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1、第六章 提高微机继电保护 可靠性的措施,可靠性是对继电保护装置的基本要求之一。它包括两个方面-不误动和不拒动可靠性和很因素有关，例如保护的原理、工艺和运行维护水平等这里将着重讨论由于应用微型计算机而带来的两个问题一是微机保护的抗干扰问题，二是装置内部元件出现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现高级的在线自动检测，在绝大多数情况下，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。,继电保护装置工作环境中的干扰是严重的，这些干扰的特点是频率高、幅度大
2、，因而可以顺利通过各种分布电容的耦合；另一方面这些干扰持续时间短。模拟式静态保护装置可以用延时来躲过这些干扰，而微机保护由于计算机的工作是在时钟节拍的严格控制下以较高速度同步进行的，不能简单的设置延时电路这就增加了干扰问题的严重性所以，提高微机保护装置可靠性的重点在抗干扰上,6.1 干扰来源和窜入微机 弱电系统的途径,干扰产生于干扰源。有的干扰来自外部，有的干扰来自内部。外部干扰是指那些与系统结构无关而是由使用条件和外部环境因素所决定的干扰。内部干扰是指由系统结构、元件布局和生产工艺等所决定的干扰。外部干扰主要有其它物体和设备辐射的电磁波产生的强电场或强磁场以及来自电源的工频干扰等等；内部干扰
3、主要有杂散电感和电容的结合引起的不同信号感应、长线（对高频信号而言）传输造成电磁波的反射、多点接地造成的电位差干扰等等。从物理角度分析来看，外部干扰和内部干扰具有相同的物理性质，其消除及抑制的方法没有本质区别。就装置而言，它们的不同之处在于内部干扰源可以在设计和调试中使之尽量减少，而对外部干扰源只能通过合理的措施将它“拒之门外”。总的来说，由于干扰源多种多样，应有针对性地采用不同方法来克服。,（1）干扰源,（2）干扰形式,一般认为，干扰形式有两种，即横（差）模干扰和共模干扰。,1）差模干扰,差模干扰是串联于信号源之中的干扰，即串联干扰，其产生情况如图39所示，其中Un表示差模干扰电压，Us表示
4、信号源。差模干扰的原因主要是由于各信号线对干扰源的相对位置不对称而引起以及长线传输的互感、分布电容的相互干扰以及工频干扰等。,图39 差模干扰示意图,2）共模干扰,共模干扰是引起回路对地电位发生变化的干扰，即对地干扰，其产生情况如图40所示，其中Un表示共模干扰电压。共模干扰可为直流，亦可为交流，它是造成微机保护装置损坏或工作不正常的重要原因。消除共模干扰的方法主要有：浮空隔离技术；双层屏蔽技术；系统一点接地；低阻匹配传输、电流传输代替电压传输；采用隔离变压器；采用光电耦合芯片。,图40 共模干扰示意图,图41是差模干扰与共模干扰对有效信号的影响示意图，其中图41（a）为差模干扰迭加在一直流信
5、号上的波形，图41（b）为共模干扰改变了地电位后的波形，图41（c）为差模干扰和共模同时干扰的迭加波形。,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叠的模拟低通滤波器，它能很好地吸收差模浪涌为了减小作用在装置对外引线端子和机壳之间的共模干扰，硬件设计时应使微机保护各外接端子同微机弱电系统之间都没有电的联系。,表2中所示为各种外接端子同 微机弱电系统之间的隔离方法。,这样，似乎共模干扰不会侵入微机的弱电系统了，但实际上由于共模浪涌频率高、前沿陡的特点使它可以顺利通过电路的各种分布电容而窜人弱电系统。而浪涌的幅度可能很大，微弱的耦合也可能足以造成微机工作出错因此除了表中所示隔离措施之外
6、，在保护装置的结构布局方面必须十分谨慎例如应当将弱电系统的插件远离同外接端子有直接联系的各插件（电压形成回路，开关量输入和输出回路等）并且装置后底板的配线也应当使强电和弱电严格分开这样安排后，外接端子所引入的共模干扰浪涌基本上不会通过分布电容影响微机弱电系统的工作。,除此之外还有一条不可避免的耦合途径即微机保护的弱电电源线因为弱电电源线和干扰源之间总有一定的耦合，而它又直接连到微机的各个部分，所以它是一个传递干扰的主要途径 由于弱电电源线（一般是5V）及其零线之间都接有一定容量的电容器，同时每个插件入口和每个芯片的电源“”“”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
7、短路的，通过电源线传递的不是作用在两个电源线“”“”之间的干扰，而是作用在电源线和机壳之间的共模干扰对此干扰也应加以注意,6.2 干扰对微机保护装置 的影响,国内外对静态继电器的干扰来源所作的大量研究表明，装置的内部干扰主要由内部继电器的切换等原因引起；而外部干扰主要是由装置的端子排从外界引入的浪涌电压。也就是说，装置所有的输入输出线、电源线、地线（包括机壳）均会引入干扰 这个结论同样适用于微机保护装置微机保护装置既有作为核心部分的数字部件又有作为外围部分的模拟部件（如出口继电器、驱动电路等）干扰对模拟电路和数字部件所造成的后果是不同的模拟电路在干扰作用下往往使开关电路误翻转，在没有完善闭锁措
8、施时将会导致误操作；数字电路受干扰作用往往造成数据或地址传送错误，从而导致微机运行故障或功能障碍，也能引起保护的不正确动作,干扰对微机保护装置的影响主要表现在以下几个方面：,（l）计算或逻辑错误,微机保护中的输出数据、计算中间结果和控制标志字都放在随机存贮器RAM中，强干扰引起RAM数据发生改变是可能的。另外，当CPU正在读（或写）一个数据时，数据线或地址线受干扰发生改变，就会造成读（或写）一个坏数据或者对一个错误的地址读（或写）如果这是一个中间结果或者采样数据，就会造成计算错误，如果这是一个标志字，就会造成逻辑紊乱，这都有可能引起装置误动或拒动,（2）程序运行出轨,这是指由于随机干扰破坏了程
9、序执行的正常顺序而造成程序执行卡死的现象例如，当CPU正通过地址总线送出一个地址以便从EPROM获取指令操作码。如果由于干扰使传送地址出错，它将从一个错误的地址取得一个错误的操作码。如果这个误码CPU不认识，程序运行将发生中断；如果这个错误码是可执行码，那么在执行了一系列非预期指令后往往最终碰到一个CPU不认识的指令操作码而停止工作。由此看出，在程序运行出轨后引起误动作的概率是很小的，但会造成CPU停止执行继电保护的规定任务，再发生系统故障时，保护将拒动。,（3）元件损坏,严重的干扰还可能造成元件损坏,6.3 抗干扰措施,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
10、、屏蔽、合理布局和配线以及减弱电源线传递干扰等方法。这些措施是有效的 合理的硬件设计可以做到干扰不会引起微机的工作错误以上可以说是抗干扰的第一道防线。而下面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作或拒动，而应能自动地纠正针对各种不同的出错情况，可以分别采取以下措施。,（1）对输入采样值的抗干扰纠错,保护装置的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：,上式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进行一次分析，只有在满足公式的前提下才允许这一组采样值保存并提供给CPU作
11、进一步的处理如果由于干扰导致输入采样值出错，可以取消不能通过检查的采样值，等干扰脉冲过去，数据恢复正常后再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，不同点是微机保护的延时不是固定的，更加灵活。顺便指出，求和检查不仅可以抗干扰，还可以用来发现数据采集系统的硬件损坏故障例如，有一个采样芯片损坏，此时将连续多次发现采样值不符合公式所示的关系，微机保护将报警和采取相应的措施，不会引起保护误动。,如果对每相电流以及电流和回路各设有一个采样通道，而且四个量都在同一时刻采样，则对任一次采样时刻k，都应满足：,（2）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
12、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校对可以有两种做法。一是在运算结束后，由程序安排使CPU先把运算结果暂存起来，再利用同样的原始数据，按同样的运算式再算一遍，并同前一次计算结果比较，两次的计算结果应当完全一样这种核对可以很有效的查出因干扰而造成的运算出错如果两次结果不一样，则再算，三取二表决，或直到两次结果一样。另一种做法是连续的两次计算不利用完全相同的原始数据，而当第二次计算时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Nl点，第一次计算利用X(k),X(k-1)X(k-N)，第二次则利用X(k+1),X(k)X(k-N+1)。正常时，这两次结果不
13、会完全一样,但阻抗、电流、电压等电气量有效值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一步的把关。,（3）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，则在此过程中不是没有可能碰到一条非预期的指令正好是跳闸指令而使保护误动作。防止这种误动作的措施是在设计出口跳闸回路的硬件时应当使该回路必须在连续执行几条指令后才能出口，不允许一条指令就出口,前面介绍的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，要在与非门的两个输人端都满足条件时才驱动光电器件。而在初始化时这个与非门的两个输入端都被置成相反的状
14、态对于跳闸出口等重要的开关量输出回路，这些与非门的两个输入端还应当接至两个不同的端口，使这两个输入条件不可能用一条指令同时改变 这一原理正像一个保险柜的暗码锁，暗码越长，不知道暗码的人随机地拨动而打开的可能性就越小。,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，非预期地执行一条转移指令，正好转移到跳闸程序段的入口，造成误跳闸。为此还可以将跳闸程序段按图42安排,图42 跳闸程序的闭锁,将跳闸条件分成两部分，跳闸指令一和跳闸指令二，必须在执行这两部分指令后才构成跳闸条件。同时，还在这两部分指令之间插入一段核对程序，检查在 RAM区存放的某些标志字当保护装
15、置通过正常途径进入跳闸之前，在其前面的程序段中必须给相应的标志字赋值（例如，起动元件已起动或测量元件判断故障在区内等），以便CPU通过核对这些标志字来判别是合理的跳闸还是由于程序出格而错误地进入跳闸程序。前者可以通过检查而继续执行跳闸指令二，发出跳闸脉冲，后者CPU将转至重新初始化，从程序出格状态恢复正常运行,如果程序出格后，非预期地转至跳闸程序段的中间某一地址，例如，从图42的A点进入，经核对发现标志字的错误而使程序重新复位运行，保护不会误跳闸。这一出口的闭锁措施和晶体管保护用第一级触发器来闭锁本级跳闸出口的思想类似，只是微机保护用软件实现更加灵活 应当指出，实际上即使不采取以上闭锁措施，微
16、机保护在程序出格后造成误跳闸的或然率已经很小，但是采取这些措施后所花代价很小却可以更进一步减小误动的机率,（4）程序出格的自恢复（看门狗）,万一在强大的干扰下造成了微机程序出格，除了上面提到的出口闭锁措施以防止保护误动外，还希望能迅速发现程序出格，并能自动地使其重新恢复正常，以免被保护对象发生故障时保护拒动但此时任何软件措施都无济于事，因为CPU已不再按预定的程序工作，因此必须用专用的硬件电路来检测程序出格，并实现自动恢复正常,图43 程序出格的自恢复电路,图43示出了一种硬件自恢复电路的方案。其中A点接至微机保护硬件电路的某一点，例如并行接口的某一输出端口位。当程序没有出格时，由软件安排使该
17、点电位按一定的周期T在“1”和“0”之间周期性地变化A点分两路，一路经反相器，另一路不经反相器，分别接至两个瞬时返还而延时t1动作的元件延时元件的输出接至“或”门的两个输入端延时时间t1应比A点电位变化的周期T长，因此，在正常时两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，两个延时元件中总有一个动作，动作后通过”或”门起动单稳触发器，触发器的输出脉冲接至CPU的复位端（RESET），因而使保护装置重新初始化，恢复正常工作。,这个电路不仅可用于对付程序出格，还可以用于在装置主要元件（例如CPU）损坏而停止工作时发出报警信号因为在这种
18、情况下，单稳触发器发出复位脉冲后，不能使A点电位恢复至周期性变化状态，这时将通过t2延时后发出告警信号如果在被保护对象无事故时发生程序出格，装置能自动恢复正常，无任何危害即使在被保护对象发生内部故障的同时发生程序出格，利用这种电路也可以很快恢复CPU工作，只是使保护略带延时动作而不致造成越级有些单片机自身带有所谓的“看门狗”即监视定时器。,6.4 自动检测技术（自检）,提高微机保护可靠性的另一重要课题是研究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时都不会引起误动作，并且应能立即自动检测到而发出警报，以便及时得到相应的处理，并防止由于元件损坏未被发现，使保护在应该动作
19、时拒动,传统保护装置要实现经常的、全面的在线自动检测是困难的。因为这类保护的各部分在正常运行时都是“静止”的，无法自动检测出正常时导通的三极管的短路或正常截止的三极管的开路这一类元件的损坏而微机保护是一种“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，进行数据的采集、传送和运算,Compare,因此，任何元件（指微机部分的元件）损坏都会在正常运行时表现出来实际上，在正常运行时CPU在两个相邻采样间隔时间内总有一些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程序，对装置各部份进行检测。通常可以准确地查出损坏元件的部位，并打印出相应的
20、信息下面按损坏元件的种类分别讨论自动检测的方法。,（1）RAM,对装置RAM区的每一个地址，可以循环地按图44进行检测。通过对该RAM地址写人全“0”00H（H表示16进制，这里假定是用8位机按字节检测）和全“1”FFH检测是否良好 应当注意对于某些存放重要标志字的RAM地址的检测不允许被中断必须在最高优先权级的中断服务程序中进行。,图44 RAM自检流程图,（2）EPROM（EEPROM）,为了检测固化在EPROM中的数码（程序的指令或数据）是否改变，一种最简单的也是常用的方法是累加和自检。即将EPROM中存放的全部数码按字节（或双字节）累加，舍去累加过程中溢出的部分，保留累加结果的一个字节
21、（或双字节）和数同预先存放在EPROM中某地址的已知的和数进行比较，以判断固化的内容是否改变累加和自检，算法简单，执行速度快，常用于EPROM的在线实时自检 这种用和数是否改变来判别EPROM是否完好的方法虽然在理论上是不严密的（因为有可能同时有两位或几位发生了变化而和数正好不变），但是考虑这种求和检查是在一个很短的时间内（通常不过几十毫秒）周期性的不断的循环进行的，在这么短的时间内EPROM中存放的内容有几处同时改变而和数不变的可能性是极小的。,除了求和方法以外，还可以采用循环冗余码方法。它是将每字节的每一位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。大量的实践证明用循环冗余码（
22、CRC）方法对EPROM内容有变化时检出率高但缺点是执行速度慢，自检需花费很长的CPU时间。,In addition,(3）数据采集系统,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转换器在前面介绍对输入采样值的抗干扰纠错方法时，已提到可以用各模拟量之间存在的规律来自动检测数据采集系统的损坏如果某一通道硬件损坏，将破坏这种规律而被检测到。,（4）开关量输入通道,对开关量输入通道的检测主要是指对各光电耦合器件及传送开关量的并行接口的检测检测的困难在于这些元件是静止的，因此如果外部常开接点输入回路的光敏三极管开路，或者外部常闭接点的光敏三极管短路将不能被检测出外部接点按功用可分为两大类。
23、一类是由人工操作的各种转换开关，例如，工作方式切换等另一类是外部继电器或自动装置的接点,对于第一类接点可以通过监视来检查。比如在没有人为操作而是由于开关量输入回路有元件损坏使微机感觉到开关量输入有变化时，它可以发出呼唤信号，并打印出变化前后的开关量情况，以供核对如果工作人员操作而微机没有响应，或打印出的信息核对有误，即可判断开关量输入通道有问题,TYPE 1,对于第二类接点，例如，外部其他保护的出口接点，经过开关量输入给微机综合重合闸装置。在这种情况下既要考虑开关量输入回路误导通时的误跳闸，又要考虑开关量输入回路失灵未能被及时发现而造成拒动的问题为防止拒动，对于重要的开关量输入通道可以采用双重
24、化即一个外部接点经过两个开关量输入通道输入，两路构成“或”的关系为防止误动，可以在采取了双重化外再增加一个其他的闭锁条件不然双重化的两路中如只有一路动作时就无法区别是由于这一路元件损坏而误动作的，还是由于本应两路都动作但有一路元件损坏而拒动,TYPE 2,（5）开关量输出回路,图45 开关量输出回路的自检回路,图中上部是一个典型的开关量输出回路，下部虚线框内是专用的自检回路自检的原理利用了继电器K的吸合时间远大于电子电路的反应时间这一特点对开关量输出回路进行自检时可以用软件通过并行接口送一个命令，使光耦器件G1的光敏三极管导通，然后CPU通过并行接口 2监视光耦器件G2是否导通，如果此开关量输
25、出通道正常，G2应立即导通，CPU检测到G2导通后立即撤回从并行口1送出的驱动命令由于这一过程极短，仅几个微秒，K不会吸合如果此开关量输出通道有元件损坏，则CPU经过预定的时间收不到G2导通的信号，也应立即撤回驱动命令（因为有可能是自检部分失灵，如不撤回，K将误吸合）并发出警报,由图45可见，这种自检原理可以检测出除继电器K本身以外的开关量输出通道中任一元件的损坏。并且自检可以自动进行而无须将保护退出，这点是常规保护所做不到的。一台保护装置有很多开关量输出通道，但图45中虚线框内的自检硬件电路可以公用一个。每一个开关量输出通道的光耦器件都通过一个隔离二极管D1接至公用的自检电路,（6）其他部分
26、,从微机保护的硬件框图（图2）可见，以上五个自检内容包括了硬件全部元器件的绝大部分。这五个部分中任一元件损坏都能被自检发现并可打印出准确的故障部位和发出中央和本地告警信号。此外在必要时可根据故障部位闭锁保护但是，还有一些硬件元件损坏不可能由自检程序检测到。例如，CPU本身损坏而停止工作，此时显然不能期望微机保护通过打印机打印出任何信息但是，微机保护是一个动态系统，CPU停止工作后，图43所示的硬件自复位电路应能通过T2的延时发出告警信号。总之，可以相当有把握的做到“只要微机保护不发告警信号，装置就是完好的”这就大大提高了微机保护的可靠性,THATS THE END OF CHAPTER 6THANKS!,
