1、0,第八讲 微机保护装置的软件原理,1,1、微机保护装置的软件原理,（1）软件系统构成微机保护装置软件系统包括管理软件和应用软件两部分。管理软件包括键盘、显示器、指示灯、打印机、通信接口的管理（驱动）程序代码，以及对装置（电路）进行检验、调试、整定而设计的计算机应用程序。应用软件是为完成具体的继电保护功能而设计的程序代码。,2,（2）软件设计方法传统的微机保护软件采用前后台系统的设计方法。主程序被设计成一个无限循环，循环中调用各种功能函数完成相应的保护功能，称为前台行为。中断服务程序处理异步（突发）事件，称为后台行为。随着保护功能的发展，程序代码量的增加，这种前后台系统的程序设计方法暴露出结构
2、复杂、模块性差的缺点，程序的修改、扩展比较困难。,3,现代微机保护装置的管理软件包括嵌入式实时多任务操 作系统（RTOS）以及各种硬件驱动程序。应用软件采用任务 驱动的设计方法，由各种相对独立的保护任务所组成。各种微机保护装置的硬件结构大同小异，区别主要在于 软件方面，特别是应用软件。以往微机保护装置的应用软件 是按一次设备定制的，不同保护装置的软件系统也是不相同。随着高速数字信号处理器（DSPS）、高性能微处理器、 微控制器（MCU）以及嵌入式实时多任务操作系统(RTOS)在继 电保护中的广泛应用，保护装置不仅在硬件方面向一体化方 向发展，而且在软件方面也向一体化方向发展。,4,（3）软件标
3、准化设计问题 对外通信规约的标准化设计 建立在嵌入式实时多任务操作系统RTOS基础上的软 件功能模块的标准化设计,（4）辅助功能的开发 软件运行路径记录功能（透明化设计） 图形化可编程保护与控制功能,2、微机保护的流程图,程序流程图是人们对解决问题的方法、思路或算法的一种描述。微机保护的流程图能够比较直观、形象、清楚地反映保护的工作过程和逻辑关系。,流程图的优点： （1）采用简单规范的符号，画法简单； （2）结构清晰，逻辑性强； （3）便于描述，容易理解。,3、中断功能的作用,为了满足实时系统的快速性和实时性要求，微型机的中断机制是一种很有效的实现手段之一。,中断的作用 当各种参数、信息、活动
4、等需要及时处理时，可以在任意时刻向微机发出中断请求，要求微型机快速响应，达到快速处理的目的。实现微型机和其他设备同时工作，并实现对异常情况的自行处理 中断源 中断优先级别,4、程序流程的基本结构,三种典型的流程结构： （1）顺序结构 （2）切换结构 （3）混合结构,5、电流保护的流程,在微机电流保护中，大致包括系统程序流程和中断服务程序流程。 （1）系统程序； （2）定时中断服务程序； （3）其它中断服务程序。,A、系统程序的流程（主程序流程）,1）初始化 对硬件电路所设计的可编程并行接口进行初始化 是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，以备以后在自检循环
5、时，不断监视开关量输入是否有变化 对装置的软硬件进行一次全面的自检 在经过全面自检后，应将所有标志字清零 进行数据采集系统的初始化 2）系统程序的其它程序 开放中断 自检循环，包括软硬件自动检测、人机对话、定值显示和修改、报文发送。,3）中断服务程序的流程,初始化 控制数据采集系统，将各模拟输入量的信号转换成数字量的采样值，然后存入RAM区的循环寄存器中 时钟计时功能 计算保护功能中用到的所有测量值 将测量电流与段电流定值进行比较 在电流段的功能之后，执行电流段的功能 电流段的功能、逻辑和比较过程均与电流段相似 当、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
6、收回跳闸命令的目的,B、系统程序和中断服务程序的关系,在微型机开中断后，每间隔一个Ts，定时器就会发出一个采样脉冲，随即产生中断请求。于是微型机先暂停一下系统程序，转而执行一次中断服务程序，以保证对输入模拟量的实时采集。,C、电流保护中的方向元件,1） 方程比较法,根据测量得到的电压相量和电流相量判断短路方向。,，最大灵敏角是0。,，最大灵敏 角是 。,2）虚拟阻抗法,利用相量 和 ，求出阻抗 。,动作条件为：,D、提高电流保护灵敏度的方法,三相短路和两相短路的特征,（1）三相短路时（2）两相短路时（3）星/三角变压器后发生两相短路，已有 ，电流保护的灵敏度已经得到提高，本方案不考虑这种情况,
7、线路上发生两相短路的条件为：,6、高压线路保护流程图,1）高压线路保护的程序流程,高压线路的运行方式多变、复杂，高压线路保护需要考虑许多特殊的情况，因而高压线路保护的程序流程图比较复杂。其基本程序流程也包括： （1）系统程序； （2）定时中断服务程序； （3）其它中断服务程序。,高压线路保护的程序流程,（1）与电流保护流程相同部分不再重复介绍 （2）初始化结束后，控制程序进入振荡闭锁方式在数据采集系统刚开始工作时，没有历史数据，所以，突变量启动元件就很容易在正常负荷电流情况下启动，而此时，没有任何记忆分量能够参与保护功能的判别 刚合上直流电源时，如果电力系统正在振荡，那么，突变量启动元件也可能
8、要误动作,高压线路保护的程序流程,（1）系统正常运行系统在正常运行时，启动元件不动作，中断服务程序主要进行数据采集、计算各种测量参数、启动元件判别和数据自检功能，处于监视电力系统是否发生短路的状态，是否出现静稳破坏。系统流程则执行人机对话、定值管理、显示、通讯和各种软硬件自检等功能。 （2）本线路发生短路。本线路发生短路时，启动元件检测出系统发生了短路，于是，一方面驱动启动继电器，开放出口回路的负电源端（参见图137），同时，启动收发讯机（以高频闭锁方式为例）；另一方面，设置启动标志，表明启动元件已经动作了。,（3）非本线路短路； （4）静稳破坏。,三、典型模块的流程,（一）突变量启动 电流突
9、变量作为主要的启动元件，监视绝大部分的故障 再用相电流和零序电流作 为辅助启动元件，监视大 过渡电阻接地等极少数电 流变化较缓慢的故障。,典型模块的流程,（二）阻抗逻辑模块1、阻抗逻辑流程,典型模块的流程,2、阻抗特性,（1）圆特性,（2）多边形特性,典型模块的流程,3、振荡期间再短路 （1）电力系统振荡与短路的区别 系统振荡时，保护安装处的测量电阻随时间不断地持续变化，且有时变化缓慢、有时变化剧烈。,典型模块的流程,3、振荡期间再短路 （1）电力系统振荡与短路的区别被保护线路突然发生短路时，测量电阻先有一个突变，随后，测量电阻基本上为短路电阻RK，其数值变化很小或几乎维持不变。,典型模块的流
10、程,3、振荡期间再短路 （2）振荡闭锁模块的流程,在系统振荡期间，电阻变化率一般小于16倍的RZ定值，所以，不满足条件1的判别条件。如果振荡较剧烈，导致满足条件1，那么，由于电阻变化率仍然会持续变化较大，不会满足条件2，保证不开放。条件3是为了进一步可靠而设计的。这样，经过三个条件的把关，保证在系统振荡期间不会误开放。,27,（1）变电所综合自动化的基本概念变电所综合自动化是利用计算机控制技术、现代通信技术、计算机网络技术、信息处理技术等对变电所的二次设备（包括控制、信号、测量、保护、自动装置以及远动装置等）进行功能组合和优化设计，实现变电所运行和管理的自动化。,7、变电所综合自动化系统中的微
11、机保护与监控,28,（2）变电所综合自动化发展的主要原因 1）常规变电所（包括RTU模式的变电所自动化系统） 二次系统存在诸多缺陷； 2）电力系统的发展对二次设备提出了新的要求； 3）20世纪80年代以来新技术的发展奠定了变电所综 合自动化技术的基础： 数字信号处理（DSP）技术的应用 数字通信技术和光纤技术的应用 计算机网络技术的发展和应用,29,（3）变电所综合自动化系统的主要特征 功能综合化以微机保护和计算机监控系统为主体，综合了 变电所内除交、直流电源以外的全部二次设备功能。 设备、操作、监视微机化，信号数字化，功能软 件化。 结构分布化（功能分层、安装分散）分为变电所层、间隔层和过程
12、层。 通信局域网化、光缆化 运行管理智能化除了具备常规的自动化功能外，还具有强大的 在线自诊断功能。,30,（4）综合自动化系统中的保护与监控集中式对于小型变电所，一般利用一台微型计算机来 实现对整个变电所的保护、测量和监控。,输入 *TV/TA *直流 *设备状态信号,31,分层分布式一般分为两层：变电所层和间隔层。变电所层主要包含所级测控主计算机（通信 管理单元）、当地监控系统和GPS同步时钟等。间隔层主要包含各种按一次设备配置并可分 散安装的保护装置、监控装置和自动装置，他们 与变电所层通信管理单元之间可通过现场总线或 局域网实现信息交换。对于110 kV及以下电压等级的变电所自动化 系
13、统，一般将保护和监控等功能合为一体，成为 保护监控装置，但要保持继电保护功能的相对独 立性。,32,分层分布式,33,随着光电流互感器（OTA）和光电压互感器（OTV）的应用，分层分布式变电所综合自动化系统将分为三层，即变电所层、间隔层和过程层，其中过程层包含开关现场的各种一次设备和OTA/OTV。,34,（5）配电网自动化系统中的微机保护与监控,1）配电自动化（DA)系统的基本概念利用现代电子、计算机、通信及网络技术，对 配电网进行监视、控制及管理的自动化系统。现代信息技术在配电网监控与管理中的应用。发输电网调度自动化技术在配电网中的延伸与 发展。综合性的计算机集成系统，数据、信息应该 共享
14、，各项功能之间应该互相配合。,35,2）配电自动化的功能按实时性分 运行自动化功能 配电网实时监控, 故障定位、隔离、自动恢复供电。故障统计、 管理。 电压及无功管理，负荷管理，管理自动化功能 设备管理，停电管理，检修管理，营业管理,36,（3）配电自动化系统功能按系统结构分,配电自动化 DA,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,37,（4）配电自动化的作用 核心作用是提高供电可靠性, 满足电力监管要求，使用户更满意。 可以减小故障停电范围，缩短用户停电申告处理及故障抢修时间。 提高电能质量（电压水平、波形） 改善用户服务质量 提高生产效率,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,
15、38,（4）配电自动化的作用 实施设备状态捡修 降低电能损耗 提高设备利用率，减少备用容量，推迟基本建设投资，节省总体投资。,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,39,采用DA后,本变电站出线与其他变电站出线“手拉手”供电，可以减少变压器备用容量，节省基本建设投资。,（4）配电自动化的作用,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,40,（5）配电自动化技术的发展 局部馈线自动化阶段 美国、日本上世纪50年代开始，应用重合器、分段器技术，实现馈线故障自动定位、隔离及非故障区段恢复供电。 监控（运行）自动化阶段 70年代应用配网计算机远程监控技术研究。 1988年IEEE出版配电自动化
16、教程，正式提出配电自动化概念。 运行、管理综合自动化阶段 80年代后期，地理信息系统（GIS）技术开始应用于配电网的管理，出现了自动绘图及设备管理（AM/FM/GIS）系统。 离线配电管理系统与实时SCADA/DA系统集成，进入了配电网监控与管理综合自动化发展阶段。,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,41,F点永久故障:CB1跳开后，FTU将故障检测结果送到控制主站，控制主站进行故障定位后，遥控跳开S11、S12，合上CB1，合上St，隔离故障区段，恢复无故障区段供电。,（6）架空环网馈线自动化方案,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,CB1,FTU,St,联络开关,F,S1
17、1,S12,CB1,S21,S22,FTU,RTU,FTU,FTU,控制 主站,FTU,FTU,通讯介质,42,F点故障:CB1跳开，S12跳开，S21跳开; CB1合，S22合，环网柜恢复供电。,电源1,CB1,F,CB2,环网柜,S11,S12,S21,S22,S31,S32,S41,S42,电源2,（7）电缆环网柜馈线自动化方案,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,43,F1点故障:CB1跳开，St合，恢复母线1供电。,CB2,S2,S3,S4,St,S1,CB1,F1,（8）开闭所馈线自动化方案,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,44,F2点故障:CB1跳开，S2跳开
18、，CB1合，恢复供电。 故障隔离及自动恢复供电，可远方遥控，也可由开闭所监控终端（DTU)就地完成。,CB2,S2,S3,S4,St,S1,CB1,F2,（8）开闭所馈线自动化方案,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,45,（9）基于微机保护技术的配电网自动化系统方案 架空线环网供电系统的保护与监控 电缆环网供电系统的保护与监控 开闭所的保护与监控,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,46,架空线环网供电系统的保护与监控,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,CB1,FTU,St,联络开关,F,S11,S12,CB1,S21,S22,FTU,RTU,FTU,FTU,控制
19、主站,FTU,FTU,通讯介质,47,电缆环网供电系统的保护与监控,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,电源1,CB1,F,CB2,环网柜,S11,S12,S21,S22,S31,S32,S41,S42,电源2,48,5.2 配电网自动化系统中的微机保护与监控,开闭所的保护与监控,CB2,S2,S3,S4,St,S1,CB1,F1,F2,49,内 容,1绪论 2微机保护装置的硬件原理 3微机保护算法基础 4微机保护装置的软件原理 5微机保护与监控 6提高微机保护装置可靠性的措施,50,6提高微机保护装置可靠性的措施,（1）微机保护装置的干扰来源主要是通过保护装置端子从外界引入的浪涌（高
20、频信号）。（2）干扰对微机保护装置的影响计算或逻辑错误程序运行出轨元件损坏,51,6提高微机保护装置可靠性的措施,（3）抗干扰措施：1）硬件方面电源滤波屏蔽隔离接地,52,6提高微机保护装置可靠性的措施,（3）抗干扰措施：1）硬件方面,开关量输入回路的光电隔离原理图,53,6提高微机保护装置可靠性的措施,（3）抗干扰措施：1）硬件方面,开关量输出回路的光电隔离原理图,54,6提高微机保护装置可靠性的措施,（3）抗干扰措施：2）软件方面 采样数据的干扰辨识,55,6提高微机保护装置可靠性的措施,（3）抗干扰措施：2）软件方面 采样数据的干扰辨识 对运算结果进行校对运算两次： 两次计算利用完全相同
21、的原始数据 第二次计算所依据的数据窗顺移一个采样点,56,6提高微机保护装置可靠性的措施,（3）抗干扰措施：2）软件方面 采样数据的干扰辨识 对运算结果进行校对 跳闸出口的闭锁,1）在设计出口跳闸回路的硬件时使该回路在执行几条指令后才允许接通； 2）在构成跳闸条件的指令之间插入一段校对程序，它检查RAM区存放的各种标志（保护装置通过各种正常途径进入跳闸程序前应对这些标志进行设置）。,57,6提高微机保护装置可靠性的措施,（3）抗干扰措施：2）软件方面 采样数据的干扰辨识 对运算结果进行校对 跳闸出口的闭锁 其它数字滤波（采样值中值滤波）、空指令、软件陷阱等。,58,6提高微机保护装置可靠性的措施,（3）抗干扰措施：3）硬件自恢复电路, 程序运行出轨时可自行恢复（复位） 当CPU因损坏而停止工作时发出告警信号并闭锁保护,59,6提高微机保护装置可靠性的措施,（4）自动检测技术 CPU的检测（见硬件自恢复电路） 数据采集系统的检测（见采样数据的干扰辨识） RAM的检测 ROM的检测（代码校验） 开关量输出/输入通道的检测（设置专用电路）,60,6提高微机保护装置可靠性的措施,开关量输出回路自检电路,
