自動化系統(tǒng)設(shè)計原則

1、自動化系統(tǒng)設(shè)計原則【摘 要】：綜合自動化系統(tǒng)是利用自動化系統(tǒng)、計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)和通信技術(shù)等高科技對的繼電保護(hù)、測量、控制、故障濾波、信號處理、運動裝置和自動裝置等二次設(shè)備功能進(jìn)行優(yōu)化組合，實現(xiàn)對所有設(shè)備運行情況的測量和控制。本文主要研究了綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行解剖分析。【關(guān)鍵詞】：控制工程；安全生產(chǎn)；安全管理；監(jiān)控系統(tǒng)；報警系統(tǒng)；氧氣濃度1綜合自動化系統(tǒng)簡述電氣綜合自動化系統(tǒng)（簡稱綜自系統(tǒng)）是指在各種硬件措施和自動化裝置的基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)分析、通信技術(shù)、控制技術(shù)和處理技術(shù)對的各類功能進(jìn)行組合與優(yōu)化，取代了人工操作方式，在綜合管理方面實現(xiàn)了智能化管理，實現(xiàn)了低誤差率

2、，提高了運行的可靠度。由于我國用電需求的增大，對電網(wǎng)運行的要求也越來越高，這便要求調(diào)度中心能夠獲得準(zhǔn)確詳細(xì)的和電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，進(jìn)行集中操作、集中控制和反事故措施等，通過無人值守的方式，不僅避免了人工操作的失誤，又能提高效率和電網(wǎng)運行的安全性。隨著通訊技術(shù)和微機(jī)技術(shù)等科技的運用，不僅改變以往的二次設(shè)備形式，也在縮減了的用地面積、減少電纜量、降低了成本、實現(xiàn)信息共享、簡化系統(tǒng)等方面改變了以往的運行風(fēng)格。由于上述的優(yōu)勢，綜合自動化系統(tǒng)已被行業(yè)完全接納，用于提高電網(wǎng)的管理水平。不少廠家也陸續(xù)推出各種綜合自動化系統(tǒng)，作為自身競爭的籌碼，以滿足不同企業(yè)電網(wǎng)運行需求。從上世紀(jì)九十年代開始國外各大知名電氣公司，

3、例如西門子公司、通用公司、ABB公司等都不斷推出各種成套的綜自系統(tǒng)，我國隨著數(shù)字化設(shè)備的不斷使用與發(fā)展，綜合自動化系統(tǒng)也被廣大的電網(wǎng)用戶所接受3。在電網(wǎng)中使用綜自系統(tǒng)有兩個主要優(yōu)勢：（1）可以實現(xiàn)無人值守，減少一定的人工成本。（2）在高中壓的中使用綜自系統(tǒng)可以綜合多種技術(shù)，采用更加可靠的控制系統(tǒng)，提高運行的安全性。2綜合自動化系統(tǒng)的構(gòu)造隨著各種高科技技術(shù)的運用，綜自系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系也隨之發(fā)生改變，其功能、性能與可靠性等都得到提升，的綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有集中式的結(jié)構(gòu)形式、集中式分布式的結(jié)構(gòu)形式、分層分布式的結(jié)構(gòu)形式4。2.1集中式的結(jié)構(gòu)形式集中式是指用功能比較強(qiáng)大的計算機(jī)向外增加多個I/O接口

4、，對的開關(guān)量和脈沖量等信息進(jìn)行集中采集和處理，依次完成微機(jī)的監(jiān)控、自動控制及保護(hù)等功能。集中式系統(tǒng)并不是只有一臺微型計算機(jī)。大多數(shù)集中式系統(tǒng)是由不同的計算機(jī)完成微機(jī)的保護(hù)、監(jiān)控和調(diào)度等功能，只是不同的微型計算機(jī)承擔(dān)的任務(wù)有所不同。例如一臺微機(jī)保的計算機(jī)可能需要承擔(dān)多個回路的低壓線路微機(jī)保護(hù)計算；一臺監(jiān)控機(jī)需要負(fù)責(zé)人機(jī)聯(lián)系、數(shù)據(jù)的采集與處理等多個任務(wù)等，集中式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。顯示器調(diào)度控制中心計算機(jī)打印機(jī)開關(guān)信號輸入控制輸出直交流采樣圖2-1 集中式結(jié)構(gòu)形式集中式結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：（1）可以對的數(shù)字量、開關(guān)量、模擬量等信息進(jìn)行實時采集，完成的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、打印、制表等功能；（2）

5、可以對的進(jìn)出線和主要設(shè)備進(jìn)行保護(hù)；（3）體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，較大的減少了用地面積；（4）成本低，對于小規(guī)模的較為實用。集中式結(jié)構(gòu)的缺點：（1）功能較為集中在少數(shù)幾臺計算上，如果一臺微型計算機(jī)出現(xiàn)差錯或故障，對電網(wǎng)和的運行影響較大。只有采取雙機(jī)并聯(lián)的運行方式可以提高集中式系統(tǒng)的可靠性；（2）組態(tài)太呆板，對于不同規(guī)模的或者不同的主接線，集中式系統(tǒng)的硬軟件都需要重新設(shè)計，造就工作量過大；（3）軟件設(shè)計較為復(fù)雜，修改和調(diào)試工作太繁瑣；（4）與常規(guī)的一對一保護(hù)方式相比，集中式系統(tǒng)不夠直觀，且與維護(hù)和運行人員的習(xí)慣不同，這種系統(tǒng)較適用于邏輯較為簡單的保護(hù)。集中式系統(tǒng)在許多方面的處理都不夠理想，在微機(jī)技術(shù)出現(xiàn)

6、之后，綜自系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也得不斷的改進(jìn)。2.2分布式機(jī)構(gòu)形式分布式系統(tǒng)的特點是根據(jù)功能進(jìn)行設(shè)計，分散綜自系統(tǒng)的各個功能到多臺微型計算機(jī)。這種系統(tǒng)采取主從CPU,多個CPU并行處理多發(fā)事件的工作方式，更好的處理CPU瓶頸的運算處理問題。綜自系統(tǒng)的各個功能之間采取串行或網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的方式更好的完成了數(shù)據(jù)通信，同時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用優(yōu)先級的方式也處理了數(shù)據(jù)傳輸問題。分布式系統(tǒng)如果局部發(fā)生故障不會對其他功能造成影響，且方便系統(tǒng)的維護(hù)與擴(kuò)張，這種模式在中低壓的中較常使用，其模式結(jié)構(gòu)可見如2-2所示。計算機(jī)打印機(jī)調(diào)度控制中心通信控制器操作控制處理器操作控制處理器操作控制處理器操作控制處理器保護(hù)單元保護(hù)單元控制輸出交流采

7、樣交流采樣開關(guān)信號輸入開關(guān)信號輸入控制輸出開關(guān)控制TV控制 TA變送器開關(guān)位置設(shè)備狀態(tài)圖2-2 分布式結(jié)構(gòu)形式2.3分層分布式結(jié)構(gòu)形式從邏輯方面來看，該系統(tǒng)可以將綜自系統(tǒng)劃分為站控臺和間隔層的兩層結(jié)構(gòu)，或者是站控臺、間隔層和通信層的三層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是按照斷路器間隔和元件進(jìn)行設(shè)計的，由一個或多個智能控制單元負(fù)責(zé)單個斷路器間隔的數(shù)據(jù)采集、控制、保護(hù)等功能。測控單元相互之間是用特殊電纜或光纜連接，安裝在斷路器的器柜或間隔附近。這種系統(tǒng)能夠較大程度的減少電纜的連接量和電磁干擾，具有較強(qiáng)的可靠性，實現(xiàn)了故障之間互不影響，且利于系統(tǒng)的擴(kuò)展與維護(hù)，是目前綜自系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)可見圖2-3所示。分層分布

8、式系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）對的二次設(shè)備進(jìn)行簡化，減少了控制室的使用面積；（2）間隔控制單元實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、自動化系統(tǒng)；（3）所有的間隔控制單元的功能都設(shè)置在間隔層中；（4）軟件控制所有的邏輯組態(tài)指示；（5）該系統(tǒng)的組態(tài)較為靈活，方便檢修。打印機(jī)運行工作站操作控制中心電網(wǎng)控制中心GPS校時通信控制器智能采集設(shè)備智能采集設(shè)備智能采集設(shè)備智能采集設(shè)備智能采集設(shè)備圖2-3 分層分布結(jié)構(gòu)形式3綜自系統(tǒng)的功能綜自系統(tǒng)主要有檢測、監(jiān)控、遠(yuǎn)傳和保護(hù)四個主要部分。3.1綜自系統(tǒng)監(jiān)測功能檢測功能是通過綜自系統(tǒng)對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、顯示、處理及打印等，使工作人員能夠全面準(zhǔn)確的了解電網(wǎng)運行情況，能夠及時采取應(yīng)急措施，系統(tǒng)

9、采集數(shù)據(jù)可以分為開關(guān)量信號、脈沖量信號、模擬量信號。3.2綜自系統(tǒng)監(jiān)控功能系統(tǒng)可以檢測統(tǒng)計手動跳閘和事故跳閘的次數(shù)。當(dāng)電網(wǎng)單相接地出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以根據(jù)零序電流電壓增量、功率方法和相電壓降等方法來判斷接地相別和線路；同時可以通過電流電壓的計算來判斷投切電容器或者調(diào)節(jié)分接頭的位置。3.3綜自系統(tǒng)遠(yuǎn)傳功能遠(yuǎn)傳規(guī)約一般分為三種類型：PoIlink規(guī)約、CDT規(guī)約、和特殊規(guī)約。當(dāng)處于正常運轉(zhuǎn)或出現(xiàn)事故和報警事件時，遠(yuǎn)傳就會立即向上級傳送該信息，方便調(diào)度人員及時掌控該站的運轉(zhuǎn)情況。3.4綜自系統(tǒng)保護(hù)功能綜自系統(tǒng)的保護(hù)功能主要是利用微機(jī)保護(hù)裝置，不僅在使用方面較為方便，并且具備較強(qiáng)的靈敏性及可靠性。其主

10、要具備以下特點：（1）具備實時自檢功能。它能針對保護(hù)柜，其中包括主機(jī)在內(nèi)的各個組件在線進(jìn)行檢查。（2）可通過使用顯示器和鍵盤顯示出電壓、電流和開關(guān)的狀態(tài)，以及整定值，并可對其進(jìn)行修改。（3）具備事故追憶功能。它能準(zhǔn)確的記錄事故發(fā)生前后的母線電壓及線路電流。保護(hù)可選擇使用以下幾種類型:（1）變壓器保護(hù)：包括本體保護(hù)(輕瓦斯、有載輕瓦斯、重瓦斯、有載重瓦斯等)、低壓側(cè)備電源自投、高壓側(cè)備用電源自投和、過負(fù)荷保護(hù)、過流保護(hù)(包括復(fù)合電壓啟動、低壓啟動)、零序保護(hù)、帶二次諧波制動的比例差動保護(hù)、差電流速斷保護(hù)。（2）線路保護(hù)：包括零序電流、電壓和方向保護(hù)、定時限過電流保護(hù)、反時限過流保護(hù)、電流速斷保護(hù)

11、、距離保護(hù)、方向性電流保護(hù)、雙回線方向橫差保護(hù)、高頻保護(hù)和低周減載保護(hù)。（3）母線保護(hù)：包括電流比相式母線保護(hù)和完全電流差動母線保護(hù)。（4）電容器保護(hù)：包括相間低電壓保護(hù)、相間過電壓保護(hù)、零序過電壓保護(hù)、過流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、反時限過流保護(hù)。4微機(jī)保護(hù)微機(jī)保護(hù)是以計算機(jī)為主導(dǎo)，接上外圍線路以實現(xiàn)計算機(jī)監(jiān)控保護(hù)功能。為了實現(xiàn)微機(jī)保護(hù)作用，微機(jī)保護(hù)裝置必須具備數(shù)據(jù)采集作用，可以把電壓互感器PT與電流互感器CT模擬信號準(zhǔn)確及時轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以識別的數(shù)字信息。同時人機(jī)對話工作界面可以完成告警行為記錄、定制輸入、保護(hù)調(diào)試等一系列功能。在計算技術(shù)發(fā)展的帶動下，微機(jī)保護(hù)裝置的硬件設(shè)備功能變得更加強(qiáng)大，尤其

12、為芯片和微處理器的發(fā)展為微機(jī)保護(hù)功能提供了很好的技術(shù)支持。微機(jī)保護(hù)從CPU系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在的DSP技術(shù)，保護(hù)裝置更新很快，但是其硬件結(jié)構(gòu)基本相同，如圖2-4所示。信號輸入是將電壓互感器PT、電流互感器CT、變壓器采集油溫、瓦斯等信號通過保護(hù)裝置A/D轉(zhuǎn)換、低通濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離等處理，使保護(hù)裝置能夠獲得現(xiàn)場實際狀況的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，方便微機(jī)分析計算。檢測部分是對信號輸入處理過的信號進(jìn)行計算分析，通過與定值的比較，產(chǎn)生“是”或“非”的一組邏輯信號，以判斷是否啟動保護(hù)命令。邏輯判斷部分是根據(jù)檢測部分輸出信號進(jìn)行邏輯運算，判斷斷路器是否跳閘或者是否發(fā)出信號，同時將命令輸送給現(xiàn)場設(shè)備。常用邏輯指令有“非”、

13、“與”、“或”、“記憶”和“延時”等。輸出執(zhí)行部分根據(jù)邏輯判斷輸送的信號來完成信號告警或跳閘等一系列動作，并且在執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動作時，還將進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和隔離及信息反饋等任務(wù)?，F(xiàn)場設(shè)備輸出執(zhí)行邏輯判斷監(jiān)測信號輸入圖2-4 微機(jī)保護(hù)基本結(jié)構(gòu)4.1微機(jī)保護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)微機(jī)保護(hù)裝置5通常是將功能不同的插件組合成完整的保護(hù)裝置，不同的插件為不同功能的模塊。如果按照功能進(jìn)行劃分插件可分為：保護(hù)CPU和監(jiān)控CPU插件、開關(guān)量輸入/輸出插件、人機(jī)對話插件、電源插件、交流輸入/輸出插件等。微機(jī)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)原理如圖2-5所示。圖2-5 微機(jī)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)原理數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器一般采集來自電壓互感器PT和電流互感器的

14、模擬信號，但是由于微機(jī)保護(hù)的計算機(jī)無法識別模擬信號，所以數(shù)據(jù)采集器可以進(jìn)行模擬濾波、電壓形成、模數(shù)轉(zhuǎn)換、多路轉(zhuǎn)換、采樣保持等處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。微機(jī)系統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)（微型計算機(jī)系統(tǒng)）是由顯示器、微型計算機(jī)、輸入/輸出設(shè)備、電源等組成。其主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)自檢、故障處理和微機(jī)保護(hù)的主程序。微機(jī)主系統(tǒng)包括存儲器、微機(jī)處理器、定時器等。早期微機(jī)主系統(tǒng)是單CPU系統(tǒng)，在微型計算機(jī)的容錯技術(shù)和多重化技術(shù)的出現(xiàn)后，微機(jī)主系統(tǒng)開始逐漸使用多CPU系統(tǒng)。通常微機(jī)保護(hù)在出現(xiàn)采樣脈沖信號使才會進(jìn)入中斷服務(wù)的程序，其他時候都是在自檢循環(huán)中。但是，微機(jī)保護(hù)的自檢功能僅僅可以檢測出軟硬件的故障，而元件出現(xiàn)問

15、題就會使被保護(hù)的對象失去保護(hù)。容錯技術(shù)可以使軟硬件具有冗余度，當(dāng)部分軟硬件出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)仍能正常運行工作，這種技術(shù)比較適合用于時刻需要調(diào)節(jié)命令和輸出控制的系統(tǒng)，多重化技術(shù)可以在一套硬件發(fā)生故障時，發(fā)出報警信后，由另一套硬件繼續(xù)完成工作，而不引起誤動。圖2-6是一套CPU與DSP6組成的微機(jī)系統(tǒng)，其中DSP主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集器中數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，然后把數(shù)據(jù)結(jié)果通過RAM的雙端口輸送到CPU，而CPU負(fù)責(zé)微機(jī)保護(hù)邏輯判斷、通信管理、開關(guān)量輸入/輸出計算等，這種系統(tǒng)利用了DSP（數(shù)字信號處理）運算速度快的特點，由DSP完成所有繁重的數(shù)據(jù)計算，而CPU只需進(jìn)行保護(hù)邏輯判斷，避免單CPU多任務(wù)的沖突。圖2

16、-6 CPU+DSP組成的微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖開關(guān)量輸入/輸出模塊微機(jī)保護(hù)不僅需要接受模擬信號，同時也需要接受發(fā)送開關(guān)量信號。例如人機(jī)對話界面鍵盤輸入和遙控信號等。而這些信號只能由開關(guān)量輸入/輸出模塊來接受與發(fā)送。開關(guān)量輸入/輸出模塊是由微型計算機(jī)并串聯(lián)接口、繼電器和光電耦合件構(gòu)成。微型計算機(jī)主系統(tǒng)與人機(jī)對話模塊都存在開關(guān)量輸入/輸出插件，但是兩者插件的功能不同。開關(guān)量輸入/輸出插件在微型機(jī)主系統(tǒng)中主要是完成保護(hù)出口跳閘和遙信輸入，在人機(jī)對話模塊中主要是完成液晶顯示、按鍵輸入、保護(hù)通信和告警信號的發(fā)送等功能。開關(guān)量輸入電路可以分為內(nèi)部和外部兩種類型的開關(guān)量，其中內(nèi)部開關(guān)量有軟壓板和鍵盤輸入等，主要安

17、置在面板觸電上，外部開關(guān)量有硬壓板、繼電器觸點等，主要反映外部裝置觸電狀況。內(nèi)部開關(guān)量是直接接到微機(jī)并行接口的芯片上，而外部開關(guān)量通過光電耦合裝置將并行接口和開關(guān)量的回路隔離，如圖2-7所示，這種方式既可以傳遞K2外部觸點信息，又可以電氣隔離，確保微機(jī)保護(hù)的安全性。 圖2-7 開關(guān)量輸入模塊原理圖開關(guān)量輸出電路可以完成微機(jī)保護(hù)跳閘和合閘任務(wù)，這種電路可以將合、跳閘的出口信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動斷路器執(zhí)行合、跳閘指令。如圖2-8所示。并聯(lián)接口輸出控制了KM繼電器，同時也可以采用光電隔離的方法來提高整體抗干擾的能力。圖2-8 開關(guān)量輸入模塊原理圖在進(jìn)行打印機(jī)和通信接口之類的信號輸出時，可用圖2-9的

18、方法連接。由于數(shù)字信號不是控制合跳閘，所以對重要性和實時性要求不高，只需用一個并聯(lián)接口的輸出方式就可以完成信號輸出，同時光電耦合器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電平轉(zhuǎn)換還能電氣隔離。圖2-9 數(shù)字信號接口人機(jī)對話模塊這種模塊是借助微處理器完成繼電保護(hù)調(diào)試、工作設(shè)定、定期檢查保護(hù)裝置、記錄各種保護(hù)動作、系統(tǒng)通信等，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。圖2-10 人機(jī)對話界面4.2微機(jī)保護(hù)的軟件設(shè)置軟件系統(tǒng)好壞不僅影響到保護(hù)裝置的穩(wěn)定性，還能提高保護(hù)性能的靈活性。隨著硬件結(jié)構(gòu)的提升，也會加強(qiáng)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)功能，因此，在微機(jī)保護(hù)的軟件設(shè)計中需要注意系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性、繼承性、可讀性、易修改和維護(hù)等。在增強(qiáng)系統(tǒng)的繼承性和可讀性

19、時，系統(tǒng)采用了高級語言進(jìn)行程序編制。但是涉及硬件電路控制時，系統(tǒng)同時采用匯編語言相結(jié)合的方式。根據(jù)結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計想法，進(jìn)行模塊化思路設(shè)計不同功能的模塊，每塊功能不同模塊間實現(xiàn)相互獨立，且模塊均使用單入口/出口的結(jié)構(gòu)，易于進(jìn)行程序的調(diào)試、維護(hù)和維護(hù)。目前絕大數(shù)的微機(jī)保護(hù)都是雙CPU的結(jié)構(gòu)，即由保護(hù)和監(jiān)控構(gòu)成的雙CPU系統(tǒng)。這兩類CPU系統(tǒng)都是由采樣中斷服務(wù)和主程序構(gòu)成，只是兩者在采樣中端服務(wù)系統(tǒng)中功能不同，下面以保護(hù)CUP系統(tǒng)為研究對象分析其程序。保護(hù)CPU系統(tǒng)該部分系統(tǒng)主要實現(xiàn)對整個系統(tǒng)監(jiān)控和各項實時性標(biāo)準(zhǔn)低的輔助功能。從保護(hù)CPU系統(tǒng)顯示圖2-11所示，該系統(tǒng)主要包括上電復(fù)位和自檢循環(huán)兩個

20、程序。在保護(hù)裝置硬件復(fù)位或上電以后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，其中包括讀取所有開關(guān)量輸入的、狀態(tài)、定時器初始化、定義硬件電路開關(guān)量輸入與輸出系統(tǒng)的并行接口，寄存器、計數(shù)器、整定值的加載和換算以及各種標(biāo)志的設(shè)置，并進(jìn)行初始化自檢。自檢是通過軟件自動對硬件系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及主要元器件進(jìn)行檢測，確保系統(tǒng)元器件以及工作完好。在自檢過程中可以及時發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置中出現(xiàn)的問題，并發(fā)出報警信號，及時閉鎖保護(hù)出口，再由技術(shù)人員排除故障。因此，自檢功能是微機(jī)保護(hù)裝置中獨有的智能技術(shù)。自檢程序分為運行自檢和初始化自檢，運行自檢是在系統(tǒng)保護(hù)裝置運行的時候，針對實時性要求高且后續(xù)出現(xiàn)運算的部件進(jìn)行自檢，方便及時發(fā)現(xiàn)問題，運行自

21、檢則在下面自檢循環(huán)中進(jìn)行著。初始化自檢是在系統(tǒng)保護(hù)裝置復(fù)位或上電時進(jìn)行全面性自檢，由于此時的時間較為充足，允許進(jìn)行全面的自檢，其中自檢的主要內(nèi)容包括：程序、定值、輸出通道、ROM、RAM以及FLASH等，確保微機(jī)保護(hù)在投入使用時是完好的。在初始自檢順利通過后，就需立即執(zhí)行初始化數(shù)據(jù)采集以及定時采樣中斷的啟動，到此為止上電復(fù)位流程全部走完，隨后將進(jìn)入自檢循環(huán)的流程。圖2-11 保護(hù)CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自檢循環(huán)程序7為實現(xiàn)保護(hù)裝置的軟件和硬件的自檢，其采用了分時的辦法。另外，在自檢循環(huán)時還進(jìn)行工作方式的選擇、故障報告文件處理、人機(jī)對話處理、通信任務(wù)處理以及調(diào)試任務(wù)的處理。正常情況下，自檢循環(huán)系統(tǒng)是無限循

22、環(huán)。在自檢循環(huán)時，一旦中斷，CPU立即暫停自檢循環(huán)程序當(dāng)中運行的任務(wù)，中斷響應(yīng)，并轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)的程序，立即執(zhí)行一次中斷服務(wù)的程序，當(dāng)中斷服務(wù)完成后，則又返回自檢循環(huán)。其關(guān)系如圖2-12所示：圖2-12 程序流程時序關(guān)系其中（a）為自檢程序；（b）自檢程序與采樣服務(wù)程序的時序關(guān)系式中TS代表一個完整的采樣周期。CYZD表示的是一個完整的采樣中斷服務(wù)程序的流程，MN表示自檢循環(huán)程序的整個流程。當(dāng)微機(jī)保護(hù)主程序中斷后，每隔一個系統(tǒng)采用周期，定時器就立即發(fā)出一個采用脈沖，假設(shè)定時器在A點發(fā)出采用脈沖且出現(xiàn)中斷，則微機(jī)系統(tǒng)將自動將此處的工作進(jìn)行保護(hù)，隨后將實行一套完整的CYZD程序，當(dāng)中斷程序結(jié)束后，A

23、處被暫停執(zhí)行的自檢循環(huán)程序?qū)⒒謴?fù)執(zhí)行，直到下一個中斷B點，AB段自檢循環(huán)程序使用的時間為t2，采樣周期Ts則為t1+t2。此后，如果系統(tǒng)保護(hù)裝置無復(fù)位且無故障操作，微機(jī)系統(tǒng)則將對以上的程序重復(fù)執(zhí)行。每逢單數(shù)時間段將執(zhí)行整套采樣中斷服務(wù)程序，在雙數(shù)時間段則執(zhí)行自檢循環(huán)程序。采樣中斷服務(wù)程序的功能繼電保護(hù)系統(tǒng)對系統(tǒng)實時性要求很高：第一，需實時了解運行情況，也就是隨時采集開關(guān)量輸入信號以及各種模擬量；另外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，需立即判別短路的區(qū)域或位置，并切除該部分。為了滿足繼電保護(hù)的實時性以及快速性的要求，微機(jī)的中斷機(jī)可以有效的實現(xiàn)。從以下面2-13圖中可以看出，采樣中斷服務(wù)程序的主要功能除了對數(shù)據(jù)

24、進(jìn)行周期性采集以及處理外，還需對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行首發(fā)、自檢以及故障處理等任務(wù)，由于采樣定時器發(fā)起中斷，因此將其稱作采樣中斷服務(wù)程序8。圖2-13 采樣服務(wù)程序示意圖采樣中斷服務(wù)程序9的數(shù)據(jù)采集以及處理主要是對模擬量的采集，并進(jìn)行A/D變換，同時將采集的數(shù)據(jù)按照時間先后和通道存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并使地址指向最新的采樣數(shù)據(jù)。采集的信號除了模擬信號外，還需將脈沖信號、采集開關(guān)量輸入信號以及頻率測量信號等。通信數(shù)據(jù)的收發(fā)完成在中斷服務(wù)時需快速執(zhí)行的通信任務(wù)。在中斷服務(wù)程序中還有少量的自檢任務(wù)，在中斷程序中執(zhí)行自檢任務(wù)的主要原因是最新的數(shù)據(jù)會立即對后續(xù)保護(hù)功能的正確性做出影響，并且這些自檢任務(wù)工作量相對較少，其

25、安置在中斷服務(wù)程序中只占用了少量的中斷程序時間，一旦裝置出現(xiàn)故障，它能立即發(fā)出警告，同時閉鎖保護(hù)。在微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中通過使用啟動元件的方式對故障擾動進(jìn)行靈敏且快速的監(jiān)視，等到故障擾動啟動元件的動作后，程序才對其進(jìn)行故障處理，最后判斷故障是否在區(qū)內(nèi)。將故障處理程序和啟動元件相結(jié)合的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾點：啟動元件可將計算處理量較大的故障處理程序不投入運行，從而提升了CPU的運行效率。可以通過了解啟動云間的動作時間來判斷故障發(fā)生的時間，方便故障處理程序成功獲取故障發(fā)生前后的數(shù)據(jù)，確保計算的準(zhǔn)確以及故障的判別。微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的出口繼電器的電源，只在啟動元件啟動后才投入，這樣可以提高了出口回路的可靠性。一

26、般情況下依據(jù)被保護(hù)設(shè)備的不同，故障處理程序也有不同的選擇。就拿線路保護(hù)來說，故障處理程序包括：過流保護(hù)、零序保護(hù)以及縱聯(lián)保護(hù)等故障處理程序。5常用的微機(jī)保護(hù)算法與比較微機(jī)保護(hù)的算法中軟件是最為主要的問題，其關(guān)鍵考慮的是計算的速度及精度，而其速度有包括兩個方面：一是算法的運算工作量，而是算法時要求的采樣點數(shù)，與此同時還需將算法的數(shù)字濾波功能納入考慮范圍之內(nèi)。5.1正弦函數(shù)算法這類微機(jī)保護(hù)算法是利用正弦函數(shù)1213的特性，假定電流電壓的基波是正弦函數(shù)，對正弦電流、電壓選取采樣值，計算出電流或電壓的測量阻抗、功率、相位、電流電壓的幅值等，再根據(jù)數(shù)據(jù)的比較和判斷，完成微機(jī)保護(hù)動作。這種算法將非周期與諧

27、波分量視為噪音和干擾信號。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，一般會在基波上疊加非周期和各種諧波分量。所以需要保護(hù)裝置預(yù)先對輸入的信號進(jìn)行處理，在最大限度濾掉衰減非周期和各種諧波分量后，再使用這種算法，可以減少誤差的出現(xiàn)14。這種算法可以分為采樣值計算法、導(dǎo)數(shù)算法和半周積分算法這三種類型。采樣值積算法采樣值積算法是連續(xù)采樣相同時間間隔的正弦電流電壓值，并計算正弦電流電壓有效值。這種計算方法可以規(guī)避系統(tǒng)頻率對正弦電流電壓有效值計算的影響。以正弦電壓有效值計算為例，分別采樣兩個相同時間間隔（t）的時刻電壓u1、u2u1=sin0u+(tn +t)Um=Usin(t+1u) （2-1）u1=sin(0u+tn)Um=

28、Usin1u （2-2）其中0u是電壓的初相角；是角頻率；tn 是采集時刻相角；Um是電壓電幅；U是電壓的有效值；將（2.1）和（2.2）整合可得到： （2-3）同理可得到正弦電流的有效值如下所示： （2.4）在采樣值積算法15中時間間隔t可以是一個很短的采樣間隔，在理論上計算過程中所需要用到的時間窗很短，但是運算中涉及到加減法、乘除法、開方和平方的復(fù)雜運算，這些都加長了運算時間，因此在實際運用中這種算法并不常用。導(dǎo)數(shù)算法導(dǎo)數(shù)算法是由澳大利亞著名科學(xué)家Morrison與Mann于1971年提出，這種算法基于正弦函數(shù)與余弦函數(shù)之間的關(guān)系，計算出電流電壓的測量阻抗等。以正弦電壓有效值計算為例：U=

29、U （2-5）正弦電壓的導(dǎo)數(shù)為：U=U （2-6）將（2-5）、（2-6）代入（2-3）式中可以得到： （2-7）這種算法只需要采樣一個時間間隔，因此在所需要的用到的數(shù)據(jù)窗比較短。但是這種算法容易產(chǎn)生誤差，這種誤差一種是來自差分求導(dǎo)近似產(chǎn)生的誤差，另一種是來自電流和電壓平均值替代產(chǎn)生的誤差。半周積分算法16該算法是根據(jù)隨意半個周期中正弦量的絕對值積分是常量S，而且積分起點初相角與積分常量S無關(guān)。以正弦電壓有效值計算為例，半個周期積積分值S計算如下： （2-8）= （2-9） （2-10）這種算法的運算量不大，采用簡單硬件或者軟件程序就可以計算出，但是運算結(jié)果的誤差比較大，比較適合用于要求較低的一些電流和電壓保護(hù)。在計算半周積分值時，部分正負(fù)的諧波半周將相互抵消，而未被抵消剩余部分占總體比例