微机保护装置可靠性设计
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措施, 防止窜入的干扰导致误动或拒动。 采 用 容 错 纠 错 码 ( error co rrect ion code, ECC) 技术 是提高 微机型 产品 抗电 磁干 扰的有 效 方法之一 , 它可使系 统在受到干扰发生程 序执行 方面的错 乱时不 致系统 停运 或执行 错误的 工作 , 而是使系统自动回到正常的运行状 态, 从 而提高 整个系统的稳定性和安全性。容错技术可 以渗透 到程序设计的各个方面 , 如 : 通过数字滤 波可以 提高采集数据的可靠性 ; 对于重要的控制 命令输 出采用 返校 ! 措施 , 以确保 命令执 行的 正确性 ; 不用地址的内容 , 全用空操作指令 填充 , 在程序 块中 , 每隔 若干条 指令也 插入 两条 空操作 指令 , 使程序指针因干扰 跑飞! 到这些 地址时也不会执 行错误的指令 ; 对于重要的数据进行备份。 微机保护的编程语言可以是汇编 , 也可以是高 级语言 ( 如 C 语言 ) , 但这些语言都是人工编制的, 对于成套微机保护而言 , 其程序规模非常大, 有时 需要很多人一起实现。由于编程人员的层次参差不 齐 , 程序模块间的接口复杂 , 使全套程序的可信度 下降, 尽管通过调试和测试 , 可以发现一些程序缺 陷 , 但要做到 100% 测试是不现实的。如果编程由 计算机 进 行, 将使 程 序 的可 信 度得 到 很 大的 提 升[ 7 ] 。就目前的技术水平而言 , 采用图形化编程技 术是提高装置软件设计可靠性的最先进手段, 当然 这必须建立在能将图形信息可靠地转化为机器语言 的基础上。
Reliability Design on Micro computer Protection Device
Z HO U Bin 1 , X IE Y in hua2 ( 1 . Ele ctric Po wer D ept. , China W ate r R eso ur ces P ear l R iv er Pla nning, Sur ve ying and De sig ning Co . , L td. , G uangzho u, G uangdo ng 510611, China; 2. Autom ation Co l. , G uangdong U niv. of T echnolo gy, G uang zhou, G uangdong 510080, China) Abstract: I n view of the actual pro blem s o f interf er ence r ejectio n and ele ctro mag netic co mpatibility, the paper doe s a qualita tive r esea rch o n the contents of re liability design f or pro tection dev ice, which c ov ers design pr inciple, f acto rs inf lue nc ing r eliability and anti inter fe rence me asures fo r ha rdwa re a nd sof twa re. T hen it discusses the measur es to impro ve the re liability o f har dw ar e and so ftw ar e. C ombine d w ith the eng ineer ing de sig n case study on 220 kV tr ansmission line pr o tection f or a hydr opo wer sta tio n in G uangx i, C hina, the fe asibility o f its r ealiza tio n is pr edicted. Key words: micro co mputer ; r elay pr ote ctio n; anti inte rf ere nce measure ; r eliability design
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第 11 期
周斌 , 等 : 微机 保护装置可靠性设计
83
示、菜单式操 作、详尽的故障 信息记录 ( 开入量、 开出量及模拟量等) 及详尽的事件信息记录( 继电器 的动作行为、定值修改及其它可能对保护的动作行 为有影响的事件 ) 等设计思想必须在整套装置中得 到充分的体现。人机接口的通信包括外部通信和可 能的内部通信, 为了适应自动化系统的需要 , 外部 通信应具有非常强的适应性。采用大屏幕液晶显示 器和通信功能强大的 C PU, 也是实现高可靠性设 计不可或缺的。 3 3 并行处理设计 对目前的微机保护产品, 保护原理和方案配置 不尽相同 , 但其保护功能的实现大都是按串行处理 设计的( 如图 2 所示 ) , 并行处理设计的逻辑流程如 图 3 所示 , 图 2 、图 3 中 1 n 为继电器模块。比 较图 2 和图 3 可以发现, 在某些不可预见的工况或 故障类型下, 若单个继电器元件误动或拒动 , 在串 行处理的情况下, 会导致整套装置的不正确动作 , 而并行处理则可以避免整套装置的不正确动作。据 统计 , 在目前微机保护的不正确动作行为中 , 仍有 原因不明的误动发生。可以设想, 如果所有继电保 护都按并行处理方式设计 , 在保护动作时将全部继 电器元件的动作行为都记录在案, 并能通过某种方 式获知, 加之其他信息的完整记录和再现, 则可以 消除原因不明的误动
收稿日期 : 2010 07 23
[ 1]
项要求。微机保护的正确动作取决于一系列因素, 包括保护 原理、装置的 软件和硬件设 计、产品质 量、整定调试及运行管理等方面。 电力系统的发展, 对继电保护装置不断提出新 的要求 , 继电保护装置经历了机电型、整流型、晶 体管型和集成电路型几个阶段后 , 发展到目前被电 力系统广泛应用的微机型保护阶段[ 2] 。为了解决继 电保护的技术难题 , 适应电力系统的发展要求 , 微 机型保护设计还有些问题要解决。
摘要 : 针对抗干扰 、 电磁兼容等实际问题 , 对保护装置 可靠性 设计的 内容进 行定性 研究和 分析 , 分别 从设计 原 则 、 影响可靠性的因素和软 、 硬件抗干扰措施等方面进行探讨 , 讨论多种硬件 和软件提 高可靠性的 措施 。 最后 , 结合工程设计中的广西某水电站 220 kV 输电线路保护的应用实例 , 就目前的技术水平介绍其实现的可能性 。 关键词 : 微机 ; 继电保护 ; 抗干扰措施 : 可靠性设计 中图分类号 : T M774 文献标志码 : A 文章编号 : 1007 290X ( 2010) 11 0081 04
第 23 卷
转换器, 并且能够对通道进行完善的监视。数据处 理能力是制约原理方案正确实施的关键 , 为了实现 高速可靠动作, 需要使用新的原理方案 , 为了正确 全面地分析保护的动作行为, 应对保护动作时刻前 后的所有模拟量、开关量及保护继电器元件的动作 行为进行详细的记录 , 因此一般须采用大容量的存 贮器及具有定浮点运算功能的 32 位微处理器才能 满足要求。开入开出的设计对提高装置的抗干扰水 平和可靠性至关重要 , 目前的保护产品仅能做到检 测出口跳闸继电器的线圈 , 无法监测断路器跳闸控 制回路的完整性 , 如果这一问题得以解决, 对电力 系统的运行和检修具有极其重要的意义 [ 3] 。 路、功能强大的 CPU, 应作为保护产品的基本设 计。 对于模拟输入通道的正确性检测 , 一般采用软 件手段按电流、电压求和平衡自检的方法进行 , 这 种检测方法仅在输入通道损坏的情况下才有效 , 且 不能定位到具体的回路 , 而且不能检测出低通滤波 回路特性的异常变化。因此 , 应采取措施进行完善 的检测 , 如 : 在 A/ D 转换 板内自产 12 倍 工频信 号 , 加于每一路有源滤波器上, 20 倍工频以上的 信号则全部滤除, 工频信号全部通过。在软件中检 测每一路模拟信号中所加 12 倍工频信号是否正确, 与常规的平衡电流、平衡电压检测相比, 这种方法 能检出具体哪一路采集回路出错 , 并能检测出滤波 电路的错误 , 对于不接零序电流、零序电压量的保 护 , 也能正确识别。 3 1 可靠性设计的抗干扰问题 装设在高压电网中的保护装置, 会不断受到正 常运行情况下 和某些偶然情况下产生 的强电磁干 扰。另外, 应用在微机保护中的微电子器件很多, 由于微电子器件耐受干扰的水平极低 , 因此微机保 护装置的抗干扰设计是继电保护工作者当前和今后 相当长时期要特别关注的课题。为了保护装置能在 电网中安全可靠运行, 需要在两方面进行协调 : 一 方面是保护装置应该具有一定的耐受电磁干扰的能 力 , 同时这些装置本身也不应该对周围电子设备产 生不能允许的电磁干扰, 即应该具有电磁兼容性; 另一方面是必须确保引入到保护装置的电磁干扰必 须低于 装 置 本身 可 以 耐受 的 水平 , 两 者 缺一 不 可 。 3 2 可靠性接口设计 运行经验表明 , 继电保护的正确动作和调试及 运行维护水平密切相关 , 因此人机接口的设计非常 关键, 为了便于理解、使用和故 障分析 , 汉化显
第 23 卷 第 11 期 2010 年 11 月
广 东 电 力 GUANGDONG ELECTRIC POWER
V o l 23 N o 11 N o v 2010
微机保护装置可靠性设计
周斌1 , 谢银花2
( 1 . 中水珠 江规划勘测设计有限公司电力处 , 广东 广州 510611 ; 2. 广东工业大学 自动化学院 , 广东 广州 510080)
微机保护装置除了在电力系统发生故障时的很 短时间内动作外 , 长期是不动作的 , 因此装置的某 些缺陷可能不易被发现, 从而成为故障时不能正确 动作的隐患 。此外, 微机 保护装置 在投入使 用 后, 在它所保护的设备运行的情况下, 是不允许进 行调整试验的, 微机保护的性能应能适应各种运行 方式和各种复杂故障 , 因此对微机保护提出了选择 性、速动性、灵敏性和可靠性 4 项基本要求 , 并对 不同保护规定了具体的指标要求。例如对灵敏度规 定了在最不利条件下的最低灵敏系数, 而在确定整 定值时引入了最低 安全系数以保 证选择性。很显 然, 提高整定值的安全裕度必然要降低灵敏度, 而 为了提高动作速度, 往往要降低安全性。因此, 微 机保护技术的困难一方面是检测精度的提高 , 另一 方面是在各种复杂的情况下都能满足相互矛盾的 4
措施, 防止窜入的干扰导致误动或拒动。 采 用 容 错 纠 错 码 ( error co rrect ion code, ECC) 技术 是提高 微机型 产品 抗电 磁干 扰的有 效 方法之一 , 它可使系 统在受到干扰发生程 序执行 方面的错 乱时不 致系统 停运 或执行 错误的 工作 , 而是使系统自动回到正常的运行状 态, 从 而提高 整个系统的稳定性和安全性。容错技术可 以渗透 到程序设计的各个方面 , 如 : 通过数字滤 波可以 提高采集数据的可靠性 ; 对于重要的控制 命令输 出采用 返校 ! 措施 , 以确保 命令执 行的 正确性 ; 不用地址的内容 , 全用空操作指令 填充 , 在程序 块中 , 每隔 若干条 指令也 插入 两条 空操作 指令 , 使程序指针因干扰 跑飞! 到这些 地址时也不会执 行错误的指令 ; 对于重要的数据进行备份。 微机保护的编程语言可以是汇编 , 也可以是高 级语言 ( 如 C 语言 ) , 但这些语言都是人工编制的, 对于成套微机保护而言 , 其程序规模非常大, 有时 需要很多人一起实现。由于编程人员的层次参差不 齐 , 程序模块间的接口复杂 , 使全套程序的可信度 下降, 尽管通过调试和测试 , 可以发现一些程序缺 陷 , 但要做到 100% 测试是不现实的。如果编程由 计算机 进 行, 将使 程 序 的可 信 度得 到 很 大的 提 升[ 7 ] 。就目前的技术水平而言 , 采用图形化编程技 术是提高装置软件设计可靠性的最先进手段, 当然 这必须建立在能将图形信息可靠地转化为机器语言 的基础上。
Reliability Design on Micro computer Protection Device
Z HO U Bin 1 , X IE Y in hua2 ( 1 . Ele ctric Po wer D ept. , China W ate r R eso ur ces P ear l R iv er Pla nning, Sur ve ying and De sig ning Co . , L td. , G uangzho u, G uangdo ng 510611, China; 2. Autom ation Co l. , G uangdong U niv. of T echnolo gy, G uang zhou, G uangdong 510080, China) Abstract: I n view of the actual pro blem s o f interf er ence r ejectio n and ele ctro mag netic co mpatibility, the paper doe s a qualita tive r esea rch o n the contents of re liability design f or pro tection dev ice, which c ov ers design pr inciple, f acto rs inf lue nc ing r eliability and anti inter fe rence me asures fo r ha rdwa re a nd sof twa re. T hen it discusses the measur es to impro ve the re liability o f har dw ar e and so ftw ar e. C ombine d w ith the eng ineer ing de sig n case study on 220 kV tr ansmission line pr o tection f or a hydr opo wer sta tio n in G uangx i, C hina, the fe asibility o f its r ealiza tio n is pr edicted. Key words: micro co mputer ; r elay pr ote ctio n; anti inte rf ere nce measure ; r eliability design
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第 11 期
周斌 , 等 : 微机 保护装置可靠性设计
83
示、菜单式操 作、详尽的故障 信息记录 ( 开入量、 开出量及模拟量等) 及详尽的事件信息记录( 继电器 的动作行为、定值修改及其它可能对保护的动作行 为有影响的事件 ) 等设计思想必须在整套装置中得 到充分的体现。人机接口的通信包括外部通信和可 能的内部通信, 为了适应自动化系统的需要 , 外部 通信应具有非常强的适应性。采用大屏幕液晶显示 器和通信功能强大的 C PU, 也是实现高可靠性设 计不可或缺的。 3 3 并行处理设计 对目前的微机保护产品, 保护原理和方案配置 不尽相同 , 但其保护功能的实现大都是按串行处理 设计的( 如图 2 所示 ) , 并行处理设计的逻辑流程如 图 3 所示 , 图 2 、图 3 中 1 n 为继电器模块。比 较图 2 和图 3 可以发现, 在某些不可预见的工况或 故障类型下, 若单个继电器元件误动或拒动 , 在串 行处理的情况下, 会导致整套装置的不正确动作 , 而并行处理则可以避免整套装置的不正确动作。据 统计 , 在目前微机保护的不正确动作行为中 , 仍有 原因不明的误动发生。可以设想, 如果所有继电保 护都按并行处理方式设计 , 在保护动作时将全部继 电器元件的动作行为都记录在案, 并能通过某种方 式获知, 加之其他信息的完整记录和再现, 则可以 消除原因不明的误动
收稿日期 : 2010 07 23
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项要求。微机保护的正确动作取决于一系列因素, 包括保护 原理、装置的 软件和硬件设 计、产品质 量、整定调试及运行管理等方面。 电力系统的发展, 对继电保护装置不断提出新 的要求 , 继电保护装置经历了机电型、整流型、晶 体管型和集成电路型几个阶段后 , 发展到目前被电 力系统广泛应用的微机型保护阶段[ 2] 。为了解决继 电保护的技术难题 , 适应电力系统的发展要求 , 微 机型保护设计还有些问题要解决。
摘要 : 针对抗干扰 、 电磁兼容等实际问题 , 对保护装置 可靠性 设计的 内容进 行定性 研究和 分析 , 分别 从设计 原 则 、 影响可靠性的因素和软 、 硬件抗干扰措施等方面进行探讨 , 讨论多种硬件 和软件提 高可靠性的 措施 。 最后 , 结合工程设计中的广西某水电站 220 kV 输电线路保护的应用实例 , 就目前的技术水平介绍其实现的可能性 。 关键词 : 微机 ; 继电保护 ; 抗干扰措施 : 可靠性设计 中图分类号 : T M774 文献标志码 : A 文章编号 : 1007 290X ( 2010) 11 0081 04
第 23 卷
转换器, 并且能够对通道进行完善的监视。数据处 理能力是制约原理方案正确实施的关键 , 为了实现 高速可靠动作, 需要使用新的原理方案 , 为了正确 全面地分析保护的动作行为, 应对保护动作时刻前 后的所有模拟量、开关量及保护继电器元件的动作 行为进行详细的记录 , 因此一般须采用大容量的存 贮器及具有定浮点运算功能的 32 位微处理器才能 满足要求。开入开出的设计对提高装置的抗干扰水 平和可靠性至关重要 , 目前的保护产品仅能做到检 测出口跳闸继电器的线圈 , 无法监测断路器跳闸控 制回路的完整性 , 如果这一问题得以解决, 对电力 系统的运行和检修具有极其重要的意义 [ 3] 。 路、功能强大的 CPU, 应作为保护产品的基本设 计。 对于模拟输入通道的正确性检测 , 一般采用软 件手段按电流、电压求和平衡自检的方法进行 , 这 种检测方法仅在输入通道损坏的情况下才有效 , 且 不能定位到具体的回路 , 而且不能检测出低通滤波 回路特性的异常变化。因此 , 应采取措施进行完善 的检测 , 如 : 在 A/ D 转换 板内自产 12 倍 工频信 号 , 加于每一路有源滤波器上, 20 倍工频以上的 信号则全部滤除, 工频信号全部通过。在软件中检 测每一路模拟信号中所加 12 倍工频信号是否正确, 与常规的平衡电流、平衡电压检测相比, 这种方法 能检出具体哪一路采集回路出错 , 并能检测出滤波 电路的错误 , 对于不接零序电流、零序电压量的保 护 , 也能正确识别。 3 1 可靠性设计的抗干扰问题 装设在高压电网中的保护装置, 会不断受到正 常运行情况下 和某些偶然情况下产生 的强电磁干 扰。另外, 应用在微机保护中的微电子器件很多, 由于微电子器件耐受干扰的水平极低 , 因此微机保 护装置的抗干扰设计是继电保护工作者当前和今后 相当长时期要特别关注的课题。为了保护装置能在 电网中安全可靠运行, 需要在两方面进行协调 : 一 方面是保护装置应该具有一定的耐受电磁干扰的能 力 , 同时这些装置本身也不应该对周围电子设备产 生不能允许的电磁干扰, 即应该具有电磁兼容性; 另一方面是必须确保引入到保护装置的电磁干扰必 须低于 装 置 本身 可 以 耐受 的 水平 , 两 者 缺一 不 可 。 3 2 可靠性接口设计 运行经验表明 , 继电保护的正确动作和调试及 运行维护水平密切相关 , 因此人机接口的设计非常 关键, 为了便于理解、使用和故 障分析 , 汉化显
第 23 卷 第 11 期 2010 年 11 月
广 东 电 力 GUANGDONG ELECTRIC POWER
V o l 23 N o 11 N o v 2010
微机保护装置可靠性设计
周斌1 , 谢银花2
( 1 . 中水珠 江规划勘测设计有限公司电力处 , 广东 广州 510611 ; 2. 广东工业大学 自动化学院 , 广东 广州 510080)
微机保护装置除了在电力系统发生故障时的很 短时间内动作外 , 长期是不动作的 , 因此装置的某 些缺陷可能不易被发现, 从而成为故障时不能正确 动作的隐患 。此外, 微机 保护装置 在投入使 用 后, 在它所保护的设备运行的情况下, 是不允许进 行调整试验的, 微机保护的性能应能适应各种运行 方式和各种复杂故障 , 因此对微机保护提出了选择 性、速动性、灵敏性和可靠性 4 项基本要求 , 并对 不同保护规定了具体的指标要求。例如对灵敏度规 定了在最不利条件下的最低灵敏系数, 而在确定整 定值时引入了最低 安全系数以保 证选择性。很显 然, 提高整定值的安全裕度必然要降低灵敏度, 而 为了提高动作速度, 往往要降低安全性。因此, 微 机保护技术的困难一方面是检测精度的提高 , 另一 方面是在各种复杂的情况下都能满足相互矛盾的 4
