鄧 勇 黃 烽 陸 榛 宋福海 任曉輝

（1. 國網(wǎng)福建電力調(diào)度控制中心，福州 350003；2. 國網(wǎng)福州供電公司，福州 350009）

一起繼電保護(hù)裝置數(shù)據(jù)異常故障分析與對策

鄧 勇1黃 烽2陸 榛1宋福海1任曉輝1

（1. 國網(wǎng)福建電力調(diào)度控制中心，福州 350003；2. 國網(wǎng)福州供電公司，福州 350009）

本文針對某次繼電保護(hù)裝置告警“內(nèi)存錯誤”并伴隨差動保護(hù)元件動作報文的故障進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了動作情況、現(xiàn)場檢查和缺陷排查過程，查明故障原因是Hdlc編碼芯片運(yùn)行一段時間后發(fā)生引腳接觸不良，導(dǎo)致與CPU總線相連的器件通信異常，影響各器件的穩(wěn)定運(yùn)行。本文結(jié)合故障案例，分析繼電保護(hù)裝置內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)，提出了在裝置狀態(tài)檢修工作中應(yīng)對裝置內(nèi)部器件及其之間通信狀況開展監(jiān)視、對Flash芯片壽命進(jìn)行評估等建議。

繼電保護(hù)；誤動；裝置缺陷；裝置自檢；Flash

繼電保護(hù)裝置屬于電子產(chǎn)品，由許多邏輯功能器件組成，即各類功能芯片及其外圍電路和數(shù)據(jù)通信總線組成，通過微型處理器的強(qiáng)大運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的保護(hù)邏輯。邏輯功能器件劣化將會造成不同程度裝置缺陷的發(fā)生，嚴(yán)重時將對保護(hù)邏輯、裝置行為造成影響，甚至導(dǎo)致裝置誤動、拒動的發(fā)生。邏輯功能器件通常可靠性較高，因此暴露出的問題相對較少。同時由于裝置硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要運(yùn)維人員具有較高的素質(zhì)才能夠分析裝置缺陷原因[1]。

裝置缺陷的發(fā)展過程通常可用P-F曲線描述，即裝置功能退化到潛在缺陷P點(diǎn)之后才逐步發(fā)展為能監(jiān)測到的缺陷，若潛在缺陷未被發(fā)現(xiàn)并及時處理，則通常將加速退化直至 F點(diǎn)而造成故障[2]。潛在的硬件缺陷往往也屬于裝置隱性故障，正常運(yùn)行時對系統(tǒng)沒有影響，但當(dāng)系統(tǒng)處于壓力狀態(tài)時同樣可能造成誤動或拒動故障[3]。對于電力系統(tǒng)一次設(shè)備的老化程度分析通?？梢允褂闷淅砘瘏?shù)[4-5]。而由于保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，關(guān)于保護(hù)裝置故障的研究通常是圍繞保護(hù)邏輯上的錯誤開展[6-8]，深入研究由裝置劣化引起故障機(jī)理的文獻(xiàn)則相對較少。隨著保護(hù)裝置自檢技術(shù)的發(fā)展，大部分功能缺陷通過裝置自檢能夠被發(fā)現(xiàn)，并主動閉鎖保護(hù)邏輯和發(fā)出告警信號，使運(yùn)維人員能及時開展檢修工作。許多文獻(xiàn)開展了裝置在線監(jiān)測技術(shù)的研究，主要包括定值校核、自檢告警事件上傳、多源數(shù)據(jù)對比等。但這些監(jiān)測功能同樣只局限于反映裝置缺陷是否發(fā)生，仍存在無法反映裝置劣化過程的問題[9-10]。

本文針對某次由單芯片異常造成裝置其他芯片損壞、保護(hù)邏輯錯誤的故障，詳細(xì)介紹了裝置檢查、缺陷分析和處理過程，分析導(dǎo)致故障發(fā)生的原因。探討繼電保護(hù)裝置狀態(tài)檢修工作的改進(jìn)措施，指出應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注裝置內(nèi)部器件的劣化過程。分析了裝置內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)，提出對裝置內(nèi)部器件及其之間通信狀況開展監(jiān)視、對 Flash芯片壽命進(jìn)行評估等措施，以更全面掌握裝置運(yùn)行狀態(tài)，提高裝置狀態(tài)檢修水平。

1 故障基本情況

2015年5月，現(xiàn)場對220kV某線路A變電站側(cè)差動保護(hù)開展定期檢驗(yàn)工作。正常運(yùn)行情況下，發(fā)現(xiàn)零序差動保護(hù)元件條件滿足，發(fā)出動作報文。但啟動 CPU不滿足動作條件，出口繼電器的 24V電源未開放，保護(hù)裝置未出口跳閘。檢查保護(hù)裝置，電壓電流采樣值均無異常，裝置供電電源無異常。保護(hù)裝置的錄波文件無法讀取和打印，裝置液晶屏面板頻繁出現(xiàn)“CPU1：內(nèi)存錯誤”報文，檢查期間還出現(xiàn)保護(hù)CPU初始化的情況。初步認(rèn)為A變電站側(cè)保護(hù)裝置的保護(hù)模件和AD模件存在缺陷，由于采樣值異常導(dǎo)致差動保護(hù)元件條件滿足。將保護(hù)裝置返廠檢查，進(jìn)行詳細(xì)試驗(yàn)分析。

2 故障原因分析

2.1 裝置及元件初查

檢查保護(hù)裝置模件和AD模件內(nèi)部器件，沒有發(fā)現(xiàn)器件燒損、鼓包，電路板完整，芯片與印制電路焊接良好。檢查 ROM 程序完好性。裝置液晶屏顯示版本號、CRC碼等信息與ROM芯片上標(biāo)簽一致。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)裝置有“內(nèi)存錯誤”告警，初步判斷保護(hù)模件中Flash失效，影響CPU對同一總線上的RAM的數(shù)據(jù)讀寫，造成電壓電流采樣值異常，導(dǎo)致差動保護(hù)發(fā)出動作報文。

2.2 裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室中，給保護(hù)裝置輸入電壓電流模擬量，進(jìn)行多次故障試驗(yàn)，使保護(hù)裝置頻繁動作，產(chǎn)生事件報文，強(qiáng)制CPU重復(fù)讀寫Flash。試驗(yàn)中出現(xiàn)“內(nèi)存錯誤”告警并且無法讀取錄波文件的情況，復(fù)現(xiàn)了現(xiàn)場缺陷情況。然后替換嶄新的同型號 Flash芯片，繼續(xù)多次試驗(yàn)，未再發(fā)生同類事件。

在后續(xù)試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)裝置液晶屏顯示差動保護(hù)通道誤碼總數(shù)緩慢增大。排除另一套裝置自身異常和光纖接線問題后，判斷保護(hù)模件仍存在缺陷未消除。再次檢查保護(hù)模件，發(fā)現(xiàn)Hdlc編碼芯片在PLCC插座中一側(cè)明顯翹起，如圖1所示。

圖1 保護(hù)模件側(cè)視圖

取下芯片檢查，發(fā)現(xiàn)翹起面多個引腳有氧化現(xiàn)象，并有3個引腳氧化嚴(yán)重。氧化的引腳處于CPU總線的地址位、地址/數(shù)據(jù)控制位、中斷申請信號位，其接觸不良將造成數(shù)據(jù)錯誤、通信異常等問題。更換新的 Hdlc芯片，連續(xù)通電 100h，未再出現(xiàn)異?，F(xiàn)象；輸入模擬量反復(fù)進(jìn)行故障試驗(yàn)，保護(hù)均正確動作。

2.3 缺陷原因分析

綜上可以得，本次故障由于Hdlc芯片接觸不良造成CPU總線上相連的器件間通信異常引起。如圖2所示，一方面表現(xiàn)為裝置運(yùn)行過程中，CPU頻繁對 Flash芯片進(jìn)行擦寫操作，最終造成擦寫次數(shù)過多造成Flash損壞。保護(hù)CPU記錄事件時無法正常讀寫Flash，檢測程序判斷Flash出錯，保護(hù)裝置輸出“內(nèi)存錯誤”告警。另一方面，總線異常導(dǎo)致保護(hù)CPU從RAM讀寫采樣值時出錯，正好滿足故障特征，差動保護(hù)邏輯條件滿足。CPU自身無法判斷采樣值的錯誤，不輸出告警信號。

圖2 保護(hù)CPU板器件框圖

3 保護(hù)裝置輸出信息改進(jìn)分析

通過上述故障分析過程可以看出，當(dāng)前繼電保護(hù)裝置輸出的異常信息未充分體現(xiàn)保護(hù)內(nèi)部器件的健康狀況，還需深入地挖掘可獲取的信息作為補(bǔ)充，以加強(qiáng)對裝置內(nèi)部器件的監(jiān)視。因此，下文首先對保護(hù)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確立器件之間的關(guān)系。然后從器件劣化程度和運(yùn)行狀態(tài)兩方面，探討保護(hù)裝置輸出信息的改進(jìn)措施，分析反映 Flash自身劣化程度的狀態(tài)量和反映各器件運(yùn)行狀態(tài)的狀態(tài)量。

3.1 保護(hù)裝置內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)

微機(jī)型保護(hù)裝置發(fā)展已較成熟，通常在分析缺陷時將其分為交流插件、CPU插件、開入插件、開出插件、人機(jī)交互插件和電源插件[11]。但使用這種典型結(jié)構(gòu)來描述裝置缺陷部位仍較為簡單，對裝置缺陷產(chǎn)生的機(jī)理往往無法描述清楚。對裝置缺陷的統(tǒng)計、缺陷知識庫的構(gòu)建也是不夠的。通過對不同型號裝置結(jié)構(gòu)的對比和研究，將常規(guī)站微機(jī)型保護(hù)裝置內(nèi)部器件以功能作為劃分的主要標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)化總結(jié)，如圖3所示。

圖3 保護(hù)裝置內(nèi)部細(xì)化結(jié)構(gòu)

保護(hù)裝置供電電源為直流220V或110V。輸入電壓通過抗干擾處理后，由 DC/DC變換器轉(zhuǎn)換為+5V（3.3V）、+24V、±12V（10V）等多組電源。交流信號通過電壓、電流互感器轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｗo(hù)所需的弱電信號，再通過兩個獨(dú)立的濾波和AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號分別送至啟動CPU和保護(hù)CPU。啟動CPU判斷啟動條件、保護(hù)CPU判斷保護(hù)條件分別開放保護(hù)出口電源和驅(qū)動保護(hù)出口繼電器動作。保護(hù)CPU通過光耦隔離，接收外部開入信號。管理CPU則用于實(shí)現(xiàn)裝置的其他輔助功能。對于使用光纖通道的縱聯(lián)保護(hù)，保護(hù)CPU還連接通道編解碼、光電轉(zhuǎn)換器、光纖等。不同型號裝置的設(shè)計主要在實(shí)現(xiàn)各模塊功能的硬件選擇上和模塊間通信總線選擇上存在差異。

裝置插件內(nèi)部細(xì)化結(jié)構(gòu)能更清晰地表現(xiàn)裝置各功能模塊之間的關(guān)系，可以作為裝置缺陷分析的通用的模型。按照裝置插件硬件設(shè)計，建立功能模塊級和插件級兩級對應(yīng)關(guān)系，從而可在功能模塊級對保護(hù)缺陷進(jìn)行分析，定位缺陷，并映射至插件制定維修和更換策略。此外，通信總線作為連接各個功能模塊的通道，也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3.2 Flash老化程度評估指標(biāo)

根據(jù)圖3所示，保護(hù)裝置的邏輯功能器件包括MCU、DSP、FPGA、E2PROM、RAM、Flash、AD轉(zhuǎn)換芯片、通信芯片等多種集成芯片及其外圍電路。通過各器件互相配合、交互數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)裝置各項(xiàng)功能。邏輯功能器件可靠性較高，且大部分沒有明顯的劣化過程。而其中 Flash芯片劣化過程較明顯。對于長期不間斷運(yùn)行的保護(hù)裝置，F(xiàn)lash的剩余壽命是值得關(guān)注的；同時裝置硬件缺陷或程序設(shè)計缺陷可能造成 Flash劣化程度出現(xiàn)差異，應(yīng)在狀態(tài)檢修工作中應(yīng)對其壽命進(jìn)行監(jiān)視和評估。

Flash利用懸浮柵貯存電子實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。對其進(jìn)行數(shù)據(jù)擦寫將消耗懸浮柵表面的硅氧化物，導(dǎo)致Flash失效[12]。其壽命與對其擦寫操作有較大關(guān)系。其每個存儲器單元有擦寫次數(shù)限制，驅(qū)動程序通常利用壞塊管理和損耗均衡等技術(shù)來保證數(shù)據(jù)存儲正確和芯片的設(shè)計壽命[13]，故其壽命可通過壞塊率和寫入總?cè)萘窟@兩個指標(biāo)來評估。

其中寫入總?cè)萘坑棉D(zhuǎn)化為允許倍數(shù)來評估壽命。定義Flash寫入容量允許倍數(shù)s為

式中，n為Flash累計寫入容量（字節(jié)）；PE為Flash最大擦寫次數(shù)；n0為Flash容量（字節(jié)）。

3.3 器件通信狀態(tài)監(jiān)視

目前保護(hù)裝置提供的許多自檢信息是用于反映各器件是否存在缺陷的。如利用模式校驗(yàn)法檢查RAM存儲內(nèi)容；利用奇偶校驗(yàn)法或求和校驗(yàn)法檢查ROM存儲內(nèi)容；利用定時器監(jiān)視法檢查CPU運(yùn)行情況；對比冗余數(shù)據(jù)、檢查通道報文格式等手段判斷芯片是否失效[14]，當(dāng)失效的情況達(dá)到一定次數(shù)或一定頻率時裝置輸出告警信號。同時保護(hù)裝置能通過自動初始化、重發(fā)重收、冗余配置等容錯機(jī)制以提高可靠性。但這也造成了一些缺陷難以被發(fā)現(xiàn)，使保護(hù)運(yùn)行存在隱患。

隨著保護(hù)裝置運(yùn)行時間增加，裝置內(nèi)部存在的潛在缺陷逐漸發(fā)展，裝置功能產(chǎn)生錯誤的概率往往將增加。對于沒有明顯劣化過程的邏輯功能器件來說，應(yīng)監(jiān)視其運(yùn)行中產(chǎn)生的異常情況，從側(cè)面反映其健康程度。

保護(hù)裝置中各器件通過大量現(xiàn)場總線連接。外部干擾、裝置硬件和軟件缺陷都有可能造成模塊間通信異常。因此，保護(hù)CPU應(yīng)對各器件的通信狀態(tài)進(jìn)行有效校驗(yàn)，將每次功能模塊發(fā)生的通信異常進(jìn)行記錄，統(tǒng)計總數(shù)、頻率等詳細(xì)信息，并按照器件所屬總線進(jìn)行統(tǒng)計。利用裝置本身歷史運(yùn)行情況進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋瑢⒛軐ρb置運(yùn)行狀態(tài)變化趨勢進(jìn)行判斷。

4 結(jié)論

本文針對某次繼電保護(hù)裝置自檢告警并發(fā)生保護(hù)邏輯異常的故障，介紹了現(xiàn)場檢查和試驗(yàn)過程，說明缺陷分析方法和故障原因，為裝置內(nèi)部邏輯功能器件缺陷分析提供了借鑒的案例。

繼電保護(hù)裝置作為電子產(chǎn)品，內(nèi)部設(shè)計復(fù)雜多樣、制作工藝繁多。目前的裝置狀態(tài)檢修中，運(yùn)維人員對裝置內(nèi)部器件存在的潛質(zhì)缺陷的發(fā)現(xiàn)能力還有待加強(qiáng)。通過分析本次故障，提出應(yīng)更全面地獲取裝置內(nèi)部器件的信息用于促進(jìn)裝置潛在缺陷的發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)狀態(tài)檢修工作。這就需要根據(jù)裝置內(nèi)部器件和其間關(guān)系構(gòu)建更詳細(xì)的裝置檔案，對器件運(yùn)行狀態(tài)和通信狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，特別地應(yīng)對 Flash開展剩余壽命的評估。

[1] 曾錦松, 鄭南章. 變電站繼電保護(hù)消缺方法的探討[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2008, 36(24): 104-106,109.

[2] 馮軍. 智能變電站原理及測試技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2011.

[3] 李博通, 李永麗, 姚創(chuàng), 等. 繼電保護(hù)系統(tǒng)隱性故障研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報, 2014, 26(7):34-39.

[4] 廖瑞金, 劉捷豐, 楊麗君, 等. 電力變壓器油紙絕緣狀態(tài)評估的頻域介電特征參量研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(6): 247-254.

[5] 李贏, 舒乃秋. 基于模糊聚類和完全二叉樹支持向量機(jī)的變壓器故障診斷[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016,31(4): 64-70.

[6] 陳強(qiáng), 鄧潔清, 潘建亞, 等. 一起主變壓器低壓側(cè)故障的分析與對策[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015(8): 164-167.

[7] 劉航, 楊廣明, 周海廷, 等. 一起220kV線路單相故障重合閘未動作的事故分析與處理[J]. 電氣技術(shù),2015, 16(9): 118-119, 132.

[8] 徐英, 李朝勛. 通道自環(huán)引發(fā)保護(hù)不正確動作的故障分析及對策[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(9): 95-97.

[9] 王躍強(qiáng), 廖華興, 袁曉青, 等. 基于保信系統(tǒng)的繼電保護(hù)狀態(tài)評價系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(8): 134-139.

[10] 邱金輝, 錢海, 張道農(nóng), 等. 基于 PFIS的繼電保護(hù)常態(tài)特性在線監(jiān)視與隱性故障診斷[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(8): 145-149.

[11] HUANG S, CHEN S, QIU Y, 等. Online condition monitoring methodology for relay protection based on self-test information[C]//Advanced Power System Automation and Protection (APAP), 2011 International Conference on, 2011: 256-260.

[12] 范婭玲. 閃存芯片(NOR)編程特性與可靠性的研究[J]. 蘇州大學(xué)學(xué)報: 工科版, 2008(3): 64-68.

[13] 林剛. NAND Flash壞塊管理算法及邏輯層驅(qū)動設(shè)計[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2009.

[14] 陳志雄. 微機(jī)保護(hù)硬件平臺可靠性設(shè)計研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2006.

Analysis and Countermeasure for Data Abnormal Fault of Protective Relay

Deng Yong1Huang Feng2Lu Zhen1Song Fuhai1Ren Xiaohui1
(1. State Grid Fujian Power-Dispatch & Control Center, Fuzhou 350003;2. State Grid Fuzhou Electric Power Supply Company, Fuzhou 350009)

This paper faced to a fault of protective relay that device alarmed "flash error" with sent the message of differential protection element action. The details of the process of action, inspection and defect diagnosis were introduced. The cause of fault was that the poor contact of Hdlc chip leaded to disorder of CPU bus and maked every chip contacting to the bus operate unstably. According to the fault,the detail of structure of protective relay was analyzed, propound that the status and communication of chips should be monitored and the operation life of Flash should be evaluated.

protective relay; misoperation; device defect; device self-test; Flash

鄧 勇（1978-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娏φ{(diào)度自動化、電力市場、繼電保護(hù)。