微型机继电保护基础4-提高微机保护可靠性的措施

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干扰来源和窜入微机弱电系统的途径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。

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：①浮空隔离技术；②双层屏蔽技术；③系统一点接地；④低阻匹配传输、电流传输代替电压传输；⑤采用隔离变压器；⑥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。端子种类隔离措施端子种类隔离措施

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出端子光电隔离和继电器线圈与接地之间隔离

开关量输入端子光电隔离

直流电源端子逆变电源中的高频变压器隔离，线圈间有蔽层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。端口1端口2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