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在繼電保護裝置中功能安全占有的重要地位幾何?

2020-2-10 12:30:26??????點擊:
功能安全是指采取合理的技術和管理措施,保證系統功能的正確實現,從而避免由功能性故障導致的不可接受的風險。功能安全標準IEC 61508發布于2000年,并于2010年發布第2版,該標準提出了全新的評價和保證系統可靠性的理論及方法,將風險做為一個衡量危險的指標,并使用功能安全等級來表示降低風險的能力,是迄今為止安全相關系統的理論概括和技術總結。

目前,功能安全以IEC 61508作為基礎標準,已經在汽車、高鐵、化工、醫療等行業得到了廣泛的應用,并形成了各自的行業安全標準,但是在與國民經濟息息相關的電力二次設備領域還沒有得到重視。繼電保護裝置是電力系統穩定運行的重要保障,一旦失效,會帶來極大的安全隱患,造成重大安全事故或經濟損失。

繼電保護裝置由上千個元器件組成,元器件個性失效會導致保護發生拒動、誤動風險。近年來國內外的多起電力事故,再一次向我們敲響了警鐘,完全有必要引進系統、全面的安全標準作為繼電保護裝置可靠運行的理論和方法支撐。

本文對目前繼電保護裝置存在的安全風險進行了分析,并提出了引入功能安全標準和評估技術,實現裝置運行狀態的全面監視,提高裝置可靠性,降低因硬件故障導致的拒動和誤動風險。結合保護裝置的特殊性,提出了基于保護、起動雙重化帶診斷架構的功能安全繼電保護裝置設計方案,實現了保護裝置安全性和可用性的兼顧。給出了包括診斷方法、減少共因失效、FMEA分析、故障注入測試等功能安全相關技術在保護裝置中的具體實施方法。

1  目前繼電保護裝置存在的安全風險
1.1  單套非冗余配置
對于110kV及以下電壓等級的場合,一般繼電保護裝置按單套非冗余配置。這種配置成本較低,但是安全性相對較差,拒動風險高。裝置內部保護互感器、模數轉換電路、邏輯處理CPU及出口回路等部件,都是單獨運行的,任何一個部件失效,都有可能造成裝置無法正常實現跳閘出口;雖然裝置有自診斷功能,但診斷結果要么僅觸發報警,要么閉鎖裝置出口,故障導向危險。一旦當一次設備發生故障時,保護裝置失效,則會造成一次設備損壞或越級動作。

1.2  雙套冗余配置
對于220kV及以上電壓等級的場合,一般繼電保護裝置按雙套配置。雙套配置實現了一定程度的冗余,當其中一臺保護裝置失效時,另一臺保護裝置仍然可以實現正常的保護跳閘功能,較單套配置安全性有了大幅度的提高,但仍存在以下不足:
1)雖然是雙套配置,但是兩個保護裝置是獨立運行的,他們之間無冗余通信。任何一個裝置根據邏輯運算結果判斷出一次設備故障時,則直接跳閘出口,增加了誤動的可能性。
2)有些涉及跳閘動作回路的器件故障時無法及時檢測出來,當發生區外故障時開放起動電源后會造成誤動,擴大停電范圍。
3)目前提高可靠性的方法,主要靠經驗。缺乏理論支撐,且缺少必要的故障注入測試。
綜上所述,目前繼電保護裝置配置存在一定的安全風險,需要系統性地引入功能安全設計理念和管理方法,進一步提高繼電保護裝置的可靠性。

2  繼電保護裝置的功能安全
2.1  繼電保護裝置的功能安全定義
繼電保護裝置的安全功能是保證電力系統設備安全,提高用電的可靠性。當一次設備故障時,保護能夠快速、可靠動作,及時將故障設備與電力系統隔離開,防止故障設備及其他一次設備損壞,避免越級跳閘,縮小故障影響范圍,將故障危害程度降至最低。同時能實現裝置的運行狀態全面監測,在故障時及時檢修隔離出來。
2.2  繼電保護裝置功能安全的特殊性
繼電保護裝置,不僅要在一次設備故障時可靠動作,還要在一次設備無故障時不能誤動。在實際應用中,安全性和可用性往往是矛盾的。比如,目前110kV電壓等級以下變電站中,單套繼電保護自檢故障時,會閉鎖裝置的出口正電源。這種做法降低了誤動的風險,提高了保護裝置的可用性,防止了負荷端的頻繁斷電;但是此時一次設備處于無保護狀態,如果發生故障,將導致一次設備損壞或越級動作,這又降低了裝置的安全性。
而在220kV電壓等級以上的變電站中,保護裝置按雙套配置,一臺裝置閉鎖后,另外一臺裝置仍能實現保護功能。這種配置降低了拒動的風險,提高了安全性;但增加了誤動的概率,降低了可用性。
引入功能安全標準評價繼電保護裝置的可靠性,需要根據實際應用場合,尋找安全性和可用性的最優平衡點。

3  繼電保護裝置安全完整性等級和目標失效量確定
3.1  安全完整性等級(SIL)確定
安全完整性是一種量化預期安全水平的方式,其等級表示降低風險的能力,因此需要先定義繼電保護裝置所需的SIL,以指導功能安全保護裝置的方案設計??梢允褂枚亢投ㄐ詢煞N方法來確定SIL,定量的方法涉及到大量的數據,評估比較繁瑣,本文參考IEC 61508-5中附錄D的風險圖法,定性地確定繼電保護裝置所需的SIL。
如圖1所示,對于繼電保護設備而言,其失效產生的危險會導致對一人或者多人的嚴重永久傷害,也可能造成幾人或多人死亡(折中選擇C3)。但是檢修一般1年甚至幾年才會進行一次,所以人員很少暴露在危險區域(選擇F1)。

最壞情況下這種危險為高壓電擊或者爆炸、燃燒等危害,人員幾乎不可能避開此種危險(選擇P2);通常一次電力設備按標準方法設計,此種不期望事件發生概率小且只有少量不期望事件出現(選擇W2)。查看圖1虛線箭頭標記,確定SIL2(圖中各路徑的含義見表1)。

3.2  目標失效量確
從繼電保護裝置的功能安全定義可以看出,繼電保護裝置為低要求的操作模式,根據表2可得,其允許的平均失效概率PFD≥10-3且<10-2。

在繼電保護裝置中功能安全占有的重要地位幾何?
圖1  風險分析框圖

根據表3可得,其允許的安全失效分數(SFF)和系統的硬件故障裕度HFT有關系;如果HFT為0,則SFF需≥90%且<99%;如果HFT為1,則SFF在60%~90%之間;如果HFT為2,則SFF<60%即可。




表3  硬件故障裕度與安全失效分數


4  繼電保護裝置功能安全設計


4.1  安全的系統架構


1)1OO1D安全架構


如圖1所示,110kV及以下電壓等級的場合,功能安全繼電保護裝置采用1OO1D,即一取一帶診斷安全架構,此架構的硬件故障裕度HFT為0。診斷功能有助于把檢測到的危險失效轉變成安全失效。


如圖2所示,保護裝置的安全邏輯模塊由保護通道、起動通道、診斷單元組成,保護通道和起動通道相互獨立,各自具有ADC采樣電路及CPU計算單元;同時,由診斷單元作為協處理器,用于監測保護、起動通道各元件的運行狀態,并實現兩個通道的數據交互、同步和表決。


保護通道及診斷單元表決輸出跳閘信號。當保護通道發生異常時,診斷單元可以根據診斷信息輸出跳閘信號,降低拒動的概率;由起動通道和診斷單元表決后開放出口電源,降低誤動的概率,實現了安全性和可用性的兼顧。




圖2  1OO1D安全架構


2)1OO2D安全架構


如圖3所示,220kV及以上電壓等級的場合,功能安全繼電保護裝置采用1OO2D,即二取一帶診斷安全架構,此架構的硬件故障裕度HFT為1。保護裝置A和保護裝置B是熱備用關系,正常工作時一主一備,主機故障時自動切換到備機,系統降級為1OO1D運行。


主備機之間通過以太網進行信息交互,確保數據同步。1OO2D架構的保護裝置,二次互感器、保護通道、起動通道、診斷單元及出口繼電器等環節,均實現了冗余,可極大提高系統安全性和可用性,和2OO3安全架構的安全性和可用性幾乎相當。




圖3  1OO2D安全架構


4.2  診斷方法


引入診斷的目的是在裝置運行過程中,不斷地監測系統的運行狀態,當某個模塊發生故障時,系統可以將其檢測出來,并將危險失效引導為安全失效,使系統進入到安全狀態。


本文安全繼電保護裝置診斷方法包括:對裝置內各級電源模塊進行狀態監測,防止芯片在電源過壓、欠壓等工況下不正常工作;CPU板卡設計有硬件看門狗,防止程序跑飛;裝置模擬采樣電路均留有監視通道,該監視通道輸入接到ADC基準等固定電平,從而診斷ADC工作是否正常;選用帶ECC內存校驗保護功能的DDR、FLASH等存儲元件,糾正數據傳輸過程中的1比特出錯;繼電器驅動、背板CAN通信等關鍵信號回讀,用于診斷實際輸出信號是否符合預期。


4.3  減少共因失效


共因失效是由于某個單一故障源,導致系統多個部件同時發生失效,共因失效是引起冗余系統失效的主要原因之一,該故障源可能是系統內的,也可能是系統外的。


在設計階段,可以通過典型的共因失效檢測并指定防范措施,來降低共因失效率,安全繼電保護裝置共因失效的防范措施:保護通道、起動通道及診斷單元使用相互獨立的電源、時鐘及采樣基準等,加強環境(溫度、濕度、灰塵、腐蝕等)、EMC等外部共因的測試。根據IEC 61508-6的表格D.1,計算共因失效因子?,然后在評估平均失效概率(PFD)時,將失效因子考慮在內。


4.4  FMEA分析及故障注入測試


FMEA技術分析系統各元件可能的失效原因,計算安全失效、危險失效的占比,并尋找將危險失效轉換為安全失效的方法,FMEA分析工作貫穿整個產品的設計開發過程。


通常如電阻、電容、MOSFET等分立器件的失效模式和失效概率可以在SN 29500或者GJB/Z299C等標準中找到詳細的數據,而如CPU、FPGA、SOC等集成電路的失效模式比較難預測,通常做法是將集成芯片按照功能分成多個子模塊,然后通過分析各子模塊失效模式以及失效結果,匯總、分析芯片所需的防護措施。


FMEA分析的過程比較費時和繁瑣,但是卻能在設計階段,通過系統性的分析計算,發現裝置的薄弱環節和缺陷,并盡早做出改進措施,為實現保護裝置的高安全性、高可靠性提供重要的依據和保障。


為了驗證診斷措施的有效性及FMEA分析的正確性,需要進行故障注入測試。硬件故障注入測試從元器件的物理層面,進行全面的“拉網式”故障模擬測試,這個過程能夠識別出潛在的設計缺陷、硬件缺陷及故障影響。


例如,在測試階段,可修改各級電源芯片的反饋電阻阻值,或者使用外接可調電壓源,模擬電源欠壓、過壓等故障,觀察系統運行情況;使用時鐘拉偏儀,模擬嵌入式芯片時鐘偏移、短路及開路等故障,觀察系統運行情況;裝置內部和安全功能相關的電阻、電容等被動器件,逐一測試其在短路、開路、參數變化等工況下的系統運行情況。由于故障注入測試工作比較繁瑣,其他測試不再一一例舉。


4.5  使用安全芯片


隨著功能安全在各行業的應用,各芯片廠家相繼推出了滿足SIL標準的安全芯片,如TI推出的Hercules系列CPU芯片,內部采用旋轉90°且分開Layout的雙核架構,避免共因失效,同時支持CPU自檢、Flash及RAM的ECC校驗、電壓及時鐘監控等安全特性;ADI推出的AD7124系列ADC芯片,支持電源、基準電壓、模擬輸入監控、開路檢測、轉換校準檢查等豐富的診斷機制。


使用安全芯片,可以節省布板空間和成本,節省外圍電路元器件;由于安全芯片已經經過了TUV等專業機構的評估認證,所以在使用的時候,可將其當作滿足SIL等級的模塊處理,提高設計效率,縮短開發周期。


結論
本文對功能安全在繼電保護裝置中的應用進行了探討,分析了目前裝置配置存在的安全風險。參考IEC 61508標準,定性分析了繼電保護裝置需要滿足的安全完整性等級及目標失效量。


采用1OO1D或1OO2D安全架構的功能安全繼電保護裝置,可降低拒動風險,提高安全性;保護、起動雙通道帶診斷設計,可降低誤動風險,提高可用性。自診斷、降低共因失效、安全芯片等技術,可有效控制裝置的系統性失效;FDMA分析及故障注入測試可有效控制裝置的隨機失效。


目前,由南京南瑞繼保研發的滿足核電站功能安全標準的繼電保護裝置PCS- 9620H,已經在三門核電站及遼寧紅沿河核電站取得了成功應用。
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