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1、第二章 微机保护的软件原理,微机保护硬件工作过程现场采集到的交流量经模拟量输入回路，转换成数字量，存放在RAM；经CPU调用存放在EPROM的程序对采集的数据进行计算，计算结果与存放在E2PROM的定值比较，并结合开关量输入情况作出相应的判断；发现系统异常，通过输出通道动作于信号或断路器跳闸；人机对话主要用于调试、整定、监视装置。,多CPU微机保护装置特点按功能配置多个CPU模块，模块硬件相同，分别完成不同的保护及人机接口功能；任一模块损坏不影响其它模块工作，减少闭锁整套装置的可能；可实现三取二的保护启动方式，提高保护动作的可靠性；采用主从分布式的工控系统，既提高装置整体可靠性，又方便运行中对
2、某一保护维护。,2.1 微机保护软件系统配置,微机保护软件包括接口软件和保护软件。（1）接口软件 接口软件指人机接口软件，包括监控程序和运行程序两部分；运行程序又分主程序和中断服务程序。监控程序：键盘命令处理程序，完成调试和整定；运行程序:-主程序：完成巡检、键盘扫描、信息排列及打印；-中断服务程序：分软件时钟程序（产生定时中断服务）、对时程序、检测启动程序（保护是否起动）,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：（a）采用简单规范的符号，画法简单；（b）结构清晰，逻辑性强
3、；（c）便于描述，容易理解。,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-定时器中断、通信中断、异常中断中断优先级别,（2）保护软件 各CPU保护软件配置主程序和两个中断服务程序。主程序：配置初始化和自检循环模块、保护逻辑判断模块、跳闸（及后加速）处理模块；后两个模块又称故障处理模块；保护逻辑判断模块随保护装置而定，其它两模块基本相同；定时采样中断服务程
4、序（依采样算法和装置要求）和串行口通信中断服务程序（按通信规约）,（3）保护软件三种工作状态 保护工作状态可由面板切换开关或菜单选择。“运行”保护处于运行状态，执行保护主程序和中断服务程序；“调试”选“调试”工作状态后复位CPU，用于保护调试；“不对应”选“调试”工作状态不复位CPU，用于对模数插件进行调试，防止频繁报警和动作。,不对应状态的进入：方式开关在运行位置上电，然后再将方式开关转至调试位置，不按复位按钮，进入“不对应”状态不对应状态下该保护只有采样功能不对应状态主要用于调试数据采集系统,微机保护的程序模块主程序采样中断服务程序保护起动元件逻辑故障处理程序跳闸及后加速逻辑程序,1。主程
5、序框图,上电或复归,初始化（一）,工作方式,初始化（二）,全面自检,数据采集系统初始化,QDB=1ZDB=1,开放中断,等待60ms,下接A,调试,至监控程序,不通过,告警,A,整组复归入口,清零所有标志及计数器（包括清零QDB和ZDB）所有开出量返回,有报告？,通用自检项目,保护专用自检项目,CX自检循环,N,Y,向人机对话插件送报告,（1）初始化,（2）自检内容和方式,障字符代码）和故障时间及故障类型说明。,（3）开放中断和等待中断,（4）自检循环,2。采样中断服务程序框图,采样中断服务程序框图如图所示。主要包括采样计算，TA、TV断线自检和保护起动元件三个部分。同时还可以根据不同的保护特
6、点，增加一些检测被保护系统状态的程序。,（1）TV断线自检对小接地电流系统，当正序电压小于30V，任一相电流大于0.1A，且负序电压大于8V，延时10s不消失，可判断TV断线；对大接地电流系统，可用,（2）TA断线自检,(3)起动元件,突变量起动，两两相邻周期突变量差；,段电流起动元件起动元件能否起动，还需判断相应的连接片、软压板等开入量是否满足要求。,3、故障处理程序原理,微机保护软件原理,4、主程序与各模块间关系,主程序,保护逻辑判断,跳闸及后加速,采样中断,故障处理,保护起动,返回,保护装置正常运行时，执行主程序进行自检循环；定时中断执行采样服务；判断一次系统正常，采样完成后返回主程序；
7、若判断故障，启动保护，进入故障处理程序；经保护逻辑判断，区内故障驱动出口跳闸；区外故障或故障消失，返回主程序（无采样中断信号）；保护延时大于采样间隔，定时中断也可进入采样服务。,保护程序结构图,初始化及自检,整组复归,自检循环,采样,启动元件启动？,故障计算,主程序入口,中断程序入口,故障处理程序入口,响应中断,从中断返回,从中断返回,Y,N,整组复归入口,上电或复位,初始化(1),工作方式？,初始化(2),全面自检,数据采集系统初始化,QDB=1，ZDB=1,开中断,等待60ms,清所有标志，开出量返回,有报告？,通用自检,专用自检,打印报告,调试,运行,错误,通过,告警,自检循环,整组复归
8、,主程序流程图,主程序,功能 初始化自检打印报告振荡闭锁模块执行 上电复位,中断服务程序,功能采样（读数）电流电压求和自检启动元件（DI1）发展性故障判别元件DI2执行 响应定时器中断后执行每TS时间执行一次在TS内必须执行完毕,故障处理程序,功能故障计算保护逻辑（重合闸逻辑）跳（合）闸逻辑执行启动元件动作后进入该程序,主要标志及含义,QDB：起动标志，由DI1动作时置“1”ZDB：振荡闭锁标志，进入振荡闭锁时置“1”标志QDB和ZDB置“1”（初始时标志位），使起动元件DI1旁路，暂时退出突变量启动元件，以防在采样存储不足够的采样值前有突变量而误动待中断开放后经过60ms等待，装置进入稳态，
9、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，此时才投入起动元件DI1LHCB：电流求和出错标志，求和出错时置“1”YHCB：电压求和出错标志，求和出错时置“1”DIFLGB：发展性故障标志，DI2动作时置“1”SXB：收信标志，收信机收到信号持续57ms时，置该标志为“1”,QDB和ZDB标志对程序的切换,QDB1和ZDB1时，只有采样功能QDB0、ZDB0时，采样、电压电流求和自检和起动元件DI1均投入QDB1、ZDB0时，若判断为单相接地故障投入DI2QDB0、ZDB1时，进入振荡闭锁状态，求和自检、DI1和DI2均退出,电流电压求和自检,电压求和自检有问题，使标志YHCB1
10、，告警并退出保护电流求和自检有问题，使标志LHCB1，并使QDB1，告警报告DACERR，关闭采样中断，闭锁保护可检测电压互感器二次一相或两相断线，数据采集系统异常、电流互感器二次回路断线,2.2 微机保护的算法,一、概述,算法定义,微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法称为算法。,算法的分类,1、根据输入电气量的若干采样值计算保护所反应的量值，然后与给定值进行比较；2、根据动作方程来判断故障是否在动作区内。,性能指标,1、精度2、速度。（1）算法所要求的采样点数（数据窗长度）（2）算法的运算工作量3、算法的数字滤波功能,二、正弦
11、函数模型法,下面几种算法都是假定被采样的电压、电流信号都是纯正弦函数，既不含非周期分量，又不含谐波分量。因而，可利用正弦函数的种种特性，从若干个离散化采样值中计算出电流、电压的幅值、相位角和测量阻抗等量值。,1半周积分算法,半周积分算法的依据是,(8-6),即正弦函数半周积分与其幅值成正比。,式中uk第K次采样值;N一周期T内的采样点数;u0k0时的采样值;u N/2 kN/2时的采样值。求出积分值S后，应用式(8-6)可求得幅值。因为在半波积分过程中，叠加在基频成分上的幅值不大的高频分量，其对称的正负半周相互抵消，剩余未被抵消的部分占的比重就减少了，所以，这种算法有一定的滤波作用。另外，这一
12、算法所需数据窗仅为半个周期，即数据长度为10ms。,式(8-6)的积分可以用梯形法则近似求出：,2.导数算法,导数算法是利用正弦函数的导数为余弦函数这一特点求出采样值的幅值和相位的一种算法。,设,则,(8-8),很容易得出,(8-9),(8-10),和,(8-11),根据式(8-8)，我们也可推导出,(8-12),(8-13),式(8-9)式(8-13)中，u、i对应tk 时为uk、ik，均为已知数，而对应tk-1和tk+1的u、i为u k-1、u k+1、i k-1、i k+1，也为已知数，此时,(8-14),（8-15）,（8-16）,（8-17）,导数算法最大的优点是它的“数据窗”即算法
13、所需要的相邻采样数据是三个，即计算速度快。导数算法的缺点是当采样频率较低时，计算误差较大。,3两采样值积算法,两采样值积算法是利用2个采样值以推算出正弦曲线波形，即用采样值的乘积来计算电流、电压、阻抗的幅值和相角等电气参数的方法，属于正弦曲线拟合法。这种算法的特点是计算的判定时间较短。,设有正弦电压、电流波形在任意二个连续采样时刻tk、tk+1（tk）进行采样，并设被采样电流滞后电压的相位角为，则tk和tk1时刻的采样值分别表示为式(8-18)和式(8-19)。,（8-18）,（8-19）,式中，TS为两采样值的时间间隔，即TStk+1 tk。,由式(8-18)和式(8-19)，取两采样值乘积
14、，则有,（8-20）,（8-21）,（8-22）,（8-23）,式(8-20)和式(8-21)相加，得,（8-24）,式(8-22)和(8-23)相加，得,（8-25）,将式(8-25)乘以cosTS再与式(8-24)相减，可消去tk项，得,(8-26),同理，由式(8-22)与式(8-23)相减消去tk项，得,(8-27),在式(8-26)中，如用同一电压的采样值相乘，或用同一电流的采样值相乘，则 0，此时可得,(8-28),(8-29),由于TS、sinTS、cosTS均为常数，只要送入时间间隔TS的两次采样值，便可按式(8-28)和式(8-29)计算出Um、Im。,以式(8-29)去除式
15、(8-26)和式(8-27)还可得测量阻抗中的电阻和电抗分量，即,(8-30),(8-31),由式(8-28)和式(8-29)也可求出阻抗的模值,(8-32),由式(8-30)和式(8-31)还可求出U、I之间的相角差，,若取TS900，则式(8-28)式(8-33)可进一步化简，进而大大减少了计算机的运算时间。,(8-33),4.三采样值积算法,三采样值积算法是利用三个连续的等时间间隔TS的采样值中两两相乘，通过适当的组合消去t项以求出u、i的幅值和其它电气参数。设在tk+1 后再隔一个TS为时刻tk+2，此时的u、i采样值为,(8-34),(8-35),上式两采样值相乘，得,(8-36),
16、上式与式(8-20)相加，得,显然，将式(8-37)和式(8-21)经适当组合以消去tk项，得,若要Ts30o，上式简化为,用Im代替Um（或Um代替Im），并取 0o，则有,(8-40),(8-41),由式(8-39)和式(8-41)可得,(8-42),由式(8-27)和式(8-41)，并考虑到，得,(8-43),由式(8-40)和式(8-41)得,(8-44),由式(8-42)和式(8-43)得,(8-45),三采样值积算法的数据窗是2Ts。从精确角度看，如果输入信号波形是纯正弦的，这种算法没有误差，因为算法的基础是考虑了采样值在正弦信号中的实际值。,在微机保护中，经常采用差分运算来代替微
17、分，相应该点的采样值要用平均求和来计算。,差分：,求平均：,平均值、差分值的误差分析,用平均值近似代替瞬时值，用差分值代替微分值，用梯形法则近似求积分。,由平均值求瞬时值,误差系数为：,基于n和n+1时刻采样值，经过补偿也可求得准确微分值为,由采样值求微分值：,其中：,两点乘积法、求导数法、半周积分法和全周傅氏算法的比较两点乘积法、求导数法、要求严格的正弦基波。应用之前需要滤波处理。但两点乘积法需5毫秒，求导数法只需3.3毫秒，半周积分需要10毫秒全周相对最好，20毫秒，但直接滤衰减直流差,三、傅里叶算法（傅氏算法）,1.全周波傅里叶算法,全周波傅里叶算法是采用由cosn1t和sinn1t(n
18、=0，1，2)正弦函数组作为样品函数，将这一正弦样品函数与待分析的时变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同的分量的实部和虚部的系数。进而可以求出待分析的时变函数中该频率的谐波分量的模值和相位。,根据傅里叶级数，我们将待分析的周期函数电流信号i(t)表示为,式中 nn次谐波（n=1，2，）；I0恒定电流分量；Inc、Ins分别表示n次谐波的余弦分量电流和正弦分量电流的幅值。,(8-46),当我们希望得到n次谐波分量时，可用cosn1t和sinn1t分别乘式(8-46)两边，然后在t0到t0T积分，得到,(8-47),(8-48),每工频周期T采样N次，对式(8-47)和式(8-48)
19、用梯形法数值积分来代替，则得,(8-49),(8-50),式中 k、ik第k采样及第k个采样值,电流n次谐波幅值（最大值）和相位（余弦函数的初相）分别为,(8-51),(8-52),写成复数形式有,对于基波分量，若每周采样12点（N=12），则式(8-49)和式(8-50)可简化为,(8-53),(8-54),在微机保护的实际编程中，为尽量避免采用费时的乘法指令，在准确度容许的情况下，为了获得对采样结果分析计算的快速性，可用（11/8）近似代替上两式中的，而后1/2和1/8采用较省时的移位指令来实现。,全周波傅里叶算法本身具有滤波作用，在计算基频分量时，能抑制恒定直流和消除各整数次谐波，但暂态
20、的衰减直流分量使计算结果产生较大误差，应采用数字滤波进行补偿。为求出正确的故障参数值,必须用故障后的采样值,另外用近似数值计算代替积也会导致一定的误差。算法的数据窗为一个工频周期，属于长数据窗类型，响应时间较长。(故障20ms后方可采用该算法),2.半周波傅里叶算法,缩短全周波傅里叶算法的计算时间，提高响应速度，可只取半个工频周期的采样值，采用半周波傅里叶算法，其原理和全周波傅里叶算法相同，其计算公式为,(8-55),(8-56),半周波傅里叶算法的数据窗为半个工频周期，响应时间较短，但该算法基频分量计算结果受衰减的直流分量和偶次谐波的影响较大，奇次谐波的滤波效果较好。为消除衰减的直流分量的影
21、响，可采用各种补偿算法，如采用一阶差分法(即减法滤波器)，将滤波后的采样值再代入半周波傅里叶算法的计算公式，将取得一定的补偿效果.,3.基于傅里叶算法的滤序算法,可利用上面傅氏算法中计算出的三相电流基波分量的实、虚部I1CA、I1SA、I1CB、I1SB、I1CC及I1SC来计算三相电流的负序和零序分量。,(1)A相负序电流与三相电流的关系为,(8-57),其中，将其实部与虚部分开得,(8-58),(8-59),于是我们便得到负序电流的幅值为,(2)A相零序电流与三相电流的关系为,(8-61),(8-60),将其实部和虚部分开，得到,(8-62）,于是我们便得到零序电流的幅值为,(8-64),
22、(8-63）,四、解微分方程算法,解微分方程算法仅能计算线路阻抗，用于距离保护。对于一般的输电线路，在短路情况下，线路分布电容产生的影响主要表现为高频分量，于是，如果采用低通滤波器将高频分量滤掉，就相当于可以忽略被保护输电线分布电容的影响解微分方程算法是假定保护线路分布电容可以忽略，故障点到保护安装处的线路段可用一电阻和电感串联电路，即RL串联模型来表示，于是下述微分方程成立,(8-65),式中R、L1 分别为故障点至保护安装处线路段的正序电阻和电感，u、i 分别为保护安装处的电压和电流。,对于相间短路，u 和i应取u和i，例如AB相间短路时，取uab、ia-ib。对于单相接地取相电压及相电流
23、加零序补偿电流。以A相接地为例，上式(8-65)将改写为(8-66)式中，kr、kl分别为电阻和电感的零序补偿系数，、分别为输电线每公里的零序和正序电阻和电感。式(8-65)中，u、i和di/dt都是可以测量、计算的，1和L1是待求解的未知数，其求解方法有差分法和积分法两类。,1.差分法,为解得R1和Ll必须有两个方程式。一种方法是取采样时刻tk-1和tk的两个采样值，则有,将 代入上两式并联立求解，将得到,其中，Ts为采样间隔。,(8-67),(8-68),(8-69),(8-70),2.积分法,用分段积分法对式(8-65)在两段采样时刻tk-2至tk-1和tk-1至tk分别进行积分，得到,
24、(8-71),(8-72),式中，ik、ik-1、ik-2分别表示tk、tk1、tk-2时刻的电流采样瞬时值，将上两式中的分段积分用梯形法求解，则有,(8-73),(8-74),联立求解上两式，可求得R1和L1分别为,解微分方程算法所依据的微分方程式(8-65)忽略了输电线分布电容，由此带来的误差只要用一个低通滤波器预先滤除电流和电压中的高频分量就可以基本消除。因为分布电容的容抗只有对高频分量才是不可忽略的。另外，电流中非周期分量是符合算法所依据的微分方程的，它不需要用滤波器滤除非周期分量。用微方程算法不受电网频率的影响，前面介绍过的几种其它算法都要受电网频率变化的影响，需使采样频率自动跟踪电
25、网频率的变化。解微分方程算法要求采样频率应远大于工频，否则将导致较大误差，这是因为积分和求导是用采样值来近似计算的。,五、序分量滤过器的算法,（一）直接移相法图3.10,取不同时刻采样值直接移相法，移相角度为要使 滞后，可用 代替要使 超前，可用 代替特点：算法简单，实现方便 但是调整级差为,（二）差分移相法使 移相 角后得到,(3.87),移相角度与数据窗K及采样频率有关。当K=1，N=12，此时=，移相角=B=0.517A若要幅值不变,结果除以此算法调节级差为,(三)傅氏移相法,(四)两点乘积移相法,(五)序分量滤过器算法1、直接移相原理的序分量滤过器,(3.88),(3.89),(1)数
26、据窗K=8时(2)数据窗K=4时,图3.11 相量 相位变化,图3.12 K=4时的负序元件相量分析图(a)正序输入时的相量关系；(b)负序输入时的相量关系,图3.13 K=2时的相量关系,图3.14 K=1时的相量关系,(3)数据窗K=2时(4)数据窗K=1时,2、傅氏算法原理的序分量滤过器,傅氏算法原理的序分量滤过器计算的结果是各序分量的相量（实部和虚部），而直接移相原理的序分量滤过器计算的结果是各序分量的序列，要求各序分量的幅值和相位，还要根据采样数据用算法求解,3、小接地电流系统中的序分量滤过器算法小接地电流系统TA只装于A、C两相正序滤过器：负序滤过器：,(3.93),(3.94),
27、图3.16 两相式序分量滤过器相量图,（六）相位比较器算法1、正弦型、余弦型比相器的基本算法两种形式的动作条件为：余弦型：正弦型：两边同乘以G和H得：,(3.55),(3.56),图3.9 正弦型和余弦型比相器的动作特性,傅氏算法两点乘积算法,图3.10 转动0时余弦型特性,(3.57),(3.58),对于+0，式(3.59)等效于，展开整理后得：傅氏法：两点法：对于-0，式(3.59)等效于，展开整理后得：,(3.59),傅氏法：两点法：2、常用的方向元件算法(1)圆特性的方向阻抗继电器,(2)90接线的功率方向元件,3、直接相位比较器4、零序功率方向元件,(3.60),(3.61),图3.
28、11 直接相位比较器原理示意图,图3.12 正向接地故障时的相量关系及波形图,七、增量元件算法(1)相电流突变量元件(2)相电流差突变量元件,(3.100),图3.13 零序功率方向元件的动作特性,图3.17 突变量元件原理示意图,(3.103),(3.104),图3.118 起动元件动作逻辑图,选相元件如满足下面的条件：(3)序分量突变量元件,2.3 数字滤波器,概述 在微机保护中滤波也是一个必要的环节，它用于滤去各种不需要的谐波，数字滤波器的用途是滤去各种特定次数的谐波，特别是接近工频的谐波。数字滤波器不同于模拟滤波器，它不是一种纯硬件构成的滤波器，而是由软件编程去实现，改变算法或某些系数
29、即可改变滤波性能，即滤波器的幅频特性和相频特性。,表示方式,差分方式,类型,主要性能指标,在微机保护中广泛使用的简单的数字滤波器，是一类用加减运算构成的线性滤波单元。,它们的基本形式,差分滤波,加法滤波,积分滤波等,减法滤波器（差分滤波器）,差分方程,加法滤波器,差分方程,以差分滤波为例做简单介绍。差分滤波器输出信号的差分方程形式为,(8-1),式中，x(n)、y(n)分别是滤波器在采样时刻n(或n)的输入与输出；x(n-k)是n时刻以前第k个采样时刻的输入，k1。,对式(8-1)进行变换，可得传递函数H(z),（8-2）,将 代入式(8-2)中，即得差分滤波器的幅频特性和相频特性分别为式(8
30、-3)及式(8-4),(8-3),（8-4）,式中,为输入信号频率；为采样周期，1/s，s为采样频率，通常要求s为基波频率1的整数倍，即s=N1，N为每工频周期的采样点数目。,由式(8-3)可知，设需滤除谐波次数为m，差分步长为k(k次采样)，则此时=m1=m21，应使=0。令,则有,；,当N（即s和1）取值已定时，采用不同的l和k值，便可滤除m次谐波。,(8-5),注意，当l=0时，必然有m=0，使式(8-5)为零，所以无论s、k取何值，直流分量总能滤除。另外，m0的整数倍的谐波都将被滤除。,分滤波器的幅频特性曲线如图8-7所示。,若令k=s/1，差分滤波将消去基波（以及直流和所有整数次谐波），在稳态情况下，该滤波器无输出。在发生故障后的一个基波周期内，只输出故障分量，所以可用来实现起动元件、选相元件及其它利用故障分量原理构成的保护。,例题,
