智能电网继电保护控制设备硬件可靠性设计及测试

刘海 芮光中 尹晨光

摘要：继电保护控制设备是负责电网相关系统安全的一道重要防线，它的工作可靠性影响着电网系统的安全稳定。随着社会的发展，智能电网也得到了相应的发展，因而对它的继电保护控制设备的质量要求也就越发的高了，这也使得设备的硬件设施在研发时有了更高的要求。现在由于使用的人员过多，使得继电保护控制设备需要提供更加强大的可靠性，促使人们可以在使用时保障自己的安全。基于此，本文针对继电保护控制设备的硬件可靠性设计以及硬件可靠性的相关测试进行了分析。

关键词：智能电网;继电保护控制设备;硬件可靠性设计;硬件可靠性测试

引言：

现在人们常用的资源之一就是电力，随着人们对于电力的使用，智能电网得到了飞速的发展，而这也对电网中继电保护控制设备的可靠性提出了更高的要求，使得一些硬件在研发时要面临更大的挑战。除过这些硬件要求之外，继电保护控制设备的使用环境也是较为复杂的，像一些户外的汇控柜，而随着保护控制系统的进一步优化，对设备的安装位置有了新的有要求，使得设备在运行时面临的环境更加的严苛，这就对设备的可靠性提出了更高的要求。针对现在继电保护控制设备面临的挑战来看，提高设备硬件的可靠性是一种必要的举措。

一、继电保护控制设备的结构

继电保护控制设备的基本结构如图一所示，主要由一些互感器、光纤接口等组成。在进行一些简单的常规采样时，CPU通过对AC上面采集到的电压信号进行采样，得到相应的采样值，对于开关量输入数值的采集主要是通过IO总线进行的。通过通信模件将对侧线路的相关数据进行汇总，就可以保护光差线路了。CPU负责对输入的数据进行计算以及分析，通过数值控制设备的行为，从IO总线上面将指令进行传达，使出口继电器进行指令的执行。常规采样一般可以对220KV以上的智能电网进行采样，主要是通过CPU进行指令的发出，由终端进行指令的执行。

二、继电保护控制设备的结构硬件可靠性设计

（一）采样系统

采样系统的可靠性影响着保护设备获取电压、电流的准确性，对于设备作出的判断以及发出的指令都有着很大的影响，是继电保护控制设备里面重要的一部分[1]。在一些对设备的可靠性要求较高的地方，保护设备里面会有两个CPU插件，两个CPU分别进行各自的采样，对两个CPU的采样结果进行对比，一旦有一个出现问题，就会将出口关闭，避免发生操作失误的现象。主要的原理图如图二所示。对于一些只配备了一个CPU的保护设备来讲，这一个CPU就需要负责两次数据的采样，并对两次采样的数据进行对比，然后对出口的开关进行控制。主要的原理图如图三所示。为了让采样的数据更加地具有可靠性，在设备中的硬件设计中添加了一个监视系统，这个监视系统与采样的电路互不干扰，主要负责监视采样的具体过程以及硬件中的电压、电路是否正常，一旦检测到问题，就会及时的关闭出口，保障设备内部采样系统的稳定。

（二）跳闸控制系统

跳闸控制系统的可靠性保障了设备不会因为单独的故障出现失误。想要防止设备的失误，在跳闸系统的出口处需要进行启动信号与跳闸控制信号的共同指令才可以将出口打开。原理图如图四所示，当设备是两个CPU时，从CPU负责将启动信号发出，主CPU则负责发出跳闸信号，当执行器收到指令时进行出口的关闭;当设备是一个CPU时，则所有的信号发出都是由这个CPU控制。为了防止设备在故障的情况下出现失误，在跳闸控制系统中添加了一个告警系统，当CPU发出告警信号时，启动信号就变成了无效状态，会直接将设备的出口关闭。

（三）开入开出回路

先就开入回路来讲，保护设备中的开入回路比较简单，经常用来进行电压信号的采集，基本的原理是通过开关量的输入，再通过分压以及稳压电路的控制，再经过光耦转换将信息输入，然后进行信息的采样[2]。对于可靠性要求较强的地方，可以使用一种冗余回路的方式进行，但是这种方式占用的面积太过庞大，使采样的数量减少到了原先的一半。针对这种方法可以进行简化如图五所示，给每一条路径上面增加了一个通道，进行电路的校验，但是这种方法只能用于当条路径的校验，不能用于所有路径的校验。对于开出回路来讲，需要对设备的正常运行进行定期的自动检验。在回路中添加一个反馈自检系统，与相关的自检程序进行配合，可以将电路中出现的问题进行查找，一旦检测到问题，就会主动将出口关闭，开启自我保护功能。

（四）电磁兼容

随着继电保护控制设备的安装环境的变化，对设备的电磁兼容性能就有了更高的要求。设备的电磁兼容性能属于一种较为复杂的性能，需要在设计前就进行全面的分析。首先可以在物料选型的时候进行分析，对物料的电气参数、CPU系统的芯片、开入回路的金属氧化膜电阻进行分析，比如说物料的抗静电性能、芯片的信号连接，还有开入回路继电器的抗浪涌能力。然后就是进行硬件设计的时候进行分析，像设备机箱的屏蔽作用，设备外体的绝缘性，还有就是设备内部插件的相关配置。这些都需要进行合理的分析，增强设备的电磁兼容性能。

（五）热设计

继电保护控制设备的性能方面进行了提高，随之而来的就是关于设备的热控制以及热设计方面的提高。保护设备通过一些可靠性能的提高，使得设备的散热受到了影响，像一些设备内部不能使用散热风扇、机箱的散热功能被限制等。在这样的情况下，想要让设备运行环境的热量进行散发，就需要通过自然對流的方式进行。针对设备的热设计，保护设备需要从元件的选择、板卡的设计以及装置的设计上进行应对方案的考虑[3]。第一是元件的选择，要选择一些电压偏低、功能损耗较小、带有控制功能损耗性能的元件，可以将芯片内部不使用的硬件进行关闭，对于一些功能损耗较大的硬件，可以采取粘贴散热片的方式进行热量的消散，对设备进行性能以及功能的耗损情况进行分析，选择适合的处理器以及内存。第二是板卡的设计，可以将电路的电源转换效率进行提高，使发热器件得到优化，在选择时优先考虑传导式散热的设备。第三是装置的设计，要将设备的插件位置以及相应的槽位的宽度进行合理的设计，将一些功能耗损较大的硬件放在靠近机箱的地方，在机箱上进行新的设计，使它的热传导效率得到增强。

三、继电保护控制设备的结构硬件可靠性测试

（一）高裕度摸底测试

为了让设备的可靠性得到检验，要先让设备具有充足的裕度，在进行摸底试验的时候，要沿用最高级别的要求进行试验。

（二）HALT测试

HALT是一种用来检测设备可靠性的技术，也被称为“高加速寿命试验”，主要是通过对设备进行外力的施加，使产品会发生的故障得到展现，用最快的速度找到设备的缺陷之处，并且进行后期的纠正，将设备的可靠性进行最大程度地固化。HALT主要指的是对设备进行温度、温变、振动进行试验。第一个是对温度的试验，主要通过两个阶段进行，分别是低温与高温试验。低温试验的方法是：首先保障设备的通电状态，对设备进行固定值的施加，然后让设备从低温开始工作，然后依次增高温度，以“十”为单位进行递增，让设备在每个温度点上持续工作20分钟左右，并进行最少三次的开关机操作，检查设备的性能是否正常，一直重复这些操作，直到设备失效，再将试验停止，当设备失效后，将温度降到极限，查看设备是否恢复正常，如果不能回复，就将数值记为设备的极限温度，如果可以回复，就持续进行试验，直到不能恢复为止。主要的过程如图七所示。高温试验与低温实验相同，主要的过程如图八所示。第二是温变试验，实验的方法是：先保障设备处于通电的状态，然后进行固定值的施加，将低温设置为极限低温以上五度，高温设置为极限高温以下五度，用每分钟60度的温差进行高低温的试验，并让设备在每个温度点停留20分钟，并进行最少三次的开关机测试，在试验中观察设备的运行情况，将这种试验重复五次以上进行检测。第三个是震动的试验，先将设备处于通电状态，然后进行固定值的施加，将初始振动值设为10，控制频率在10-500之间，在测试结束后进行振动值的叠加，以“10”为单位进行叠加，将设备在同一节点时停留20分钟，并进行三次的开关机操作，检查设备的运行状态，然后反复进行这些操作，找到设备的极限点，将极限值确定为设备的极限破坏值。

（二）电气性能测试

测试高压侧板卡时，将万用表打至通断档，表针置于旁路继电器的主节点两端，初始状态为分闸断路状态;测试过程中继电器合闸，万用表测量继电器的主节点之间为短路状态，持续时间约5s，后续继电器分闸，万用表测量继电器的主节点之间仍为分闸断路状态。

SMC侧接线如下：

航插线缆包括5根芯线，其中蓝色芯线为12V电源负，白色芯线为12V电源正;其他3根芯线连接DB9端子，与电脑通过USB转串口线连接，用于程序下载，如下图所示：

四、结束语

继电保护控制设备的硬件在研发过程中每一步都要将设备的可靠性考虑在内，在设计时要将采样系统、跳闸控制系统、开入开出回路等进行详细的考量，并用高裕度摸底测试、HALT测试等方法对硬件进行使用可靠性的测试，通过这些方法，可以使硬件的可靠性得到一定的保障。这种对继电保护控制设备的硬件进行可靠性的测试，可以最大程度地保障设备在运行时的安全稳定，对于智能电网的发展也有着一定的促进作用。

参考文献：

[1]岳峰，史志伟，董金才，等.智能電网继电保护控制设备硬件可靠性设计及测试[J].华电技术，2020，42（2）：50-57.

[2]孙宏.电气自动化控制设备可靠性分析与测试研究[J].电力系统装备，2019，000（013）：66-67.

[3]黎明钧.智能电网背景下继电保护的关键问题及对策[J].低碳世界，2019，v.9;No.198（12）：61-62.