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基于冗余技术的高压断路器的可靠性设计 |
| 摘 要：数字高压断路器具有无磨损、精度高、寿命长等优点，但某些部件的失效也会给电力系统及用户带来重大损失。为了提高断路器的性能和可靠性，减少事故，采用两片DSP芯片进行冗余来实现断路器控制器，不仅可以实现负载分担，还具有容错功能，在两芯片都正常工作的情况下，各自处理自己的输入信号，当其中某一芯片出现故障而不能处理信号时，另一芯片独立承担全部处理任务，提高了系统的处理能力和可靠性。 关键字：断路器 容错 冗余 故障诊断 可靠性 1 高压断路器测控系统  图1 高压断路器测控系统的系统构成 高压断路器测控系统广泛应用于电力系统中，当发生过载、短路及其他故障时，高压断路器切断以保护电力线和电力设备，同时为电力部门提供电压、电流、有功功率、无功功率、频率等基本参数，联网后可对区域内的电能质量进行检测，判断电网的整体可靠性、安全性和稳定性是否在指定的指标内，为电力部门监测电网的运行提供有力支持。 图1是高压断路器测控系统，由供电子系统、电参数变换子系统、核心控制子系统、操动机构及驱动子系统和人机交互子系统组成。其中供电子系统为整个系统提供电源，电参数变换子系统将10KV的高电压和几百安的大电流变换成可供CPU采集的0～3V的DC信号，人机交互子系统利用无线和载波方式与核心控制子系统通信。 核心控制子系统是整个控制系统的核心，它采集电参数变换子系统变换后的信号，计算频率和功率、进行过流检测、输出分合闸控制命令，并同外界通讯。 驱动子系统接收核心控制子系统输出的分合闸控制信号，再进行放大，作为固态继电器的控制信号，固态继电器的触点作为断路器操动机构中分、合闸继电器的电源开关。 2 基于冗余技术的断路器控制系统的设计 2.1可靠性原理 可靠性是在规定的条件下、规定的时间内，完成规定功能的能力。冗余是实现容错和提高可靠性的一种有效方法，为了保证断路器在任何有载情况下有效工作、保证数据的时效性和准确性，利用硬件冗余来提高系统可靠性。硬件冗余就是对系统中的关键部件配备多个相同的物理部件，一旦出现故障能迅速自动切除故障部分，立即启用备份系统。在图1中，核心控制子系统是整个控制系统的核心，它的失效将使整个系统失效，因此使用两个。TI公司的TMS320LF2406 DSP芯片进行硬件冗余。 如图2所示，让四路（或多路）输入信号同时输入到两个DSP芯片，可通过软件编程的方法使其中一个芯片只采样处理两路信号，而另一个芯片采样处理剩余的两路信号，若其中一个芯片发生故障，故障诊断模块将检出故障并指示另一个芯片迅速作出响应，并承担起所有四路信号的处理，即此时只由一个芯片处理信号，相当于单个芯片进行控制的情况。DSP芯片是否有软、硬故障发生主要是通过对DSP输出的关键信号的检测来确定的，若有故障信号出现，就进行切换，让无故障的芯片继续工作。整个系统主要由四个模块组成：故障诊断模块（包括硬、软故障诊断）、判决模块、程序切换模块、共享存储器模块。其中共享存储器用来实现两个芯片间的通信，切换模块由软件实现。  图2 断路器核心控制子系统冗余设计方案 2.2 故障诊断模块 故障诊断模块分为硬故障诊断模块和软故障诊断模块。硬故障诊断模块的硬件线路较简单，该模块读取两片DSP的表示硬件故障的输出信息，根据该信息来检测某个芯片是否发生故障，硬件电路可以通过计数器和触发器来实现。 硬故障诊断只有在DSP发生硬件故障时才能诊断进行切换，而硬件故障发生率较小。系统中更常见的故障是软件故障，如受到外界干扰后的程序跑飞、不进入中断、死循环等。采取同硬件故障相同的处理方式来处理软件故障。首先设置一个定时器，程序正常运行时，不会产生出错信号;当程序发生故障时，产生一个出错信号，如果由于某种偶然原因（如噪声、静电放电、器件偶然失灵），使程序不能正常运行、死锁或不进入中断等，可通过定时器超时使系统复位，来使程序克服死区恢复正常;若故障在规定的复位次数内仍不能克服，此时就将出错信号送出，表示需要切入冗余备份来解决。 在控制器运行的主程序入口处有一判断程序，该程序对定时器的复位次数进行计数，如果连续复位规定次数，则认为该故障不能由超时复位方式来解决，就送出一个软件出错信号reset=0（soft error）。当软故障诊断模块接受到信号reset=0（芯片正常工作时reset=1），就向自动判决模块发送一个故障信号，从而指示程序发生切换以隔离故障、投入冗余备份。 2.3 判决模块 判决模块的主要功能是接受硬、软故障诊断模块发来的故障信号，根据其切换请求及时发出控制信号bio = 0到切换模块，通知程序发生切换，及时隔离故障芯片并投入冗余备份，使系统能够在极短的时间内恢复正常。该模块可以通过D触发器来设计，当有出错信号到来（信号发生跳变），D触发器就输出一个信号到DSP。 2.4 程序切换模块 程序切换模块由软件实现，芯片1运行的切换程序的主要流程是：在芯片1正常处理两路信号程序的基础上，增加处理四路信号的程序段，在每次等待中断来临的程序段中插入检测bio的指令，若检测到bio=0，要求程序发生切换（正常时bio=1，当bio=0，表示芯片2有故障发生），由开始运行处理两路输入信号的程序段切换到处理全部四路输入信号的程序段运行。 外部时钟信号采用周期为10us的定时器，因此切换模块每隔10us检测一次bio信号，即一旦出现故障最多10us后程序将发生切换。芯片1处理的流程图如图3所示。 （a） DSP1的主程序流程 （b） DSP1正常运行两路信号处理的流程  （a） DSP1的主程序流程  （b） DSP1正常运行两路信号处理的流程 图3 DSP1运行的程序流程图及其切换 从上述流程图可以看出，在两个芯片上电后，芯片1首先处理它自己的第1、2路信号，芯片2则处于待机状态，芯片1在每次待机状态时检测bio信号来判断芯片2是否发生了故障，一旦芯片2有故障发生，bio=0，芯片1执行的程序就发生切换，运行处理四路信号的程序段;在芯片2没有故障发生时，芯片1依次处理它自己的第1路、第2路信号，然后通知芯片2处理另外两路信号，最后关中断，不再响应中断请求，处于等待状态，只有等芯片2处理完毕打开中断才能再响应。同样，芯片2在执行程序时同样也定时检测bio的值来判断芯片1是否发生了故障，并在处理完第4路信号后再通知芯片1进行处理，如此循环往复。 由于程序处理采取的是分散控制，即四路信号的A/D转换、PID处理、D/A输出是轮流执行的，程序每隔10us产生一次中断，所以各路信号的采样周期为40us。 3 可靠性分析 设两个芯片的平均失效率为λ，表示在（0,t）时间间隔内的平均故障次数;平均无故障工作时间为T，表示在（0,t）时间间隔内的平均无故障工作时间;设单个芯片的可靠性为R（t），表示单个芯片在（0,t）时间内正常工作的概率。 则有： R（t） = e-λt t ≥ 0 其中 T =1/λ 由于系统采用的是热备份旁待冗余方式，这种冗余结构的可靠性可按下式计算: 显然，系统的平均无故障时间是单机运行的1.5倍。由此可见，用两个芯片冗余组成的控制系统的可靠性要比单个芯片组成的控制系统的可靠性大大提高。 5 结束语 采用两个DSP芯片基于冗余技术的断路器容错设计方案主要完成了两芯片间的通信接口设计、软硬件故障诊断模块、判决模块的设计，在此硬件基础之上设计了两芯片分担处理四路信号的切换程序和实现系统容错功能的程序。使每个芯片的处理数据量降低了，可进一步提高A/D采样频率。当其中某一芯片出现故障时，另一芯片将独立完成全部输入信号的处理任务，从而有效地实现了电力系统的测控，较大地提高了系统的可靠性。 |
