智能電網繼電保護控制設備硬件可靠性設計及測試

劉海 芮光中 尹晨光

摘要：繼電保護控制設備是負責電網相關系統安全的一道重要防線，它的工作可靠性影響著電網系統的安全穩定。隨著社會的發展，智能電網也得到了相應的發展，因而對它的繼電保護控制設備的質量要求也就越發的高了，這也使得設備的硬件設施在研發時有了更高的要求。現在由于使用的人員過多，使得繼電保護控制設備需要提供更加強大的可靠性，促使人們可以在使用時保障自己的安全。基于此，本文針對繼電保護控制設備的硬件可靠性設計以及硬件可靠性的相關測試進行了分析。

關鍵詞：智能電網;繼電保護控制設備;硬件可靠性設計;硬件可靠性測試

引言：

現在人們常用的資源之一就是電力，隨著人們對于電力的使用，智能電網得到了飛速的發展，而這也對電網中繼電保護控制設備的可靠性提出了更高的要求，使得一些硬件在研發時要面臨更大的挑戰。除過這些硬件要求之外，繼電保護控制設備的使用環境也是較為復雜的，像一些戶外的匯控柜，而隨著保護控制系統的進一步優化，對設備的安裝位置有了新的有要求，使得設備在運行時面臨的環境更加的嚴苛，這就對設備的可靠性提出了更高的要求。針對現在繼電保護控制設備面臨的挑戰來看，提高設備硬件的可靠性是一種必要的舉措。

一、繼電保護控制設備的結構

繼電保護控制設備的基本結構如圖一所示，主要由一些互感器、光纖接口等組成。在進行一些簡單的常規采樣時，CPU通過對AC上面采集到的電壓信號進行采樣，得到相應的采樣值，對于開關量輸入數值的采集主要是通過IO總線進行的。通過通信模件將對側線路的相關數據進行匯總，就可以保護光差線路了。CPU負責對輸入的數據進行計算以及分析，通過數值控制設備的行為，從IO總線上面將指令進行傳達，使出口繼電器進行指令的執行。常規采樣一般可以對220KV以上的智能電網進行采樣，主要是通過CPU進行指令的發出，由終端進行指令的執行。

二、繼電保護控制設備的結構硬件可靠性設計

（一）采樣系統

采樣系統的可靠性影響著保護設備獲取電壓、電流的準確性，對于設備作出的判斷以及發出的指令都有著很大的影響，是繼電保護控制設備里面重要的一部分[1]。在一些對設備的可靠性要求較高的地方，保護設備里面會有兩個CPU插件，兩個CPU分別進行各自的采樣，對兩個CPU的采樣結果進行對比，一旦有一個出現問題，就會將出口關閉，避免發生操作失誤的現象。主要的原理圖如圖二所示。對于一些只配備了一個CPU的保護設備來講，這一個CPU就需要負責兩次數據的采樣，并對兩次采樣的數據進行對比，然后對出口的開關進行控制。主要的原理圖如圖三所示。為了讓采樣的數據更加地具有可靠性，在設備中的硬件設計中添加了一個監視系統，這個監視系統與采樣的電路互不干擾，主要負責監視采樣的具體過程以及硬件中的電壓、電路是否正常，一旦檢測到問題，就會及時的關閉出口，保障設備內部采樣系統的穩定。

（二）跳閘控制系統

跳閘控制系統的可靠性保障了設備不會因為單獨的故障出現失誤。想要防止設備的失誤，在跳閘系統的出口處需要進行啟動信號與跳閘控制信號的共同指令才可以將出口打開。原理圖如圖四所示，當設備是兩個CPU時，從CPU負責將啟動信號發出，主CPU則負責發出跳閘信號，當執行器收到指令時進行出口的關閉;當設備是一個CPU時，則所有的信號發出都是由這個CPU控制。為了防止設備在故障的情況下出現失誤，在跳閘控制系統中添加了一個告警系統，當CPU發出告警信號時，啟動信號就變成了無效狀態，會直接將設備的出口關閉。

（三）開入開出回路

先就開入回路來講，保護設備中的開入回路比較簡單，經常用來進行電壓信號的采集，基本的原理是通過開關量的輸入，再通過分壓以及穩壓電路的控制，再經過光耦轉換將信息輸入，然后進行信息的采樣[2]。對于可靠性要求較強的地方，可以使用一種冗余回路的方式進行，但是這種方式占用的面積太過龐大，使采樣的數量減少到了原先的一半。針對這種方法可以進行簡化如圖五所示，給每一條路徑上面增加了一個通道，進行電路的校驗，但是這種方法只能用于當條路徑的校驗，不能用于所有路徑的校驗。對于開出回路來講，需要對設備的正常運行進行定期的自動檢驗。在回路中添加一個反饋自檢系統，與相關的自檢程序進行配合，可以將電路中出現的問題進行查找，一旦檢測到問題，就會主動將出口關閉，開啟自我保護功能。

（四）電磁兼容

隨著繼電保護控制設備的安裝環境的變化，對設備的電磁兼容性能就有了更高的要求。設備的電磁兼容性能屬于一種較為復雜的性能，需要在設計前就進行全面的分析。首先可以在物料選型的時候進行分析，對物料的電氣參數、CPU系統的芯片、開入回路的金屬氧化膜電阻進行分析，比如說物料的抗靜電性能、芯片的信號連接，還有開入回路繼電器的抗浪涌能力。然后就是進行硬件設計的時候進行分析，像設備機箱的屏蔽作用，設備外體的絕緣性，還有就是設備內部插件的相關配置。這些都需要進行合理的分析，增強設備的電磁兼容性能。

（五）熱設計

繼電保護控制設備的性能方面進行了提高，隨之而來的就是關于設備的熱控制以及熱設計方面的提高。保護設備通過一些可靠性能的提高，使得設備的散熱受到了影響，像一些設備內部不能使用散熱風扇、機箱的散熱功能被限制等。在這樣的情況下，想要讓設備運行環境的熱量進行散發，就需要通過自然對流的方式進行。針對設備的熱設計，保護設備需要從元件的選擇、板卡的設計以及裝置的設計上進行應對方案的考慮[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，可以將芯片內部不使用的硬件進行關閉，對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行熱量的消散，對設備進行性能以及功能的耗損情況進行分析，選擇適合的處理器以及內存。第二是板卡的設計，可以將電路的電源轉換效率進行提高，使發熱器件得到優化，在選擇時優先考慮傳導式散熱的設備。第三是裝置的設計，要將設備的插件位置以及相應的槽位的寬度進行合理的設計，將一些功能耗損較大的硬件放在靠近機箱的地方，在機箱上進行新的設計，使它的熱傳導效率得到增強。

三、繼電保護控制設備的結構硬件可靠性測試

（一）高裕度摸底測試

為了讓設備的可靠性得到檢驗，要先讓設備具有充足的裕度，在進行摸底試驗的時候，要沿用最高級別的要求進行試驗。

（二）HALT測試

HALT是一種用來檢測設備可靠性的技術，也被稱為“高加速壽命試驗”，主要是通過對設備進行外力的施加，使產品會發生的故障得到展現，用最快的速度找到設備的缺陷之處，并且進行后期的糾正，將設備的可靠性進行最大程度地固化。HALT主要指的是對設備進行溫度、溫變、振動進行試驗。第一個是對溫度的試驗，主要通過兩個階段進行，分別是低溫與高溫試驗。低溫試驗的方法是：首先保障設備的通電狀態，對設備進行固定值的施加，然后讓設備從低溫開始工作，然后依次增高溫度，以“十”為單位進行遞增，讓設備在每個溫度點上持續工作20分鐘左右，并進行最少三次的開關機操作，檢查設備的性能是否正常，一直重復這些操作，直到設備失效，再將試驗停止，當設備失效后，將溫度降到極限，查看設備是否恢復正常，如果不能回復，就將數值記為設備的極限溫度，如果可以回復，就持續進行試驗，直到不能恢復為止。主要的過程如圖七所示。高溫試驗與低溫實驗相同，主要的過程如圖八所示。第二是溫變試驗，實驗的方法是：先保障設備處于通電的狀態，然后進行固定值的施加，將低溫設置為極限低溫以上五度，高溫設置為極限高溫以下五度，用每分鐘60度的溫差進行高低溫的試驗，并讓設備在每個溫度點停留20分鐘，并進行最少三次的開關機測試，在試驗中觀察設備的運行情況，將這種試驗重復五次以上進行檢測。第三個是震動的試驗，先將設備處于通電狀態，然后進行固定值的施加，將初始振動值設為10，控制頻率在10-500之間，在測試結束后進行振動值的疊加，以“10”為單位進行疊加，將設備在同一節點時停留20分鐘，并進行三次的開關機操作，檢查設備的運行狀態，然后反復進行這些操作，找到設備的極限點，將極限值確定為設備的極限破壞值。

（二）電氣性能測試

測試高壓側板卡時，將萬用表打至通斷檔，表針置于旁路繼電器的主節點兩端，初始狀態為分閘斷路狀態;測試過程中繼電器合閘，萬用表測量繼電器的主節點之間為短路狀態，持續時間約5s，后續繼電器分閘，萬用表測量繼電器的主節點之間仍為分閘斷路狀態。

SMC側接線如下：

航插線纜包括5根芯線，其中藍色芯線為12V電源負，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USB轉串口線連接，用于程序下載，如下圖所示：

四、結束語

繼電保護控制設備的硬件在研發過程中每一步都要將設備的可靠性考慮在內，在設計時要將采樣系統、跳閘控制系統、開入開出回路等進行詳細的考量，并用高裕度摸底測試、HALT測試等方法對硬件進行使用可靠性的測試，通過這些方法，可以使硬件的可靠性得到一定的保障。這種對繼電保護控制設備的硬件進行可靠性的測試，可以最大程度地保障設備在運行時的安全穩定，對于智能電網的發展也有著一定的促進作用。

參考文獻：

[1]岳峰，史志偉，董金才，等.智能電網繼電保護控制設備硬件可靠性設計及測試[J].華電技術，2020，42（2）：50-57.

[2]孫宏.電氣自動化控制設備可靠性分析與測試研究[J].電力系統裝備，2019，000（013）：66-67.

[3]黎明鈞.智能電網背景下繼電保護的關鍵問題及對策[J].低碳世界，2019，v.9;No.198（12）：61-62.