1、2022-6-6主要内容5.1 微机保护软件概述5.2 微机保护装置的软件配置 5.3 程序流程的基本结构5.4 电流保护流程图5.1 微机保护软件概述 (1)(1)一套完整的微机继电保护装置实现需要选择合理的继一套完整的微机继电保护装置实现需要选择合理的继电保护原理、数字滤波和算法，设计可靠的硬件电路等等。而电保护原理、数字滤波和算法，设计可靠的硬件电路等等。而微机继电保护软件的开发过程是对继电保护的原理、数字滤波微机继电保护软件的开发过程是对继电保护的原理、数字滤波以及算法的实现过程。以及算法的实现过程。 (2)(2)不论什么原理和功能的保护，微机保护装置的硬件原不论什么原理和功能的保护，
2、微机保护装置的硬件原理基本相同，主要由理基本相同，主要由数据采集系统、微型机主系统和开关量输数据采集系统、微型机主系统和开关量输入入/ /输出回路输出回路组成。组成。 (3)(3)微机继电保护软件开发完成由微机继电保护软件开发完成由需求分析、功能定义、软需求分析、功能定义、软件设计、软件代码编写和测试、整机测试件设计、软件代码编写和测试、整机测试五个阶段组成。五个阶段组成。5.2 微机保护装置的软件配置微机保护的硬件从结构功能的角度微机保护的硬件从结构功能的角度 接口软件接口软件 其软件相应的有其软件相应的有 保护软件保护软件1.接口软件接口软件 接口软件是指人机接口部分的软件，其程序可分为接
3、口软件是指人机接口部分的软件，其程序可分为监控监控程序程序和和运行程序运行程序。5.2.1软件设置软件设置 人机接口人机接口保护保护5.2 微机保护装置的软件配置2. 保护软件保护软件 保护软件配置有保护软件配置有主程序和中断服务程序主程序和中断服务程序。（1 1）主程序通常都有三个基本模块：）主程序通常都有三个基本模块：初始化和自检循环模初始化和自检循环模块块、保护逻辑判断模块保护逻辑判断模块和和跳闸处理模块跳闸处理模块。（2 2）中断服务程序有）中断服务程序有定时采样中断服务程序定时采样中断服务程序和和串行口通信串行口通信中断服务程序。中断服务程序。 （3 3）保护软件有三种工作状态：）保
4、护软件有三种工作状态：运行、调试和不对应状态运行、调试和不对应状态。5.2 微机保护装置的软件配置3. 中断服务程序及微机保护的中断中断服务程序及微机保护的中断 绝大多数的工控计算机应用软件都采用了中断技术，微机保绝大多数的工控计算机应用软件都采用了中断技术，微机保护装置是实时性要求较强的工控计算机设备，更是离不开中断的护装置是实时性要求较强的工控计算机设备，更是离不开中断的工作方式。工作方式。 所谓所谓实时性实时性就是指在限定的时间内，对外来事件能够及时做就是指在限定的时间内，对外来事件能够及时做出迅速反应的特性。出迅速反应的特性。 保护装置为了满足实时性的要求，必须采用带层次要求的保护装置
5、为了满足实时性的要求，必须采用带层次要求的中断工作方式，在这里中断成为保护装置软件的一个重要概念。中断工作方式，在这里中断成为保护装置软件的一个重要概念。 总之，由于外事件是随机产生的，凡需要总之，由于外事件是随机产生的，凡需要CPU立即响应立即响应并及时处理的事件，必须并及时处理的事件，必须用中断的方式实现。用中断的方式实现。5.2 微机保护装置的软件配置上电或复位系统初始化初始化自检工作方式？数据采集初始化开中断故障启动？自检循环程序整组复归故障处理程序监控程序调试方式运行方式YN图5-1微机保护的主程序框图 一种微机保护的主程序流程一种微机保护的主程序流程如图如图5-1所示。所示。 自检
6、循环程序自检循环程序 （1）主程序）主程序 故障处理程序故障处理程序5.2.2 主程序流程主程序流程5.2 微机保护装置的软件配置 （2）初始化自检就是对系统硬件进行全面自检。通过自检，初始化自检就是对系统硬件进行全面自检。通过自检，可以迅速发现保护装置的软、硬件故障，发出警告信号并闭锁可以迅速发现保护装置的软、硬件故障，发出警告信号并闭锁保护出口。保护出口。 自检的内容和方式包括：自检的内容和方式包括： （1）RAM读写检查。读写检查。 （2）定值检查。定值检查。 （3）EPROM求和自检。求和自检。 （4）输出通道（出口跳闸回路）自检。输出通道（出口跳闸回路）自检。5.2 微机保护装置的软
7、件配置 （1 1）运行状态自检包括）运行状态自检包括保护定值监测保护定值监测、开关位置监测开关位置监测（线路微机保护还包含重合闸充电、通道检查、手动合闸判（线路微机保护还包含重合闸充电、通道检查、手动合闸判别等）和别等）和交流电流、电压回路监测等交流电流、电压回路监测等。 （2 2）在自检循环程序中，如果）在自检循环程序中，如果检测检测到到故障启动标志故障启动标志，则进，则进入故障处理程序。入故障处理程序。 （3 3）保护的算法计算是完成微机保护功能的核心模块。其）保护的算法计算是完成微机保护功能的核心模块。其主要内容有：主要内容有：采样数据的数字滤波、故障特征量计算、保护的动采样数据的数字滤
8、波、故障特征量计算、保护的动作判据计算作判据计算等。等。5.2 微机保护装置的软件配置采 样 中 断 程 序数 据 采 集启 动 标 志 置 位启 动 标 志置 位 ？启 动 判 据 计 算启 动元 件 动 作 ？中 断 返 回YN图 5-2采 样 中 断 服 务 程 序 框 图YN （1 1）在自检循环程序中，需）在自检循环程序中，需要响应采样中断，执行要响应采样中断，执行采样中断程采样中断程序。序。5.2.3采样中断程序采样中断程序 （2 2）采样中断程序中主要进采样中断程序中主要进行功能行功能模拟量采集模拟量采集启动判据的计算启动判据的计算5.3 程序流程的基本结构 在微机保护中，在微机
9、保护中，定时中断定时中断通常是最主要的中断方式，下通常是最主要的中断方式，下面仅以定时中断服务程序为例，介绍三种典型的流程机构。面仅以定时中断服务程序为例，介绍三种典型的流程机构。1. 顺序结构顺序结构 在图在图5-35-3（a a）所）所示的一次中断服务流程中，将功能示的一次中断服务流程中，将功能1 1，2 2，完全按顺序完全按顺序执行一遍。当微型机的运行速度较快，在执行一遍。当微型机的运行速度较快，在结合结合DSPDSP技术后，完全可以采取技术后，完全可以采取顺序结构顺序结构的方法来实现继电保的方法来实现继电保护的功能。护的功能。 5.3 程序流程的基本结构 采用图采用图5-35-3（b
10、b）所示的所示的分时切换分时切换的方法，每一次的中断流的方法，每一次的中断流程只执行程只执行1 1，2 2，功能模块中的一个功能。功能模块中的一个功能。这种方法的这种方法的采样间隔时间采样间隔时间小于小于顺序结构的采样间隔顺序结构的采样间隔。如如图图6-3（b）3 混合结构混合结构 图图5-35-3（c c）所示的所示的混合结构混合结构方法介于方法介于顺序结构和切换结构顺序结构和切换结构之间，突出了之间，突出了1 1功能的实时执行功能的实时执行，而而2 2，的个功能采用分时切的个功能采用分时切换执行的方法换执行的方法。仅就中断流程的执行时间来说，具体的采样间仅就中断流程的执行时间来说，具体的采
11、样间 2 切换结构切换结构5.3 程序流程的基本结构（1）顺序法）顺序法 （2）切换法）切换法 （3）混合法）混合法 12SNYTtttt 12m ax,SNYTtttt12max,SNYTtttt12NP按 模 N 加 112NP=0P=1P=N -12NP按 模 （ N -1） 加 11图 5-3 典 型 流 程 结 构 （ a） 顺 序 法 ； （ b） 切 换 法 ； （ c） 混 合 法（ a）（ b）（ c）5.4 电流保护流程图1.系统主程序流程系统主程序流程 在微机电流保护中，一种电流保护的流程如图在微机电流保护中，一种电流保护的流程如图5-45-4所示。所示。图中只画出了系统
12、图中只画出了系统主程序流程主程序流程和和定时中断服务流程定时中断服务流程。5.4.1电流保护流程电流保护流程（1）初始化过程初始化过程从图从图5-45-4（a a）可见，）可见，该模块主要完成如下工作：该模块主要完成如下工作： 其次其次，是读取所有开关量输入的状态。，是读取所有开关量输入的状态。 还有还有，要对装置的软硬件进行一次全面的自检。，要对装置的软硬件进行一次全面的自检。 首先首先，对硬件电路所设计，对硬件电路所设计的可编程并行接。的可编程并行接。5.4 电流保护流程图程 序 入 口（ 上 电 或 R E S E T 后 ）初 始 化开 中 断修 改 定 值 ？有 报 告 ？自 检 时
13、 间 到 ？改 定 值发 送 报 告装 置 有 问 题 ？报 警 ， 存 报 告自 检NYYYYN定 时 中 断 开 始控 制 数 据 采 集 系 统存 储 采 样 值时 钟计 算 ： 和求 ：发 跳 闸 命 令 ， 报 告 I 段 动 作T N 2 + 1T N 2 = 0发 跳 闸 命 令 ， 报 告 段 动 作发 跳 闸 命 令 ， 报 告 段 动 作定 时 中 断 结 束T N 3 = 0 ， 收回 跳 闸 命 令T N 3 + 1acII、()acII+3m a x,m a x ,camacmacIIIIIIIImI?IImI?I2 *?ST NTtm 3I?I3 *?ST NTtN
14、YNYNYNYNY图 5 - 4 电 流 保 护 流 程 图（ a ） 系 统 主 程 序 ； （ b ） 中 断 服 务 程 序（ a ）（ b ）5.4 电流保护流程图（2 2）主程序的其它过程主程序的其它过程 初始化和全面自检初始化和全面自检 开放中断开放中断 数据采集系统投数据采集系统投入入 注意：只要微机保护不退出工作、装置无异常状况，就要不注意：只要微机保护不退出工作、装置无异常状况，就要不断地发出采样脉冲，实时地监视和获取电力系统的采样信号。断地发出采样脉冲，实时地监视和获取电力系统的采样信号。（3 3）主程序与中断服务程序的关系主程序与中断服务程序的关系 在开中断后，微型机实际
15、上是交替地执行系统主在开中断后，微型机实际上是交替地执行系统主程序和中断服务程序的，两个程序流程的时序关系如程序和中断服务程序的，两个程序流程的时序关系如图图5-5所示。所示。5.4 电流保护流程图采样信号IRQIRQIRQIRQAB段流程BC段流程CD段流程XY段流程1kttkt1t2t3t4t5t6tSTSTMNABCDXY主程序中的M-N段程序图5-5程序流程的时序关系（a）系统程序流程示意图；（b）系统程序中断服务程序的时序关系（b）（a）2. 2. 中断服务流程中断服务流程 中断服务程序流程示于图中断服务程序流程示于图5-45-4（b b）。为了使流程和逻）。为了使流程和逻辑更清晰，
16、图中只画了电流元件和时间元件的工作流程。这辑更清晰，图中只画了电流元件和时间元件的工作流程。这是电流保护功能的主体，主要包括以下是电流保护功能的主体，主要包括以下功能功能：5.4 电流保护流程图（1 1）将各模拟输入量的信号转换成数字量的采样值，然后存入）将各模拟输入量的信号转换成数字量的采样值，然后存入RAMRAM区的循环寄存器中。区的循环寄存器中。（2 2）时钟计时功能。）时钟计时功能。（3 3）计算保护功能中用到的测量值。）计算保护功能中用到的测量值。（4 4）测量电流与段电流定值进行比较如果测量电流大于段）测量电流与段电流定值进行比较如果测量电流大于段定值，则立即控制出口回路，发出跳闸
17、命令和动作信号，同时保定值，则立即控制出口回路，发出跳闸命令和动作信号，同时保存段动作信息，用于记录、显示、查询和上传。存段动作信息，用于记录、显示、查询和上传。（5 5）在电流段的功能之后，执行电流）在电流段的功能之后，执行电流II段的功能。段的功能。 （6 6）电流）电流IIIIII段的功能、逻辑和比较过程均与电流段的功能、逻辑和比较过程均与电流IIII段相似，注段相似，注意考虑了第三相电流的合成。意考虑了第三相电流的合成。（7 7）当）当I I、IIII、IIIIII段的电流测量元件都不动作时，再控制出口段的电流测量元件都不动作时，再控制出口回路，使出口继电器处于都不动作状态，达到收回跳
18、闸命令的目回路，使出口继电器处于都不动作状态，达到收回跳闸命令的目的。的。5.4 电流保护流程图5.4.1软件实现方向元件软件实现方向元件 在双电源供电的系统中，为了提高供电的可靠性，保证继在双电源供电的系统中，为了提高供电的可靠性，保证继电保护的选择性通常需要电保护的选择性通常需要配置方向元件配置方向元件，用以区分短路的方向。，用以区分短路的方向。当保护功能需要采用方向元件时，只要在图当保护功能需要采用方向元件时，只要在图5-45-4的流程中，考虑的流程中，考虑方向元件的判断方向元件的判断就可以实现相应的逻辑。就可以实现相应的逻辑。 按接线方式的要求，计算出进行方向比较的两个电气量按接线方式
19、的要求，计算出进行方向比较的两个电气量的相量和。的相量和。mmmmUIUI5.4 电流保护流程图在微机中，相量在微机中，相量 和和 的实部的实部 、虚部均为数字量，所以，通、虚部均为数字量，所以，通过式（过式（5-15-1）的幅值比较方程就可以构成灵敏角）的幅值比较方程就可以构成灵敏角 为的方向元件，为的方向元件，其动作特性如图其动作特性如图5-65-6所示，动作区域为所示，动作区域为 。mU mI0180（5-15-1）)(mmIU)(mmIUmU电流动作区mUmI电流动作区图5-6 灵敏角为 的方向元件动作特性图5-7任意灵敏角的方向元件动作0mI1.1.方程比较方法方程比较方法5.4 电
20、流保护流程图当希望方向元件的动作特性如图当希望方向元件的动作特性如图5-75-7所示时，幅值比较动作所示时，幅值比较动作方程只要改为：方程只要改为：jjmmmmUeIUeI（5-25-2）2.2.虚拟阻抗方法虚拟阻抗方法利用相量利用相量 和和 ，求出阻抗，求出阻抗 , ,如果取如果取 为动作条件，那么就可以构成灵敏角为为动作条件，那么就可以构成灵敏角为 的方向元件，的方向元件，mUmImmURjXI0R 0其动作特性如图其动作特性如图5-85-8所示。动作区域为所示。动作区域为 。 1805.4 电流保护流程图对于低电压电网的方向元件，常用的接线方式是对于低电压电网的方向元件，常用的接线方式是
21、 接线接线。利用与接线方式对应的利用与接线方式对应的 和和 求阻抗时，计算值不一定就求阻抗时，计算值不一定就是短路阻抗（与短路类型有关），因此，将这种方向元件构是短路阻抗（与短路类型有关），因此，将这种方向元件构成的方法称之为成的方法称之为虚拟阻抗法虚拟阻抗法。90mUmIjXR0动 作 区图 5 -8 灵 敏 角 为 的 方 向 元 件 动 作 特 性0 jXR0动 作 区图 5 -9 动 作 区 域 小 于1 8 0 5.4 电流保护流程图 利用微型机的优势和故障的特点，在相同模拟量输入的利用微型机的优势和故障的特点，在相同模拟量输入的情况下，情况下，考虑电流保护整定值随故障类型的不同考虑
22、电流保护整定值随故障类型的不同而自动调整，而自动调整，从而有效地提高电流保护的灵敏度。从而有效地提高电流保护的灵敏度。5.4.2 提高电流保护灵敏度的方法提高电流保护灵敏度的方法 如果将衰减非周期分量和谐波分量的影响用滤波的方法予以如果将衰减非周期分量和谐波分量的影响用滤波的方法予以消除消除，那么，那么，对于只引入对于只引入A、C相电流的相电流的不完全星形接线不完全星形接线，从，从A、C两相电流来看，三相短路和两相短路有如下特征两相电流来看，三相短路和两相短路有如下特征：5.4 电流保护流程图(1)(1)三相短路时，三相电流是对称的三相短路时，三相电流是对称的。于是，由引入的于是，由引入的A、
23、C两两相电流可得相电流可得acacIIII(5-3)(5-3) 其中其中， 为计算得到的第三相电流为计算得到的第三相电流。如果取如果取 和和 ，那么，三相短路时，在理论上有那么，三相短路时，在理论上有 。()acbIIIm axm ax, , acacIIIIIm inm in, , acacIIIIIm a xm in1II( (2 2) )两相短路时，两个故障相的故障电流分量大小相等、方向两相短路时，两个故障相的故障电流分量大小相等、方向相反，非故障相的故障电流分量等于相反，非故障相的故障电流分量等于0 0。 5.4 电流保护流程图于是，在各种相别的两相短路情况下，测量的故障电流和计算于是
24、，在各种相别的两相短路情况下，测量的故障电流和计算电流具有如表电流具有如表5-15-1所示特征。显然，在三相的测量和计算电流中，所示特征。显然，在三相的测量和计算电流中，有有 和和 。min0Im axm inII maxminIIaIcIacbIII 2ABKKIKI 2BCKKIKI 2CAKKIKI故障相别故障相别测量电流测量电流计算电流计算电流000表表 5-1 各相间短路的故障电流分量各相间短路的故障电流分量5.4 电流保护流程图于是，综合上述于是，综合上述（1）和（）和（2）得分析后，可以得到鉴别同一电得分析后，可以得到鉴别同一电压等级上压等级上 。发生。发生两相短路的一种故障分量
25、判别方法两相短路的一种故障分量判别方法为为：（3）由故障分析可知，当下一设备分接线由故障分析可知，当下一设备分接线 的降压变压器时，的降压变压器时，若低压侧发生两相短路，则三相的测量和计算电流中若低压侧发生两相短路，则三相的测量和计算电流中，有有： 。实际上，这种短路情况下，电流保护的灵敏度实际上，这种短路情况下，电流保护的灵敏度已经得到提高，所以，本方案不考虑这种短路情况。已经得到提高，所以，本方案不考虑这种短路情况。Y/maxmin2IIm a xm i nIKI(5-4)(5-4) 式中式中，K为大于为大于2的比例系数，避开第的比例系数，避开第（3）种情况的影响。实种情况的影响。实际应用
26、中，考虑到互感器的传变误差、测量和计算误差，并考际应用中，考虑到互感器的传变误差、测量和计算误差，并考虑一定的裕度，可以取虑一定的裕度，可以取K值为值为45。5.4 电流保护流程图于是，当于是，当 时，判定为时，判定为两相短路两相短路；当；当 时，判定为三相短路。时，判定为三相短路。 在相同运行方式下，同一地点分别发生三相和两相短路在相同运行方式下，同一地点分别发生三相和两相短路时，二者的短路电流关系为：时，二者的短路电流关系为： 。于是，可以构。于是，可以构成图成图5-105-10的流程，提高了电流保护的灵敏度。图中只画出了的流程，提高了电流保护的灵敏度。图中只画出了电流速断逻辑的流程示意图
27、。电流速断逻辑的流程示意图。 图图5-105-10中是按照中是按照最大运行方式最大运行方式和和三相短路情况三相短路情况下，计算下，计算出来的电流速断整定值，此时，灵敏度只要按照最小运行方出来的电流速断整定值，此时，灵敏度只要按照最小运行方式下三相短路来校验。下面，分析灵敏度得到提高的程度。式下三相短路来校验。下面，分析灵敏度得到提高的程度。 m a xm inIKIm axm inIKI(2)(3)KK32II5.4 电流保护流程图计算： 和acII、acII+maxminImax,Imin,acacacacIIIIIIII+求：mI?II发跳闸命令，报告I段动作maxmin/5?IImax3
28、2II至、段判别图 5-10 提高灵敏度的电流速断流程图传统电流速断的最小保护范围为传统电流速断的最小保护范围为 minS min1S max1K13()2lZZ lZZKminS min1S max1K13()2lZZ lZZK(5-5)(5-5) 5.4 电流保护流程图 采用区分故障类型、自动调整电流定值的方法后，电流采用区分故障类型、自动调整电流定值的方法后，电流速断的速断的最小保护范围最小保护范围为为式中：式中： 为电流速断保护的最小保护范围为电流速断保护的最小保护范围； 为线路单位长为线路单位长度的正序阻抗度的正序阻抗； 为电流速断保护的可靠系数为电流速断保护的可靠系数，一般取为一般
29、取为1.21.3；为线路线路全长为线路线路全长（km）；）；为归算到保护安装处的系为归算到保护安装处的系统等值阻抗最小值统等值阻抗最小值 ；为归算到保护安装处的系统等值阻为归算到保护安装处的系统等值阻抗最大值抗最大值 ；minlKKS maxZS minZ1ZminS min1S max1K11()lZZlZZ K(5-6)(5-6) 于是，电流速断的灵敏度得到提高的百分比为于是，电流速断的灵敏度得到提高的百分比为5.4 电流保护流程图S minS minminminK1K113/20.134100%(1) 100%(1) 100%ZZlllKZ lKZ l(5-7)(5-7) 式式（5-6）和和（5-7）中中，各参数的含义与式各参数的含义与式（5-5）相同相同。由式由式（5-7）可以看出灵敏度增加的百分比至为可以看出灵敏度增加的百分比至为 。 取取 时时，灵敏度增加的百分比至少为灵敏度增加的百分比至少为 。顺便指出顺便指出，对于引入三相电流构成的电流保护来说，很容易通过，对于引入三相电流构成的电流保护来说，很容易通过故障电流的特征故障电流的特征区分出是两相短路还是三相短路，实现提高电流区分出是两相短路还是三相短路，实现提高电流保护灵敏度的目的。保护灵敏度的目的。 m inK0.134100%KK1.25Kmin10.7%
