采样中断服务程序的流程解析

数字式保护装置的软件系统根据具体设计的不同，可能存在多个中断源，相应地有多个不同的中断服务程序，但其中必不可少的是采样中断服务程序。为简化说明，以下考虑一个较为简单的情形，即只有一个定时采样中断源，从而只有一个采样中断服务程序的情形来介绍。

采样中断服务程序的基本流程如图4.2所示。由图可见，采样中断服务程序并不只是进行周期性的数据采集（即采样和A/D变换），通常还需完成通信数据收发、运行自检、调试、启动检测及故障处理等任务。由于中断服务程序是由采样定时器周期性激活的，习惯上仍称为采样中断服务程序。

响应采样中断后的初始阶段和中断返回前的最末阶段通常必须进行保留现场和恢复现场的操作，必要时还需执行关闭中断和重新开放中断的操作，这些属于中断响应和服务的基本程序的内容，图中未标出。采样中断服务程序进入第1框执行数据采集处理，主要完成各通道模拟信号的采样和A/D变换，并将采集的数据按各通道和时间的先后顺序存入采样数据缓冲区，并标定指向最新采样数据的地址指针。还需注意，数据采集还包括对各路开关输入信号、脉冲信号、频率测量信号等的采集工作。

接下来第2框主要完成通信所要求的直接接收和发送数据的任务（参看主循环说明），当然，对于规定在中断服务中应做出响应的通信处理任务也必须迅速加以执行（如线路电流纵联差动保护对侧传来的通信数据）。采样中断的速率必须足够高，在满足采样率规定指标的同时，必要时还应兼顾与通信速率（如波特率）相匹配，满足不迟滞发送数据和不丢失接收数据的要求（若采样率不能够达到此要求，则需要另设更高速率的通信中断）。

图4.2　采样中断服务程序的基本流程图

第3框完成必须在中断服务中完成的运行自检任务，并在第4框进行判断：若运行自检没有通过将转向第12框进行装置故障告警、闭锁保护等处理，并置相关标志，然后直接从中断返回，等候人工处理；若自检通过则可以进入第5框。运行自检任务是指输入输出回路的自检、工作电源的自检等，往往需要当前数据且会立即影响保护后续功能的正确性（如输入通道和电源状态）；或者不允许被中断打断（如输出回路），否则会引起不可预料的结果，甚至造成保护误动作，必须由中断服务程序完成。

第5框判断保护功能是否开放，其作用完全是为了与主程序中第5～7框任务相配合，即在保护装置上电或系统复位之后需等待一段时间使采样数据缓冲区获得足够的数据供保护功能计算使用。若保护功能尚未开放，则从中断返回，继续等待；保护功能已开放，则进入第6框开始执行保护处理功能。

第6框判别当前保护装置的基本工作方式（通常来自人机对话部件的请求），根据当前工作方式执行不同的流程。若为调试方式，则在第13框完成由调试功能规定必须在中断服务中执行的处理任务后即可从中断返回；若为运行方式，则直接进入第7框。不少调试功能是需要中断服务程序配合或者在中断中完成，如利用外加信号源对各模拟输入通道的标度（幅值、相位准确性和各通道一致性等）进行调试时，需要中断采样数据和相关计算结果给予配合。

第7框判别启动标志是否置位，若已置位则说明在此次中断之前启动元件已经检测到了可能的系统事故扰动（第11框故障处理程序已被启动并在运行），当前暂时无须再计算启动判据和进行启动判定，于是跳过第8—10框直接进入第11框执行故障处理程序。若启动标志未被置位则进入第8框，进行启动判据处理，并在第9框对是否满足启动条件作出判断。若判断为满足启动条件，则标定故障发生时刻，在第10框对启动标志置位，为下一次响应采样中断后第7框的判别作好准备，接着也进入第11框的执行故障处理程序；若不满足启动条件，表明当前没有系统事故扰动，便可从中断返回。

第8框执行的就是前面介绍的启动元件功能，这里再作一点补充说明。数字保护中通常采用启动元件来灵敏、快速地探测系统故障扰动，待判定系统存在故障扰动之后才进入故障处理程序模块，最终对是否区内故障作出判断和处理。采用启动元件和故障处理程序相配合这种结构的主要作用可体现在下述几方面。

①由于计算处理量很大的故障处理程序平时不投入运行，这样可让CPU有时间来处理诸如自检、通信、人机对话以及故障报告形成、辅助测量和分析等任务，可有效提高CPU的运行效率。

②由启动元件来准确地标定故障发生时刻，以使故障处理程序能正确地获取故障发生前后的数据，保证故障判别和计算的准确可靠。这是因为故障判别元件的算法通常都需要较长的数据窗，如果不标定故障发生时刻，在数据窗中可能出现一部分为故障前数据而另一部分为故障后数据的情况，此时计算结果将是很不确定，可能引起某些保护产生误判断。

③数字保护装置出口继电器的操作电源平时是不投入的，这样做有利于提高出口回路的可靠性和实现对该回路的自检（参见前文），当启动元件动作后，便立即投入出口继电器电源，可加快出口操作回路的准备时间。

④现代数字保护中还常采用多套相同启动元件置于相互独立的CPU插件中，通过多启动元件“与”逻辑，甚至“三取二”表决器来控制出口继电器的操作电源，可有效防止硬件故障所引起的保护误动作。

第11框为故障处理程序模块，是完成保护功能，形成保护动作特性的核心部分。如图4.2所示，第11框说明抛开了具体保护内容，简要列举了故障处理程序模块的基本功能和处理步骤，主要包括：

①数字滤波及特征量计算。

②保护判据计算及动作特性形成。(www.xing528.com)

③逻辑与时序处理。

④告警与跳闸出口处理。

⑤后续动作处理，如重合闸及启动断路器失灵保护等。

⑥故障报告形成及整组复归处理。

在4.2小节，将以线路距离保护为例对故障处理程序模块作进一步说明。

由于相对于正常运行时间而言故障处理时间很短，在故障处理时，只保留采样中断服务程序中的数据采集与保存、通信数据收发、运行自检等必须按严格定时完成的以及必须及时响应的任务外，其他中断服务任务（如启动元件）和主循环中的大部分任务将会自动地暂时中止，留待故障处理完毕后再恢复正常执行，这就要求编制相关的程序模块来适应这一要求。

另外，在故障处理程序模块的执行过程中，有些任务不能在一次采样中断服务周期（即采样周期TS中完成。常见的此类情况有：

①数据窗等待问题：各种算法都有一定时宽的数据窗，即需要等待多点采样数据逐步都到达后才能最终完成计算。

②信号滞后等待问题：如纵联保护远方信号需要传输时间等，在信号正确到达之前，故障处理程序必须等待。

③动作延时等待问题：如后备保护通常需要较长的延时，CPU在此期间需保持重复计算和故障判断，并在出现不满足判据时执行整组复归操作，只有一直满足判据并到达规定时延时，才能发出告警或跳闸。

④计算处理超时问题：因计算处理量太大而在一个采样中断服务周期中无法完成。

前3种情况有共同之处，即无论CPU的处理能力有多强，都必须等待完整信息或规定时延的到达。而第④种情况主要受限于CPU的处理能力。为了解决好上述问题，在编制采样中断服务程序（尤其是故障处理程序）时需要严格遵循两点基本要求，如下所述。

①在当前中断服务中还不完全具备完成该任务条件，不允许在中断服务中等待，在处理完当前可以执行的部分任务后，应立即转至下一个具备处理条件的任务或从中断返回，未完成的处理任务留待下一次中断服务时再进行判断和处理。这是针对非CPU能力而出现的延时等待的对策。

②与CPU处理能力相关的对策问题。在设计每次中断服务任务时不允许超过在一次中断服务限定时间内CPU的处理能力，或者说应选用足够能力的CPU保证能在一次中断服务限定时间内完成全部计算处理任务并留有裕度（这是目前可以做到并且推荐的做法），以避免中断程序走死或不可预计的中断嵌套；当受限于CPU的能力在一次中断服务限定时间内无法完成规定的故障处理任务时，故障处理程序模块则需要采用分时分步处理的方法。

在目前实用的保护装置中，对故障处理程序模块还有其他的处理方法，如一次中断嵌套法和中断返回转移法等，也可解决延时等待和计算超时问题，读者可参阅其他参考文献。

完成第11框任务后执行中断返回，便结束了此次采样中断服务，CPU从中断返回至被打断的主循环程序执行，并等待下一次采样中断的到来，周而复始。