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继电保护装置
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功能安全在继电保护装置中的应用

时间:2020-7-22 10:07:38   作者:网友投稿   来源:jidian.lexiangww.com   阅读:10132   评论:0
内容摘要:运用风险图法,得到了继电维护设备应满意的安全完整性等级;结合IEC61508规范,确认了维护设备应满意的方针失效量。为了完成维护设备安全性和可用性的统筹,提出了根据维护、起动双重化带确诊架构的功用安全继电维护设备设计方案,并给出了包含确诊办法、削减共因失效、FMEA剖析、毛病注入测验以及安全芯片等相关技能的具体施行。功...
运用风险图法,得到了继电维护设备应满意的安全完整性等级;结合IEC 61508规范,确认了维护设备应满意的方针失效量。为了完成维护设备安全性和可用性的统筹,提出了根据维护、起动双重化带确诊架构的功用安全继电维护设备设计方案,并给出了包含确诊办法、削减共因失效、FMEA剖析、毛病注入测验以及安全芯片等相关技能的具体施行。

功用安满是指采取合理的技能和办理办法,保证体系功用的正确完成,从而防止由功用性毛病导致的不行接受的风险。功用安全规范IEC 61508发布于2000年,并于2010年发布第2版,该规范提出了全新的点评和保证体系牢靠性的理论及办法,将风险做为一个衡量风险的指标,并运用功用安全等级来表明下降风险的才能,是迄今为止安全相关体系的理论归纳和技能总结。

现在,功用安全以IEC 61508作为基础规范,已经在轿车、高铁、化工、医疗等职业得到了广泛的运用,并形成了各自的职业安全规范,可是在与国民经济息息相关的电力二次设备领域还没有得到注重。继电维护设备是电力体系安稳运转的重要保障,一旦失效,会带来极大的安全隐患,形成严重安全事端或经济损失。

继电维护设备由上千个元器材组成,元器材个性失效会导致维护产生拒动、误动风险。近年来国内外的多起电力事端,再一次向我们敲响了警钟,彻底有必要引入体系、全面的安全规范作为继电维护设备牢靠运转的理论和办法支撑。

本文对现在继电维护设备存在的安全风险进行了剖析,并提出了引入功用安全规范和点评技能,完成设备运转状况的全面监督,进步设备牢靠性,下降因硬件毛病导致的拒动和误动风险。结合维护设备的特殊性,提出了根据维护、起动双重化带确诊架构的功用安全继电维护设备设计方案,完成了维护设备安全性和可用性的统筹。给出了包含确诊办法、削减共因失效、FMEA剖析、毛病注入测验等功用安全相关技能在维护设备中的具体施行办法。

1 现在继电维护设备存在的安全风险

1.1 单套非冗余装备

关于110kV及以下电压等级的场合,一般继电维护设备按单套非冗余装备。这种装备本钱较低,可是安全性相对较差,拒动风险高。设备内部维护互感器、模数转化电路、逻辑处理CPU及出口回路等部件,都是独自运转的,任何一个部件失效,都有或许形成设备无法正常完成跳闸出口;虽然设备有自确诊功用,但确诊成果要么仅触发报警,要么闭锁设备出口,毛病导向风险。一旦当一次设备产生毛病时,维护设备失效,则会形成一次设备损坏或越级动作。

1.2 双套冗余装备

关于220kV及以上电压等级的场合,一般继电维护设备按双套装备。双套装备完成了一定程度的冗余,当其中一台维护设备失效时,另一台维护设备依然可以完成正常的维护跳闸功用,较单套装备安全性有了大幅度的进步,但仍存在以下不足:

1)虽然是双套装备,可是两个维护设备是独立运转的,他们之间无冗余通信。任何一个设备根据逻辑运算成果判断出一次设备毛病时,则直接跳闸出口,增加了误动的或许性。

2)有些涉及跳闸动作回路的器材毛病时无法及时检测出来,当产生区外毛病时开放起动电源后会形成误动,扩展停电规模。

3)现在进步牢靠性的办法,主要靠经验。缺乏理论支撑,且缺少必要的毛病注入测验。

综上所述,现在继电维护设备装备存在一定的安全风险,需求体系性地引入功用安全设计理念和办理办法,进一步进步继电维护设备的牢靠性。

2 继电维护设备的功用安全

2.1 继电维护设备的功用安全界说

继电维护设备的安全功用是保证电力体系设备安全,进步用电的牢靠性。当一次设备毛病时,维护可以快速、牢靠动作,及时将毛病设备与电力体系阻隔开,防止毛病设备及其他一次设备损坏,防止越级跳闸,缩小毛病影响规模,将毛病危害程度降至最低。一起能完成设备的运转状况全面监测,在毛病时及时检修阻隔出来。

2.2 继电维护设备功用安全的特殊性

继电维护设备,不仅要在一次设备毛病时牢靠动作,还要在一次设备无毛病时不能误动。在实践运用中,安全性和可用性往往是对立的。比方,现在110kV电压等级以下变电站中,单套继电维护自检毛病时,会闭锁设备的出口正电源。这种做法下降了误动的风险,进步了维护设备的可用性,防止了负荷端的频频断电;可是此时一次设备处于无维护状况,假如产生毛病,将导致一次设备损坏或越级动作,这又下降了设备的安全性。

而在220kV电压等级以上的变电站中,维护设备按双套装备,一台设备闭锁后,别的一台设备仍能完成维护功用。这种装备下降了拒动的风险,进步了安全性;但增加了误动的概率,下降了可用性。

引入功用安全规范点评继电维护设备的牢靠性,需求根据实践运用场合,寻觅安全性和可用性的最优平衡点。

3 继电维护设备安全完整性等级和方针失效量确认

3.1 安全完整性等级(SIL)确认

安全完整性是一种量化预期安全水平的方式,其等级表明下降风险的才能,因此需求先界说继电维护设备所需的SIL,以指导功用安全维护设备的方案设计。可以运用定量和定性两种办法来确认SIL,定量的办法涉及到大量的数据,点评比较繁琐,本文参阅IEC 61508-5中附录D的风险图法,定性地确认继电维护设备所需的SIL。

如图1所示,关于继电维护设备而言,其失效产生的风险会导致对一人或许多人的严重永久损伤,也或许形成几人或多人死亡(折中挑选C3)。可是检修一般1年甚至几年才会进行一次,所以人员很少暴露在风险区域(挑选F1)。

最坏情况下这种风险为高压电击或许爆炸、燃烧等危害,人员简直不行能避开此种风险(挑选P2);一般一次电力设备按规范办法设计,此种不希望事情产生概率小且只有少数不希望事情呈现(挑选W2)。查看图1虚线箭头标记,确认SIL2(图中各途径的意义见表1)。

3.2 方针失效量确认

从继电维护设备的功用安全界说可以看出,继电维护设备为低要求的操作形式,根据表2可得,其答应的平均失效概率PFD≥10-3且<10-2。


图1 风险剖析框图

表1 风险图中的数据意义

表2 低要求操作形式下要求的方针失效量
根据表3可得,其答应的安全失效分数(SFF)和体系的硬件毛病裕度HFT有联系;假如HFT为0,则SFF需≥90%且<99%;假如HFT为1,则SFF在60%~90%之间;假如HFT为2,则SFF<60%即可。


表3 硬件毛病裕度与安全失效分数
4 继电维护设备功用安全设计

4.1 安全的体系架构

1)1OO1D安全架构

如图1所示,110kV及以下电压等级的场合,功用安全继电维护设备选用1OO1D,即一取一带确诊安全架构,此架构的硬件毛病裕度HFT为0。确诊功用有助于把检测到的风险失效转变成安全失效。

如图2所示,维护设备的安全逻辑模块由维护通道、起动通道、确诊单元组成,维护通道和起动通道彼此独立,各自具有ADC采样电路及CPU核算单元;一起,由确诊单元作为协处理器,用于监测维护、起动通道各元件的运转状况,并完成两个通道的数据交互、同步和表决。

维护通道及确诊单元表决输出跳闸信号。当维护通道产生异常时,确诊单元可以根据确诊信息输出跳闸信号,下降拒动的概率;由起动通道和确诊单元表决后开放出口电源,下降误动的概率,完成了安全性和可用性的统筹。


图2 1OO1D安全架构
2)1OO2D安全架构

如图3所示,220kV及以上电压等级的场合,功用安全继电维护设备选用1OO2D,即二取一带确诊安全架构,此架构的硬件毛病裕度HFT为1。维护设备A和维护设备B是热备用联系,正常作业时一主一备,主机毛病时主动切换到备机,体系降级为1OO1D运转。

主备机之间经过以太网进行信息交互,保证数据同步。1OO2D架构的维护设备,二次互感器、维护通道、起动通道、确诊单元及出口继电器等环节,均完成了冗余,可极大进步体系安全性和可用性,和2OO3安全架构的安全性和可用性简直适当。


图3 1OO2D安全架构
4.2 确诊办法

引入确诊的目的是在设备运转进程中,不断地监测体系的运转状况,当某个模块产生毛病时,体系可以将其检测出来,并将风险失效引导为安全失效,使体系进入到安全状况。

本文安全继电维护设备确诊办法包含:对设备内各级电源模块进行状况监测,防止芯片在电源过压、欠压等工况下不正常作业;CPU板卡设计有硬件看门狗,防止程序跑飞;设备模仿采样电路均留有监督通道,该监督通道输入接到ADC基准等固定电平,从而确诊ADC作业是否正常;选用带ECC内存校验维护功用的DDR、FLASH等存储元件,纠正数据传输进程中的1比特出错;继电器驱动、背板CAN通信等要害信号回读,用于确诊实践输出信号是否契合预期。

4.3 削减共因失效

共因失效是因为某个单一毛病源,导致体系多个部件一起产生失效,共因失效是引起冗余体系失效的主要原因之一,该毛病源或许是体系内的,也或许是体系外的。

在设计阶段,可以经过典型的共因失效检测并指定防范办法,来下降共因失功率,安全继电维护设备共因失效的防范办法:维护通道、起动通道及确诊单元运用彼此独立的电源、时钟及采样基准等,加强环境(温度、湿度、灰尘、腐蚀等)、EMC等外部共因的测验。根据IEC 61508-6的表格D.1,核算共因失效因子,然后在点评平均失效概率(PFD)时,将失效因子考虑在内。

4.4 FMEA剖析及毛病注入测验

FMEA技能剖析体系各元件或许的失效原因,核算安全失效、风险失效的占比,并寻觅将风险失效转化为安全失效的办法,FMEA剖析作业贯穿整个产品的设计开发进程。

一般如电阻、电容、MOSFET等分立器材的失效形式和失效概率可以在SN 29500或许GJB/Z299C等规范中找到详细的数据,而如CPU、FPGA、SOC等集成电路的失效形式比较难猜测,一般做法是将集成芯片按照功用分成多个子模块,然后经过剖析各子模块失效形式以及失效成果,汇总、剖析芯片所需的防护办法。

FMEA剖析的进程比较费时和繁琐,可是却能在设计阶段,经过体系性的剖析核算,发现设备的薄弱环节和缺陷,并尽早做出改善办法,为完成维护设备的高安全性、高牢靠性供给重要的根据和保障。

为了验证确诊办法的有用性及FMEA剖析的正确性,需求进行毛病注入测验。硬件毛病注入测验从元器材的物理层面,进行全面的“拉网式”毛病模仿测验,这个进程可以识别出潜在的设计缺陷、硬件缺陷及毛病影响。

例如,在测验阶段,可修正各级电源芯片的反应电阻阻值,或许运用外接可调电压源,模仿电源欠压、过压等毛病,调查体系运转情况;运用时钟拉偏仪,模仿嵌入式芯片时钟偏移、短路及开路等毛病,调查体系运转情况;设备内部和安全功用相关的电阻、电容等被迫器材,逐一测验其在短路、开路、参数变化等工况下的体系运转情况。因为毛病注入测验作业比较繁琐,其他测验不再逐个例举。

4.5 运用安全芯片

随着功用安全在各职业的运用,各芯片厂家相继推出了满意SIL规范的安全芯片,如TI推出的Hercules系列CPU芯片,内部选用旋转90°且分开Layout的双核架构,防止共因失效,一起支撑CPU自检、Flash及RAM的ECC校验、电压及时钟监控等安全特性;ADI推出的AD7124系列ADC芯片,支撑电源、基准电压、模仿输入监控、开路检测、转化校准查看等丰厚的确诊机制。

运用安全芯片,可以节约布板空间和本钱,节约外围电路元器材;因为安全芯片已经经过了TUV等专业组织的点评认证,所以在运用的时分,可将其当作满意SIL等级的模块处理,进步设计功率,缩短开发周期。

定论

本文对功用安全在继电维护设备中的运用进行了探讨,剖析了现在设备装备存在的安全风险。参阅IEC 61508规范,定性剖析了继电维护设备需求满意的安全完整性等级及方针失效量。

选用1OO1D或1OO2D安全架构的功用安全继电维护设备,可下降拒动风险,进步安全性;维护、起动双通道带确诊设计,可下降误动风险,进步可用性。自确诊、下降共因失效、安全芯片等技能,可有用操控设备的体系性失效;FDMA剖析及毛病注入测验可有用操控设备的随机失效。

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