第七章-微機(jī)保護(hù)課件

第七章微機(jī)保護(hù)第一節(jié)

微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)簡介第二節(jié)微機(jī)保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)

第三節(jié)微機(jī)保護(hù)裝置的軟件構(gòu)成第四節(jié)提高微機(jī)保護(hù)可靠性的措施

第一節(jié)

微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)簡介一、微機(jī)保護(hù)的應(yīng)用和發(fā)展概況近四十年來，計算機(jī)技術(shù)發(fā)展很快，其應(yīng)用廣泛而深入地影響著科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)和生活等各個領(lǐng)域。有關(guān)計算機(jī)保護(hù)的研究及開發(fā)就是電力系統(tǒng)計算機(jī)在線應(yīng)用的重要組成部分。我國在這方面的起步相對較晚，但進(jìn)展卻很快。我國在這方面的起步相對較晚，但進(jìn)展卻很快。1984年上半年，華北電力學(xué)院研制的第一套以6809(CPU)為基礎(chǔ)的距離保護(hù)樣機(jī)投入試運行。1984年底在華中工學(xué)院召開了我國第一次計算機(jī)繼電保護(hù)學(xué)術(shù)會議，這標(biāo)志著我國計算機(jī)保護(hù)的開發(fā)開始進(jìn)入了重要的發(fā)展階段。進(jìn)入90年代，我國已陸續(xù)推出了不少成型的微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品。

1．高速數(shù)據(jù)處理芯片的應(yīng)用2．微機(jī)保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化3．保護(hù)、控制、測量、信號、數(shù)據(jù)通信一體化4．繼電保護(hù)的智能化5．自適應(yīng)繼電保護(hù)6．暫態(tài)保護(hù)微機(jī)保護(hù)的發(fā)展：二、微機(jī)保護(hù)裝置的特點1．維護(hù)調(diào)試方便2．可靠性高3．易于獲得附加功能4．靈活性大5．良好的性價比

第二節(jié)微機(jī)保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)

微機(jī)保護(hù)硬件示意框圖如下圖所示。1.數(shù)字核心部件微機(jī)保護(hù)裝置的數(shù)字核心部件實質(zhì)上是一臺特別設(shè)計的專用微型計算機(jī)，一般由中央處理器（CPU）、存儲器、定時器/計數(shù)器及控制電路等部分構(gòu)成，并通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線連成一個系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和操作控制。CPU主要有以下幾種類型：（1）單片微處理器（2）通用微處理器（3）數(shù)字信號處理器（DSP）2.模擬量輸入（AI）接口部件繼電保護(hù)的基本輸入電量是模擬性質(zhì)的電信號。一次系統(tǒng)的模擬電量可分為交流量、直流量以及各種非電量。它們經(jīng)過各種互感器轉(zhuǎn)變?yōu)槎坞娦盘?，再由引線端子進(jìn)入微機(jī)保護(hù)裝置。這些由互感器輸入的模擬電信號還要正確地變換成離散化的數(shù)字量。典型的交流AI接口按信號流程主要包括以下各部分：輸入變換及電壓形成回路、前置模擬低通濾波器（ALF）、采樣保持（S/H）電路、模數(shù)變換（A/D）電路。

3.開關(guān)量輸入（DI）接口部件

這里開關(guān)量泛指那些反映“是”或“非”兩種狀態(tài)的邏輯變量，如斷路器的“合閘”或“分閘”狀態(tài)、開關(guān)或繼電器觸點的“通”或“斷”狀態(tài)、控制信號的“有”或“無”狀態(tài)等。繼電保護(hù)裝置常常需要確知相關(guān)開關(guān)量的狀態(tài)才能正確動作，外部設(shè)備一般通過其輔助繼電器觸點的“閉合”與“斷開”來提供開關(guān)量狀態(tài)信號。

4.開關(guān)量輸出（DO）接口部件微機(jī)保護(hù)裝置通過開關(guān)量輸出的“0”或“1”狀態(tài)來控制執(zhí)行回路（如告警信號或跳閘回路繼電器觸點的“通”或“斷”），因此開關(guān)量輸出接口簡稱為DO（DigitalOutput）接口。DO接口的作用是為正確地發(fā)出開關(guān)量操作命令提供輸出通道，并在微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)外部之間實現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減少外部干擾。5.人機(jī)對話接口（MMI）部件

人機(jī)對話接口稱為MMI（Man-MachineInterface）,其作用是建立起微機(jī)保護(hù)裝置與使用者之間的信息聯(lián)系，以便對保護(hù)裝置進(jìn)行人工操作、調(diào)試和得到反饋信息。繼電保護(hù)裝置的操作主要包括整定值和控制命令的輸入等；而反饋信息主要包括被保護(hù)的一次設(shè)備是否發(fā)生動作以及保護(hù)裝置本身是否運行正常等。微機(jī)保護(hù)裝置采用智能化人機(jī)界面使人機(jī)信息交換功能大為豐富、操作更為方便。

6．外部通信接口（CI）部件

外部通信接口簡稱為CI（CommunicationInterface），其作用是提供與計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程通信網(wǎng)的信息通道。CI可分為兩大類：一類CI實現(xiàn)特殊保護(hù)功能的專用通信接口，另一類CI為通用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口，可與電站計算機(jī)局域網(wǎng)以及電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)相連。第三節(jié)微機(jī)保護(hù)裝置的軟件構(gòu)成一、微機(jī)保護(hù)裝置的基本軟件流程

微機(jī)保護(hù)裝置除了具備高性能的保護(hù)功能外，其它的主要基本功能包括保護(hù)裝置的系統(tǒng)監(jiān)控、人機(jī)對話、通信、自檢、事故記錄及分析報告以及調(diào)試功能。微機(jī)保護(hù)裝置的基本軟件流程由主程序流程和中斷服務(wù)程序流程構(gòu)成。前者執(zhí)行對整個系統(tǒng)的監(jiān)控以及實時性要求相對較低的各項輔助功能；后者按采樣周期不斷地定時中斷前者，周期性地執(zhí)行實時性要求較高的保護(hù)和輔助功能。1．微機(jī)保護(hù)裝置軟件的主流程及主循環(huán)保護(hù)裝置在合上電源（簡稱上電）或硬件復(fù)位（簡稱復(fù)位）后，首先進(jìn)入第1框，執(zhí)行系統(tǒng)初始化。其作用是使整個硬件系統(tǒng)正處于正常工作狀態(tài)，通常包括與各存儲器相應(yīng)的可用地址空間的設(shè)定、輸入或輸出口的定義、定時器功能的設(shè)定、中斷控制器的設(shè)定以及安全機(jī)制等其它功能的設(shè)定、地址空間的分配、各數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的定義、各個控制標(biāo)志的初設(shè)、整定值的換算與加載、各輸入輸出口的置位或復(fù)歸等等。1．微機(jī)保護(hù)裝置軟件的主流程及主循環(huán)然后，程序執(zhí)行上電后的全面自檢。自檢是微機(jī)保護(hù)裝置軟件對自身硬軟件系統(tǒng)工作狀態(tài)正確性和主要元器件完好性進(jìn)行自動檢查的簡稱。通過自檢可以迅速地發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置缺陷，發(fā)出告警信號并閉鎖保護(hù)出口，等待技術(shù)人員排除故障，從而使微機(jī)保護(hù)裝置工作的可靠性、安全性得到根本性的改善。上電自檢完成后，判別自檢是否通過：若自檢不能通過將發(fā)出告警信號并閉鎖保護(hù)，然后等待人工復(fù)位；若上電自檢通過，則進(jìn)入保護(hù)功能程序開始進(jìn)行。

1．微機(jī)保護(hù)裝置軟件的主流程及主循環(huán)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集初始化和啟動定時采樣中斷模塊主要是對循環(huán)保存采樣數(shù)據(jù)的存儲區(qū)（稱為采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)）進(jìn)行地址分配，設(shè)置標(biāo)志當(dāng)前最新數(shù)據(jù)的動態(tài)地址指針，然后按規(guī)定的采樣周期對控制循環(huán)采樣的中斷定時器賦初值并另其啟動，開放采樣中斷。從此定時器開始每隔一個采樣周期循環(huán)產(chǎn)生一次采樣中斷請求，由采樣中斷服務(wù)程序（后面介紹）響應(yīng)中斷，周而復(fù)始地運轉(zhuǎn)。1．微機(jī)保護(hù)裝置軟件的主流程及主循環(huán)閉鎖保護(hù)模塊通過設(shè)置閉鎖保護(hù)的控制字，通知采樣中斷服務(wù)程序暫時不要執(zhí)行啟動元件、故障處理程序等相關(guān)功能。等待一段時間使采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)獲得足夠的數(shù)據(jù)供計算使用。在具備足夠的采樣數(shù)據(jù)之后，進(jìn)入重新開放保護(hù)功能，此后主程序進(jìn)入主循環(huán)。1．微機(jī)保護(hù)裝置軟件的主流程及主循環(huán)主循環(huán)在數(shù)字保護(hù)正常運行過程中是一個無終循環(huán)，只有在復(fù)位操作和自檢判定出錯時才會中止。在主循環(huán)過程中，每逢中斷到來，當(dāng)前任務(wù)被暫時中止，CPU響應(yīng)中斷并轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)；CPU完成中斷服務(wù)任務(wù)后又返回主循環(huán)，繼續(xù)剛才被中斷的任務(wù)。主循環(huán)利用中斷服務(wù)的剩余時間來完成各種非嚴(yán)格定時的任務(wù)，譬如通信任務(wù)處理、人機(jī)對話處理、調(diào)試任務(wù)處理、故障報告處理以及運行自檢等。1．微機(jī)保護(hù)裝置軟件的主流程及主循環(huán)人機(jī)對話處理模塊如掃描鍵盤及控制按鈕、在LCD上顯示數(shù)據(jù)等可對各種操作命令進(jìn)行解釋和分類，并按任務(wù)類別交給相應(yīng)的任務(wù)處理程序執(zhí)行。1．微機(jī)保護(hù)裝置軟件的主流程及主循環(huán)故障報告文件處理程序主要是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障或者數(shù)字式保護(hù)裝置自身發(fā)生故障時，微機(jī)保護(hù)裝置在完成處理任務(wù)之后，可自動生成、保存并通過信息網(wǎng)絡(luò)向電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提交故障報告。故障報告對于系統(tǒng)事故的追憶和分析，以及對于保護(hù)裝置自身動作正確性的評估有非常重要的作用。

1．微機(jī)保護(hù)裝置軟件的主流程及主循環(huán)最后運行自檢模塊。若自檢判定保護(hù)裝置出錯，則告警并閉鎖保護(hù)，然后等待人工復(fù)位；若自檢通過則繼續(xù)執(zhí)行主循環(huán)程序。自檢任務(wù)由于處理量較大，需要通過分時和循環(huán)執(zhí)行程序來完成。至此完成了一次主循環(huán)的過程，返回到通信任務(wù)處理，然后周而復(fù)始。1．微機(jī)保護(hù)裝置軟件的主流程及主循環(huán)2．采樣中斷服務(wù)程序的流程采樣中斷服務(wù)程序并不只是進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)采集（即采樣和A/D變換），通常還需完成通信數(shù)據(jù)收發(fā)、運行自檢、調(diào)試、啟動檢測及故障處理等任務(wù)。采樣中斷服務(wù)程序首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，主要完成各通道模擬信號的采樣和A/D變換，并將采集的數(shù)據(jù)按各通道和時間的先后順序存入采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并標(biāo)定指向最新采樣數(shù)據(jù)的地址方針。

通信數(shù)據(jù)收發(fā)處理主要完成通信所要求的直接接受和發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)，對于規(guī)定在中斷服務(wù)程序中應(yīng)做出響應(yīng)的通信處理任務(wù)也必須迅速加以執(zhí)行。采樣中斷的速率必須足夠高，在滿足采樣率規(guī)定指標(biāo)的同時，必要時還應(yīng)兼顧與通信速率相匹配，滿足不遲滯發(fā)送數(shù)據(jù)和不丟失接收數(shù)據(jù)的要求。2．采樣中斷服務(wù)程序的流程運行自檢處理模塊完成那些必須在中斷服務(wù)程序中完成的運行自檢任務(wù)，然后進(jìn)行判斷：若運行自檢沒有通過則進(jìn)行裝置故障告警、閉鎖保護(hù)等處理，并置相關(guān)標(biāo)志，然后直接從中斷返回，等候人工處理；若自檢通過則可以執(zhí)行后續(xù)任務(wù)。中斷服務(wù)中完成的運行自檢任務(wù)是指輸入輸出回路的自檢、工作電源的自檢等，

2．采樣中斷服務(wù)程序的流程判斷保護(hù)功能是否開放主要作用是在保護(hù)裝置上電或系統(tǒng)復(fù)位之后需等待一段時間使采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)獲得足夠的數(shù)據(jù)供保護(hù)功能計算使用。若保護(hù)功能尚未開放，則從中斷返回，繼續(xù)等待；保護(hù)功能已開放，則開始執(zhí)行保護(hù)處理功能。2．采樣中斷服務(wù)程序的流程判別當(dāng)前保護(hù)裝置的基本工作方式模塊，根據(jù)當(dāng)前工作方式執(zhí)行不同的流程；若為調(diào)試方式，則在完成由調(diào)試功能規(guī)定必須在中斷服務(wù)中執(zhí)行的處理任務(wù)后即可從中斷返回；若為運行方式，則直接進(jìn)入判別啟動標(biāo)志是否置位。2．采樣中斷服務(wù)程序的流程判別啟動標(biāo)志是否置位模塊，若已置位則說明在此次中斷之前啟動元件已經(jīng)檢測到了可能的系統(tǒng)事故擾動，當(dāng)前暫時無需再計算啟動判據(jù)和進(jìn)行啟動判定，于是直接框執(zhí)行故障處理程序。若啟動標(biāo)志未被置位則進(jìn)行啟動判據(jù)處理，并對是否滿足啟動條件作出判斷、若判斷為滿足啟動條件，則標(biāo)定故障發(fā)生時刻，啟動標(biāo)志置位，為下一次響應(yīng)采樣中斷后的判別做好準(zhǔn)備，接著也執(zhí)行故障處理程序；若不滿足啟動條件，表明當(dāng)前沒有系統(tǒng)事故擾動，便可從中斷返回。2．采樣中斷服務(wù)程序的流程故障處理程序模塊，它是完成保護(hù)功能，形成保護(hù)動作特性的核心部分。其基本功能和處理步驟，主要包括：①數(shù)字濾波及特征量計算；保護(hù)判劇計算及動作特性形成；③邏輯時序處理；④告警與跳閘出口處理；⑤后續(xù)動作處理，如重合閘及啟動斷路器失靈保護(hù)等；⑥故障報告形成及整組復(fù)歸處理。2．采樣中斷服務(wù)程序的流程二、距離保護(hù)的軟件流程

一個完整的距離保護(hù)使由很多個不同功能的元件組成的，主要包括啟動元件、故障類型及故障相判別元件（即組選元件）、距離元件、振蕩閉鎖及故障再開放元件等基本元件，以及自動重合閘、重合于故障加速保護(hù)、手合于故障加速保護(hù)、TV及TA斷線閉鎖等輔助元件。距離保護(hù)故障處理程序流程首先進(jìn)行距離保護(hù)動作判據(jù)的計算和處理。這是距離保護(hù)故障處理的核心之一，包括基本特征量的計算、故障類型及故障相判別、動作方程的計算處理及動作特性形成，最終對保護(hù)區(qū)內(nèi)外故障作出判斷。另外，諸如振蕩閉鎖及故障再開放條件、重合閘條件、重合閘后加速保護(hù)條件以及合閘于故障加速保護(hù)動作條件等輔助判據(jù)也需要在此模塊內(nèi)設(shè)計完畢。計算和處理完成后，將所有這些結(jié)果交給后續(xù)邏輯和時序處理程序段。二、距離保護(hù)的軟件流程

進(jìn)入邏輯和時序處理程序段后，首先判別系統(tǒng)發(fā)生了靜穩(wěn)破壞事故，若啟動，則進(jìn)入關(guān)閉短時開放保護(hù)功能，從而使距離保護(hù)可立即并在下一次進(jìn)入采樣中斷服務(wù)時可直接進(jìn)行振蕩閉鎖的處理；若不是啟動，意味著保護(hù)是由短路故障啟動判據(jù)啟動的，表明線路上已發(fā)生了短路故障，則檢查是否到達(dá)了短時開放時間：若未達(dá)到，表明可直接進(jìn)行短路性質(zhì)和區(qū)域的判別；若已達(dá)到短時開放時間，表明系統(tǒng)隨后可能將要出現(xiàn)由內(nèi)外部短路引起的系統(tǒng)振蕩，未防止系統(tǒng)振蕩引起距離保護(hù)后續(xù)處理的誤判斷（誤動），也需要進(jìn)入關(guān)閉短時開放保護(hù)功能，使距離保護(hù)進(jìn)入振蕩閉鎖的處理。二、距離保護(hù)的軟件流程

然后，故障處理程序判別是否已啟動重合閘：若否，則繼續(xù)后面的其它流程；若是，說明在此之前已進(jìn)行了跳閘并啟動了重合閘操作，則進(jìn)入重合閘流程。接下來，判別是否手動合閘狀態(tài)：若是，則進(jìn)入手動合閘加速模塊，在加速模塊中若滿足手合于故障的條件，則出口永跳三相；若不是手動合閘狀態(tài)，則進(jìn)入正常按三段延時故障處理的邏輯和時序過程。二、距離保護(hù)的軟件流程

接下來，故障處理程序判別故障地點是否處在距離保護(hù)Ⅰ段保護(hù)區(qū)內(nèi)：若不在Ⅰ段區(qū)內(nèi)，則先設(shè)定Ⅰ段區(qū)外標(biāo)志，然后轉(zhuǎn)到進(jìn)行保護(hù)Ⅱ段區(qū)內(nèi)判斷；若在Ⅰ段區(qū)內(nèi)，則進(jìn)行短時開放是否關(guān)閉的判斷：若未關(guān)閉，表明當(dāng)前仍在短時開放時間內(nèi)，距離保護(hù)Ⅰ段動作，發(fā)出跳閘令并置啟動重合閘標(biāo)志，然后轉(zhuǎn)向整組復(fù)歸的時間判定和處理；若短時開放已關(guān)閉，判斷是否滿足振蕩閉鎖開放條件；若滿足，表明（在振蕩過程中）的確發(fā)生了距離保護(hù)Ⅰ段保護(hù)區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)可進(jìn)入動作跳閘，接下來流程與上相同；若不滿足振蕩閉鎖開放條件，則不允許跳閘，程序從中斷返回，等待下一次中斷再判斷和處理。二、距離保護(hù)的軟件流程

判別故障地點是否處在距離保護(hù)Ⅲ段保護(hù)區(qū)內(nèi)：若不在Ⅲ段保護(hù)區(qū)內(nèi)，表明故障位于Ⅲ段以外（外部故障），則先將Ⅲ段定時器清零，并置外部故障標(biāo)志，然后進(jìn)行等待整組復(fù)歸處理；若在Ⅲ段保護(hù)區(qū)內(nèi)，則進(jìn)入延時處理。判斷是否達(dá)到保護(hù)Ⅲ段延時時間：若未達(dá)到延時，則需繼續(xù)等待，程序從中斷返回，等待下一次中斷再作判斷和處理；若已到達(dá)延時時間，則直接發(fā)三相永跳令，然后轉(zhuǎn)向整組復(fù)歸處理。二、距離保護(hù)的軟件流程

第四節(jié)提高微機(jī)保護(hù)可靠性的措施一、抗干擾措施

1．對輸入采樣值的抗干擾糾錯保護(hù)裝置的模擬輸入量之間存在著某些可以利用的規(guī)律。例如，三相電流和零序電流之間有

ia+ib+ic=3i0

求和檢查不僅可以抗干擾，還可以用來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件損壞故障。上述方法稱為電流求和自檢。對于電壓回路也可進(jìn)行類似的求和自檢。2．運算過程的校核糾偏針對CPU在運算過程中可能因強大的干擾而導(dǎo)致運算出錯的問題，可以將整個運算進(jìn)行多次，以核對運算是否有誤。這種校對可以有兩種做法：①在運算結(jié)束后，由程序安排使CPU先把運算結(jié)果暫存起來，再利用同樣的原始數(shù)據(jù)，按同樣的運算式再算一遍，并同前一次計算結(jié)果比較，兩次的計算結(jié)果應(yīng)當(dāng)完全一樣。如果兩次結(jié)果不一樣，則再算，三取二表決，或直到兩次結(jié)果一樣。②連續(xù)的多次計算不利用完全相同的原始數(shù)據(jù)，而當(dāng)?shù)诙斡嬎銜r將算法所依據(jù)的數(shù)據(jù)窗順移一個采樣值。3．保護(hù)出口的閉鎖在干擾造成程序出格后，CPU可能執(zhí)行一系列非預(yù)期的指令。如不采取措施，則在此過程中可能碰到一條非預(yù)期的指令正好是跳閘指令而使保護(hù)誤動作。防止這種誤動作的措施是在設(shè)計出口跳閘回路的硬件時應(yīng)當(dāng)使該回路必須在連續(xù)執(zhí)行幾條指令后才能出口。

4.程序出格的自恢復(fù)（看門狗）若在強大的干擾下造成了保護(hù)程序出格，應(yīng)該迅速發(fā)現(xiàn)程序出格，并能自動地使其重新恢復(fù)正常，以免被保護(hù)對象發(fā)生故障時保護(hù)拒動。但此時任何軟件措施都無濟(jì)于事，因為CPU已不再按預(yù)定的程序工作，因此必須用專用的硬件電路來檢測程序出格，并實現(xiàn)自動恢復(fù)正常的功能。看門狗電路主要是可被清除的定時脈沖發(fā)生器，其通常由單穩(wěn)觸發(fā)器或計數(shù)器構(gòu)成。

二、自動檢測技術(shù)（自檢）1.可讀寫存儲器RAM自檢對裝置RAM區(qū)的每一個地址，可以循環(huán)地進(jìn)行自動檢測。通過對該RAM地址寫入全“0”即00H和全“1”即FFH檢測其是否良好。應(yīng)當(dāng)注意對于某些存放重要標(biāo)志字的RAM地址的檢測不允許被中斷，必須在最高優(yōu)先權(quán)級的中斷服務(wù)程序中進(jìn)行。2．只讀存儲器EPROM(EEPROM