功能安全是指采取合理的技术和管理措施，保证系统功能的正确实现，从而避免由功能性故障导致的不可接受的风险。功能安全标准IEC 61508发布于2000年，并于2010年发布第2版，该标准提出了全新的评价和保证系统可靠性的理论及方法，将风险做为一个衡量危险的指标，并使用功能安全等级来表示降低风险的能力，是迄今为止安全相关系统的理论概括和技术总结。

目前，功能安全以IEC 61508作为基础标准，已经在汽车、高铁、化工、医疗等行业得到了广泛的应用，并形成了各自的行业安全标准，但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重视。继电保护装置是电力系统稳定运行的重要保障，一旦失效，会带来极大的安全隐患，造成重大安全事故或经济损失。

继电保护装置由上千个元器件组成，元器件个性失效会导致保护发生拒动、误动风险。近年来国内外的多起电力事故，再一次向我们敲响了警钟，完全有必要引进系统、全面的安全标准作为继电保护装置可靠运行的理论和方法支撑。

本文对目前继电保护装置存在的安全风险进行了分析，并提出了引入功能安全标准和评估技术，实现装置运行状态的全面监视，提高装置可靠性，降低因硬件故障导致的拒动和误动风险。结合保护装置的特殊性，提出了基于保护、起动双重化带诊断架构的功能安全继电保护装置设计方案，实现了保护装置安全性和可用性的兼顾。给出了包括诊断方法、减少共因失效、FMEA分析、故障注入测试等功能安全相关技术在保护装置中的具体实施方法。

1  目前继电保护装置存在的安全风险
1.1  单套非冗余配置
对于110kV及以下电压等级的场合，一般继电保护装置按单套非冗余配置。这种配置成本较低，但是安全性相对较差，拒动风险高。装置内部保护互感器、模数转换电路、逻辑处理CPU及出口回路等部件，都是单独运行的，任何一个部件失效，都有可能造成装置无法正常实现跳闸出口；虽然装置有自诊断功能，但诊断结果要么仅触发报警，要么闭锁装置出口，故障导向危险。一旦当一次设备发生故障时，保护装置失效，则会造成一次设备损坏或越级动作。

1.2  双套冗余配置
对于220kV及以上电压等级的场合，一般继电保护装置按双套配置。双套配置实现了一定程度的冗余，当其中一台保护装置失效时，另一台保护装置仍然可以实现正常的保护跳闸功能，较单套配置安全性有了大幅度的提高，但仍存在以下不足：
1）虽然是双套配置，但是两个保护装置是独立运行的，他们之间无冗余通信。任何一个装置根据逻辑运算结果判断出一次设备故障时，则直接跳闸出口，增加了误动的可能性。
2）有些涉及跳闸动作回路的器件故障时无法及时检测出来，当发生区外故障时开放起动电源后会造成误动，扩大停电范围。
3）目前提高可靠性的方法，主要靠经验。缺乏理论支撑，且缺少必要的故障注入测试。
综上所述，目前继电保护装置配置存在一定的安全风险，需要系统性地引入功能安全设计理念和管理方法，进一步提高继电保护装置的可靠性。

2  继电保护装置的功能安全
2.1  继电保护装置的功能安全定义
继电保护装置的安全功能是保证电力系统设备安全，提高用电的可靠性。当一次设备故障时，保护能够快速、可靠动作，及时将故障设备与电力系统隔离开，防止故障设备及其他一次设备损坏，避免越级跳闸，缩小故障影响范围，将故障危害程度降至最低。同时能实现装置的运行状态全面监测，在故障时及时检修隔离出来。
2.2  继电保护装置功能安全的特殊性
继电保护装置，不仅要在一次设备故障时可靠动作，还要在一次设备无故障时不能误动。在实际应用中，安全性和可用性往往是矛盾的。比如，目前110kV电压等级以下变电站中，单套继电保护自检故障时，会闭锁装置的出口正电源。这种做法降低了误动的风险，提高了保护装置的可用性，防止了负荷端的频繁断电；但是此时一次设备处于无保护状态，如果发生故障，将导致一次设备损坏或越级动作，这又降低了装置的安全性。
而在220kV电压等级以上的变电站中，保护装置按双套配置，一台装置闭锁后，另外一台装置仍能实现保护功能。这种配置降低了拒动的风险，提高了安全性；但增加了误动的概率，降低了可用性。
引入功能安全标准评价继电保护装置的可靠性，需要根据实际应用场合，寻找安全性和可用性的最优平衡点。

3  继电保护装置安全完整性等级和目标失效量确定
3.1  安全完整性等级（SIL）确定
安全完整性是一种量化预期安全水平的方式，其等级表示降低风险的能力，因此需要先定义继电保护装置所需的SIL，以指导功能安全保护装置的方案设计。可以使用定量和定性两种方法来确定SIL，定量的方法涉及到大量的数据，评估比较繁琐，本文参考IEC 61508-5中附录D的风险图法，定性地确定继电保护装置所需的SIL。
如图1所示，对于继电保护设备而言，其失效产生的危险会导致对一人或者多人的严重永久伤害，也可能造成几人或多人死亡（折中选择C3）。但是检修一般1年甚至几年才会进行一次，所以人员很少暴露在危险区域（选择F1）。

最坏情况下这种危险为高压电击或者爆炸、燃烧等危害，人员几乎不可能避开此种危险（选择P2）；通常一次电力设备按标准方法设计，此种不期望事件发生概率小且只有少量不期望事件出现（选择W2）。查看图1虚线箭头标记，确定SIL2（图中各路径的含义见表1）。

3.2  目标失效量确
从继电保护装置的功能安全定义可以看出，继电保护装置为低要求的操作模式，根据表2可得，其允许的平均失效概率PFD≥10-3且＜10-2。


图1  风险分析框图

根据表3可得，其允许的安全失效分数（SFF）和系统的硬件故障裕度HFT有关系；如果HFT为0，则SFF需≥90%且＜99%；如果HFT为1，则SFF在60%～90%之间；如果HFT为2，则SFF＜60%即可。




表3  硬件故障裕度与安全失效分数


4  继电保护装置功能安全设计


4.1  安全的系统架构


1）1OO1D安全架构


如图1所示，110kV及以下电压等级的场合，功能安全继电保护装置采用1OO1D，即一取一带诊断安全架构，此架构的硬件故障裕度HFT为0。诊断功能有助于把检测到的危险失效转变成安全失效。


如图2所示，保护装置的安全逻辑模块由保护通道、起动通道、诊断单元组成，保护通道和起动通道相互独立，各自具有ADC采样电路及CPU计算单元；同时，由诊断单元作为协处理器，用于监测保护、起动通道各元件的运行状态，并实现两个通道的数据交互、同步和表决。


保护通道及诊断单元表决输出跳闸信号。当保护通道发生异常时，诊断单元可以根据诊断信息输出跳闸信号，降低拒动的概率；由起动通道和诊断单元表决后开放出口电源，降低误动的概率，实现了安全性和可用性的兼顾。




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，功能安全继电保护装置采用1OO2D，即二取一带诊断安全架构，此架构的硬件故障裕度HFT为1。保护装置A和保护装置B是热备用关系，正常工作时一主一备，主机故障时自动切换到备机，系统降级为1OO1D运行。


主备机之间通过以太网进行信息交互，确保数据同步。1OO2D架构的保护装置，二次互感器、保护通道、起动通道、诊断单元及出口继电器等环节，均实现了冗余，可极大提高系统安全性和可用性，和2OO3安全架构的安全性和可用性几乎相当。




图3  1OO2D安全架构


4.2  诊断方法


引入诊断的目的是在装置运行过程中，不断地监测系统的运行状态，当某个模块发生故障时，系统可以将其检测出来，并将危险失效引导为安全失效，使系统进入到安全状态。


本文安全继电保护装置诊断方法包括：对装置内各级电源模块进行状态监测，防止芯片在电源过压、欠压等工况下不正常工作；CPU板卡设计有硬件看门狗，防止程序跑飞；装置模拟采样电路均留有监视通道，该监视通道输入接到ADC基准等固定电平，从而诊断ADC工作是否正常；选用带ECC内存校验保护功能的DDR、FLASH等存储元件，纠正数据传输过程中的1比特出错；继电器驱动、背板CAN通信等关键信号回读，用于诊断实际输出信号是否符合预期。


4.3  减少共因失效


共因失效是由于某个单一故障源，导致系统多个部件同时发生失效，共因失效是引起冗余系统失效的主要原因之一，该故障源可能是系统内的，也可能是系统外的。


在设计阶段，可以通过典型的共因失效检测并指定防范措施，来降低共因失效率，安全继电保护装置共因失效的防范措施：保护通道、起动通道及诊断单元使用相互独立的电源、时钟及采样基准等，加强环境（温度、湿度、灰尘、腐蚀等）、EMC等外部共因的测试。根据IEC 61508-6的表格D.1，计算共因失效因子，然后在评估平均失效概率（PFD）时，将失效因子考虑在内。


4.4  FMEA分析及故障注入测试


FMEA技术分析系统各元件可能的失效原因，计算安全失效、危险失效的占比，并寻找将危险失效转换为安全失效的方法，FMEA分析工作贯穿整个产品的设计开发过程。


通常如电阻、电容、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等标准中找到详细的数据，而如CPU、FPGA、SOC等集成电路的失效模式比较难预测，通常做法是将集成芯片按照功能分成多个子模块，然后通过分析各子模块失效模式以及失效结果，汇总、分析芯片所需的防护措施。


FMEA分析的过程比较费时和繁琐，但是却能在设计阶段，通过系统性的分析计算，发现装置的薄弱环节和缺陷，并尽早做出改进措施，为实现保护装置的高安全性、高可靠性提供重要的依据和保障。


为了验证诊断措施的有效性及FMEA分析的正确性，需要进行故障注入测试。硬件故障注入测试从元器件的物理层面，进行全面的“拉网式”故障模拟测试，这个过程能够识别出潜在的设计缺陷、硬件缺陷及故障影响。


例如，在测试阶段，可修改各级电源芯片的反馈电阻阻值，或者使用外接可调电压源，模拟电源欠压、过压等故障，观察系统运行情况；使用时钟拉偏仪，模拟嵌入式芯片时钟偏移、短路及开路等故障，观察系统运行情况；装置内部和安全功能相关的电阻、电容等被动器件，逐一测试其在短路、开路、参数变化等工况下的系统运行情况。由于故障注入测试工作比较繁琐，其他测试不再一一例举。


4.5  使用安全芯片


随着功能安全在各行业的应用，各芯片厂家相继推出了满足SIL标准的安全芯片，如TI推出的Hercules系列CPU芯片，内部采用旋转90°且分开Layout的双核架构，避免共因失效，同时支持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，支持电源、基准电压、模拟输入监控、开路检测、转换校准检查等丰富的诊断机制。


使用安全芯片，可以节省布板空间和成本，节省外围电路元器件；由于安全芯片已经经过了TUV等专业机构的评估认证，所以在使用的时候，可将其当作满足SIL等级的模块处理，提高设计效率，缩短开发周期。


结论
本文对功能安全在继电保护装置中的应用进行了探讨，分析了目前装置配置存在的安全风险。参考IEC 61508标准，定性分析了继电保护装置需要满足的安全完整性等级及目标失效量。


采用1OO1D或1OO2D安全架构的功能安全继电保护装置，可降低拒动风险，提高安全性；保护、起动双通道带诊断设计，可降低误动风险，提高可用性。自诊断、降低共因失效、安全芯片等技术，可有效控制装置的系统性失效；FDMA分析及故障注入测试可有效控制装置的随机失效。


目前，由南京南瑞继保研发的满足核电站功能安全标准的继电保护装置PCS- 9620H，已经在三门核电站及辽宁红沿河核电站取得了成功应用。