电力系统继电保护 第2版 课件 第10章微机保护软件原理

电力系统继电保护

第二版刘学军编制教材配套电子教案第10章微机继电保护软件原理第10章微机继电保护软件原理10.1高频保护主程序10.2中断服务程序10.3故障处理程序

微机保护装置的软件以硬件为基础，通过算法及程序设计实现所要求的保护功能。软件分为两大类，一类是监控程序，另一类是运行程序。监控程序，包括人机对话接口键盘命令处理程序及对插件调试、定值整定、报告显示等配置的程序。运行程序是指保护装置在运行状态下所需要执行的程序。微机保护运行程序软件一般分为两个模块；（1）主程序。包括初始化、全面自检、开放中断及等待中断等；（2）中断服务程序。

通常有采样中断、进行数据采集与处理、保护起动的判定等，还有串行口中断，完成保护CPU与管理CPU之间的数据传递。如保护的远方整定、复归、校对时间或保护动作信息的上传等。中断服务程序中包含故障处理程序子模块，它在保护启动后才投入，用以进行保护特性的计算、判定故障性质等。

中断服务程序中包含故障处理程序子模块，它在保护启动后才投入，用以进行保护特性的计算、判定故障性质等。下面以WXB-11型微机线路保护装置为例，说明高频保护软件的构成。10微机保护的软件原理10微机保护的软件原理WXB-11型微机线路保护装置简介该装置可以同时完成高频保护、距离保护、零序保护和自动重合闸的功能。它采用五个单片机系统的插件并行工作结构，插件CPU0作为管理机，实现监控和人机对话功能；CUP1～CUP4具有完全相同的硬件结构。其中CPU1实现高频保护，CUP2实现距离保护，CUP3实现零序保护，CUP4实现综合自动重合闸。各种保护相互独立，各保护插件动作后作用于同一套信号及跳闸出口回路。该装置采用电压-频率变换原理构成的VFC型模数转换器。跳闸回路出口，跳闸出口回路采用三取二方式，提高了保护装置的可靠性。利用单片机内部串行口进行CPU0与其他四个CPU的通讯。从而实现巡检功能。在CPU0插件中装设了MC146818芯片构成硬件时钟电路。为装置提供准确计时功能。通过装置面板上的工作方式选择开关，可使程序进入监控程序模块或运行程序模块。工作开关置于调试位置时，进入监控程序，其作用是调试和检查微机保护装置的硬件电路，输入或修改及固化保护定值。10微机保护的软件原理当工作方式置于运行位置时，进入运行程序。CPU1～CPU4的运行程序主要有常规的自检打印主程序，采样中断服务程序和故障处理程序三大模块。

CPU0的运行程序主要有巡检、报告打印、键盘命令处理以及定时器软件时钟中断服务程序，在该中断服务程序中检查有无启动元件的开入量以及同步各个CPU系统的时钟。整个保护装置由14个插件构成。各插件编号和功能如表10-1所示。表10-1WXB-11型微机保护装置插件编号及功能表插件编号插件名称插件功能1AC交流变换器2VFC电压频率模数换3PU1高频保护4PU2距离保护5CPU3方向零序电流护6CPU4综合自动重合闸7CPU0人机对话8DI1开关量输入9DI2开关量输入10TRIP跳闸出口继电器11LOGIC逻辑12SIGNAL信号继电器13ALARM告警继电器14POWER逆变稳压电源10微机保护的软件原理表10-1，其中1～2号插件属于成数据采集系统，3～7号插件属于微机系统，8～13号插件属于开关量输入、输出及相关继电器电路，14号插件为电源。高频保护功能概述

该保护包含高频距离保护和高频零序方向保护，分别反映相间故障和单相接地故障。高频保护设置了相电流差突变量原理的启动元件DI1，如果保护范围内故障，则DI1动作，启动其执行元件KST，同时，使保护进入故障处理程序，进行故障计算。

进入故障处理程序后，先执行一段相电流差突变量原理的选相程序。以判断故障类型和相别。

当判定为相间故障，则计算故障相间阻抗，由带记忆的多边形动作特性的阻抗元件判别方向。

若正方向，启动停信继电器KHS，等待对侧信息，符合出口条件时，出口三跳；若判为反方向故障，则直接进入振荡闭锁程序。若判定为单相接地故障，由零序功率方向元件判别方向，两侧均为正方向时，60ms内出口选相跳闸；反方向时，则进入振荡闭锁程序。10.5高频保护功能概述高频距离保护开放100ms，高频零序保护不用振荡闭锁，在第一次故障时不带延时，但60ms内不动作，以后再动作需要带60ms延时，这是为了防止由于零序功率倒向而引起高频零序保护误动作。在振荡闭锁状态时，高频零序动作，作用于三相跳闸。在振荡闭锁程序中，设有阻抗元件、相电流元件和零序电流元件，用于判别振荡是否停息，若上述三个元件持续4s均不动作，说明故障已切除，振荡已停息，保护整组复归。当线路非全相运行时，高频距离保护和高频零序保护应退出工作，不再利用通道。此时，利用反映两健全相电流突变量元件DI2来判断健全相是否发生故障，如发生故障则立即出口三相跳闸。为保证可靠切除出口发展性故障，阻抗元件特性带偏移。10高频保护功能概述当手和故障线路或重合用永久性故障时，高频距离保护计算阻抗在保护区内时，则立即三跳，此时，本保护不受对侧高频信号的闭锁，所用阻抗特性也与高频距离保护中阻抗判别元件相同。重合后的瞬时加速功能可在整定时利用控制字投入或退出。高频保护由定值单中的控制字选择闭锁式或允许式两种工作方式：（1）高频闭锁工作方式。1发信：由CPU1高频保护启动的KST触点控制。2停信：由CPU1启动KSH的触点控制。停信条件，相间故障时，为正方向且保护区内故障；单相接地时，为正方向而且大于整定值。3出口跳闸条件：两侧均为正方向；启动后至少先收到高频信号持续5ms后才停信；收不到对侧高频信号。（2）高频允许式工作方式。1由KHS继电器的常开触点控制发允许信号。出口条件为：本侧正方向，且收到跳闸信号。2高频零序保护所采用的由三相电压相加而得，当电压互感器二次回路断线时，自动切换到开口三角侧，此时，高频距离保护自动退出工作，重合闸后的阻抗加速部分也自动退出。

高频零序保护仍继续运行，高频保护不发断线告警信号，由距离保护告警。10微机保护的软件原理如图10-35所示，高频保护软件由主程序、中断服务程序和故障处理程序三部分组成。主程序主要包括上电或复位后对该保护系统进行初始化、各种自检、振荡闭锁和打印报告等功能。中断服务程序主要包括采样、电流求和与电压求和及自检、突变量启动元件DI1等功能。故障处理程序的主要功能是完成故障计算、逻辑比较和跳闸逻辑，以实现高频保护功能。10高频保护功能概述上电或复位后，CPU执行主程序，在系统初始化后开放中断，程序进入自检循环，每隔一个采样周期（本装置TS=5/3ms）时间，主程序被中断一次，响应中断后执行中断服务程序。若被保护线路无故障，突变量元件DI1不应动作，在执行完中断服务程序后，仍返回到中断前的位置，继续执行主程序进行自检循环。若线路发生故障，DI1感受到电流突变量而启动，先将存在堆栈中的中断返回地址修改为故障处理程序的入口地址，然后再从中断返回。此时，实际上返回到故障处理程序入口，因而不再执行主程序，而转入故障处理程序，在故障处理程序中，要进行故障处理计算，若故障发生在保护范围内，保护正确动作，在跳闸及合闸循环后，回到主程序中部的整组复归入口，保护整组复归；若是区外故障，将进入振荡闭锁程序模块。当在振荡闭锁模块确认系统稳定后，保护整组复归。10.1高频保护

主程序微机高频保护主程序流程图如图10-2所示。主要完成如下工作：1、初始化初始化包括初始化（一）、初始化（二）和数据采集系统的初始化三部分。初始化（一）是不论保护是否在运行位置，都必须进行的初始化项目，它主要是对堆栈、串行口、定时器及有关并行口初始化。对并行口按电路设计的输入和输出要求。

设置每一个端口作输入还是输出，用于输出的还要赋予初值，如出口回路控制，A/D接口方式等，保证所有软件继电器均处于预先设计的状态。

如出口继电器处于不动作状态，同时便于通过并行接口读取各开关量输入的状态。图10-2微机高频保护主程序流程图初始化（二）是在运行方式下需进行的项目，它主要是对采样定时器初始化，控制采样周期为5/3ms，同时将RAM区中有关软件计数器和标志位清零。读取所有开关量输入的状态，并将其保存在规定的RAM或FLASH地址单元内，已备在以后自检循环时，不断监视开关量输入是否变化。10.1高频保护主程序2．全面自检对装置的软硬件进行一次全面的自检，包括RAM、FLASH或ROM、各开关量输出通道、程序和定值等，保证装置在使用时处于完好状态。在经过全面自检后，应将所有标志位清零，因为，每一个标志代表一个“软件继电器”和逻辑状态。

这些标志将控制程序流程的走向，一般还应将存放采样值的循环寄存器进行清零。进行数据采样系统的初始化，主要将采样数据寄存器存数指针POINT初始化，即把存放各通道采样值转换结果的循环寄存区的首地址存入指针。

另外对计数器8253初始化，规定8253的工作方式和赋予初值0000H。3．开放中断与等待中断3．开放中断与等待中断经过初始化和全面自检后，表明微机保护装置准备工作已经全部就绪，此时，开放中断，将数据采集系统投入工作，于是，可编程定时器按照初始化程序规定的采样间隔（5/3ms）不断地发出采样脉冲，控制各模拟量通道的采样和转换，并在每一次采样脉冲下降沿（也可以是其它方式）向微机请求中断。只要微机不退出工作，装置无异常状况，就要不断地发出采样脉冲，实时监视和获取电力系统的采样信号。

在开放中断后延时60ms，以确保采样数据的完整性和正确性。4、自检循环4．自检循环开放中断后，主程序进入自检循环回路，它除了分时地对装置各部分软硬件进行自动检测外，还包括人机对话、定值显示和修改、通讯以及报文发送等功能。将这些不需要完全实时响应的功能安排在这里执行是为了尽量减少占用中断程序的时间，保证继电保护的功能可以更实时地进行。当然，在软硬件自检过程中，一旦发现异常情况，就应当发出告警信号和报文，如果异常情况危及保护的安全性和可靠性，则立即停止保护工作。4．自检循环在循环过程中不断等待采样定时器的采样中断和串行口通讯的中断请求信号，当保护CPU接收到中断请求信号，在允许中断后，主程序进入中断服务程序。每当中断服务程序结束后，又返回到自检循环并继续等待中断请求信号。主程序如此反复自检、中断，进入不断循环阶段。5．其他说明

若装置在上电或复归后进入运行状态，并且在所有初始化和全面自检通过后，先将两个重要标志QDB和ZDB置“1”，QDB是启动标志，启动元件D11动作后置“1”，ZDB为振荡闭锁标志，进入振荡闭锁状态时置“1”。将这两个标志置“1”的原因是因为在刚开放采样中断时不能立即投入突变电元件，因为它要用到前两个周波的电流采样值，因此时采样区是空的，若立即投入启动元件，会因为突变量而误动，在中断服务程序中可看到，若将QDB和ZDB置“1”，可以使启动元件DI1傍路，既不投入。待中断开放后经60ms等待，装置进入稳定，采样区已有三周波的数据，再在整组复归环节中把所有标志清零，此时才投入启动元件DI1。5．其他说明

装置上电时或复位时中断会自动关闭，故在初始化和自检完毕后，应由软件开放中断。本装置的4个CPU硬件完全相同，其初始化和自检软件也完全一样，但每种保护都有一些特殊功能要在循环自检中进行。循环自检程序分为通用和专用两部分。高频保护的专用自检程序中设有静态稳定破环检测功能，它由一个反应B相III段阻抗元件和反应A相电流的按躲过最大负荷电流整定的电流元件构成。5．其他说明任一个元件动作后，使QDB或ZDB置“1”；从而闭锁DI1，以免当振荡再度在附近时因振荡电流很大导致其误动。如果在30s内阻抗和电流元件均返回，判断为静态稳定破坏，程序转至振荡闭锁模块，待振荡停息后整组复归；如果阻抗和电流元件动作后，持续30s不返回，判断为过负荷，此时报警“OVLOAD”，并闭锁保护。10.2高频保护的中断服务程序1.采样计算概述

进入采样程序流程图10-37，首先，三相电流、零序电流，三相电压、零序电压及线电压瞬时值同时采样，采样后将瞬时值存入随机储存器RAM的循环库存区。应当指出，无论装置正常运行还是采样通道，调试都要进入中断服务程序，都要进行采样计算。图10-372、TV的断线自检和TA断线自检在保护启动之前，先检查电压互感器TV的二次回路是否断线。在小接地电流系统中可以按下面两个判据检查TV二次侧断线。1）正序电压小于30V,而任一相电流大于0.1A。2）负序电压大于8V满足上述任一条件后还必须延时10s才能确定母线TV断线发出“TV”断线信号。待电压恢复后信号复归。软件中用专用的TV断线标志位置“1”标志TV断线。并通过程序安排自动重合闸。这时，保护见根据整定的控制字决定退出与电压有关的保护。当TA的二次侧断线或电流通道的中间环节接触不良时，保护可能误动作，因此对二次侧必须监视，在断线时闭锁保护并应报警。在大接地电流系统中用下面两个条件对零序电流进行判断。1）变压器三角测出现零序电流，则判断为该厕断线。2）星形侧，比较三相电流，如出现差流则判断该侧TA断线。3、启动元件为提高保护的可靠性，在保护装置出口均经启动元件闭锁，只有保护启动后，保护装置出口闭锁才能解除。在微机保护中启动元件是由软件构成，启动元件启动后，其标志位“KST”置1。当采样中断服务程序的启动元件判定保护启动，则程序转入故障处理程序。在进入故障处理程序后，CPU的定时采样仍不断进行。因此在执行故障处理程序过程中，每隔一个采样周期T3，程序将重新转入中断服务程序。在采样计算完成后，检测保护是否启动过，如KST=1，则不再进入TV、TA自检及保护启动程序，直接转到采样中断服务程序出口，然后再回到故障处理程序。10.3高频保护的故障处理程序高频保护的故障处理程序流程图如图10-38所示。其中允许式逻辑未详细示出。在电流求和、自检时检出有错或启动元件DI1启动后，进入该程序。首先判断是否为“1”，若，程序将离开故障处理程序而去告警，而只有在启动元件动作之后（电流求和及自检通过）才能进入故障处理程序并进行故障计算。对流程图中主要环节说明如下：1、电流求和及自检出有错告警由中断服务程序可知，当电流求和及自检不通过时，将置“1”，返回到故障处理程序入口，进入该程序后，首先检查标志，当时，则告警报告，熄灭运行灯。保护装置停止执行任何程序，等待运行人员处理。图10-38故障处理程序流程图2、在判断压板是否投入之前驱动启动元件的执行元件

KST

若LHCB=0，说明进入故障处理程序是由于启动元件动作引起的，此时系统有故障，驱动执行元件KST。然后再判断高频保护压板是否投入，若不投入将不进行故障计算而转至振荡闭锁。这里不论压板是否投入，只要DI1动作，必将驱动KST。由此可见，某一个保护退出，只要将其压板退出，该插件仍投入运行，决不会影响启动回路工作。3、电压互感器二次回路断线时进入振荡闭锁电压求和及自检发现有错，YHCB=1，三相电源失压时标志JWWYB=1（电压互感器二次回路断线）。在这种情况下，进入故障处理程序后并未真正执行高频保护程序，而是立即进入振荡闭锁状态。在YHCH=1时，同时给出DACERR报告，但不告警，也不应闭锁保护。4、手合于故障线路

在自检求和通过、二次回路完好情况下，进入故障处理程序，一定是系统内有故障，DI1动作所致，在进行故障计算之前，先判断是否手合于故障线路，以便加速跳闸。计算六个阻抗值（ZAB、ZBC、ZCA、ZA、ZB、ZC）中任一个动作，将给出手合出口报告，发出永跳命令（YT），跳后不重合。

为了消除死区，这时阻抗元件的特性带偏移。5、判定故障相别故障