发展而提升。

在现代化的电力需求中,家电设备增多、企业用电机器增多、发电机容量增大等多种客观方面的原因使得电力系统中正常工作电流和短路电流都不断增大。

这就需要一种既能够保护机器正常运转,又能够对短路等用电现象提出及时警报的技术。

无疑,微机继电保护技术便应运而生。

本文试就微机继电技术的发展运用作探析。

1.微机继电保护技术的理解
微机继电保护技术的主要特点是:(1)自主化运行率提高,计算机的数据处理技术能够使得继电设备具有很强的记忆功能,加之自动控制等技术的综合运用,使得继电保护能更好地实现故障分量保护,提高运行的正确率;(2)兼容性辅助功能强,继电保护技术在保护装置的制造上采用了比较通用兼容的做法,便于统一标准,并且装置体积小,减少了盘位数量,在此基础上,还可以扩充其它辅助功能;(3)操作性监控管理好,该技术主要表现在一些核心部件不受外在化境的影响,
能够产生一定的使用功效。

与此同时,该保护技术能够通过计算机信息系统,具有一定的可监控性能,大大降低了成本。

2. 计算机技术在继电保护中的运用特性
2.1计算机技术在继电保护中的智能化运用特性增强
现代化的电力管理越来越体现了智能化的控制管理模式,具有一定的人工智能化的特征。

这些特征,一方面使得电力系统在管理上减少了不必要的资源浪费;另一方面为其他各项技术的运用提供了广阔的技术空间。

正是在这样的技术背景下,继电保护技术出现了一定的人工智能化,使得保护装置在设计上更具有合理性和科学性。

这些智能化的信息特征使得继电保护技术在发展的过程中逐渐地进入了自动化的发展进程。

目前,在我国主要大城市供电公司的继电保护设备中已采用了模拟人工神经网络(ANN)来进行对用电的保护。

因此,进一步推进了继电保护技术智能化的发展前景。

据现有的资料介绍,在输电过程中出现的短路现象一般有几十种,如果出现这样的情况用人工进行排除,至少需要12小时以上。

但若是采用上述的神经网络继电保护方法,可通过采集的数据样本对发生故障进行检测,从而能在半小时之内得出故障出现的原因,大大缩短了维修时间。

2.2计算机技术使继电保护更加网络化
这些人工智能方法通过计算机辅助体统的帮助运用,可使得电力运输效率大大加强。

继电技术的运用离不开计算机网络的支持。

这种网络化的技术,不仅给继电技术提供了可操作检查的直观空间范围,也给其发展更新提供了更为广泛的动力支持和保障。

这也正是继电技术开放性发展的必然要求。

继电保护的主要功能在于保护电力系统的安全稳定,而这种保护离不开计算机网络的数据模拟生成系统需要依据计算机通过数据采集和分析来检测故障存在的原因,进而发出警报。

这些网络化的发展,一方面,能够通过数据的的采集和模拟生成,综合分析可能出现的各种故障;另一方面,在显示故障的同时,能够准确地反映出故障的缘由、位置的情况,便于工作人员能够采取有效的解决策略。

例如,现在的各种环保节能发电厂就是采用了该种装置,通过总调度室计算机监控,不仅能够知晓现有
线路的运行前那个框,还能够对各条线路出现的短路等现象作出判断,以便维护人员能够进行及时正常地维修。

2.3计算机技术在继电保中的更新发展显著
继电保护技术的自适应性也是值得关注的方面。

我们知道自适应控制技术在继电保护中的应用具有如下的作用:(1)使得继电保护更具有一种适应性,能够适应多种故障的检测;(2)有效延长保护时间,能够使得电气设备产生更长的使用寿命;(3)能够提高经济效率,即这种保护能够针对用电过程中出现的问题进行排除,不仅减少了人工操作的麻烦,还能够节省成本。

当前电力系统在发展过程中出现的各种问题,除了需要一定的人工操作之外,采用继电保护技术的自适应性技术,一方面,能够真正发挥继电保护的“保护”功能,使得人们的生产生活得以顺利地开展,满足人们的发展需要;另一方面,能够使得这种适应性能面对各种形势的变化发展,最大限度地提高电力设备的使用寿命,以减少故障的发生。

这种适应性应该离不开计算机网络环境的支持。

因此,就更具有广泛的适应性能。

3.继电保护功能的进一步拓宽
在计算机辅助设计功能的帮助下,继电技术的功能性必将得到进一步的增强,可根据故障的显性进行适当的控制运用。

在该项技术的指引下,使得电力线路维护调试也更方便。

在运行过程中,操作者可根据电流值,可进行适当调整。

综上所述,继电保护技术在电力系统网络化的发展趋势中,定会综合各种学科的发展,必将步入更为广阔的发展空间,由数字时代跨入信息化时代,增强电力发展的安全性。

4.微机继电保护的构成
微机继电保护装置是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置，一般由测量部分、逻辑部分和执行部分组成。

其原理是，系统在正常运行状态时，某一测量点有一系列参数值，如电压、电流、相位角等，这些参数值会在一个正常的上下幅度内变化，
这个幅度的上限或下限即为装置预先设定的整定值。

当系统处于故障或不正常运行状态时，测量点检测的参数将超过设定的整定值，装置根据逻辑判断后即发出相应的信号或直接作用于断路器跳闸。

随着机电技术、电子技术及计算机技术的发展，继电保护技术先后经历了机电式继电保护、晶体管式继电保护、集成电路式继电保护和微机继电保护五个阶段。

前面四个阶段继电保护的逻辑判断都是电路式的，不同故障类型和保护设备之间的灵活性与通用性差，被保护系统需要配备的保护装置种类繁多、体积庞大。

而微机保护则利用微机对电气量或非电气量进行采样，通过软件程序对采样数据进行运算、分析和判断。

因此，同一微机保护装置可以实现各种保护功能，针对不同故障类型只需改变其算法和计算程序即可。

2.2、微机继电保护的算法目前微机继电保护的算法主要分为两大类，第一类是根据继电保护的功能或继电器的动作特性直接用采样数据进行功能判断的算法；第二类是根据采样值进行比较、判断的算法。

第一类算法需要假定输入信号的类型，一般可假定三种类型。

（1）当对输入信号进行滤波处理后，可以认为采样值为正弦函数，利用正弦函数的特性可计算电压、电流、相位、阻抗等量值。

它包括三采样乘积法、微分法、半周积分法等。

（2）当假定输入信号是周期函数时，可以将采样值分解为一个函数序列之和，即级数。

微机保护中常用傅氏级数和沃尔什函数。

这两种方法都能将采样值分解为基波分量和信频分量，通过计算也可得到它们的幅值、相角和阻抗等。

（3）当输入信号为随机函数时，常用的方法是最小二乘曲线拟合法，这种方法是将输入量与一个预设的含有非周期分量及某些谐波分量的函数按最小二乘法原理进行拟合，从而求出输入信号中基波及各谐波分量的幅值、相角等值。

第二类算法即保护功能算法，它直接根据继电保护装置动作特性，用输入采样值完成保护的分析和判断。

与第一种算法相比，第二种算法没有参数计算这一环节，其精确度相对较低，对继电保护装置的工艺技术要求较高。

西枝江泵站使用的多功能微机继电保护装置采用了第一种算法。

4.1微机继电保护装置的硬件系统
该装置的硬件结构主要由信息输入、微机处理、信息输出及电源等四个部分组成。

其中信息输入部分包括模拟量和二进制量输入。

模拟量输入主要是测量输
入（MI），MI包括四个电流互感器（CT）和三个电压互感器（PT）。

通过MI采集到的模拟量被送到输入放大器（IA），再传送到模/数转换器（A/D），转换后的数字量被送到微机系统（μC）进行处理。

二进制输入主要包括从现场各装置传入的开关量，可以直接输入微机系统进行处理。

微机处理部分主要实现的功能包括：（1）测量值的滤波与预处理；（2）测量值的连续监视；（3）监视各个元件和功能的启动条件；（4）比较限值与时序；（5）逻辑功能信号的控制；（6）跳闸、合闸及其他控制命令的实施；（7）控制命令输出到切换装置（输出触点）；（8）事件、报警、故障、控制等信息的记录；（9）操作系统及相关功能，例如数据记录、实时时钟、通讯、接口等的管理。

信息输出部分包括前面板输出显示及外设备的串行接口输出。

前面板具有LEDs和LCD，提供诸如指示、测量值、故障状态及功能状态等相关信息。

串行接口有三个，即与当地PC机相连接的PC 接口；通过modem相连接的服务程序接口；与主控单元和监视系统（RTU/SCADA）相连接的系统接口。

4.2微机继电保护装置的软件系统
5.微机继电保护的发展史
1微机继电保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保护。

它起源于20世纪60年代中后期，是在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。

60年代中期，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是由于当时计算机的价格昂贵，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础。

计算机技术在70年代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实用阶段。

价格的大幅度下降，可靠性、运算速度的大幅度提高，促使计算机继电保护的研究出现了高潮。

在70年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。

80年2微机保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年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代，它是继电保护技术发展历史过程中的第四代。

我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。

经过10年左右的奋斗，到了80年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。

我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的作用。

从70年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。

1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的推广开辟了道路。

在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机－变压器组保护也相继于1989年、1994年通过鉴定，投入运行。

南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。

天津大学与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保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993年、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保护各具特色，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。

因此到了90年代，我国继电保护进入了微机时代。

随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中［1～3］。

2微机保护的主要特点研究和实践证明，与传统的继电保护相比较，微机保护有许多优点［4］，其主要特点如下：
a）改善和提高继电保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保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护；可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率很高也已在运行实践中得到证明。

b）可以方便地扩充其他辅助功能。

如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。

c）工艺结构条件优越。

体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小，减少了盘位数量；功耗低。

d）可靠性容易提高。

体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，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。

e）使用灵活方便，人机界面越来越友好。

其维护调试也更方便，从而缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。

f）可以进行远方监控。

微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。

5.1微机继电保护新技术
微机继电保护技术发展趋势向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展［5］。

随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引人注目的新趋势。

5.2自适应控制技术在继电保护中的应用
自适应继电保护的概念始于20世纪80年代，它可定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的新型继电保护。

自适应继电保护的基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能。

这种新型保护原理的出现引起了人们的极大关注和兴趣［6］。

自适应继电保护具有改善系统的响应、增强可靠性和提高经济效益等优点，在输电线路的距离保护、变压器保护、发电机保护、自动重合闸等领域内有着广泛的应用前景。

针对电力系统频率变化的影响、单相接地短路时过渡电阻的影响、电力系统振荡的影响以及故障发展问题，文献［7］提出了自适应对策，从理论和实践两方面探讨了实现自适应式微机距离保护的可行性。

文献［8］对自适应原理在输电线路继电保护的应用作了全面的分类描述，使自适应继电保护的原理得到了进一步的发展和完善。

文献［9］研究了将自适应继电保护的原理应用于距离保护中，根据系统运行工况的变化，调整距离保护的动作特性，从而提高了距离保护的性能。

5.3人工神经网络在继电保护中的应用
进入20世纪90年代以来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，电力系统保护领域内的一些研究工作也转向人工智能的研究［10］。

专家系统、人工神经网络（ANN）和模糊控制理论逐步应用于电力系统继电保护中，为继电保护的发展注入了活力。

基于生物神经系统的人工神经网络具有分布式存储信息、并行处理、自组织、自学习等特点，其应用研究发展十分迅速，目前主要集中在人工智能、信息处理、自动控制和非线性优化等问题。

近几年来，电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网络来实现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。

文献［11］提出用CPN（counter－propagation network）模型对交直流混合输电系统的故障类型进行识别；EMTDC（electro－magnetic transientsincluding DC）仿真计算结果表明，CPN模型能可靠地进行故障类型的判别，并依据判别结果对直流控制器的参数进行调整，从而优化交直流混合输电系统的动态运行特性。

文献［12］提出了一种基于人工神经网络的电力系统故障诊断系统，该故障诊断系统利用电力系统中继电器和断路器的状态信息来进行故障范围的估计。

这一系统可应用于电力系统控制中心，辅助调度员对故障范围进行判别，及时地采取措施对故障进行处理，以保证电力系统供电的安全性、经济性。

文献［13］研究了用人工神经网络原理来实现高压输电线路的方向保护，提出用BP模型作为方向保护的方向判别元件。

研究结果表明，该方向判别元件能准确、快速地判别出故障的方向。

文献［14］阐述了基于神经网络的继电保护系统的优越性；论证了由单层感知器网络或TH网络可以实现最小二乘算法，这两种网络都可以在极短的时间（数纳秒或几百纳秒）内完成全部运算；给出了电流继电器、圆特性以及四边型特性阻抗继电器的神经网络模型，并证明了三种模型都具有很强的自适应性。

文献［15］介绍了一种基于人工神经网络的智能型自适应继电保护原理，利用了比传统保护多得多的信息量。

它比传统保护能区分更多的故障类型，提高了继电保护的适用范围，从原理上解决了经高阻抗的短路故障保护问题。

文献［16］提出一种利用人工神经网络实现自适应电流保护的方法。

该方法充分利用了人工神经网络所具有的强大的自适应能力、学习能力和模式识别能力，实现对电力系统中的各种故障情况的识别，解决电流保护中的灵敏度补偿和故障方向识别问题，使电流保护对正方向各种故障都有足够的保护范围，而对反方向的各种故障实行闭锁，从而实现电流保护的自适应。

现代计算机技术、通信技术和网络技术为改变变电站目前监视、控制、保护和计量装置及系统分割的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。

高压、超高压变电站正面临着一场技术创新［17］。

继电保护和综合自动化的紧密结合已成为可能，它表现在集成与资源共享、远方控制与信息共享。

以远方终端单元
（RTU）、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。

随着微机性能价格比的不断提高，现代通信技术的迅速发展，以及标准化规约的陆续推出，变电站综合自动化成了热门话题。

目前，用于变电站的监视、控制、保护，包括故障录波、紧急控制装置，虽然已实现了微机数字化，但几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，接线复杂，从整体上降低了可靠性，同时不能充分利用微机数据处理的强大功能和速度，经济上也是一种浪费。

现在广泛应用的变电站自动化系统为常规自动化系统，它应用自动控制技术、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、电压无功控制、量测记录和统计分析、故障运行的监视、报警和事件顺序记录与运行操作，大多不涉及继电保护、紧急控制、故障录波、RTU、维修状态信息处理等功能，功能相对比较简单。

竞争的电力市场将促进新的自动化技术的开发和应用，在经济效益的驱动下，变电站将向集成自动化方向发展。

根据变电站自动化集成的程度，可将未来的自动化系统分为协调型自动化和集成型自动化。

协调型自动化仍然保留间隔内各自独立的控制、保护等装置，各自采集数据并执行相应的输出功能，通过统一的通信网络与站级相连，在站级建立一个统一的计算机系统，进行各个功能的协调。

而集成型自动化既在间隔级，又在站级对各个功能进行优化组合，是现代控制技术、计算机技术和通信技术在变电站自动化系统的综合应用。

所谓集成型自动化系统是将间隔的控制、保护、故障录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能集成在一个统一的多功能数字装置内，间隔内部和间隔间以及间隔同站级间的通信用少量的光纤总线实现，取消传统的硬线连接［18］。

总之，微机保护必将随着各种技术的进步和发展呈现更新的特征，也将获得更广泛的应用。

6.继电保护发展现状
近年来，电网规模不断扩大，为了适应电力系统安全稳定运行的要求，继电保护技术也在迅速地发展。

同时，计算机技术、网络通信技术也为继电保护技术。