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探讨微机保护软硬件冗余设计的必要性 |
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| 探讨微机保护软硬件冗余设计的必要性 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:28:52  |
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苏忠阳
广州电力工业局调度所，广东广州510600
1 微机保护的冗余设计
1．1 保护装置的冗余设计概念
保护装置的冗余设计，就是保护装置的一个功能模块故障不会引起整个装置的不正确动作。在保护装置设计中，软件功能和硬件结构都要考虑双重化甚至多重化。
1．2 冗余设计的原则
a）不降低装置的整体功能；
b）不增加保护装置的复杂性；
c）保证功能与结构相匹配。
1．3 微机保护在冗余设计方面的优势
微机保护在冗余设计方面显然优越于传统保护，传统保护因为是分散元件，增加保护装置的冗余度即意味着增加保护装置的复杂性，增加了中间环节。在减少保护误动机会的同时，增加了保护拒动的机会，这是很难取舍的，但对于微机保护，这些都已经不是问题，原因是：
a）保护装置为集中插件式，是有源的，既可以利用软件对装置各个部分进行连续监视，也可以在各硬件之间进行相互监视；
b）保护的逻辑部分由软件实现，大大减少了从输入到输出（出口）的中间环节；
c）在保护冗余度方面有充分的空间，可以在两套结构相同的硬件中使用不同原理编制的软件来实现保护双重化，也可以在同一硬件中实现用软件进行功能方面的冗余处理，既保证了可靠性又增加了保护配置的灵活性。
微机保护作为新型的保护，在软硬件冗余设计上具有很大优越性，由于各种原因，这种优势还没有得到充分的利用，下面将通过运行中出现的几起事故分析微机保护冗余设计的必要性。
2 硬件冗余设计的必要性
2．1 重新认识硬件冗余设计
长期以来，大部分微机继电保护装置的开发者及使用者，对于微机保护的可靠性都给予了足够的重视，但在许多场合仍有疏忽。
2．1．1 恢复WXB－11型保护“三取二”闭锁功能
线路微机保护从起步时（即WXB－11型），就采用了出口回路的“三取二”闭锁（当时很多人认为是多此一举），运行多年未发生CPU出错造成的保护不正确动作，但这并不意味着保护的CPU不会出错，只是因为即使CPU出错，也会因为“三取二”闭锁功能使保护不至于误动。当WXB－11型线路保护用于110 kV线路时，由于不使用高频保护，为了减少运行中的麻烦，停用了高频保护插件，故取消了“三取二”闭锁功能。1998年8月6日，广州电力局220 k V碧山站的110 kV碧烯乙线（配WXB－11型保护）由于零序保护插件的CPU晶振损坏，造成软件运行出错，误动跳闸，这次事故敲响了警钟，为此广州电力局现已全面恢复110 k V系统WXB－11型保护“三取二”闭锁功能。
2．1．2 设置多CPU结构
在微机主变压器保护的开发设计中，某些生产厂家依然存在着一些错误观点。微机变压器保护开发的重点在算法的选择以及对涌流的处理上，硬件基本上克隆线路保护，但取消了线路保护的多CPU结构，因而不存在类似于“三取二”的闭锁回路，基于对CPU运行可靠性的充分相信，未采取其它有效的措施来防止CPU出错造成的保护误动，见以下事例的分析：
a）1998年6月15日，广州电力局110 kV云埔站1号主变压器（配置为WBZ－01型保护）两侧开关跳闸，当时天气状况良好，也无任何操作。在现场发现所有保护动作信号灯均亮，无打印保护动作信息。经检查发现该装置电源插件＋24 V，＋5V电源在装置突然上电时不稳定，CPU插件的8255芯片（I／O芯片）复位状态不稳定，其误动原因是由于电源插件不稳定引起CPU对芯片的控制不稳定，同时8255芯片异常，造成保护误出口。
b）1998年7月9日，广州电力局220 kV田心站主变压器保护装置（配置为WBZ－21型保护）后备保护动作，跳主变三侧开关，保护装置的CPU5发“P”告警信号（该信号意味着装置硬件异常）及保护动作信号，保护无任何打印报告。技术人员与厂家共同检查后，确认该保护装置后备保护CPU芯片异常，程序运行混乱，造成后备保护误
出口跳闸。
2．2 硬件冗余设计必要性
通过对以上两起事故的分析，可以得出这样的结论，微机保护的CPU并不是完全可靠的，即使CPU不出问题，但CPU所使用的5 V电源以及其外围芯片，例如I／O芯片都有可能出错，从而引起保护的不正确动作。
微机保护完全靠软件对硬件进行监视不能满足要求，在异常情况下运行的软件状态是不确定的，不能保证其响应的正确性，因此一定要求有硬件上的闭锁措施，类似于线路保护的“三取二”，或有专用CPU用于保护启动。
2．3 硬件冗余设计的方式
生产厂家已经意识到硬件冗余设计的必要性，目前南京电力自动化研究院及南京电力自动化设备厂推出的主变压器保护已经采取了以下的措施：
a）南京电力自动化研究院的变压器保护采用双CPU结构，自保护的二次变流器后就完全独立，一个CPU负责保护启动以及其它辅助功能，另一CPU负责保护功能，也有自己独立的启动，两个CPU构成一个“与”门，只有两个CPU均启动才能开放出口；
b）南京电力自动化设备厂的WBZ－03型变压器保护则仿造WXB－11型线路保护，配置了三个软硬件完全一样的CPU插件，构成“三取二”闭锁，即至少有两个CPU启动才能开放出口。
这两种硬件冗余设计各有所长，其性能需要在运行中接受考验。
3 软件冗余设计的必要性
软件的冗余设计相对硬件来说较容易，在保护的算法选择及软件的编制过程中已有考虑，但在实际运行中，由于现场的运行情况复杂，稍一疏忽将会引起事故。
1999年6月29日，广州电力局110 kV桃源站1号主变压器差动保护动作（配置为WBZ－03A型保护），跳主变压器两侧开关，查看打印报告发现，保护装置的采样值没有差流，但其计算值却出现了3．72 A的差流，经与厂家的共同分析，认为保护采样正确，当CPU从采样部分取数据时受到干扰，所取数据出错，造成保护误动。
WBZ－03A型是WBZ－03型用于110 kV系统的单CPU版本，该保护的软件采用傅立叶长数据窗算法，因为WBZ－03型硬件上有“三取二”闭锁措施，故软件上只要经过一个数据窗的计算，到动作定值就出口。当该保护用于110 k V系统，取消了“三取二”闭锁功能，在软件上却没有作适当的调整，未增加软件的冗余度，这是桃源站保护误动的根本原因。因此，如果硬件的冗余度不够，在软件上则要进行补救，但笔者认为，提高保护可靠性最主要是保证硬件的冗余度。
4 微机保护可靠性的再认识
4．1 后备保护的冗余设计
现在厂家推出的变压器保护只是在主保护（差动保护）实现了冗余设计，对于后备保护，一是为降低成本，二是考虑到后备保护时延较长不大可能误动，故没有采取冗余设计，但实际上，后备保护也是要跳开变压器各侧开关的，不管其延时多长，一旦CPU异常，时延是不确定的，也就是说，后备保护在可靠性方面，同主保护没有什么区别，应该同等对待。
4．2 微机保护的使用周期
由于进口元器件价格较贵，大部分微机保护生产厂家所使用的元器件都是国产的，国产电子元器件工艺水平比较低，尽管厂家也加强了元器件的筛选，但其质量及使用寿命仍不容乐观，微机保护的老化周期较预计的要短，在这种情况下实际是增加了用户的使用成本及风险，因此厂家应该在设计上，对关键模块无论在结构还是功能上，都要考虑冗余度，一方面是对用户损失的弥补，另一方面也是防止元器件老化引起保护不正确动作的必要措施。
5 结束语
众所周知，电磁型保护经过几十年，几代人的努力，到20世纪80年代，其整体性能已经达到了电磁型继电器所能达到的最高限度，经过晶体管型、集成电路型的过渡，微机型继电保护的出现，真正实现了继电保护质的飞跃。微机型微机保护的大量使用，也不过是近几年的事，因此对于微机保护的再认识，尤其是从使用者的角度，从几年的运行经验重新审视微机保护的可靠性，进行分析总结，对于提高微机保护的应用水平是非常必要的。
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