1、电力自动化继电保护安全管理探讨摘要：本文通过对继电保护装置的典型结构、电力系统中常见的干扰源、抑制干扰的基本措施、继电保护的硬件发展趋势等四个方面对电力自动化继电保护的安全管理进行了分析。 关键词：电力自动化 继电保护 安全管理 中图分类号： TM774 文献标识码： A 1 继电保护装置的硬件结构 1.1 保护装置的典型结构 1.1.1 模拟量输入系统（或称数据采样系统） 模拟量输入系统包括：电压形成、模拟滤波（ALF） 、采样保持（S/H） 、多路转换（MPX）以及模数转换（A/D）等功能块。该系统将完成将模拟输入量准确地转换为所需的数据量。 1.1.2 CPU 系统 CPU 系统包括：微
2、处理器（MPU） 、只读存储器（一般用 EPROM） 、随机存取存储器（RAM）以及定时器等。MPU 执行存放在 EPROM 中的程序，将数据采集系统得到信息输入至 RAM 区的原始数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。 1.1.3 开关量（或数据量）输入/输出系统 开关量输入/输出系统包括：若干个并行接口适配器、光电隔离器件及有接点的中间继电器等。该系统完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入及人机对话等功能。 1.2 信号输入电路 微机保护装置输入信号主要有两类，即开关量和模拟量信号。信号输入部分就是妥善处理这二类信号，完成单片微机输入信号接口功能。 通常输入的开关量信号不满足
3、单片微机系统输入信号电平要求，因此需要信号电平转换。为了提高保护装置的抗干扰性能，通常还需要经整形、延时、光电隔离等处理。 输入的电压和电流信号，是模拟量信号。由于微机是一种数字电路设备，只能接受数字脉冲信号，所以就需要将这一类模拟信号转换为数字信号，称为模数变换，输入模拟量信号的模数变换电路也称作输入信号调理电路。 1.3 单片微机系统 微机保护装置的核心是单片机系统，它是由单片微机和扩展芯片构成的一台小型工业控制微机系统，除了硬件之外，还有存储在存储器里的软件系统。这些硬件和软件构成的整个单片微机系统主要任务是完成数值测量、逻辑运算及控制和记录等智能化任务。除此之外，现代的微机保护应具备各
4、种远方功能，它包括发送保护信息并上传给变电站微机监控系统，接收集控站、调度所的控制和管理信息。 这种单片微机系统可以是单 CPU 或采用多 CPU 系统。一般为了提高保护装置的容错水平，目前大多数保护装置已采用多 CPU 系统，尤其是较复杂的保护装置，其主要保护和后备保护都是相互独立的微机保护系统。它们的 CPU 是相互独立的，任何一个保护的 CPU 或芯片损坏均不影响其他保护。除此之外，各保护的 CPU 总线均不引出，输入及输出的回路均经光隔离处理，能将故障定位到插件或芯片，从而大大地提高了保护装置运行的可靠性。但是对于比较简单的微机保护，由于保护功能较少，为了简化保护结构，多数还是采用单
5、CPU 系统。 1.4 人机接口 在许多情况下，单片微机系统必须接受操作人员的干预，如整定值输入、工作方式的变更，对单片机微机系统状态的检查等都需要人机对话。这部分工作在 CPU 控制之下完成，通常可以通过键盘、汉化液晶显示、打印机及信号灯、音响或语言告警等来实现人机对话。 1.5 输出管道 输出通道部分是对控制对象实现控制操作的出口通道。通常这种通道主要任务是将小信号转换为大功率输出，满足驱动输出的要求。在出口通道里还要防止控制对象对微机系统的反馈干扰，因此出口通道也需要光隔离。显然输出通道仍然是一种被控对象与微机系统之间的接口电路。 1.6 电源 微机保护系统对电源要求较高，通常这种电源是
6、逆变电源，即将直流逆变为交流，再把交流整流为微机系统所需要的直流电压。它把变电所的强电系统的直流电源与微机的弱电系统电源完全隔离开。通过逆变后的直流电源具有极强的抗干扰水平，对来自变电所中的因断路器跳合闸等原因产生的强干扰可以完全消除掉。 目前微机保护装置均按模块化设计，也就是说对于成套的微机保护、各种线路和元件的保护，都是用上述五个部分的模块电路组成的。所不同的是软件系统及硬件模块化的组合与数量不同。不同的保护用不同的软件来实现，不同的使用场合按不同的模块化组合方式构成，这样的微机成套保护装置，对于设计、运行及维护、调试人员都带来极大方便。 2 电力系统中常见的干扰源 现代化的电力系统本身是
7、一个多种电磁干扰并存的复杂电磁环境，微机保护在这种环境中所面临的电磁兼容性问题自然也十分严重。电力系统中常见产生脉冲干扰、瞬变干扰的原因主要有以下几种。 2.1 隔离开关及断路器操作 隔离开关及断路器的开合操作，必然伴随触头间一系列电弧的熄燃过程，并在母线上引起各种高频的电流和电压脉冲。此时，母线上的干扰信号通过电流互感器、电压互感器等设备直接耦合到二次设备的同时还向空间辐射电磁波，以电磁耦合的方式干扰处于暂态电磁场中的二次设备。 2.2 雷电 电力系统遭受到雷击通常有两种情况：一种是变电站的防雷系统受到雷击，另一种是雷电直落到或感应到输电线路上。避雷针受到雷击，雷电从避雷针等防雷系统进入变电
8、站接地网并流入大地，一方面将在接地网中产生冲击，导致接地网电位升高，另一方面将在周围空间中产生强大的暂态电磁场，从而在二次设备中产生暂态过电压，影响二次设备正常运行，甚至导致设备损坏。 当雷电直落到输电线路或感应到输电线路，雷电波通过输电线路传到变电站内，在经过一次设备、变电站接地网以及电流互感器、电压互感器等耦合到控制室中的二次设备中，对二次设备造成影响。 2.3 无线电波 随着现代无线通信产品的广泛应用，在空间电磁场中充斥着各种电磁辐射干扰。尤其大量用于电力部门的检修现场和其他场所的对讲机，由于其发射功率大、发射频率高，使与之相距较近的弱电设备的电路中产生高频感应电压，这种感应电压可能干扰
9、设备的正常运行甚至导致装置误动作。 2.4 静电 静电起因是由于两种不同物质的物体相互摩擦时，正负极性的电荷分别积累在两种物体上形成高压。静电放电属于脉冲干扰，干扰程度取决于脉冲能量和脉冲宽度。虽然静电放电的能量较小，但由于作用时间较短，其瞬时能量密度可大到干扰装置运行甚至导致设备损坏的程度。 另外，保护装置所使用的直流电源噪声、继电器开断时的瞬变电压、设计不完善的印制线路板所发出的辐射噪声等，也是保护装置设计和运行所不能忽视的干扰源。 3 抑制干扰的基本措施 通常抑制电磁干扰一是抑制干扰源；二是阻断干扰通道；三是降低受干扰保护装置的噪声敏感度。 在设计继电保护装置的过程中，若在硬件上采用一些
10、抗干扰措施，可以有效地抑制干扰信号的侵入，提高装置的抗干扰能力。基本防止电磁干扰的硬件措施主要包括以下几个方面： （1）隔离。隔离是一种切断电磁干扰传播途径的抗干扰措施。为了有效地抑制共模干扰，通常将保护装置中于外界相连的导线、电源线等经过隔离后再连入装置内部。 （2）屏蔽。屏蔽主要是用来阻隔来自空间电磁场的辐射干扰。 （3）接地。信号接地是通过把装置中的两点或多点接地点用低阻抗的导体连在一起，为内部微机电路提供一个电位基准。功率接地是将微机保护电源回路串入的以及低通模拟滤波回路耦合进的各种干扰信号滤除。屏蔽接地是将保护装置外壳以及电流、电压变换器的屏蔽层接地，以防止外部电磁场干扰以及输入回路
11、串入的干扰。安全接地是保证人身安全和静电放电，通常将微机保护装置的外壳接地。 （4）软、硬件结合抗干扰措施。采用硬件抗干扰措施可以大大提高微机保护装置的可靠性，但不是所有的干扰都可以通过硬件措施完全解决。采用一些软、硬件结合的措施不但可以弥补硬件抗干扰措施的不足，而且可使装置结构简化，降低成本。 3.1 软、硬件结合的程序异常复位措施 也就是通常所说的“WATCH DOG（看门狗） ”技术。使用独立于 CPU的定时中断来监视程序的运行情况，具体方法是设置定时器的定时时间略大于程序周期运行时间，并在保护程序周期性执行中对定时器时间刷新操作。 3.2 关键输出口编码校核 为防止失控程序对重要的输出
12、口进行非正常操作，导致如保护跳闸等误动作，必须对输出口的操作进行校核，解决的办法是使用软件编码后，经硬件解码才能启动出口驱动电路。 3.3 软、硬件冗余技术 由于微机保护是极其重要的安全设备，所以其可靠性要求很高。为保证在可靠性要求较高时，保护的动作正确性不受外部干扰及其他因素的影响，需要采用软、硬件上的冗余措施。在硬件上可以采用如静态冗余法、动态冗余法，以及混合冗余法等方法，构成多机的冗余系统。而在冗余的保护之间，又可采用不同保护算法构成原理上的冗余。 4 继电保护的硬件发展趋势 4.1 数字信号处理器 数字信号处理器（DSP） ，是一种经过优化后用于处理实时信号的微控制器，它是随着微电子学
13、、计算机技术以及数字信号处理技术等学科的飞速发展而产生的。由于具有高运算速度、高可靠性、低功耗、低成本以及在 CPU 指令中直接提供数字信号处理的相关算法等优点，!“# 已在计算机领域得到了广泛应用。其主要特点包括如下： （1）哈佛结构和超哈佛结构。哈佛结构具有独立的程序总线和数据总线，这样，CPU 可在一个机器周期中同时取到指令和数据，大大缩短了指令周期。在近 10 年发展中，DSP 从哈佛结构发展到超哈佛结构，超哈佛结构提供四条总线的能力，即在一个指令周期中，DSP 可取下一条指令，完成两个数据的传输，并把数据移入或移出内部存储器，而这些均不占用 CPU 计算时间，且在一个指令周期内完成，
14、减少了访问冲突，从而获得高速运算能力。 （2）流水线技术。流水线技术又称管道操作，即指指令操作和执行指令重叠进行。一般 DSP 都具有二到三级流水线以及相对快速的中断执行时间。 （3）硬件支持的运算指令。DSP 直接支持硬件乘法器，使得乘除法等运算指令在单指令周期内完成。这有利于完成大负荷的复杂数学运算。（4）支持灵活的寻址方式。DSP 支持如循环寻址、位翻转寻址等适合实现数字信号处理算法的特殊寻址方式。 （5）特殊的 DSP 指令。在 DSP 器件中，通常有些针对数字信号处理算法的特殊指令，如在单指令周期中完成加载寄存器、移动数据同时进行累加操作。 （6）针对寄存器文件和累加器优化。DSP
15、与普通微控制器不同，它使用多种专用寄存器文件，为高速运算提供优化。许多 DSP 还提供很大的累加器，并可对如数据溢出等异常情况进行处理。 （7）拥有简便的内存接口。为了避免使用大型缓冲器以及复杂的内存接口，DSP 以尽可能简化电路设计，减少内存访问。 （8）可灵活构成并行处理系统。并行处理是计算机技术发展的一个重要方向，DSP 提供了用于直接进行并行处理连接端口。有些 DSP 还提供了高速并行处理所需的独立总线的支持，使其非常容易构成多 DSP 并行处理系统。 4.2 与综合自动化系统的接口成为微机保护中必不可少的部分 随着微机保护在电力系统的广泛应用，微机保护已从过去仅仅承担传统的保护任务扩
16、展到提供事故追忆、故障记录数据库的维护，以及保护装置的远方整定和维护等功能，而这些功能的实现更多的是依赖通信，通信接口已成为微机继电保护装置的基本组成部分。 网络通信的构成形式较多，实现方法各异。为了简化网络通信的复杂性，通常将网络结构按一系列的层来划分，每一层建立在下一层的基础上，并向上一层提供服务。不同的网络标准对层的定义也不相同，其中以国际标准化组织所提供的开放系统互联（OSI）参考模型最具有代表性。OSI 模型分：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会晤层、表示层和应用层。 4.3 集多种功能于一体的智能保护单元 由于传统的保护、测量、监控、远动等硬件资源相互独立，往往造成二次设备重复
17、投资、接线复杂，更增加了系统的复杂性。随着配电网自动化和变电站综合自动化在电力系统的推广应用，过去的保护、测量和监控方式已经不能满足综合自动化的需要。新一代智能保护单元是集保护、测量、控制、远动等多功能于一体的综合智能保护，适应电站综合自动化的需要。这种职能单元的特点如下： （1）继电保护功能是这类装置的基本功能，中、低压系统中常见的线路、电动机、变压器、电容器等设备的保护，其他各类功能都是在保证保护功能能够正确无误地执行的基础上设置的。 （2）分散就地安装于一次设备或设备组合附近，把依靠强电电缆从一次设备到主控室的连接变成依靠网络通信来连接，减轻终端用户各种设备的二次电缆的安装工作量。 （3
18、）利用详细的运行操作记录形成安全保障系统，可以记录最近故障前后的故障数据，以及故障过程中的保护的动作类型、当前定值以及工作时间等，便于事故后的故障分析。能根据断路器在跳闸的整个过程中电流的变化情况，通过专用软件进行状态检修分析，特别是断路器断弧过程中的最大电流，可用于断路器触头的损伤分析，为断路器的检修和更新提供依据。 （4）具有防误闭锁系统和已有的机械程序锁、电气连锁配合使用，构成微机“五防” ，即防带负荷拉、合隔离开关；防误入带电间隔；防误分、合断路器；防带电挂接地线；防带地线合闸。 （5）由于智能保护单元是综合自动化系统的分层分布通信网络的终端，因此应当具有多种可选的通信网络接口，将丰富的信息及数据上传，便于事故分析和状态监视。 结束语：综上所述，要想保证继电保护系统的安全性，除了要对电力系统中的干扰源有充分的认识外，还要充分了解预防这些干扰的方法，同时还要加强电力自动化继电保护方面的安全管理。 参考文献： 1 叶皖 林丽丽 电力自动化继电保护相关安全管理问题分析 中国新技术新产品 2012（24） 2 陈学建 电力自动化继电保护相关管理问题探析 中国电力教育 2013（17）
