智能電網(wǎng)繼電保護(hù)控制設(shè)備硬件可靠性設(shè)計(jì)及測(cè)試

劉海 芮光中 尹晨光

摘要：繼電保護(hù)控制設(shè)備是負(fù)責(zé)電網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)安全的一道重要防線，它的工作可靠性影響著電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。隨著社會(huì)的發(fā)展，智能電網(wǎng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，因而對(duì)它的繼電保護(hù)控制設(shè)備的質(zhì)量要求也就越發(fā)的高了，這也使得設(shè)備的硬件設(shè)施在研發(fā)時(shí)有了更高的要求?，F(xiàn)在由于使用的人員過(guò)多，使得繼電保護(hù)控制設(shè)備需要提供更加強(qiáng)大的可靠性，促使人們可以在使用時(shí)保障自己的安全。基于此，本文針對(duì)繼電保護(hù)控制設(shè)備的硬件可靠性設(shè)計(jì)以及硬件可靠性的相關(guān)測(cè)試進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);繼電保護(hù)控制設(shè)備;硬件可靠性設(shè)計(jì);硬件可靠性測(cè)試

引言：

現(xiàn)在人們常用的資源之一就是電力，隨著人們對(duì)于電力的使用，智能電網(wǎng)得到了飛速的發(fā)展，而這也對(duì)電網(wǎng)中繼電保護(hù)控制設(shè)備的可靠性提出了更高的要求，使得一些硬件在研發(fā)時(shí)要面臨更大的挑戰(zhàn)。除過(guò)這些硬件要求之外，繼電保護(hù)控制設(shè)備的使用環(huán)境也是較為復(fù)雜的，像一些戶外的匯控柜，而隨著保護(hù)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)設(shè)備的安裝位置有了新的有要求，使得設(shè)備在運(yùn)行時(shí)面臨的環(huán)境更加的嚴(yán)苛，這就對(duì)設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。針對(duì)現(xiàn)在繼電保護(hù)控制設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)來(lái)看，提高設(shè)備硬件的可靠性是一種必要的舉措。

一、繼電保護(hù)控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)

繼電保護(hù)控制設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)如圖一所示，主要由一些互感器、光纖接口等組成。在進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的常規(guī)采樣時(shí)，CPU通過(guò)對(duì)AC上面采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，得到相應(yīng)的采樣值，對(duì)于開(kāi)關(guān)量輸入數(shù)值的采集主要是通過(guò)IO總線進(jìn)行的。通過(guò)通信模件將對(duì)側(cè)線路的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，就可以保護(hù)光差線路了。CPU負(fù)責(zé)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算以及分析，通過(guò)數(shù)值控制設(shè)備的行為，從IO總線上面將指令進(jìn)行傳達(dá)，使出口繼電器進(jìn)行指令的執(zhí)行。常規(guī)采樣一般可以對(duì)220KV以上的智能電網(wǎng)進(jìn)行采樣，主要是通過(guò)CPU進(jìn)行指令的發(fā)出，由終端進(jìn)行指令的執(zhí)行。

二、繼電保護(hù)控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)硬件可靠性設(shè)計(jì)

（一）采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)的可靠性影響著保護(hù)設(shè)備獲取電壓、電流的準(zhǔn)確性，對(duì)于設(shè)備作出的判斷以及發(fā)出的指令都有著很大的影響，是繼電保護(hù)控制設(shè)備里面重要的一部分[1]。在一些對(duì)設(shè)備的可靠性要求較高的地方，保護(hù)設(shè)備里面會(huì)有兩個(gè)CPU插件，兩個(gè)CPU分別進(jìn)行各自的采樣，對(duì)兩個(gè)CPU的采樣結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，一旦有一個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)將出口關(guān)閉，避免發(fā)生操作失誤的現(xiàn)象。主要的原理圖如圖二所示。對(duì)于一些只配備了一個(gè)CPU的保護(hù)設(shè)備來(lái)講，這一個(gè)CPU就需要負(fù)責(zé)兩次數(shù)據(jù)的采樣，并對(duì)兩次采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，然后對(duì)出口的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。主要的原理圖如圖三所示。為了讓采樣的數(shù)據(jù)更加地具有可靠性，在設(shè)備中的硬件設(shè)計(jì)中添加了一個(gè)監(jiān)視系統(tǒng)，這個(gè)監(jiān)視系統(tǒng)與采樣的電路互不干擾，主要負(fù)責(zé)監(jiān)視采樣的具體過(guò)程以及硬件中的電壓、電路是否正常，一旦檢測(cè)到問(wèn)題，就會(huì)及時(shí)的關(guān)閉出口，保障設(shè)備內(nèi)部采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定。

（二）跳閘控制系統(tǒng)

跳閘控制系統(tǒng)的可靠性保障了設(shè)備不會(huì)因?yàn)閱为?dú)的故障出現(xiàn)失誤。想要防止設(shè)備的失誤，在跳閘系統(tǒng)的出口處需要進(jìn)行啟動(dòng)信號(hào)與跳閘控制信號(hào)的共同指令才可以將出口打開(kāi)。原理圖如圖四所示，當(dāng)設(shè)備是兩個(gè)CPU時(shí)，從CPU負(fù)責(zé)將啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出，主CPU則負(fù)責(zé)發(fā)出跳閘信號(hào)，當(dāng)執(zhí)行器收到指令時(shí)進(jìn)行出口的關(guān)閉;當(dāng)設(shè)備是一個(gè)CPU時(shí)，則所有的信號(hào)發(fā)出都是由這個(gè)CPU控制。為了防止設(shè)備在故障的情況下出現(xiàn)失誤，在跳閘控制系統(tǒng)中添加了一個(gè)告警系統(tǒng)，當(dāng)CPU發(fā)出告警信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)信號(hào)就變成了無(wú)效狀態(tài)，會(huì)直接將設(shè)備的出口關(guān)閉。

（三）開(kāi)入開(kāi)出回路

先就開(kāi)入回路來(lái)講，保護(hù)設(shè)備中的開(kāi)入回路比較簡(jiǎn)單，經(jīng)常用來(lái)進(jìn)行電壓信號(hào)的采集，基本的原理是通過(guò)開(kāi)關(guān)量的輸入，再通過(guò)分壓以及穩(wěn)壓電路的控制，再經(jīng)過(guò)光耦轉(zhuǎn)換將信息輸入，然后進(jìn)行信息的采樣[2]。對(duì)于可靠性要求較強(qiáng)的地方，可以使用一種冗余回路的方式進(jìn)行，但是這種方式占用的面積太過(guò)龐大，使采樣的數(shù)量減少到了原先的一半。針對(duì)這種方法可以進(jìn)行簡(jiǎn)化如圖五所示，給每一條路徑上面增加了一個(gè)通道，進(jìn)行電路的校驗(yàn)，但是這種方法只能用于當(dāng)條路徑的校驗(yàn)，不能用于所有路徑的校驗(yàn)。對(duì)于開(kāi)出回路來(lái)講，需要對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行進(jìn)行定期的自動(dòng)檢驗(yàn)。在回路中添加一個(gè)反饋?zhàn)詸z系統(tǒng)，與相關(guān)的自檢程序進(jìn)行配合，可以將電路中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行查找，一旦檢測(cè)到問(wèn)題，就會(huì)主動(dòng)將出口關(guān)閉，開(kāi)啟自我保護(hù)功能。

（四）電磁兼容

隨著繼電保護(hù)控制設(shè)備的安裝環(huán)境的變化，對(duì)設(shè)備的電磁兼容性能就有了更高的要求。設(shè)備的電磁兼容性能屬于一種較為復(fù)雜的性能，需要在設(shè)計(jì)前就進(jìn)行全面的分析。首先可以在物料選型的時(shí)候進(jìn)行分析，對(duì)物料的電氣參數(shù)、CPU系統(tǒng)的芯片、開(kāi)入回路的金屬氧化膜電阻進(jìn)行分析，比如說(shuō)物料的抗靜電性能、芯片的信號(hào)連接，還有開(kāi)入回路繼電器的抗浪涌能力。然后就是進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候進(jìn)行分析，像設(shè)備機(jī)箱的屏蔽作用，設(shè)備外體的絕緣性，還有就是設(shè)備內(nèi)部插件的相關(guān)配置。這些都需要進(jìn)行合理的分析，增強(qiáng)設(shè)備的電磁兼容性能。

（五）熱設(shè)計(jì)

繼電保護(hù)控制設(shè)備的性能方面進(jìn)行了提高，隨之而來(lái)的就是關(guān)于設(shè)備的熱控制以及熱設(shè)計(jì)方面的提高。保護(hù)設(shè)備通過(guò)一些可靠性能的提高，使得設(shè)備的散熱受到了影響，像一些設(shè)備內(nèi)部不能使用散熱風(fēng)扇、機(jī)箱的散熱功能被限制等。在這樣的情況下，想要讓設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的熱量進(jìn)行散發(fā)，就需要通過(guò)自然對(duì)流的方式進(jìn)行。針對(duì)設(shè)備的熱設(shè)計(jì)，保護(hù)設(shè)備需要從元件的選擇、板卡的設(shè)計(jì)以及裝置的設(shè)計(jì)上進(jìn)行應(yīng)對(duì)方案的考慮[3]。第一是元件的選擇，要選擇一些電壓偏低、功能損耗較小、帶有控制功能損耗性能的元件，可以將芯片內(nèi)部不使用的硬件進(jìn)行關(guān)閉，對(duì)于一些功能損耗較大的硬件，可以采取粘貼散熱片的方式進(jìn)行熱量的消散，對(duì)設(shè)備進(jìn)行性能以及功能的耗損情況進(jìn)行分析，選擇適合的處理器以及內(nèi)存。第二是板卡的設(shè)計(jì)，可以將電路的電源轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行提高，使發(fā)熱器件得到優(yōu)化，在選擇時(shí)優(yōu)先考慮傳導(dǎo)式散熱的設(shè)備。第三是裝置的設(shè)計(jì)，要將設(shè)備的插件位置以及相應(yīng)的槽位的寬度進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，將一些功能耗損較大的硬件放在靠近機(jī)箱的地方，在機(jī)箱上進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，使它的熱傳導(dǎo)效率得到增強(qiáng)。

三、繼電保護(hù)控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)硬件可靠性測(cè)試

（一）高裕度摸底測(cè)試

為了讓設(shè)備的可靠性得到檢驗(yàn)，要先讓設(shè)備具有充足的裕度，在進(jìn)行摸底試驗(yàn)的時(shí)候，要沿用最高級(jí)別的要求進(jìn)行試驗(yàn)。

（二）HALT測(cè)試

HALT是一種用來(lái)檢測(cè)設(shè)備可靠性的技術(shù)，也被稱為“高加速壽命試驗(yàn)”，主要是通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行外力的施加，使產(chǎn)品會(huì)發(fā)生的故障得到展現(xiàn)，用最快的速度找到設(shè)備的缺陷之處，并且進(jìn)行后期的糾正，將設(shè)備的可靠性進(jìn)行最大程度地固化。HALT主要指的是對(duì)設(shè)備進(jìn)行溫度、溫變、振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)。第一個(gè)是對(duì)溫度的試驗(yàn)，主要通過(guò)兩個(gè)階段進(jìn)行，分別是低溫與高溫試驗(yàn)。低溫試驗(yàn)的方法是：首先保障設(shè)備的通電狀態(tài)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行固定值的施加，然后讓設(shè)備從低溫開(kāi)始工作，然后依次增高溫度，以“十”為單位進(jìn)行遞增，讓設(shè)備在每個(gè)溫度點(diǎn)上持續(xù)工作20分鐘左右，并進(jìn)行最少三次的開(kāi)關(guān)機(jī)操作，檢查設(shè)備的性能是否正常，一直重復(fù)這些操作，直到設(shè)備失效，再將試驗(yàn)停止，當(dāng)設(shè)備失效后，將溫度降到極限，查看設(shè)備是否恢復(fù)正常，如果不能回復(fù)，就將數(shù)值記為設(shè)備的極限溫度，如果可以回復(fù)，就持續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到不能恢復(fù)為止。主要的過(guò)程如圖七所示。高溫試驗(yàn)與低溫實(shí)驗(yàn)相同，主要的過(guò)程如圖八所示。第二是溫變?cè)囼?yàn)，實(shí)驗(yàn)的方法是：先保障設(shè)備處于通電的狀態(tài)，然后進(jìn)行固定值的施加，將低溫設(shè)置為極限低溫以上五度，高溫設(shè)置為極限高溫以下五度，用每分鐘60度的溫差進(jìn)行高低溫的試驗(yàn)，并讓設(shè)備在每個(gè)溫度點(diǎn)停留20分鐘，并進(jìn)行最少三次的開(kāi)關(guān)機(jī)測(cè)試，在試驗(yàn)中觀察設(shè)備的運(yùn)行情況，將這種試驗(yàn)重復(fù)五次以上進(jìn)行檢測(cè)。第三個(gè)是震動(dòng)的試驗(yàn)，先將設(shè)備處于通電狀態(tài)，然后進(jìn)行固定值的施加，將初始振動(dòng)值設(shè)為10，控制頻率在10-500之間，在測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行振動(dòng)值的疊加，以“10”為單位進(jìn)行疊加，將設(shè)備在同一節(jié)點(diǎn)時(shí)停留20分鐘，并進(jìn)行三次的開(kāi)關(guān)機(jī)操作，檢查設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，然后反復(fù)進(jìn)行這些操作，找到設(shè)備的極限點(diǎn)，將極限值確定為設(shè)備的極限破壞值。

（二）電氣性能測(cè)試

測(cè)試高壓側(cè)板卡時(shí)，將萬(wàn)用表打至通斷檔，表針置于旁路繼電器的主節(jié)點(diǎn)兩端，初始狀態(tài)為分閘斷路狀態(tài);測(cè)試過(guò)程中繼電器合閘，萬(wàn)用表測(cè)量繼電器的主節(jié)點(diǎn)之間為短路狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間約5s，后續(xù)繼電器分閘，萬(wàn)用表測(cè)量繼電器的主節(jié)點(diǎn)之間仍為分閘斷路狀態(tài)。

SMC側(cè)接線如下：

航插線纜包括5根芯線，其中藍(lán)色芯線為12V電源負(fù)，白色芯線為12V電源正;其他3根芯線連接DB9端子，與電腦通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口線連接，用于程序下載，如下圖所示：

四、結(jié)束語(yǔ)

繼電保護(hù)控制設(shè)備的硬件在研發(fā)過(guò)程中每一步都要將設(shè)備的可靠性考慮在內(nèi)，在設(shè)計(jì)時(shí)要將采樣系統(tǒng)、跳閘控制系統(tǒng)、開(kāi)入開(kāi)出回路等進(jìn)行詳細(xì)的考量，并用高裕度摸底測(cè)試、HALT測(cè)試等方法對(duì)硬件進(jìn)行使用可靠性的測(cè)試，通過(guò)這些方法，可以使硬件的可靠性得到一定的保障。這種對(duì)繼電保護(hù)控制設(shè)備的硬件進(jìn)行可靠性的測(cè)試，可以最大程度地保障設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的安全穩(wěn)定，對(duì)于智能電網(wǎng)的發(fā)展也有著一定的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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