1、第六章第六章 提高微機繼電保護提高微機繼電保護 可靠性的措施可靠性的措施 可靠性是對繼電保護裝置的基本要求之一。它包括兩個方面-不誤動和不拒動可靠性和很因素有關，例如保護的原理、工藝和運行維護水平等這里將著重討論由于應用微型計算機而帶來的兩個問題一是微機保護的抗干擾問題，二是裝置內部元件出現損壞時的對就元件損壞來說，微機保護有明顯的優點，因為使用微機后，元件數量大大減小，而且大規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現，并且發出警報，不會引起保護誤動作。 繼電保護裝置工作環境中的干擾是嚴重的

2、，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時間短。 模擬式靜態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 6.1 干擾來源和竄入微機干擾來源和竄入微機 弱電系統的途徑弱電系統的途徑 干擾產生于干擾源。有的干擾來自外部，有的干擾來自內部。外部干擾是指那些與系統結構無關而是由使用條件和外部環境因素所決定的干擾。內部干擾是指由系統結構、元件布局和生產工藝等所決定的干擾。外部干擾主要有其它物體和設備輻

3、射的電磁波產生的強電場或強磁場以及來自電源的工頻干擾等等；內部干擾主要有雜散電感和電容的結合引起的不同信號感應、長線（對高頻信號而言）傳輸造成電磁波的反射、多點接地造成的電位差干擾等等。 從物理角度分析來看，外部干擾和內部干擾具有相同的物理性質，其消除及抑制的方法沒有本質區別。就裝置而言，它們的不同之處在于內部干擾源可以在設計和調試中使之盡量減少，而對外部干擾源只能通過合理的措施將它“拒之門外”。總的來說，由于干擾源多種多樣，應有針對性地采用不同方法來克服。 （1）干擾源 （2）干擾形式 一般認為，干擾形式有兩種，一般認為，干擾形式有兩種，即橫（差）模干擾和共模干擾。即橫（差）模干擾和共模干擾

4、。 1 1）差模干擾）差模干擾 差模干擾是串聯于信號源之中的干擾，即串聯干擾，其產生情況如圖39所示，其中Un表示差模干擾電壓，Us表示信號源。差模干擾的原因主要是由于各信號線對干擾源的相對位置不對稱而引起以及長線傳輸的互感、分布電容的相互干擾以及工頻干擾等。 圖39 差模干擾示意圖 2）共模干擾）共模干擾 共模干擾是引起回路對地電位發生變化的干擾，即對地干擾，其產生情況如圖40所示，其中UN表示共模干擾電壓。 共模干擾可為直流，亦可為交流，它是造成微機保護裝置損壞或工作不正常的重要原因。 消除共模干擾的方法主要有：浮空隔離技術；雙層屏蔽技術；系統一點接地；低阻匹配傳輸、電流傳輸代替電壓傳輸；

5、采用隔離變壓器；采用光電耦合芯片。 圖40 共模干擾示意圖 圖41是差模干擾與共模干擾對有效信號的影響示意圖，其中圖41（a）為差模干擾迭加在一直流信號上的波形，圖41（b）為共模干擾改變了地電位后的波形，圖41（c）為差模干擾和共模同時干擾的選加波形。 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之間都沒有電的聯系。 表2中所示為各種外接端子同 微機弱電系統之間的隔離方法。 端子種類 隔離措施 端子種類 隔離措施 交流輸入 端子 電壓形成回路中

6、的小變壓器隔離，一次和二次線圈間有屏蔽層 開關量輸 出端子光電隔離和繼電器線圈與接地之間隔離 開關量輸 入端子 光電隔離 直流電源 端子 逆變電源中的高頻變壓器隔離，線圈間有蔽層 這樣，似乎共模干擾不會侵入微機的弱電系統這樣，似乎共模干擾不會侵入微機的弱電系統了，但實際上由于共模浪涌頻率高、前沿陡的特點了，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使它可以順利通過電路的各種分布電容而竄人弱電系統。而浪涌的幅度可能很大，微弱的耦合也可能系統。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足以造成微機工作出錯因此除了表中所

7、示隔離措施之外，在保護裝置的結構布局方面必須十分謹施之外，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的插件遠離同外接端子有慎例如應當將弱電系統的插件遠離同外接端子有直接聯系的各插件（電壓形成回路，開關量輸入和直接聯系的各插件（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的工作。弱電系統的工作。 除此之外還有一條不可避免的耦合途徑即微除此之外

8、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（一般是由于弱電電源線（一般是5V）及其零線之）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和每個芯片的電源“”“”“”之間通常也都接之間通常也都接有電容器，所以電源線有電容器，所以電源線“”“”“之間對高頻之間對高頻浪涌干擾可以認為是短路的，通過

9、電源線傳遞的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不是作用在兩個電源線“”“”“”之間的干擾，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也應加以注意 6.2 干擾對微機保護裝置干擾對微機保護裝置 的影響的影響 國內外對靜態繼電器的干擾來源所作的大量研究國內外對靜態繼電器的干擾來源所作的大量研究表明，裝置的內部干擾主要由內部繼電器的切換等原表明，裝置的內部干擾主要由內部繼電器的切換等原因引起；而外部干擾主要是由裝置的端子排從外界引因引起；而外部干擾主要是由裝置的端子排從外界引入的浪涌電壓。也就是說，裝置

10、所有的輸入輸出線、入的浪涌電壓。也就是說，裝置所有的輸入輸出線、電源線、地線（包括機殼）均會引入干擾電源線、地線（包括機殼）均會引入干擾 這個結論同樣適用于微機保護裝置微機保護裝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

11、；數字電路受干擾作用往往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功能障礙，也能引起保護的不正確動作 干擾對微機保護裝置的影響主要干擾對微機保護裝置的影響主要表現在以下幾個方面：表現在以下幾個方面： （l）計算或邏輯錯誤）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（

12、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 （2）程序運行出軌）程序運行出軌 這是指由于隨機干擾破壞了程序執行的正常順序而造成程序執行卡死的現象例如，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，程序運行將發生中斷；如果這個錯誤碼是可執行碼，那么在執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停止執行繼電

13、保護的規定任務，再發生系統故障時，保護將拒動。 （3）元件損壞）元件損壞 嚴重的干擾還可能造成元件損壞 6.3 抗干擾措施抗干擾措施 最重要的抗干擾措施是防止干擾進入微機弱電系統，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。這些措施是有效的 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。 （1）對輸入采樣值的抗干擾糾錯）對輸入采樣值的抗

14、干擾糾錯 保護裝置的模擬輸入量之間存在著某些可以利用的規律例如，三相電流和零序電流之間有： 上式提供了一個判別各采樣值是否可信的方便的依據可以對每一次采樣值都進行一次分析，只有在滿足公式的前提下才允許這一組采樣值保存并提供給CPU作進一步的處理如果由于干擾導致輸入采樣值出錯，可以取消不能通過檢查的采樣值，等干擾脈沖過去，數據恢復正常后再恢復工作這相當于晶體管保護在第一級觸發器設置一個延時躲開干擾的方法，不同點是微機保護的延時不是固定的，更加靈活。 順便指出，求和檢查不僅可以抗干擾，還可以用來發現數據采集系統的硬件損壞故障例如，有一個采樣芯片損壞，此時將連續多次發現采樣值不符合公式所示的關系，微

15、機保護將報警和采取相應的措施，不會引起保護誤動。 如果對每相電流以及電流和回路各設有一個采樣通道，而且四個量都在同一時刻采樣，則對任一次采樣時刻k，都應滿足： （2）運算過程的校核糾偏）運算過程的校核糾偏 針對CPU在運算過程中可能因強大的干擾而導致運算出錯的問題，可以將整個運算進行兩次，以核對運算是否有誤這種校對可以有兩種做法。一是在運算結束后，由程序安排使CPU先把運算結果暫存起來，再利用同樣的原始數據，按同樣的運算式再算一遍，并同前一次計算結果比較，兩次的計算結果應當完全一樣這種核對可以很有效的查出因干擾而造成的運算出錯如果兩次結果不一樣，則再算，三取二表決，或直到兩次結果一樣。另一種做

16、法是連續的兩次計算不利用完全相同的原始數據，而當第二次計算時將算法所依據的數據窗順移一個采樣值 例如，算法要求的數據窗長度為Nl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。 （3）出口的閉鎖）出口的閉鎖 前面已提到，在干擾造成程序出格后，CPU可能執行一系列非預期的指令。如不采取措施，則在此過程中不是沒有可能碰到一條非預期的指令正好是跳閘指令而使保護誤動作。防止這種誤動作

17、的措施是在設計出口跳閘回路的硬件時應當使該回路必須在連續執行幾條指令后才能出口，不允許一條指令就出口 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 這一原理正像一個保險柜的暗碼鎖，暗碼越長，不知道暗碼的人隨機地撥動而打開的可能性就越小。 采取上述措采取上述措施后雖可大大減施后雖可大大減小非預期的指令小非預期的指令造成跳閘條件的造成跳閘條件的或然率，

18、但仍然或然率，但仍然有可能在程序出有可能在程序出格后，非預期地格后，非預期地執行一條轉移指執行一條轉移指令，正好轉移到令，正好轉移到跳閘程序段的入跳閘程序段的入口，造成誤跳閘。口，造成誤跳閘。為此還可以將跳為此還可以將跳閘程序段按圖閘程序段按圖42安排安排 圖42 跳閘程序的閉鎖 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內等），以便CPU通過核對這些標志字

19、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執行跳閘指令二，發出跳閘脈沖，后者CPU將轉至重新初始化，從程序出格狀態恢復正常運行 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，經核對發現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 （4）程序出格的自恢復（看門狗）程序出格的

20、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，還希望能迅速發現程序出格，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，并實現自動恢復正常 圖43 程序出格的自恢復電路 圖43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

21、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”態還是“0”態，兩個延時元件中總有一個動作，動作后通過”或”門起動單穩觸發器，觸發器的輸出脈沖接至CPU的復位端（RESET），因而使保護裝置重新初始化，恢復正常工作。 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出報警信號因為在這種情況下，單穩觸發器發出復位脈沖后，不能使A點電位恢復至周期性變化狀態，這時將通過t2延時后發出告警信號如果在被保護對象無事

22、故時發生程序出格，裝置能自動恢復正常，無任何危害即使在被保護對象發生內部故障的同時發生程序出格，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”即監視定時器。 6.4 自動檢測技術（自檢）自動檢測技術（自檢） 提高微機保護可靠性的另一重要課提高微機保護可靠性的另一重要課題是研究裝置內部有元件損壞時的后果題是研究裝置內部有元件損壞時的后果及對策從可靠性的角度希望能做到任及對策從可靠性的角度希望能做到任一元件損壞時都不會引起誤動作，并且一元件損壞時都不會引起誤動作，并且應能立即自動檢測到而發出警報，以便應能立即自動檢測到而發出警報，以便及

23、時得到相應的處理，并防止由于元件及時得到相應的處理，并防止由于元件損壞未被發現，使保護在應該動作時拒損壞未被發現，使保護在應該動作時拒動動 傳統保護裝置要實現經常的、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”系統，不論電力系統是否發生故障，其微機部分的硬件都處在同樣的工作狀態中，進行數據的采集、傳送和運算 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

24、此還可以利用這一段時間循環地執行一個自檢程序，對裝置各部份進行檢測。通常可以準確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。 （1）RAM 對裝置RAM區的每一個地址，可以循環地按圖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先權級的中斷服務程序中進行。 圖44 RAM自檢流程圖 （2） EPROM（EEPROM） 為了檢測固化在EPROM中的數碼（程序的指令或數據）是否改變，一種最簡單的也是常用的方

25、法是累加和自檢。即將EPROM中存放的全部數碼按字節（或雙字節）累加，舍去累加過程中溢出的部分，保留累加結果的一個字節（或雙字節）和數同預先存放在EPROM中某地址的已知的和數進行比較，以判斷固化的內容是否改變累加和自檢，算法簡單，執行速度快，常用于EPROM的在線實時自檢 這種用和數是否改變來判別EPROM是否完好的方法雖然在理論上是不嚴密的（因為有可能同時有兩位或幾位發生了變化而和數正好不變），但是考慮這種求和檢查是在一個很短的時間內（通常不過幾十毫秒）周期性的不斷的循環進行的，在這么短的時間內EPROM中存放的內容有幾處同時改變而和數不變的可能性是極小的。 除了求和方法以外，還可以采用循

26、環冗余碼方法。它是將每字節的每一位按一定的運算公式累計運算，最后得到一個數碼，供比較核對。大量的實踐證明用循環冗余碼（CRC）方法對EPROM內容有變化時檢出率高但缺點是執行速度慢，自檢需花費很長的CPU時間。 (3）數據采集系統）數據采集系統 這部分的檢測對象主要是采樣保持器、模擬量多路開關和模數轉換器在前面介紹對輸入采樣值的抗干擾糾錯方法時，已提到可以用各模擬量之間存在的規律來自動檢測數據采集系統的損壞如果某一通道硬件損壞，將破壞這種規律而被檢測到。 （4）開關量輸入通道）開關量輸入通道 對開關量輸入通道的檢測主要是指對各光電耦合器件及傳送開關量的并行接口的檢測檢測的困難在于這些元件是靜止

27、的，因此如果外部常開接點輸入回路的光敏三極管開路，或者外部常閉接點的光敏三極管短路將不能被檢測出外部接點按功用可分為兩大類。一類是由人工操作的各種轉換開關，例如，工作方式切換等另一類是外部繼電器或自動裝置的接點 對于第一類接點可以通過監視來檢查。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 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現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