提高微机继电保护装置可靠性的措施

第 7章 提 高 微 机 继 电 保 护 装置 可 靠 性 的 措 施 7.1.1电 磁 兼 容 性 的 基 本 概 念 和 电 磁 干 扰 的 传 播 途 径 电 磁 兼 容 性 （ EMC， Electro Magnetic Compatibility ） 是 指电 器 、 电 子 产 品 能 在 规 定 的 电 磁 环 境 中 正 常 工 作 ， 并 不 对 该 环境 中 其 他 产 品 产 生 过 量 的 电 磁 干 扰 。 包 含 着 两 方 面 要 求 ：电 磁 敏 感 性 （ EMS， Electro Magnetic Sensitivity ) 是 指 设 备 在 包 围 它 的 电 磁 环 境 中 能 够 不 因 干 扰 而 降 低 其 工作 性 能 。电 磁 干 扰 （ EMI， Electro Magnetic Interference ） 是 指 能 够 产 生 电 磁 干 扰 的 设 备 ， 在 工 作 时 不 会 使 同 一 电 磁环 境 中 的 其 他 设 备 因 其 电 磁 发 射 而 不 能 正 常 工 作 。 电 磁 干 扰 的 传 播 方 式 ： 辐 射 ： 电 磁 干 扰 的 能 量 通 过 空 间 的 磁 场 、 电 场 或 电 磁波 的 形 式 ， 使 干 扰 源 与 受 干 扰 体 之 间 产 生 耦 合 。 传 导 ： 电 磁 干 扰 的 能 量 通 过 电 或 电 磁 波 的 形 式 ， 使 干扰 源 与 受 干 扰 体 之 间 产 生 耦 合 源 线 和 信 号 电 缆 ， 以 电 压或 电 流 的 方 式 传 播 。干 扰 信 号 的 频 率 ：低 频 干 扰 （ DC至 10 20kHz） 、高 频 干 扰 （ 几 百 兆 赫 ， 辐 射 干 扰 可 达 几 千 兆 赫 ）瞬 变 干 扰 （ 持 续 周 期 从 数 纳 秒 到 数 毫 秒 ） 。 国 际 电 工 委 员 会 （ IEE） 于 1990年 推 出 了 新 的 电 磁 兼容 基 础 性 标 准 IEC1000-4标 准 。 该 标 准 的 应 用 场 合 为 ： 居 民 区 和 商 业 场 合 下 的 公 共 电 源 网 络 ； 工 业 场 合 的 电 源 网 络 ； 在 公 共 电 源 网 络 和 工 厂 （ 包 括 控 制 室 ） 中 的 控 制 线 路 ； 在 电 站 中 的 电 源 及 控 制 线 路 ； 通 信 线 路 ； 一 些 有 专 用 电 源 的 电 气 设 备 。 目 前 我 国 微 机 保 护 装 置 应 符 合 的 电 磁 兼 容 标 准 有 ：辐 射 电 磁 场 干 扰 试 验 应 符 合 GB/T 14598. 9规 定 的 辐 射 电 磁场 干 扰 ；快 速 瞬 变 干 扰 试 验 应 符 合 GB/T 14598. 10规 定 的 严 酷 等 级为 级 的 快 速 瞬 变 干 扰 ；脉 冲 群 干 扰 试 验 应 符 合 GB/T 14598. 13规 定 的 频 率 为 1MHz及 100kHz衰 减 振 荡 波 （ 第 一 个 半 波 为 电 压 幅 值 共 模 为 2. 5kV，差 模 为 1 kV） 脉 冲 群 干 扰 ；抗 静 电 放 电 干 扰 试 验 应 符 合 GB/T 14598. 14规 定 的 严 酷 等级 为 III级 的 抗 静 电 放 电 干 扰 等 。 微 机 保 护 装 置 本 身的 功 率 非 常 小 ， 不 可 能发 射 足 以 影 响 其 周 围 电气 或 电 子 设 备 工 作 的 电磁 干 扰 ， 因 此 ， 对 它 的电 磁 兼 容 性 设 计 也 就 集中 在 降 低 其 电 磁 敏 感 性 ，以 提 高 抗 干 扰 能 力 。 对 微 机 保 护 装 置 的 电 磁 兼 容 性 设 计 ， 主 要 考 虑 从 一 次 侧 耦合 过 来 的 干 扰 ， 以 及 其 他 二 次 设 备 对 装 置 本 身 的 干 扰 。 主 要干 扰 来 自 以 下 几 个 方 面 ：1 低 频 干 扰1） 高 、 中 、 低 电 压 电 网 中 的 谐 波 干 扰 ， 一 般 应 考 虑 到 40次谐 波 （ 2000Hz） 。2） 电 网 电 压 跌 落 和 短 时 中 断 。3） 电 网 三 相 电 压 不 平 衡 和 电 网 频 率 变 化 引 起 的 干 扰 。3） 电 网 三 相 电 压 不 平 衡 和 电 网 频 率 变 化 引 起 的 干 扰 。2 高 频 干 扰1） 20kHz以 上 的 电 压 浪 涌 ， 50kHz以 上 的 电 流 浪 涌 。 它 们 是由 电 网 中 的 开 关 电 器 操 作 ， 变 压 器 、 电 动 机 及 继 电 器 等 感 性负 载 的 投 切 和 雷 击 等 因 素 造 成 的 。2） 快 速 瞬 变 脉 冲 群 干 扰 。 3 静 电 放 电 干 扰微 机 保 护 装 置 会 受 到 来 自 雷 电 、 操 作 者 和 邻 近 物 体 对 设 备 的 放 电 。4 磁 场 干 扰 1） 工 频 电 流 或 变 压 器 磁 场 泄 漏 产 生 的 工 频 磁 场 干 扰 。 2） 由 雷 电 引 起 的 脉 冲 磁 场 干 扰 。 微 机 保 护 装 置 的 电 磁 兼容 性 设 计 ， 就 是 针 对 以上 干 扰 源 ， 从 硬 件 电 路和 软 件 设 计 上 采 取 措 施 ，一 方 面 抑 制 这 些 干 扰 ，另 一 方 面 提 高 自 身 的 抗干 扰 能 力 。 7.1.2 微 机 保 护 装 置 硬 件 的 电 磁 兼容 性 设 计1 静 电 放 电 干 扰 的 抑 制 静 电 放 电 分 为 直 接 和 间 接 放 电 ，前 者 是 通 过 直 接 产 生 放 电 ， 后 者 则是 通 过 辐 射 耦 合 产 生 放 电 。 抑 制 静 电 干 扰 最 有 效 的 方 法 是 让设 备 的 外 壳 与 大 地 良 好 地 接 触 。 因此 ， 保 护 装 置 开 关 电 源 的 金 属 外 壳应 当 与 本 体 金 属 屏 蔽 外 壳 可 靠 连 接 ，同 时 必 须 把 本 体 金 属 屏 蔽 外 壳 直 接接 地 。 2 减 小 电 网 电 压 跌 落 和 短 暂 中 断 的 影 响 电 压 跌 落 指 电 网 电 压 值 偶 然 降 低 10 15 ， 持 续 时 间为 0.5 50个 周 波 ； 短 暂 中 断 则 是 100 的 电 压 跌 落 。 造 成 电 压 跌 落 的 原 因 ： 大 多 是 电 网 中 大 容 量 负 荷 的 投 切 ，电 网 因 某 种 原 因 造 成 瞬 间 短 路 后 又 恢 复 ， 短 路 或 接 地 故 障 情况 下 线 路 开 关 电 器 的 连 续 快 速 重 合 闸 等 。 电 压 跌 落 和 短 期 中断 会 使 保 护 装 置 因 电 源 不 能 正 常 工 作 而 引 起 实 时 数 据 丢 失 ，一 次 开 关 电 器 误 动 、 拒 动 等 问 题 。 相 应 措 施 ：采 用 具 有 宽 输 入 电 压 范 围 并 带 有 储 能 电 容 和 电 感 的 开 关 电 源为 保 护 装 置 供 电 ；增 设 对 电 源 供 电 质 量 的 监 视 ， 在 电 源 电 压 跌 落 到 极 限 值 后 ，保 护 装 置 会 报 警 并 闭 锁 一 些 服 务 功 能 。 3 滤 除 快 速 瞬 变 脉 冲 群 的 干 扰 这 类 干 扰 源 主 要 是 保 护 装 置 输 出 继 电 器 接 点 弹 跳 或 一 次 真空 断 路 器 操 作 时 产 生 的 电 弧 ， 脉 冲 周 期 在 50us以 内 ， 脉 冲 群 重复 率 为 1 100次 /s， 尖 峰 电 压 为 200 3000V。 其 特 点 是 ： 单 个 脉 冲 上 升 时 间 快 ， 持 续 时 间 短 ， 能 量 低 ，但 重 复 频 率 较 高 。 虽 不 会 使 装 置 损 坏 ， 但 可 能 会 产 生 干 扰 ， 影响 其 可 靠 工 作 。 由 于 脉 冲 群 的 频 率 远 远 高 于 系 统 的 正 常 工 作 频 率 ， 消 除 它的 影 响 最 有 效 的 方 法 就 是 滤 波 。 （ 1） 设 置 电 源 线 路 滤 波 器 （ 2） 消 除 模 拟 量 输 入 通 道 的 干 扰 （ 3） 设 置 保 护 装 置 专 用 采 样 互 感 器 的 二 次 侧 滤 波 器 （ 4） 用 瞬 态 电 压 抑 制 器 （ TVS） 吸 收 过 电 压 能 量 （ 5） 安 装 去 耦 电 容 4 电 压 、 电 流 浪 涌 的 吸 收 最 常 见 的 浪 涌 是 雷 电 电 流 浪 涌 和 开 关 操 作 电 压 浪 涌 。 这 类 干 扰 的 形 式 基 本 上 是 单 极 性 脉 冲 或 迅 速 衰 减 的 振荡 波 ， 其 特 点 是 持 续 时 间 较 长 ， 单 极 性 脉 冲 上 升 比 较 缓 慢且 能 量 大 ， 因 而 对 保 护 装 置 的 正 常 工 作 影 响 很 大 ， 甚 至 造成 危 害 。 为 保 护 装 置 免 受 浪 涌 浸 袭 ， 采 取 的 主 要 措 施 有 ：在 电 源 的 交 流 输 入 侧 线 路 滤 波 器 前 并 接 浪 涌 吸 收 器 ；在 输 出 直 流 侧 并 接 过 压 抑 制 器 。 浪 涌 吸 收 器 和 过 压 抑 制 器 一 般 都 采 用 金 属 氧 化 物 压 敏 电阻 。 7.1.3 微 机 保 护 装 置 印 刷 电 路 板 （ PCB）的 抗 干 扰 设 计 （ 1） 数 字 电 路 与 模 拟 电 路 分 开 布 置 ， 分 开 供 电 （ 2） 加 宽 PCB中 的 电 源 线 和 地 线（ 3） 强 电 区 域 与 弱 电 区 域 严 格 分 离 （ 4） 通 信 部 分 采 用 与 中 央 控 制 模 块 完全 隔 离 的 独 立 电 源 供 电 7.1.4 硬 件 自 复 位 电 路 有 些 单 片 机 内 部 设 有 监 视 定 时 器 ； 专 门 的 硬 件 自 复 位 电 路 芯 片 ， 如 X5045、 IPM813等 ； 7.1.5 硬 件 设 计 中 采 用 容 错 设 计 完 全 双 重 化 的 保 护 配 置 方 案 。 在 微 机 保 护 装 置 内 部 实 现 部 分 插 件 的 双 重 化 或 热 备 用 。 部 分 元 件 采 用 三 取 二 表 决 方 案 数 据 采 集 时 冗 余 采 样 通 道 的 设 置 。 7.2 微 机 保 护 装 置 的 软 件 抗 干 扰措 施 合 理 的 硬 件 设 计 是 装 置 抗干 扰 的 第 一 道 防 线 ， 可 以 做 到将 干 扰 “ 拒 之 门 外 ” ， 不 会 引起 微 机 的 工 作 错 误 ， 而 软 件 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 作 或 拒 动 ， 而 应 能 自 动 地纠 正 。 上 电 或 复 位初 始 化 （ 一 ）初 始 化 （ 二 ）工 作 方 式 ？ 全 面 自 检 ？数 据 采 集 初 始 化开 中 断 自 检 循 环 程 序 故 障 处 理 程序整 组 复 归故 障 启 动 ？延 时 调 试 调 试 任 务运 行 不 通 过 告 警 通 过 N Y 7.2.1 利 用 软 件 循 环 自 检 检 查 微 机 系 统 的 硬 件 故 障 1 程 序 存 储 器 芯 片 的 检 测 常 用 的 检 查 方 法 有 补 奇 校 验 法 、 循 环 冗 余 码 校 验 法 以 及 求 和 校 验 法 等 。2 SRAM芯 片 的 检 测 检 查 的 方 法 是 选 择 一 定 的 数 据 模 式 进 行 读 写 正 确 性 检 查 。一 般 是 用 四 个 典 型 数 据 检 查 。 即 00H， 0FFH、 0AAH， 55H。 将数 据 写 入 某 个 RAM单 元 ， 然 后 再 从 RAM单 元 读 出 ， 比 较 读 出 的内 容 是 否 与 刚 才 写 入 的 内 容 一 致 ， 如 不 一 致 ， 则 说 明 RAM出错 。3 开 关 量 输 出 电 路 的 检 测 4 开 关 量 输 入 通 道 的 检 测 5 CPU的 工 作 状 态 检 测 7.2.2 处 理 过 程 校 核 在 微 机 保 护 系 统 中 ， 反 复 进 行 校 核 是 抗 干 扰 的 重 要 措 施 ！ 1 功 能 顺 序 校 核 事 先 设 置 一 个 控 制 标 志 字 ， 其 中 的 一 个 标 志 对 应 一 个 功能 块 。 每 当 一 个 处 理 周 期 开 始 时 ， 先 将 所 有 的 标 志 位 清 零 ， 然后 在 程 序 执 行 过 程 中 由 各 子 功 能 块 对 相 应 标 志 置 位 。 在 适 当的 时 候 对 标 志 字 校 核 ， 只 有 当 标 志 位 被 充 分 置 位 时 ， 才 认 为此 次 循 环 的 结 果 是 可 信 的 。 2 出 口 密 码 校 核 标 志 字 赋 值跳 闸 指 令 一标 志 字 校 核 正 确 ？ 跳 闸 指 令 二标 志 字 校 核 正 确 ？ 跳 闸 程 序 入 口 执 行 跳 闸 操 作 R YY NN 复 位 3、 复 算 校 核 通 过 整 个 运 算 过 程 的 重 复 来 校 核 由 于 干 扰 可能 造 成 的 运 算 出 错 。方 法 一 ： 在 运 算 的 结 尾 由 程 序 安 排 CPU将 运 算 结果 暂 时 保 存 起 来 、 再 利 用 原 始 数 据 复 算 一 次 ， 然后 与 前 一 次 结 果 相 比 较 ， 如 果 样 ， 则 说 明 结 果可 信 ； 如 果 两 次 结 果 不 样 ， 则 再 复 算 次 三取 二 表 决 ， 或 直 至 两 次 结 果 样 。方 法 二 ： 在 复 算 时 将 算 法 所 依 据 的 数 据 窗 顺 移 一个 采 样 值 。 7.2.3 其 他 软 件 抗 干 扰 措 施1 设 置 上 电 标 志 2 指 令 冗 余 技 术 3 软 件 陷 阱 技 术 4 采 用 软 件 滤 波 技 术