電力系統繼電保護

第二版劉學軍編制教材配套電子教案第10章微機繼電保護軟件原理第10章微機繼電保護軟件原理10.1高頻保護主程序10.2中斷服務程序10.3故障處理程序

微機保護裝置的軟件以硬件為基礎，通過算法及程序設計實現所要求的保護功能。軟件分為兩大類，一類是監控程序，另一類是運行程序。監控程序，包括人機對話接口鍵盤命令處理程序及對插件調試、定值整定、報告顯示等配置的程序。運行程序是指保護裝置在運行狀態下所需要執行的程序。微機保護運行程序軟件一般分為兩個模塊；（1）主程序。包括初始化、全面自檢、開放中斷及等待中斷等；（2）中斷服務程序。

通常有采樣中斷、進行數據采集與處理、保護起動的判定等，還有串行口中斷，完成保護CPU與管理CPU之間的數據傳遞。如保護的遠方整定、復歸、校對時間或保護動作信息的上傳等。中斷服務程序中包含故障處理程序子模塊，它在保護啟動后才投入，用以進行保護特性的計算、判定故障性質等。

中斷服務程序中包含故障處理程序子模塊，它在保護啟動后才投入，用以進行保護特性的計算、判定故障性質等。下面以WXB-11型微機線路保護裝置為例，說明高頻保護軟件的構成。10微機保護的軟件原理10微機保護的軟件原理WXB-11型微機線路保護裝置簡介該裝置可以同時完成高頻保護、距離保護、零序保護和自動重合閘的功能。它采用五個單片機系統的插件并行工作結構，插件CPU0作為管理機，實現監控和人機對話功能；CUP1～CUP4具有完全相同的硬件結構。其中CPU1實現高頻保護，CUP2實現距離保護，CUP3實現零序保護，CUP4實現綜合自動重合閘。各種保護相互獨立，各保護插件動作后作用于同一套信號及跳閘出口回路。該裝置采用電壓-頻率變換原理構成的VFC型模數轉換器。跳閘回路出口，跳閘出口回路采用三取二方式，提高了保護裝置的可靠性。利用單片機內部串行口進行CPU0與其他四個CPU的通訊。從而實現巡檢功能。在CPU0插件中裝設了MC146818芯片構成硬件時鐘電路。為裝置提供準確計時功能。通過裝置面板上的工作方式選擇開關，可使程序進入監控程序模塊或運行程序模塊。工作開關置于調試位置時，進入監控程序，其作用是調試和檢查微機保護裝置的硬件電路，輸入或修改及固化保護定值。10微機保護的軟件原理當工作方式置于運行位置時，進入運行程序。CPU1～CPU4的運行程序主要有常規的自檢打印主程序，采樣中斷服務程序和故障處理程序三大模塊。

CPU0的運行程序主要有巡檢、報告打印、鍵盤命令處理以及定時器軟件時鐘中斷服務程序，在該中斷服務程序中檢查有無啟動元件的開入量以及同步各個CPU系統的時鐘。整個保護裝置由14個插件構成。各插件編號和功能如表10-1所示。表10-1WXB-11型微機保護裝置插件編號及功能表插件編號插件名稱插件功能1AC交流變換器2VFC電壓頻率模數換3PU1高頻保護4PU2距離保護5CPU3方向零序電流護6CPU4綜合自動重合閘7CPU0人機對話8DI1開關量輸入9DI2開關量輸入10TRIP跳閘出口繼電器11LOGIC邏輯12SIGNAL信號繼電器13ALARM告警繼電器14POWER逆變穩壓電源10微機保護的軟件原理表10-1，其中1～2號插件屬于成數據采集系統，3～7號插件屬于微機系統，8～13號插件屬于開關量輸入、輸出及相關繼電器電路，14號插件為電源。高頻保護功能概述

該保護包含高頻距離保護和高頻零序方向保護，分別反映相間故障和單相接地故障。高頻保護設置了相電流差突變量原理的啟動元件DI1，如果保護范圍內故障，則DI1動作，啟動其執行元件KST，同時，使保護進入故障處理程序，進行故障計算。

進入故障處理程序后，先執行一段相電流差突變量原理的選相程序。以判斷故障類型和相別。

當判定為相間故障，則計算故障相間阻抗，由帶記憶的多邊形動作特性的阻抗元件判別方向。

若正方向，啟動停信繼電器KHS，等待對側信息，符合出口條件時，出口三跳；若判為反方向故障，則直接進入振蕩閉鎖程序。若判定為單相接地故障，由零序功率方向元件判別方向，兩側均為正方向時，60ms內出口選相跳閘；反方向時，則進入振蕩閉鎖程序。10.5高頻保護功能概述高頻距離保護開放100ms，高頻零序保護不用振蕩閉鎖，在第一次故障時不帶延時，但60ms內不動作，以后再動作需要帶60ms延時，這是為了防止由于零序功率倒向而引起高頻零序保護誤動作。在振蕩閉鎖狀態時，高頻零序動作，作用于三相跳閘。在振蕩閉鎖程序中，設有阻抗元件、相電流元件和零序電流元件，用于判別振蕩是否停息，若上述三個元件持續4s均不動作，說明故障已切除，振蕩已停息，保護整組復歸。當線路非全相運行時，高頻距離保護和高頻零序保護應退出工作，不再利用通道。此時，利用反映兩健全相電流突變量元件DI2來判斷健全相是否發生故障，如發生故障則立即出口三相跳閘。為保證可靠切除出口發展性故障，阻抗元件特性帶偏移。10高頻保護功能概述當手和故障線路或重合用永久性故障時，高頻距離保護計算阻抗在保護區內時，則立即三跳，此時，本保護不受對側高頻信號的閉鎖，所用阻抗特性也與高頻距離保護中阻抗判別元件相同。重合后的瞬時加速功能可在整定時利用控制字投入或退出。高頻保護由定值單中的控制字選擇閉鎖式或允許式兩種工作方式：（1）高頻閉鎖工作方式。1發信：由CPU1高頻保護啟動的KST觸點控制。2停信：由CPU1啟動KSH的觸點控制。停信條件，相間故障時，為正方向且保護區內故障；單相接地時，為正方向而且大于整定值。3出口跳閘條件：兩側均為正方向；啟動后至少先收到高頻信號持續5ms后才停信；收不到對側高頻信號。（2）高頻允許式工作方式。1由KHS繼電器的常開觸點控制發允許信號。出口條件為：本側正方向，且收到跳閘信號。2高頻零序保護所采用的由三相電壓相加而得，當電壓互感器二次回路斷線時，自動切換到開口三角側，此時，高頻距離保護自動退出工作，重合閘后的阻抗加速部分也自動退出。

高頻零序保護仍繼續運行，高頻保護不發斷線告警信號，由距離保護告警。10微機保護的軟件原理如圖10-35所示，高頻保護軟件由主程序、中斷服務程序和故障處理程序三部分組成。主程序主要包括上電或復位后對該保護系統進行初始化、各種自檢、振蕩閉鎖和打印報告等功能。中斷服務程序主要包括采樣、電流求和與電壓求和及自檢、突變量啟動元件DI1等功能。故障處理程序的主要功能是完成故障計算、邏輯比較和跳閘邏輯，以實現高頻保護功能。10高頻保護功能概述上電或復位后，CPU執行主程序，在系統初始化后開放中斷，程序進入自檢循環，每隔一個采樣周期（本裝置TS=5/3ms）時間，主程序被中斷一次，響應中斷后執行中斷服務程序。若被保護線路無故障，突變量元件DI1不應動作，在執行完中斷服務程序后，仍返回到中斷前的位置，繼續執行主程序進行自檢循環。若線路發生故障，DI1感受到電流突變量而啟動，先將存在堆棧中的中斷返回地址修改為故障處理程序的入口地址，然后再從中斷返回。此時，實際上返回到故障處理程序入口，因而不再執行主程序，而轉入故障處理程序，在故障處理程序中，要進行故障處理計算，若故障發生在保護范圍內，保護正確動作，在跳閘及合閘循環后，回到主程序中部的整組復歸入口，保護整組復歸；若是區外故障，將進入振蕩閉鎖程序模塊。當在振蕩閉鎖模塊確認系統穩定后，保護整組復歸。10.1高頻保護

主程序微機高頻保護主程序流程圖如圖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）和數據采集系統的初始化三部分。初始化（一）是不論保護是否在運行位置，都必須進行的初始化項目，它主要是對堆棧、串行口、定時器及有關并行口初始化。對并行口按電路設計的輸入和輸出要求。

設置每一個端口作輸入還是輸出，用于輸出的還要賦予初值，如出口回路控制，A/D接口方式等，保證所有軟件繼電器均處于預先設計的狀態。

如出口繼電器處于不動作狀態，同時便于通過并行接口讀取各開關量輸入的狀態。圖10-2微機高頻保護主程序流程圖初始化（二）是在運行方式下需進行的項目，它主要是對采樣定時器初始化，控制采樣周期為5/3ms，同時將RAM區中有關軟件計數器和標志位清零。讀取所有開關量輸入的狀態，并將其保存在規定的RAM或FLASH地址單元內，已備在以后自檢循環時，不斷監視開關量輸入是否變化。10.1高頻保護主程序2．全面自檢對裝置的軟硬件進行一次全面的自檢，包括RAM、FLASH或ROM、各開關量輸出通道、程序和定值等，保證裝置在使用時處于完好狀態。在經過全面自檢后，應將所有標志位清零，因為，每一個標志代表一個“軟件繼電器”和邏輯狀態。

這些標志將控制程序流程的走向，一般還應將存放采樣值的循環寄存器進行清零。進行數據采樣系統的初始化，主要將采樣數據寄存器存數指針POINT初始化，即把存放各通道采樣值轉換結果的循環寄存區的首地址存入指針。

另外對計數器8253初始化，規定8253的工作方式和賦予初值0000H。3．開放中斷與等待中斷3．開放中斷與等待中斷經過初始化和全面自檢后，表明微機保護裝置準備工作已經全部就緒，此時，開放中斷，將數據采集系統投入工作，于是，可編程定時器按照初始化程序規定的采樣間隔（5/3ms）不斷地發出采樣脈沖，控制各模擬量通道的采樣和轉換，并在每一次采樣脈沖下降沿（也可以是其它方式）向微機請求中斷。只要微機不退出工作，裝置無異常狀況，就要不斷地發出采樣脈沖，實時監視和獲取電力系統的采樣信號。

在開放中斷后延時60ms，以確保采樣數據的完整性和正確性。4、自檢循環4．自檢循環開放中斷后，主程序進入自檢循環回路，它除了分時地對裝置各部分軟硬件進行自動檢測外，還包括人機對話、定值顯示和修改、通訊以及報文發送等功能。將這些不需要完全實時響應的功能安排在這里執行是為了盡量減少占用中斷程序的時間，保證繼電保護的功能可以更實時地進行。當然，在軟硬件自檢過程中，一旦發現異常情況，就應當發出告警信號和報文，如果異常情況危及保護的安全性和可靠性，則立即停止保護工作。4．自檢循環在循環過程中不斷等待采樣定時器的采樣中斷和串行口通訊的中斷請求信號，當保護CPU接收到中斷請求信號，在允許中斷后，主程序進入中斷服務程序。每當中斷服務程序結束后，又返回到自檢循環并繼續等待中斷請求信號。主程序如此反復自檢、中斷，進入不斷循環階段。5．其他說明

若裝置在上電或復歸后進入運行狀態，并且在所有初始化和全面自檢通過后，先將兩個重要標志QDB和ZDB置“1”，QDB是啟動標志，啟動元件D11動作后置“1”，ZDB為振蕩閉鎖標志，進入振蕩閉鎖狀態時置“1”。將這兩個標志置“1”的原因是因為在剛開放采樣中斷時不能立即投入突變電元件，因為它要用到前兩個周波的電流采樣值，因此時采樣區是空的，若立即投入啟動元件，會因為突變量而誤動，在中斷服務程序中可看到，若將QDB和ZDB置“1”，可以使啟動元件DI1傍路，既不投入。待中斷開放后經60ms等待，裝置進入穩定，采樣區已有三周波的數據，再在整組復歸環節中把所有標志清零，此時才投入啟動元件DI1。5．其他說明

裝置上電時或復位時中斷會自動關閉，故在初始化和自檢完畢后，應由軟件開放中斷。本裝置的4個CPU硬件完全相同，其初始化和自檢軟件也完全一樣，但每種保護都有一些特殊功能要在循環自檢中進行。循環自檢程序分為通用和專用兩部分。高頻保護的專用自檢程序中設有靜態穩定破環檢測功能，它由一個反應B相III段阻抗元件和反應A相電流的按躲過最大負荷電流整定的電流元件構成。5．其他說明任一個元件動作后，使QDB或ZDB置“1”；從而閉鎖DI1，以免當振蕩再度在附近時因振蕩電流很大導致其誤動。如果在30s內阻抗和電流元件均返回，判斷為靜態穩定破壞，程序轉至振蕩閉鎖模塊，待振蕩停息后整組復歸；如果阻抗和電流元件動作后，持續30s不返回，判斷為過負荷，此時報警“OVLOAD”，并閉鎖保護。10.2高頻保護的中斷服務程序1.采樣計算概述

進入采樣程序流程圖10-37，首先，三相電流、零序電流，三相電壓、零序電壓及線電壓瞬時值同時采樣，采樣后將瞬時值存入隨機儲存器RAM的循環庫存區。應當指出，無論裝置正常運行還是采樣通道，調試都要進入中斷服務程序，都要進行采樣計算。圖10-372、TV的斷線自檢和TA斷線自檢在保護啟動之前，先檢查電壓互感器TV的二次回路是否斷線。在小接地電流系統中可以按下面兩個判據檢查TV二次側斷線。1）正序電壓小于30V,而任一相電流大于0.1A。2）負序電壓大于8V滿足上述任一條件后還必須延時10s才能確定母線TV斷線發出“TV”斷線信號。待電壓恢復后信號復歸。軟件中用專用的TV斷線標志位置“1”標志TV斷線。并通過程序安排自動重合閘。這時，保護見根據整定的控制字決定退出與電壓有關的保護。當TA的二次側斷線或電流通道的中間環節接觸不良時，保護可能誤動作，因此對二次側必須監視，在斷線時閉鎖保護并應報警。在大接地電流系統中用下面兩個條件對零序電流進行判斷。1）變壓器三角測出現零序電流，則判斷為該廁斷線。2）星形側，比較三相電流，如出現差流則判斷該側TA斷線。3、啟動元件為提高保護的可靠性，在保護裝置出口均經啟動元件閉鎖，只有保護啟動后，保護裝置出口閉鎖才能解除。在微機保護中啟動元件是由軟件構成，啟動元件啟動后，其標志位“KST”置1。當采樣中斷服務程序的啟動元件判定保護啟動，則程序轉入故障處理程序。在進入故障處理程序后，CPU的定時采樣仍不斷進行。因此在執行故障處理程序過程中，每隔一個采樣周期T3，程序將重新轉入中斷服務程序。在采樣計算完成后，檢測保護是否啟動過，如KST=1，則不再進入TV、TA自檢及保護啟動程序，直接轉到采樣中斷服務程序出口，然后再回到故障處理程序。10.3高頻保護的故障處理程序高頻保護的故障處理程序流程圖如圖10-38所示。其中允許式邏輯未詳細示出。在電流求和、自檢時檢出有錯或啟動元件DI1啟動后，進入該程序。首先判斷是否為“1”，若，程序將離開故障處理程序而去告警，而只有在啟動元件動作之后（電流求和及自檢通過）才能進入故障處理程序并進行故障計算。對流程圖中主要環節說明如下：1、電流求和及自檢出有錯告警由中斷服務程序可知，當電流求和及自檢不通過時，將置“1”，返回到故障處理程序入口，進入該程序后，首先檢查標志，當時，則告警報告，熄滅運行燈。保護裝置停止執行任何程序，等待運行人員處理。圖10-38故障處理程序流程圖2、在判斷壓板是否投入之前驅動啟動元件的執行元件

KST

若LHCB=0，說明進入故障處理程序是由于啟動元件動作引起的，此時系統有故障，驅動執行元件KST。然后再判斷高頻保護壓板是否投入，若不投入將不進行故障計算而轉至振蕩閉鎖。這里不論壓板是否投入，只要DI1動作，必將驅動KST。由此可見，某一個保護退出，只要將其壓板退出，該插件仍投入運行，決不會影響啟動回路工作。3、電壓互感器二次回路斷線時進入振蕩閉鎖電壓求和及自檢發現有錯，YHCB=1，三相電源失壓時標志JWWYB=1（電壓互感器二次回路斷線）。在這種情況下，進入故障處理程序后并未真正執行高頻保護程序，而是立即進入振蕩閉鎖狀態。在YHCH=1時，同時給出DACERR報告，但不告警，也不應閉鎖保護。4、手合于故障線路

在自檢求和通過、二次回路完好情況下，進入故障處理程序，一定是系統內有故障，DI1動作所致，在進行故障計算之前，先判斷是否手合于故障線路，以便加速跳閘。計算六個阻抗值（ZAB、ZBC、ZCA、ZA、ZB、ZC）中任一個動作，將給出手合出口報告，發出永跳命令（YT），跳后不重合。

為了消除死區，這時阻抗元件的特性帶偏移。5、判定故障相別故障