第六章-提高微机保护可靠性的措施

提高微机保护可靠性的措施一、概述可靠性是对继电保护装置的基本要求之一，它包括二个方面——不误动和不拒动。可靠性同很多因素有关，例如保护的原理、工艺和运行维护水平等。本章将着重讨论的是由于应用微型计算机而带来某些特色的二个方面：一是微机保护的抗干扰问题。二是装置内部有元件损坏时的对策。就元件损坏来说，微机保护有明显的优点，因为使用微机后元件数量大大减小，而且大规模集成电路芯片在各领域大量使用的实践已证明损坏率是很低的。特别是微机保护可以实观高级的在线自动检测，在绝大多数的情况下元件损坏都能被自动检测发现并且发出警报，不会引起保护误动作。一、概述至于抗干扰问题，继电保护装置的工作环境电磁干扰是严重的，人们在过去的实践中已经自然地建立起一个概念，动作缓慢的机电型继电器不怕干扰，而快速反映的灵敏的电子电路容易受干扰影响。国内在研制晶体管保护的初期在干扰问题上有过深刻的教训，微型计算机是在内部时钟节拍控制下，以极高的速度工作的。人们担心它的抗干扰能力不是没有理由的。为此我们专门对可靠性问题进行讨论，特别是抗干扰问题。我们将会看到，在抗干扰方面微机也有它的独到之处，可以采取一系列常规保护所无法实观的抗干扰措施，国内外的实践都已证明微机保护是高度可靠的。二、干扰源及串入弱电系统的途径国内外对静态继电器的干扰来源都已作了大量的研究。指出了干扰主要是通过保护装置端子从外界引入的浪涌，这些对干扰来源的分析都同样适用于微机保护。二、干扰源及串入弱电系统的途径干扰的分类：共模干扰差模干扰差模干扰对微机保护的威胁一般不大，因为微机保护各模拟量输入回路都首先要经过一个防止频率混迭的模拟低通滤波器。它能很好的吸收差模浪涌。就抗干扰而言，这种低通滤波器能够用无源的最好，因为包括运算放大器的有源滤波器容易在浪涌过电压下损坏。二、干扰源及串入弱电系统的途径至于作用在装置对外引线端子和机壳之间的共模干扰。由于微机保护各外接端子同微机弱电系统之间都是没有电的联系的。下表给出了各种外接端子同微机弱电系统之间的隔离方法。因此，似乎共模干扰并不会侵入微机的弱电系统。实际上由于共模浪涌的特点是频高、前沿陡。因而可以顺利通过各种分布电容而串入弱电系统。二、干扰源及串入弱电系统的途径外接端子同微机弱电系统的隔离方法端子种类隔离措施交流输入端子电压形成回路中的小变压器隔离，一次和二次线圈间有屏蔽层开关量输入端子光电隔离开关量输出端子光电隔离和继电器线圈和接点之间的隔离直流电源端子逆变电源中的高频变压器隔离，线圈间有屏蔽层二、干扰源及串入弱电系统的途径除了通过各种分布电容串入弱电系统外，微机保护的电源线也是一种不可避免的偶合途径。因为弱电电源线同干扰源之间总有一定的偶合，而它又直接接到微机各个部分，所以它是一个传递干扰的主要途径。由于弱电电源线及其零线之间都接有大容量的电容器。而且每个插件入口和每个芯片的电源线之间通常也都接有电容器，所以电源线之间对高频浪涌干扰可以认为是短路的，通过电源线传递的不是作用在二个电源线之间的干扰，而是作用在电源线和机壳之间的共模干扰。电源线传递共模干扰的方式同其零线是否接机壳有关。下面分别对这二种情况进行分析：二、干扰源及串入弱电系统的途径图1给出了电源零线直接接地时电压互感器二次引线所携带的共模干扰通过电压形成回路中的隔离变压器一次和二次线圈之间的分布电容串入微机弱电系统电源途径。二、干扰源及串入弱电系统的途径来自PT二次至逆变一次逆变电源中高频变压器电压形成隔离变压器0伏Z1CCCCZ3Z2图1电源零线接地时传递干扰的示意图返回二、干扰源及串入弱电系统的途径如果微机电源的零线不连接机壳，并且尽量减小电源线同机壳之间的分布电容，则由于干扰造成的流过电源线的浪涌电流可以大大减小。此时在干扰作用下微机电源同机壳之间的电位将浮动。图2示意地表示了共模干扰电压Vp通过偶合电容C3作用至电源线的情形。二、干扰源及串入弱电系统的途径Z2Z1C1C2C3C4C50伏+5伏Vp图2电源零线浮空时传递干扰的示意图返回二、干扰源及串入弱电系统的途径需要说明的是，具有分布参数的系统实际是一个电磁场或波动过程的问题，其物理过程要复杂的多，上述只是定性和示意性的。三、干扰的可能后果干扰对微机保护的影响主要表现在以下几个方面：计算或逻辑错误程序运行出轨元件损坏四、抗干扰的措施最重要的抗干扰措施是防止干扰进入微机弱电系统，也就是前面介绍过的各种隔离、屏蔽、合理布局和配线等，以及减弱电源线传递干扰的方法。这些措施是有效果。合理的硬件设计可以做到干扰不会引起微机的工作错误。这一节要介绍的抗干扰措施可以称作第二道防线，就是说万一干扰突破了第一道防线，造成了微机工作出错。也决不能允许它导致保护误动或拒动，而应能自动的纠正。针对各种不同的出错情况，可以分别采取以下措施。四、抗干扰的措施1.对输入采样值的抗干扰纠错2.运算过程的校核纠偏3.出口的闭锁4.程序出格的自恢复四、抗干扰的措施——对输入采样值的抗干扰纠错保护装置的某些模拟输入量之间存在着某些可以利用的规律。例如，三相电流和零序电流之间有：03iiiicba四、抗干扰的措施——对输入采样值的抗干扰纠错如果对每相电流和电流的回来各设有一个采样通道，而且四个量都在同一时刻采样，则对任一次采样k都应当满足：)1()(3)()()(0kikikikicba四、抗干扰的措施——对输入采样值的抗干扰纠错式(1)提供了一个判别各采样值是否可信的方便的依据。可以对每一次采样值都按式(1)进行一次分析，只在满足式(1)的前提下才允许这一组采样值保存并提供给CPU作进一步的处理。如果由于干扰导致输入采样值出错，可以通过式(1)的检查取消这一组采样值，等待干扰脉冲过去，数据恢复正常后才恢复工作。这相当于晶体管保护在第一级触发器设置一个延时躲开干扰的方法，不同点是微机的延时不是固定的，更加灵活。四、抗干扰的措施——运算过程的校核纠偏针对CPU在运算过程中可能因强大的干扰而导致运算出错的问题，可以将整个运算进行两次。以核对运算是否有误。这种核对可以有二种做法：一是在运算的结尾，由程序安排使CPU先把运算结果暂存来。再利用同样的原始数据，按同样的运算式子再算一遍，并同前一次计算结果比较，应当完全一模一样。这种校对可以很有效的查出因干扰而造成的运算出错。如果二次结果不一样，则再算，三取二表决。或直至二次结果一样。四、抗干扰的措施——运算过程的校核纠偏另一种做法不是利用完全相同的原始数据，而是将算法所依据的数据窗顺移一个采样值。例如算法要求的数据窗长度为N+1点。第一次计算利用X(k)，X(k-1)····X(X-N)，第二次利用X(K+1)，X(K)，···X(K+1-N)再算。这二次计算结果不会完全一样。但阻抗或电流电压有效值这些量的计算结果应当十分接近。第二种做法不仅可以排除干扰造成的运算出错，也对原始数据进行了进—步的把关。四、抗干扰的措施——出口的闭锁前面已提到，在干扰造成程序出格后CPU可能执行一系列非预期的指令。如不采取措施则在此过程中可能碰到一条非预期的指令正好是跳闸指令而造成保护误动作。防止这种误动作的措施是在设计出口跳闸回路的硬件对应当使该回路必须在连续执行几条指令后才能出口。一般开关量输出回路图中，每一个开关量输出都通过一个与非门控制。要在与非门的二个输入端都满足条件才驱动光电器件。对于跳闸出口等重要的开关量输出回路这些与非门的二个输入端应当接至二个不同的端口，使这二个输入条件不可能用一条指令同时改变。四、抗干扰的措施——出口的闭锁采取上述措施后虽可大大减小非预期的指令造成跳闸条件的或然率，但仍然有可能在程序出格后非预期的执行一条转移指令，正好转移到跳闸程序段的入口，造成误跳闸。为此可以将跳闸程序段按图3安排。四、抗干扰的措施——出口的闭锁跳闸指令1跳闸指令2标志字核对标志字核对跳闸入口A不对正确接其它程序RESET图3跳闸程序的闭锁返回四、抗干扰的措施——出口的闭锁如上图所示，将跳闸条件分成二部分，跳闸指令一和跳闸指令二。必须在执行这二部分指令后才构成跳闸条件。而在这二部分指令之间插入一段核对程序。检查RAM区存放的某些标志字。保护装置通过正当途径进行跳闸程序段时，应在通过前面的程序段时给这些标志赋以相应的值。四、抗干扰的措施——程序出格的自恢复万一在强大的干扰下造成了微机程序出格，除了前面提到的出口的闭锁措施以防止误动外，我们还希望能迅速发现程序出格。而自动地使其重新纳入轨道，以免被保护对象发生故障时保护拒动。这一点任何软件措施都将无济于事，因为此CPU已不再按预定的程序工作，必须有专用的硬件来检测程序出格，并实现自动恢复。四、抗干扰的措施——程序出格的自恢复图4示出了一种硬件自恢复电路的方案。当程序没有出格时，由软件安排使该点电位按一定的周期T在“1”和“0”之间周期性地变化。A点分二路，一路经反相器，另一路不经反相器。分别接至二个延时t动作而瞬时返还的延时元件。廷时元件的输出接至“或’门的二个输入端。延时t应比A点电位变化周期T长，因此在正常时二个延时元件都不会动作，“或”门输出为“0”。一旦程序出格，A点电位停止变化，不论它停在“1”态还是“0”态，二个延时元件中总有一个动作。它通过“或”门启动单稳态触发器，其输出脉冲接至CPU的复位端（Reset），使保护装置重新初始化，恢复正常工作。四、抗干扰的措施——程序出格的自恢复t10t10t20单稳或RESET报警A图4程序出格自恢复电路返回五、自动检测提高微机保护可靠性的另一重要课题是装置内部有元件损坏时的后果及对策。从可靠性的角度希望能做到任一元件损坏不引起误动。并且应能立即自动检测到而发出警报。以便及时得到相应处理，防止由于元件损坏未发现在该动作时保护拒动。五、自动检测微机保护是一种“动态”系统，不论电力系统是否发生故障，其微机部分的硬件都处在同样的工作状态中，无非是数据的采集、传送和运算。因此任何元件(指微机部分的元件)损坏都会在正常时表现出来。实际上，在正常运行时CPU在两个相邻采样间隔时间内总有一部分等待下一个采样时刻到来的富裕时间。因此还可以利用这一段时间循环地执行一个自检测程序，对装置各部分进行检测。通常可以准确地查出损坏元件的部位，并打印出相应的信息。下面按损坏元件的种类，分别讨论自动监测的方法。五、自动检测系统自动检测的对象一般包括：RAMEPROM数据采集系统开关量的输入通道开关量的输出回路其它部分五、自动检测——RAM自检对装置RAM区的每一个地址，可以循环地按图5进行检测。试写入“00H”试写入“FFH”写入正确写入正确进行下一个RAM地址的检测非是报告将RAM中存放的数据存入堆栈从堆栈中恢复原来存放的数据是非图5RAM自检程序流程五、自动检测——EPROM自检EPROM自检常用的方法是将EPROM中存放的全部数码按字节、按一定的运算公式累计运算，最后得到一个数码，供比较核对。大量的实践证明循环冗余码（CRC）方法是极其可靠的。五、自动检测——EPROM自检对置EPROM的自动检测存在的一个问题是，这一检测是用程序来进行的，而程序本身正是存放在EPROM中的被检测对象。因此有可能由于EPROM中固化内容改变，跟本不再执行EPROM的自检程序，那就无从发观问题。为了提高检测的可靠性。最好在整个程序流程中在二处或二处以上设置EPROM的自检程序，设置的部位要作周密的考虑。五、自动检测——数据采集系统自检这部分的检测对象主要是采样保持器，模拟量多路开关和模数变换器。常用的方法是将装置的+5伏稳压电源接至这一路采样通道。经过多路开关和模数变换后输入微机系统。CPU可以通过对这一通道的数值的监视检测多路开关，模数变换等工作是否正常，同时又可以实现对稳压电源的监视和越限报警。五、自动检测——开关量输入通道自检对开关量输入通道的检测，主要是指对各光电偶合器件及传送开关量的并行接口的检测。五、自动检测——开关量输出通道自检同开关量输入一样，各种开关量输出回路也是静