数字式保护装置软件主流程及主循环介绍

数字式保护装置软件的主流程如图4.1所示。由图可见，主流程可看作由上电复位流程及主循环流程两部分组成。

保护装置在合上电源（简称上电）或硬件复位（简称复位）后，首先进入第1框，即执行系统初始化。初始化的作用是使整个硬件系统处于正常工作状态。系统初始化又可细分为低级初始化和高级初始化：低级初始化任务通常包括与各存储器相应的可用地址空间的设定、输入或输出口的定义、定时器功能的设定、中断控制器的设定以及安全机制等其他功能的设定；高级初始化是指与保护装置各项功能直接有关的初始化，如地址空间的分配、各数据缓冲区的定义、各个控制标志的初设、整定值的换算与加载、各输入输出口的位置或复归等。

图4.1　数字式保护装置软件的主流程图

然后，程序进入第2框，执行上电后的全面自检。

自检（Self-Check）是数字保护装置软件对自身硬软件系统工作状态正确性和主要元件完好性进行自动检查的简称。通过自检可以迅速地发现保护装置缺陷，发出告警信号并闭锁保护出口，等待技术人员排除故障，从而使数字保护装置工作的可靠性、安全性得到根本性改善。自检是数字保护装置的一种特有的、非常重要的智能化安全技术，目前自检功能主要包括：程序的自检、定值的自检、输入通道的自检、输出回路的自检、通信系统的自检、工作电源的自检、数据存储器（如RAM）的自检、程序存储器（如EPROM）的自检以及其他关键元件的自检等。例如，对于三相交流系统，对输入通道及采集数据的正确性进行检查的判断式为：

式中　εi、εu——分别反映数字式保护装置测量误差的门槛值。

若输入回路完好，数据采集系统正常，采样过程未受到干扰，则无论电力系统处于何种运行状态，上述两式均应该成立；反之，如果某个环节出现错误，上式则有可能不成立。所以可根据上式来判断采集数据的正确性。在数据准确的前提下，才能进行后续计算，否则应将本次采集的数据丢弃。

自检在程序中分为上电自检和运行自检。上电自检是在保护装置上电或复位过程（保护功能程序运行之前）进行的一次性自检，此时有时间进行比较全面的自检，以保证开始执行保护功能程序时装置处于完好的工作状态。而运行自检是在保护装置运行过程中进行的自检，以便及时发现运行中出现的装置故障。由于保护程序在运行中的大部分时间必须分配给保护功能以及其他辅助功能，通常在运行自检中需对自检任务进行简化，同时采用分类处理的措施。分类处理措施分为两类：①对于某些必须快速报警、处理量较小以及必须一次性完成的自检任务应置于中断服务程序中；②对于其他次要且处理量又较大的自检任务，则置于主循环程序中，并且采用分时处理的方法。这里只是为了说明软件流程而简单介绍了自检的概念，关于自检的原理和实现方法请读者参阅相关文献。

上电自检完成后，在第3框判别自检是否通过：若自检不能通过，将转至第14框，发出告警信号并闭锁保护，然后等待人工复位；若上电自检通过，则进入第4框，保护功能程序开始运行。

第4框执行数据采集初始化和启动定时采样中断。其主要作用是对循环保存采样数据的存储区（称为采样数据缓冲区）进行地址分配，设置标志当前最新数据的动态地址指针，然后按规定的采样周期对控制循环采样的中断定时器赋初值并令其启动，开放采样中断。从此定时器开始每隔一个采样周期循环产生一次采样中断请求，由采样中断服务程序（后面介绍）响应中断，周而复始地运转。(www.xing528.com)

由于保护功能的实现需要足够的数据（可理解为保护算法需要一定时宽的数据窗），不能马上进入保护功能的处理，在第5框暂时闭锁保护功能（实质上是通过设置闭锁保护的控制字，通知采样中断服务程序暂时不要执行启动元件、故障处理程序等相关功能）。第6框的作用则是等待一段时间使采样数据缓冲区获得足够的数据供计算使用。在具备足够的采样数据之后，进入第7框重新开放保护功能，此后主程序进入主循环。

主循环在数字保护正常运行过程中是一个无终循环，只有在复位操作和自检判定出错时才会中止。在主循环过程中，每当中断到来，当前任务被暂时中止，CPU响应中断并转而执行中断服务；CPU完成中断服务任务后又返回主循环，继续刚才被中断的任务。主循环利用中断服务的剩余时间来完成各种非严格定时的任务，如通信处理任务、人机对话处理、调试任务处理、故障报告处理以及运行自检等。需要指出的是，在主循环中需要逐一执行的各项任务往往都要求得到及时的服务，且各个任务既不能因执行时间过长而影响其他任务的执行，也不能出现内部死循环。为避免这种情况，主循环中任何一个任务当不满足上述要求时，需要作分时处理，在各任务间还需要处理好优先权问题。

在主循环中，第8框执行通信任务处理。需要指出，此处并不是指装置外部或装置内部其他部分进行信息发送和接收操作，而是为信息发送和接收进行数据准备，比如根据保护程序其他部分的数据发送请求而收集相关数据，按通信规约进行通信信息整理和打包，并将其置于数据发送缓冲区；又如对数据接收缓冲区的数据进行整理、分类和任务解释，并将其按任务类别交给相应的任务处理程序。至于通信的发送和接收数据的操作需要满足严格的通信速率（如串行通信的波特率）要求，并且应保证发送数据的及时性和接收数据的完整性（不丢失数据），即要求很强的实时性。因此通信的发送和接收操作一般需根据硬件系统的设计，或者置于中断程序中或者置于专用的通信硬件模块中。

第9框执行人机对话处理。关于人机对话处理，不同的硬件配置模式对应不同的处理方式。若采用具备独立CPU的专用上层管理插件，则通常上层管理插件与保护功能插件采用通信交换信息，并由上层管理插件的CPU负责人对话部件的控制，此处保护功能插件通过通信与管理插件CPU交换数据，那么第9框只需完成第8框交付的信息处理任务；若没有配置具备独立CPU的专用上层管理插件，此时需要由保护功能插件的CPU对人机对话部件进行管理，此时第9框程序应执行如扫描键盘及控制按钮、在LCD上显示数据等任务，同时对各种操作命令进行解释和分类，并按任务分别交给相应的任务处理程序执行。

第10框判别数字保护系统当前工作方式，即处于调试方式还是运行方式：若是调试方式，则在第15框先执行由第8框或第9框下达的调试功能任务；若是运行方式，以及在执行完毕调试任务后，进入第11框去执行后续任务。

调试功能是指数字保护装置特有的对控制参数进行给定、核对和对自身性能进行辅助测试、调整的功能。继电保护装置新安装或定期检修之后，需要进行项目繁多的调试工作，以保证保护装置的性能指标和状态符合技术要求，如各测量通道的校准、整定值的输入和修改、各项保护特性的测定、出口操作回路的传动检测、通信系统的测试以及保护装置各种辅助功能的调整等。对于模拟式保护装置，调试往往要借助于各种仪器仪表，并花费大量时间和人力；而数字式保护装置则通过智能化调试程序，可以高效可靠地完成调试工作。另外，现代数字式保护装置通常还预留了调试通信接口，通过与通用电脑接口，可实现视窗化、菜单化和图形化的高级调试、管理和分析功能。简单、便捷和丰富的调试功能是数字式保护装置深受现场技术人员喜爱的重要原因之一。调试功能虽然重要，但在处理某些调试任务过程中可能会影响保护运行安全，这些调试功能只能在数字式保护装置退出运行后才能执行。为此，数字式保护装置设计了两种基本工作方式：运行方式和调试方式，通过开关或键盘操作来进行工作方式的切换。

第11框为故障报告文件处理程序。电力系统发生故障或者数字式保护装置自身发生故障，数字式保护装置在完成处理任务之后，可自动生成、保存并通过通信网络向变电站计算机监控系统提交故障报告。故障报告对于系统事故的追忆和分析，以及对于保护装置自身动作正确性的评估有非常重要的作用，也是数字保护的优势之一。目前，对故障报告内容的要求越来越高。以电力系统事故为例，一份故障报告通常要求包括故障时刻、故障性质及原因、保护装置的动作行为及根据、计算结果、延时情况、使用的整定值、故障前后的采样数据（相当于故障录波）等完整信息。另外，甚至还要求提供附带时标的程序实际流程、中间计算结果、逻辑判别过程等对保护动作行为的细节描述以及故障诊断的结果（如故障定位等）等，以便使得整个事故过程和保护装置的处理过程一目了然。故障报告中的原始数据是在故障处理过程中由故障处理程序模块等来临时保存的，而故障报告的信息综合、文件生成和转储则由故障报告文件处理程序来完成。

最后，在第12框和第13框的执行远行自检功能。若自检判定保护装置出错，则告警并闭锁保护，然后等待人工复位；若自检通过则继续执行主循环程序。如前所述，在主循环中的运行自检主要是执行如保护程序的自检、整定值的自检、数据存储器（如RAM）自检、程序存储器（如EPROM）自检以及某些元件的自检等。这些自检任务由于处理量较大，需要通过分时和循环执行程序来完成。

至此完成了一次主循环的过程，返回到第8框，然后周而复始。