微型機繼電保護基礎4提高微機保護可靠性的措施ppt課件

微型機繼電保護基礎4提高微機保護可靠性的措施 概述 可靠性是對繼電保護裝置的基本要求之一 概述 一是微機保護的抗干擾問題二是裝置內部元件出現(xiàn)損壞時的對策就元件損壞來說 微機保護有明顯的優(yōu)點 因為使用微機后 元件數量大大減小 而且大規(guī)模集成電路芯片在各領域大量使用的實踐已證明損壞率是很低的 特別是微機保護可以實現(xiàn)高級的在線自動檢測 在絕大多數情況下 元件損壞都能被自動檢測發(fā)現(xiàn) 并且發(fā)出警報 不會引起保護誤動作 概述 繼電保護裝置工作環(huán)境中的干擾是嚴重的 這些干擾的特點是頻率高 幅度大 因而可以順利通過各種分布電容的耦合 另一方面這些干擾持續(xù)時間短 模擬式靜態(tài)保護裝置可以用延時來躲過這些干擾 而微機保護由于計算機的工作是在時鐘節(jié)拍的嚴格控制下以較高速度同步進行的 不能簡單的設置延時電路 這就增加了干擾問題的嚴重性 所以 提高微機保護裝置可靠性的重點在抗干擾上 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 1 干擾源干擾內部干擾外部干擾內部干擾 高頻工作 繼電器切換 開關電源干擾 合理分布一般可以克服 外部干擾 通過保護裝置端子從外界引入的浪涌 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 2 干擾形式一般認為 干擾形式有兩種 即橫 差 模干擾和共模干擾 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 1 差模干擾輸入 電源等兩個端子之間的干擾低通濾波可以消除差模干擾 對微機保護影響不大 差模干擾示意圖 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 2 共模干擾信號源對地的干擾電壓 它對微機保護影響較大 為防止共模浪涌竄入微機系統(tǒng) 要求所有外接信號都應與微機弱電系統(tǒng)之間實現(xiàn)絕緣隔離 共模干擾示意圖 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 交流輸入 帶有屏蔽層的隔離變壓器變流器若為理想變壓器 則共模干擾由于不產生磁通 不會傳至二次側 實際變壓器原 副邊繞組之間存在分布電容 共模干擾可以通過分布電容竄入一部分 加屏蔽層并將屏蔽層良好接地 可將原 副邊的分布電容隔斷 單如果接地有一定阻抗 仍會有部分干擾竄入 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 開關量輸入 光電隔離二級光電隔離繼電器加光電隔離開關量輸出 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 直流電源 逆變 高頻變 帶屏蔽層 采取上述隔離措施后 竄入的共模干擾會大大減少 但仍不會完全杜絕 竄入共模干擾對微機保護的影響 與電源0V線是否接地有很大關系 現(xiàn)討論電源零線直接接機殼 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 電源零線浮空零線浮空無危害 但若內部某點對地電容大 C5上升 0V 5V上升 但A點對地電位不變 造成A點錯 要求 內部電路對外殼電容小 辦法 用0V或5V把整個印刷電路板密起來 且不要把關鍵點的電位引起面板 特別是金屬面板 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 消除共模干擾的方法主要有 浮空隔離技術 雙層屏蔽技術 系統(tǒng)一點接地 低阻匹配傳輸 電流傳輸代替電壓傳輸 采用隔離變壓器 采用光電耦合芯片 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 下圖是差模干擾與共模干擾對有效信號的影響示意圖 其中圖 a 為差模干擾迭加在一直流信號上的波形 圖 b 為共模干擾改變了地電位后的波形 圖 c 為差模干擾和共模同時干擾的選加波形 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 因為微機保護各模擬量輸入回路都首先要經過一個防止頻率混疊的模擬低通濾波器 它能很好地吸收差模浪涌 為了減小作用在裝置對外引線端子和機殼之間的共模干擾 硬件設計時應使微機保護各外接端子同微機弱電系統(tǒng)之間都沒有電的聯(lián)系 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 下表中所示為各種外接端子同微機弱電系統(tǒng)之間的隔離方法 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 這樣 似乎共模干擾不會侵入微機的弱電系統(tǒng)了 但實際上由于共模浪涌頻率高 前沿陡的特點使它可以順利通過電路的各種分布電容而竄人弱電系統(tǒng) 而浪涌的幅度可能很大 微弱的耦合也可能足以造成微機工作出錯 因此除了表中所示隔離措施之外 在保護裝置的結構布局方面必須十分謹慎 例如應當將弱電系統(tǒng)的插件遠離同外接端子有直接聯(lián)系的各插件 電壓形成回路 開關量輸入和輸出回路等 并且裝置后底板的配線也應當使強電和弱電嚴格分開 這樣安排后 外接端子所引入的共模干擾浪涌基本上不會通過分布電容影響微機弱電系統(tǒng)的工作 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 除此之外還有一條不可避免的耦合途徑即微機保護的弱電電源線 因為弱電電源線和干擾源之間總有一定的耦合 而它又直接連到微機的各個部分 所以它是一個傳遞干擾的主要途徑 由于弱電電源線 一般是5V 及其零線之間都接有一定容量的電容器 同時每個插件入口和每個芯片的電源 之間通常也都接有電容器 所以電源線 之間對高頻浪涌干擾可以認為是短路的 通過電源線傳遞的不是作用在兩個電源線 之間的干擾 而是作用在電源線和機殼之間的共模干擾 對此干擾也應加以注意 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 干擾對微機保護裝置的影響數據采集系統(tǒng) 數據錯誤 采樣時間等可能錯I O接口 狀態(tài)錯誤 顯示打印錯誤CPU讀寫錯誤讀數據 程序寫數據最嚴重的情況是讀程序錯誤干擾一般不會造成誤動 但拒動的可能性較大 若不能及時發(fā)現(xiàn) 可能拒動 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 干擾對微機保護裝置的影響這個結論同樣適用于微機保護裝置 微機保護裝置既有作為核心部分的數字部件又有作為外圍部分的模擬部件 如出口繼電器 驅動電路等 干擾對模擬電路和數字部件所造成的后果是不同的 模擬電路在干擾作用下往往使開關電路誤翻轉 在沒有完善閉鎖措施時將會導致誤操作 數字電路受干擾作用往往造成數據或地址傳送錯誤 從而導致微機運行故障或功能障礙 也能引起保護的不正確動作 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 干擾對微機保護裝置的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面 l 計算或邏輯錯誤微機保護中的輸出數據 計算中間結果和控制標志字都放在隨機存貯器RAM中 強干擾引起RAM數據發(fā)生改變是可能的 另外 當CPU正在讀 或寫 一個數據時 數據線或地址線受干擾發(fā)生改變 就會造成讀 或寫 一個壞數據或者對一個錯誤的地址讀 或寫 如果這是一個中間結果或者采樣數據 就會造成計算錯誤 如果這是一個標志字 就會造成邏輯紊亂 這都有可能引起裝置誤動或拒動 干擾來源和竄入微機弱電系統(tǒng)的途徑 干擾對微機保護裝置的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面 2 程序運行出軌這是指由于隨機干擾破壞了程序執(zhí)行的正常順序而造成程序執(zhí)行卡死的現(xiàn)象 例如 當CPU正通過地址總線送出一個地址以便從EPROM獲取指令操作碼 如果由于干擾使傳送地址出錯 它將從一個錯誤的地址取得一個錯誤的操作碼 如果這個誤碼CPU不認識 程序運行將發(fā)生中斷 如果這個錯誤碼是可執(zhí)行碼 那么在執(zhí)行了一系列非預期指令后往往最終碰到一個CPU不認識的指令操作碼而停止工作 由此看出 在程序運行出軌后引起誤動作的概率是很小的 但會造成CPU停止執(zhí)行繼電保護的規(guī)定任務 再發(fā)生系統(tǒng)故障時 保護將拒動 抗干擾措施 最重要的抗干擾措施是防止干擾進入微機弱電系統(tǒng) 也就是前面介紹過的各種隔離 屏蔽 合理布局和配線以及減弱電源線傳遞干擾等方法 抗干擾防止干擾進入一旦進入將產生嚴重后果 抗干擾措施 合理的硬件設計可以做到干擾不會引起微機的工作錯誤 以上可以說是抗干擾的第一道防線 而下面要介紹的抗干擾措施可以稱作第二道防線 就是說萬一干擾突破了第一道防線 造成了微機工作出錯 也決不能允許它導致保護誤動作或拒動 而應能自動地糾正 針對各種不同的出錯情況 可以分別采取以下措施 抗干擾措施 1 對輸入采樣值的抗干擾糾錯三相電壓 電流 在任意時刻 任意采樣K 抗干擾措施 若該式不滿足 說明采樣值存在錯誤 應放棄這一組數據 若該式長時間不滿足 則說明數據采集系統(tǒng)硬件可能損壞 應發(fā)出報警信號 在采集三相的情況下 可用自身規(guī)律如 此外 還可采用通道冗余的辦法重要信號雙通道或三通道取二多余A D通道采 5V監(jiān)視電源監(jiān)視A D 抗干擾措施 2 運算過程的校核糾偏同樣的數據 同樣的數據計算兩遍 一致 確認結果 不一致 再算一次 三取二 不同的采樣數據 向下順延一個采樣點 同樣的算法計算三次以上結果應基本一致 同樣數據不同算法 計算多次 結果應基本一致 抗干擾措施 例如 算法要求的數據窗長度為N l點 第一次計算利用X k X k 1 X k N 第二次則利用X k 1 X k X k N 1 正常時 這兩次結果不會完全一樣 但阻抗 電流 電壓等電氣量有效值的計算結果應當十分接近 第二種做法不僅可以排除干擾造成的運算出錯 也對原始數據進行了進一步的把關 抗干擾措施 3 出口的閉鎖硬件使跳合閘回路必須在連續(xù)執(zhí)行幾條指令后才能出口 不允許一條指令就出口 抗干擾措施 前面介紹的開關量輸出回路圖中 每一個開關量輸出都通過一個與非門控制 要在與非門的兩個輸人端都滿足條件時才驅動光電器件 而在初始化時這個與非門的兩個輸入端都被置成相反的狀態(tài) 對于跳閘出口等重要的開關量輸出回路 這些與非門的兩個輸入端還應當接至兩個不同的端口 使這兩個輸入條件不可能用一條指令同時改變 抗干擾措施 端口1變位指令和端口2變位指令應在不同的地方發(fā)出 兩者之間加一系列的標志字校核 將跳閘指令分為兩部分 即跳閘命令一和跳閘命令二 必須在執(zhí)行這兩部分指令后才構成跳閘條件 如圖4 4 抗干擾措施 采取上述措施后雖可大大減小非預期的指令造成跳閘條件的或然率 但仍然有可能在程序出格后 非預期地執(zhí)行一條轉移指令 正好轉移到跳閘程序段的入口 造成誤跳閘 為此還可以將跳閘程序段按圖42安排 跳閘程序的閉鎖 抗干擾措施 將跳閘條件分成兩部分 跳閘指令一和跳閘指令二 必須在執(zhí)行這兩部分指令后才構成跳閘條件 同時 還在這兩部分指令之間插入一段核對程序 檢查在RAM區(qū)存放的某些標志字 當保護裝置通過正常途徑進入跳閘之前 在其前面的程序段中必須給相應的標志字賦值 例如 起動元件已起動或測量元件判斷故障在區(qū)內等 以便CPU通過核對這些標志字來判別是合理的跳閘還是由于程序出格而錯誤地進入跳閘程序 前者可以通過檢查而繼續(xù)執(zhí)行跳閘指令二 發(fā)出跳閘脈沖 后者CPU將轉至重新初始化 從程序出格狀態(tài)恢復正常運行 抗干擾措施 如果程序出格后 非預期地轉至跳閘程序段的中間某一地址 例如 從圖42的A點進入 經核對發(fā)現(xiàn)標志字的錯誤而使程序重新復位運行 保護不會誤跳閘 這一出口的閉鎖措施和晶體管保護用第一級觸發(fā)器來閉鎖本級跳閘出口的思想類似 只是微機保護用軟件實現(xiàn)更加靈活 應當指出 實際上即使不采取以上閉鎖措施 微機保護在程序出格后造成誤跳閘的或然率已經很小 但是采取這些措施后所花代價很小卻可以更進一步減小誤動的機率 抗干擾措施 4 程序出格的自恢復 看門狗 萬一在強大的干擾下造成了微機程序出格 除了上面提到的出口閉鎖措施以防止保護誤動外 還希望能迅速發(fā)現(xiàn)程序出格 并能自動地使其重新恢復正常 以免被保護對象發(fā)生故障時保護拒動 但此時任何軟件措施都無濟于事 因為CPU已不再按預定的程序工作 因此必須用專用的硬件電路來檢測程序出格 并實現(xiàn)自動恢復正常 抗干擾措施 程序出格的自恢復電路 抗干擾措施 上圖示出了一種硬件自恢復電路的方案 其中A點接至微機保護硬件電路的某一點 例如并行接口的某一輸出端口位 當程序沒有出格時 由軟件安排使該點電位按一定的周期T在 1 和 0 之間周期性地變化 A點分兩路 一路經反相器 另一路不經反相器 分別接至兩個瞬時返還而延時t1動作的元件 延時元件的輸出接至 或 門的兩個輸入端 延時時間t1應比A點電位變化的周期T長 因此 在正常時兩個延時元件都不會動作 或 門輸出為 0 一旦程序出格 A點電位停止變化 不論它停在 1 態(tài)還是 0 態(tài) 兩個延時元件中總有一個動作 動作后通過 或 門起動單穩(wěn)觸發(fā)器 觸發(fā)器的輸出脈沖接至CPU的復位端 RESET 因而使保護裝置重新初始化 恢復正常工作 抗干擾措施 這個電路不僅可用于對付程序出格 還可以用于在裝置主要元件 例如CPU 損壞而停止工作時發(fā)出報警信號 因為在這種情況下 單穩(wěn)觸發(fā)器發(fā)出復位脈沖后 不能使A點電位恢復至周期性變化狀態(tài) 這時將通過t2延時后發(fā)出告警信號 如果在被保護對象無事故時發(fā)生程序出格 裝置能自動恢復正常 無任何危害 即使在被保護對象發(fā)生內部故障的同時發(fā)生程序出格 利用這種電路也可以很快恢復CPU工作 只是使保護略帶延時動作而不致造成越級 有些單片機自身帶有所謂的 看門狗 即監(jiān)視定時器 自動檢測技術 自檢 研究元件損壞時的后果和對策 微機保護是一種 動態(tài) 系統(tǒng) 元器件的故障將立即暴露出來 或被自動檢測出來 誤動 一般不會拒動 如不及時發(fā)現(xiàn) 可能 自動檢測技術 自檢 傳統(tǒng)保護裝置要實現(xiàn)經常的 全面的在線自動檢測是困難的 因為這類保護的各部分在正常運行時都是 靜止 的 無法自動檢測出正常時導通的三極管的短路或正常截止的三極管的開路這一類元件的損壞 而微機保護是一種 動態(tài) 系統(tǒng) 不論電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障 其微機部分的硬件都處在同樣的工作狀態(tài)中 進行數據的采集 傳送和運算 自動檢測技術 自檢 因此 任何元件 指微機部分的元件 損壞都會在正常運行時表現(xiàn)出來 實際上 在正常運行時CPU在兩個相鄰采樣間隔時間內總有一些等待下一個采樣時刻到來的富裕時間 因此還可以利用這一段時間循環(huán)地執(zhí)行一個自檢程序 對裝置各部份進行檢測 通?？梢詼蚀_地查出損壞元件的部位 并打印出相應的信息 下面按損壞元件的種類分別討論自動檢測的方法 自動檢測技術 自檢 1 RAM對裝置RAM區(qū)的每一個地址 可以循環(huán)地按圖44進行檢測 通過對該RAM地址寫人全 0 00H H表示16進制 這里假定是用8位機按字節(jié)檢測 和全 1 FFH檢測是否良好 應當注意對于某些存放重要標志字的RAM地址的檢測不允許被中斷必須在最高優(yōu)先權級的中斷服務程序中進行 自動檢測技術 自檢 RAM自檢流程圖 自動檢測技術 自檢 2 EPROM EEPROM 自動檢測技術 自檢 4 數據采集系統(tǒng) 5V送A D 自動檢測技術 自檢 4 開關量輸入通道外部接點 人工操作的方式開關繼電器或自動裝置的接點第一類 無操作有變化說明誤動 報警有操作無變化說明拒動 報警第二類 防誤動 多重條件串聯(lián)防拒動 多重條件并聯(lián) 自動檢測技術 自檢 對于第一類接點可以通過監(jiān)視來檢查 比如在沒有人為操作而是由于開關量輸入回路有元件損壞使微機感覺到開關量輸入有變化時 它可以發(fā)出呼喚信號 并打印出變化前后的開關量情況 以供核對 如果工作人員操作而微機沒有響應 或打印出的信息核對有誤 即可判斷開關量輸入通道有問題 自動檢測技術 自檢 對于第二類接點 例如 外部其他保護的出口接點 經過開關量輸入給微機綜合重合閘裝置 在這種情況下既要考慮開關量輸入回路誤導通時的誤跳閘 又要考慮開關量輸入回路失靈未能被及時發(fā)現(xiàn)而造成拒動的問題 為防止拒動 對于重要的開關量輸入通道可以采用雙重化 即一個外部接點經過兩個開關量輸入通道輸入 兩路構成 或 的關系 為防止誤動 可以在采取了雙重化外再增加一個其他的閉鎖條件 不然雙重化的兩路中如只有一路動作時就無法區(qū)別是由于這一路元件損壞而誤動作的 還是由于本應兩路都動作但有一路元件損壞而拒動 自動檢測技術 自檢 5 開關量輸出回路 開關量輸出回路的自檢回路 自動檢測技術 自檢 圖中上部是一個典型的開關量輸出回路 下部虛線框內是專用的自檢回路 自檢的原理利用了繼電器K的吸合時間遠大于電子電路的反應時間這一特點 對開關量輸出回路進行自檢時可以用軟件通過并行接口送一個命令 使光耦器件G1的光敏三極管導通 然后CPU通過并行接口2監(jiān)視光耦器件G2是否導通 如果此開關量輸出通道正常 G2應