提高微机保护可靠性的有效措施

可靠性是对继电保护装置的基本要求之一，它包括两个方面——不误动和不拒动。可靠性和很多因素有关，例如保护的原理、工艺和运行维护水平等。运行中的微机保护装置的可靠性主要面临两个问题：一是元器件损坏；二是电磁干扰引起的功能障碍。由于微机系统的元器件大大减少，且使用了大规模集成电路，因此微机保护的可靠性主要是抗干扰问题。

1.电磁干扰

电磁干扰是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。对于微机保护而言，电磁干扰可能会造成微机保护装置的计算或逻辑错误、程序运行出轨，甚至元器件的损坏等严重后果。所以，微机保护生产厂家通常将抗干扰设计列为一项重点工作内容，而要提高微机保护装置的抗扰度，通常是在明确干扰源的基础上通过切断耦合途径和降低装置本身对干扰的敏感度来实现。电磁干扰的耦合途径分为场干扰和路干扰两大类，其具体的耦合方式有静电耦合、互感耦合、公共阻抗耦合和电磁场辐射耦合等方式。

电磁干扰的形式一般分为两种，即横模干扰和共模干扰。横模干扰是串联于信号源的干扰，即串联干扰，其产生的原因可归结为长线传输的互感、分布电容的相互干扰以及工频干扰等。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。共模干扰可以是直流，也可以是交流，它是造成微机保护装置故障的主要原因。

2.防止干扰进入微机保护装置的措施

（1）接地的处理　采用正确合理的接地是抑制干扰的主要方法。接地处理包括两个方面：一是装置外壳的接大地；另一个是设置装置内部的各种地，如数字地、模拟地、功率地、屏蔽地等。从抗干扰和安全考虑，微机保护装置的金属机壳必须接大地，且接地电阻应小于10Ω。为了有效地抑制共模干扰，装置内部的零电位应全部悬浮，即不与机壳相连，并且尽量提高零电位线与机壳之间的绝缘强度和减少分布电容。为此，应将印制电路板周围都用零线或+5V电源线封闭起来，以减少板上其他部分与机壳间的直接耦合。这样，当共模干扰侵入时，系统各点对机壳电位随电源线一起浮动，而它们相互电位不变。

（2）屏蔽与隔离　为了对可能造成干扰的电场和磁场屏蔽，微机保护装置的机壳用一般采用铁质材料做成，必要时应采用双层屏蔽措施。此外，为防止外部浪涌影响微机工作，必须保证端子排任一点同微机部分无电的联系。防止干扰进入微机保护装置的屏蔽与隔离主要对策是采用光电隔离措施。

（3）滤波、退耦和旁路　抑制横模干扰的主要措施是采用滤波和退耦电路。交流信号输入通道一般都有前置模拟低通滤波器，它兼有抗干扰的作用。交、直流信号输入通道两个端子之间应装上0.01～0.47μF的退耦电容，为高频横模干扰提供旁路。

抑制共模干扰的最简单有效的措施是在所有端子与大地（机壳）之间并接0.47μF左右的旁路电容。为保证安全，这些旁路电容的耐压要足够高。

（4）对直流工作电源的要求　由于电源是传递干扰的主要途径，因此，一般采用通过逆变后的开关电源，由蓄电池直流110V或220V逆变成高频（20kHz）电压后经高频变压器隔离，其稳压能力和抗干扰效果都非常强。

（5）合理地分配和布置插件　接地、屏蔽、隔离等措施并不能完全阻断干扰的窜入。为了进一步减小干扰的影响，应合理地将整个电路分成若干个插件，将微机保护的核心部分，也是最怕干扰的部分集中在一个或几个插件上，放置在内层屏蔽箱内，并使之尽量远离干扰源和与干扰源有联系的部分。

3.抑制窜入干扰影响的软硬件措施

前面叙述的抗干扰措施主要是切断干扰的耦合途径，将干扰“拒之门外”，是最重要的抗干扰措施。但是，由于现场环境复杂，上述抗干扰措施并不能保证万无一失，还必须利用微机的特点，采取有效的软硬件措施，防止窜入干扰造成保护装置的误动和拒动。

（1）采样数据的干扰辨识　由于干扰（或其他原因）可能造成采样输入数据的错误，从而导致整个保护方案的失败，辨识的目的就是要找到并剔除坏数据，然后用随后输入的正确数据提供给保护功能程序使用。微机保护装置中常用的辨识方法有冗余法和参数估计法。

对于特别重要的模拟量输入信号，通常可以采用双重化甚至三重化的冗余方法来保证采样数据的可靠。例如，对每个模拟量输入信号设置两个独立通道，只有在两个通道读数一致时才可相信其正确；在要求更高的场所，可以采取三重化，通过三取二表决的方法确认其正确性。但这种方法的缺点是增加了硬件的成本。(www.xing528.com)

当系统的干扰可能引起系统参数的显著变化时，可用参数估计法来实现干扰的辨识。例如，三相交流电流与零序电流之间，其瞬时值应满足下述关系：

如果对每相电流量各设一个采样通道，与零序电流一起，在同一时刻进行采样，则考虑一定的量化误差ε后，有下述关系：

式（6-101）表明，对于三相交流量，只要增加一个硬件冗余通道引入零序量，就能达到辨识数据是否被干扰的目的。如果式（6-101）不满足，就认为是坏数据。

（2）出口密码校核　为防止CPU受到干扰造成程序出轨后保护误动作，在设计出口跳闸回路时应使之必须连续执行几条指令后才能出口，不允许一条指令就出口。同时，在设计软件时应设置出口密码，跳闸命令不要由一条指令实现，应将跳闸条件分成两部分，如跳闸指令一和跳闸指令二，必须在执行这两部分指令后才构成跳闸条件，同时还在这两部分指令之间插入一段核对程序，检查在RAM区存放的某些标志字，当保护装置通过正常途径进入跳闸程序段之前，在其前面的程序段中必须给相应标志字赋值，以便CPU通过核对这些标志字来区别是合理的跳闸还是由于干扰造成的错误跳闸。

（3）复算校核　在微机保护中，还可以通过整个运算过程的重复来核对由于干扰可能造成的运算出错。这种校核有两种做法：一是在运算的结尾，由程序安排CPU将运算结果暂时保存起来，再利用同样的原始数据按照同样的运算公式复算一遍，然后同前一次结果相比较，如果一样，则说明结果可信；另一种做法是复算时将算法所依据的数据窗顺移一个采样值，正常时，这两次结果不会完全一样，但阻抗或电流、电压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。

（4）程序出轨的自恢复　程序运行出轨将导致CPU进入死循环或飞掉，为此应使硬件装置具有超时自动恢复能力，以免被保护对象发生故障时保护拒动。但这一点任何软件措施都将无济于事，因为此时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轨，并实现自动恢复正常。除了使用某些CPU自身带的看门狗电路外，还可以使用定时电路来实现这一功能。

4.装置故障的自检

提高微机保护可靠性的另一个重要课题，是研究在装置内部有元器件损坏时如何及时发现并采取相应的对策。从可靠性的角度出发，希望做到任何元件损坏时微机保护装置都不会误动作，并且能立即发现和报警，以便迅速采取措施予以修复。微机保护装置常用的自动检测方法有以下几种：

（1）CPU的检测　当CPU本身损坏而停止工作时，必须由专门的硬件完成检测。常用的方法是利用定时电路。该定时电路不能被CPU禁止，但可以由CPU复位。当CPU正常时，由软件按一定周期（此周期应小于定时器的整定时间）使定时器复位。一旦CPU出现故障而无法使定时器复位时，定时器达到定时整定值后便发出报警信号。但需注意，为了防止在程序运行出轨时误报警，该定时器的整定值应大于出轨定时器的整定值。

（2）RAM的检测　RAM的检测通常采用模式校验法。即事先选定某一种校验模式，按照这种模式将数值写入RAM，然后读出。观察数值是否一致，从而发现RAM可能出现的故障。

（3）EPROM的检测　在微机保护装置中，EPROM的检测一般采用补奇校验字法。校验字可位于EPROM中任何位置，它用来使待检查的全部字节内容按对应位进行异或操作的结果为1（即呈奇特性）。进行校验时，EPROM测试程序逐个读出EPROM的每一个字节（包括校验字）的内容，并对每一位完成累积的异或操作。完成全部待查空间运算后，累加器的每一位都应当是1。

（4）数据采集系统的检测　数据采集系统检测的对象主要是采样保持器、多路开关和A/D转换器。前面已经介绍了采样数据的干扰辨识方法，可利用各模拟量通道之间或单个模拟量自身的某些规律来实现自动检测。如果某一通道损坏，将破坏这种规律而被检测到。除此之外，还可以专设一路采样通道用作自检。常用的方法是将装置的+5V稳压电源接至这一路采样通道，经过多路开关和模数转换后输入微机系统。CPU可以通过对这一通道的数值的监视来检测多路开关、模数转换等工作是否正常，同时又可以实现对稳压电源的监视。

（5）出口通道的检测　为了提高出口的防误动能力，一般采用双工出口通道发出跳闸信号。利用这两个通道的不对应关系，用异或逻辑结构来实现单一通道损坏的检测。

（6）成组功能的检测　由于微机保护装置在系统工作正常时是没有输出的，为了确定微机保护装置的硬件是否处于正常状态，可以事先准备好代表系统可能发生的各种典型故障的若干套模拟数据，定时起动各功能程序加以处理，检测是否能达到预定的功能。这种方法对数字部件的检查比较全面，但还要通过前述方法来辅助故障定位。