微型机继电保护基础4提高微机保护可靠性的措施ppt课件

微型机继电保护基础4提高微机保护可靠性的措施 概述 可靠性是对继电保护装置的基本要求之一 概述 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 概述 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 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 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 1 干扰源干扰内部干扰外部干扰内部干扰 高频工作 继电器切换 开关电源干扰 合理分布一般可以克服 外部干扰 通过保护装置端子从外界引入的浪涌 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 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 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 1 差模干扰输入 电源等两个端子之间的干扰低通滤波可以消除差模干扰 对微机保护影响不大 差模干扰示意图 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 2 共模干扰信号源对地的干扰电压 它对微机保护影响较大 为防止共模浪涌窜入微机系统 要求所有外接信号都应与微机弱电系统之间实现绝缘隔离 共模干扰示意图 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 交流输入 带有屏蔽层的隔离变压器变流器若为理想变压器 则共模干扰由于不产生磁通 不会传至二次侧 实际变压器原 副边绕组之间存在分布电容 共模干扰可以通过分布电容窜入一部分 加屏蔽层并将屏蔽层良好接地 可将原 副边的分布电容隔断 单如果接地有一定阻抗 仍会有部分干扰窜入 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 开关量输入 光电隔离二级光电隔离继电器加光电隔离开关量输出 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 直流电源 逆变 高频变 带屏蔽层 采取上述隔离措施后 窜入的共模干扰会大大减少 但仍不会完全杜绝 窜入共模干扰对微机保护的影响 与电源0V线是否接地有很大关系 现讨论电源零线直接接机壳 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 电源零线浮空零线浮空无危害 但若内部某点对地电容大 C5上升 0V 5V上升 但A点对地电位不变 造成A点错 要求 内部电路对外壳电容小 办法 用0V或5V把整个印刷电路板密起来 且不要把关键点的电位引起面板 特别是金属面板 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 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 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 下图是差模干扰与共模干扰对有效信号的影响示意图 其中图 a 为差模干扰迭加在一直流信号上的波形 图 b 为共模干扰改变了地电位后的波形 图 c 为差模干扰和共模同时干扰的选加波形 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 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 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 下表中所示为各种外接端子同微机弱电系统之间的隔离方法 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 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 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 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 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 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 干扰对微机保护装置的影响数据采集系统 数据错误 采样时间等可能错I O接口 状态错误 显示打印错误CPU读写错误读数据 程序写数据最严重的情况是读程序错误干扰一般不会造成误动 但拒动的可能性较大 若不能及时发现 可能拒动 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 干扰对微机保护装置的影响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 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 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 干扰来源和窜入微机弱电系统的途径 干扰对微机保护装置的影响主要表现在以下几个方面 2 程序运行出轨这是指由于随机干扰破坏了程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 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 屏蔽 合理布局和配线以及减弱电源线传递干扰等方法 抗干扰防止干扰进入一旦进入将产生严重后果 抗干扰措施 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 抗干扰措施 1 对输入采样值的抗干扰纠错三相电压 电流 在任意时刻 任意采样K 抗干扰措施 若该式不满足 说明采样值存在错误 应放弃这一组数据 若该式长时间不满足 则说明数据采集系统硬件可能损坏 应发出报警信号 在采集三相的情况下 可用自身规律如 此外 还可采用通道冗余的办法重要信号双通道或三通道取二多余A D通道采 5V监视电源监视A D 抗干扰措施 2 运算过程的校核纠偏同样的数据 同样的数据计算两遍 一致 确认结果 不一致 再算一次 三取二 不同的采样数据 向下顺延一个采样点 同样的算法计算三次以上结果应基本一致 同样数据不同算法 计算多次 结果应基本一致 抗干扰措施 例如 算法要求的数据窗长度为N l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 抗干扰措施 3 出口的闭锁硬件使跳合闸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 抗干扰措施 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 抗干扰措施 端口1变位指令和端口2变位指令应在不同的地方发出 两者之间加一系列的标志字校核 将跳闸指令分为两部分 即跳闸命令一和跳闸命令二 必须在执行这两部分指令后才构成跳闸条件 如图4 4 抗干扰措施 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 跳闸程序的闭锁 抗干扰措施 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 抗干扰措施 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 抗干扰措施 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 抗干扰措施 程序出格的自恢复电路 抗干扰措施 上图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 抗干扰措施 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 自动检测技术 自检 研究元件损坏时的后果和对策 微机保护是一种 动态 系统 元器件的故障将立即暴露出来 或被自动检测出来 误动 一般不会拒动 如不及时发现 可能 自动检测技术 自检 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 自动检测技术 自检 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 并打印出相应的信息 下面按损坏元件的种类分别讨论自动检测的方法 自动检测技术 自检 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 自动检测技术 自检 RAM自检流程图 自动检测技术 自检 2 EPROM EEPROM 自动检测技术 自检 4 数据采集系统 5V送A D 自动检测技术 自检 4 开关量输入通道外部接点 人工操作的方式开关继电器或自动装置的接点第一类 无操作有变化说明误动 报警有操作无变化说明拒动 报警第二类 防误动 多重条件串联防拒动 多重条件并联 自动检测技术 自检 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 自动检测技术 自检 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 自动检测技术 自检 5 开关量输出回路 开关量输出回路的自检回路 自动检测技术 自检 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 如果此开关量输出通道正常 G2应