1、,提高微机保护可靠性的措施,引言,继电保护装置的可靠性包括不误动与不拒动两个方面,而影响微机保护可靠性的因素主要有硬件、软件及运行人员的维护水平等。这里将着重讨论由于应用微型计算机而带来的两个问题。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，元件损坏时都能被自动检测发现，并且发出警报，不会引起保护误动，因此，提高微机保护装置可靠性的重点在抗干扰上。,CONTENTS,1,2,3,干扰来
2、源及影响,软件抗干扰措施,硬件抗干扰措施,PPT模板下载： 行业PPT模板： 节日PPT模板： PPT素材下载： PPT图表下载： 优秀PPT下载： PPT教程： Word教程： Excel教程： 资料下载： PPT课件下载： 范文下载： 试卷下载： 教案下载： PPT论坛：,1,干扰来源及影响,近年来,微机保护广泛使用于电力系统输电线路保护、元件保护、变电站综合自动化、故障录波器和故障测距等领域。在这些装置的工作现场,存在着非常强的电磁干扰,当干扰信号进入装置内部后,不仅对各模拟电压和电流采样数据的准确性有影响,而且还会损坏装置中的一些元器件,引起装置功能障碍,程序出轨,从而直接影响微机
3、保护装置的正确动作。,干扰的三要素,干扰就是除有用信号以外的所有可能对微机保护装置的正常工作造成不利影响的装置内部或外部的电磁信号。微机保护装置在运行的过程中，经常会受到干扰，而干扰形式具备三个要素：干扰源、耦合通道、敏感回路。,1,干扰来源及影响,干扰窜入微机弱电系统的途径,1,干扰来源及影响,干扰产生于干扰源。有的来自装置外部，有的来自装置的内部。外部干扰是指那些与系统结构无关而由使用条件和外部环境因素决定的干扰。主要有其他物体和设备辐射的电磁波、产生的强电场以及电源的工频干扰。内部干扰是指由系统结构、元件布局和生产工艺等决定的干扰,主要有杂散电感和电容结合引起的不同信号感应、长线传输造成
4、的电磁波反射以及多点接地造成的电位差干扰等。 由于干扰源多种多样,应有针对性地采用不同方法来克服。一般抗干扰形式有两种：差模干扰和共模干扰。,差模干扰,1,干扰来源及影响,差模干扰,是串联于信号源之中的干扰,即串联干扰,其产生情况如右图所示，其中Un表示差模干扰电压，Us表示信号源。差模干扰的原因主要是由于各信号线对干扰源的相对位置不对称以及长线传输的互感、分布电容的相互干扰和工频干扰等。,差模干扰示意图,共模干扰,1,干扰来源及影响,共模干扰,是引起回路对地电位发生变化的干扰,即对地干扰,发生于电路中某点导线对地或对外壳的干扰,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
5、;(3)系统一点接地;(4)低阻匹配传输（5）电流传输代替电压传输;(6)采用隔离变压器;(7)采用光电耦合芯片。,共模干扰示意图,1,干扰来源及影响,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导致微机运行故障或功能障碍,引起保护的不正确动作。,计算或逻辑错误,程序运行出轨,损
6、坏微机芯片,1,干扰来源及影响,计算或逻辑错误,1,干扰来源及影响,在微机保护装置运行时,其输入输出数据、微处理器计算的中间结果、控制程序流程的标志字等,都是存放在数据缓冲区的随机存贮器(RAM)之中。由于RAM的抗干扰能力较差,在强电磁干扰信号作用下,有可能使存放在RAM中的数据发生变化;此外,在进行读或写数据时,数据总线和地址总线也可能在干扰的作用下发生读写数据错误或将数据传送到错误的地址上。如果数据是控制程序流向的标志字时,还将导致运算逻辑出现错误等问题。,程序运行出轨,1,干扰来源及影响,在微机执行运行程序期间,运行的程序通常存放在只读存贮器(ROM)之中,所谓程序只是微处理器可识别的
7、机器码,在干扰信号的作用下,这些机器码改变时,将可能出现微处理器无法识别的机器码,致使微处理器无法工作。此外,如果干扰信号改变了控制程序流向的标志字时,也将改变运行程序的执行顺序,使微机的运行程序出轨,出现死机等问题。,损坏微机芯片,在微机中的一些半导体芯片,在强电磁干扰作用下,可能受到损坏,使装置无法工作。,硬件抗干扰措施,硬件抗干扰措施,屏蔽及隔离,微机采用逆变电源,接地处理,加装低通滤波器,2,硬件抗干扰措施,合理布置各插件,数字电路干扰的抑制,2,硬件抗干扰措施,屏蔽及隔离,由于装置内数字部件的外壳与模拟部件的外壳均采用铁质材料制成,应考虑加装铜网里衬进行屏蔽。,微机用电源一般都用逆变
8、电源,由蓄电池直流220V逆变成高频电压后经高频变压器隔离,再变换成弱电直流电压供微机用,这样可以削弱由电源回路引起的干扰。但应注意:开关电源的抗干扰能力与其性能直接相关,性能差的开关电源不仅不能抑制干扰,相反还会产生干扰。,微机采用逆变电源,2,硬件抗干扰措施,前面所述的隔离和屏蔽措施,虽然可以大大削弱干扰的幅度,但不能完全消除浪涌电压,因为它们频率高幅度大且前沿陡,可以通过分布电容耦合到后级电路甚至CPU回路。为防止剩余的浪涌引起的恶果,在整个电路的布局上应合理,使微机工作的核心部分远离干扰源和与干扰有联系的部件。这些核心部分主要是CPU芯片、E-PROM、重要的RAM、模数变换及有关的地
9、址译码电路。,合理布置各插件,2,硬件抗干扰措施,接地处理也是抑制干扰的主要方法,包括装置的外壳接地、数字电路的数字地、模拟地、功率地及屏蔽地等。对于装置的外壳,从安全及抗干扰方面考虑,必须接地;而对于微机保护的内部插件,其相互之间应严格遵从一点接地的原则,印刷电路板的接地线要尽量短,接地线的宽度一般不小于3mm且地线分布成网状;为避免数字地上电平的跳跃会造成很大的尖峰干扰以及影响A/D转换的处理精度,应使模拟地与数字地之间只能一点相连,且连线应尽量短;功率地一般要求完全的独立接地。,接地处理,2,硬件抗干扰措施,加装低通滤波器,在输入电路外接端子前(与地之间)并联接入低通滤波器,为浪涌电压和
10、高频振荡提供低阻抗入地通道,可抑制共模干扰与差模干扰。对模拟量输入回路中前置有源滤波器,调整运放器零点则可消除差模干扰。,数字电路干扰的抑制,数字电路的快速开断,伴随着电流的高速变化,由于存在电感而产生高频干扰电压。因此在设计印刷电路板时在靠近集成块的地方需装设高频去耦电容。每块印刷电路板上的电源引线两端也应装设10uF一1000pF的去耦电容。,A,B,C,D,数据采集误差,控制失灵,数据出错,程序跑飞,3,软件抗干扰措施,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。这些措施是有效的。 合理的硬件设计可以做到干扰
11、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。,3,软件抗干扰措施,数据采集误差,数据采集误差的软件抗干扰措施主要是数字滤波。数字滤波实质上是一种程序滤波,即通过一定的计算程序,对采样信号进行平滑加工,减少干扰在有用信号中的比重。常用的数字滤波法有均值滤波法、一阶递推数字滤波法、比较取舍法、中值滤波法等。,3,软件抗干扰措施,控制失灵,控制失灵软件抗干扰措施主要是为了克服干扰对开关量读入和动
12、作信号输出的影响,常用的方法为:（1）指令复执：对于重要的指令,特别是输入/输出指令,要重复执行,以确保其正确。开关量的读入必须两次以上读入一致才有效;若是按键类开关,还应加软件除抖保护,即加软件延时,延时值一般20ms左右。对于微机保护装置,应不断重复该输出命令,确保动作无误。只要有可能,重复周期应尽可能短,这样当外部设备接收到一个被干扰的错误信息后,还来不及做出有效的反应,一个正确的输出又来到,就可及时防止错误动作的产生。,3,软件抗干扰措施,控制失灵,(2)多重动作指令：保护出口驱动电路的控制不要由单条指令实现,而要分成两条或多条指令的组合来执行,否则对该控制指令的任何干扰有可能引起误动
13、作。(3)设置当前输出状态寄存单元：当干扰侵入输出通道造成输出状态破坏时,系统可以及时查询当前输出状态寄存单元的输出状态信息,及时纠正错误的输出状态。,3,软件抗干扰措施,数据出错,数据出错的软件抗干扰措施主要是针对RAM中的数据进行保护。通常采用数据冗余技术,将同样的数据在不同的地方保存1-2个备份。当使用以RAM中数据时,把原数据与备份数据进行比较,相同则认为数据未被破坏,否则启动备份数据。值得注意的是,备份数据的存放地址应与原数据保持一定的距离,以防止两者同时被破坏。,3,软件抗干扰措施,程序跑飞,（1）软件狗：实际上是一个软件监视系统,通常利用软件定时器或硬件定时器的中断,在中断程序中
14、查询某个设定的标志,若标志不为零,则清零或减1后退出;若标志为零,则执行复位指令或转向出错处理程序,在出错处理程序中完成各种善后工作,再使系统复位。在系统程序中根据要求的监视时间的长短去设置标志,一旦程序未能在给定的时间内重置标志,就会致系统复位。,3,软件抗干扰措施,程序跑飞,（2）指令冗余：指在一些对程序流向起着决定作用的指令(如跳转指令)及对系统工作状态至关重要的指令(如中断指令)前面,人为地插入几条空操作指令,以保证跑飞的程序能重返正常轨道。指令冗余得以实现的前提是程序跑飞到程序区并执行了空操作,否则指令冗余不起作用。应当注意的是在一个程序中“指令冗余”不要使用过多,以免降低程序的执行
15、效率。,3,软件抗干扰措施,程序跑飞,（3）软件陷阱是指在非用户程序区(如未使用的EPROM区、未使用的中断向量区、数据表格区的周围)填充空操作指令并周期性写入一条指引指令,当程序跑飞到这些区域时,无法用冗余指令使程序入轨,强行将程序引向一个指定的地址,在那里有一段专门对程序出错处理的程序,以便引导程序进入正常的运行状态。,（1）对输入采样值的抗干扰纠错,保护装置的模拟输入量之间存在着某些可以利用的规律例如，三相电流和零序电流之间有：,上式提供了一个判别各采样值是否可信的方便的依据可以对每一次采样值都进行一次分析，只有在满足公式的前提下才允许这一组采样值保存并提供给CPU 作进一步的处理如果由
16、于干扰导致输入采样值出错，可以取消不能通过检查的采样值，等干扰脉冲过去，数据恢复正常后再恢复工作这相当于晶体管保护在第一级触发器设置一个延时躲开干扰的方法，不同点是微机保护的延时不是固定的，更加灵活。 顺便指出，求和检查不仅可以抗干扰，还可以用来发现数据采集系统的硬件损坏故障例如，有一个采样芯片损坏，此时将连续多次发现采样值不符合公式所示的关系，微机保护将报警和采取相应的措施，不会引起保护误动。,如果对每相电流以及电流和回路各设有一个采样通道，而且四个量都在同一时刻采样，则对任一次采样时刻k，都应满足：,（2）运算过程的校核纠偏,针对CPU在运算过程中可能因强大的干扰而导致运算出错的问题，可以
17、将整个运算进行两次，以核对运算是否有误这种校对可以有两种做法。一是在运算结束后，由程序安排使CPU先把运算结果暂存起来，再利用同样的原始数据，按同样的运算式再算一遍，并同前一次计算结果比较，两次的计算结果应当完全一样这种核对可以很有效的查出因干扰而造成的运算出错如果两次结果不一样，则再算，三取二表决，或直到两次结果一样。另一种做法是连续的两次计算不利用完全相同的原始数据，而当第二次计算时将算法所依据的数据窗顺移一个采样值,例如，算法要求的数据窗长度为Nl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,
18、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。,（3）出口的闭锁,前面已提到，在干扰造成程序出格后，CPU可能执行一系列非预期的指令。如不采取措施，则在此过程中可能碰到一条非预期的指令正好是跳闸指令而使保护误动作。防止这种误动作的措施是在设计出口跳闸回路的硬件时应当使该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,为此可以将跳闸程序段按图1安排,图1 跳闸程序的闭锁,（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,图2 程序出格的自恢复电路,结论,要提高微机保护装置的可靠性，就要从干扰的三要素着手分析，找准确干扰的来源及干扰的方式，针对不同的情况，首先采用硬件抗干扰的方式来预防，为了避免干扰突破第一道防线，还要采取软件抗干扰措施，消除或降低干扰带来的危害，使微机保护运行更合理、更安全、更可靠。,
