閆志輝,宋一丁,郭 震,王曉鋒

(許繼電氣技術(shù)中心，河南 許昌 461000)

0 引言

電子互感器作為測量和保護的數(shù)據(jù)源，其運行穩(wěn)定性直接影響到測量和保護的功能。據(jù)國網(wǎng)不完全統(tǒng)計，1 835臺現(xiàn)場運行的電子式互感器中，發(fā)生電子式電流互感器(electronic current transformer，ECT)故障137次，主要故障類型為采集單元、光纖、傳感故障等；發(fā)生電子式電壓互感器(electronic voltage transformer，EVT)故障51次；故障原因多為絕緣問題、采集單元故障、電磁干擾影響和合并單元故障等[1-4]。采集單元故障占比最大。

電子式互感器根據(jù)原理可分為有源和無源兩種，兩者最大的區(qū)別就是采集單元的放置位置不同[5-6]。前者的采集單元放置在高壓端，需考慮采集單元的供電問題；后者的采集單元放置在低壓端，穩(wěn)定可靠，是電子互感器發(fā)展的方向。采集單元的主要功能是完成數(shù)字信號采集，必須采用電子電路，且安裝位置靠近一次設備。設備的故障和檢修會導致一次設備停運，掛網(wǎng)運行中由于采集單元運行不穩(wěn)定、長期投運測量精度不可靠等因素，嚴重制約了其發(fā)展。

由于無源式電子互感器是電子式互感器發(fā)展方向，本文主要研究應用于無源式電子互感器的采集單元。分析采集單元在現(xiàn)場應用中惡劣環(huán)境，通過硬件設計和軟件設計，優(yōu)化提高采集單元的運行壽命及可靠性，推動電子互感器的工程應用。

1 采集單元可靠性分析

一般認為，可靠性是指部件、元件、產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定的環(huán)境下、規(guī)定的時間內(nèi)、規(guī)定的條件下無故障地完成其規(guī)定功能的概率或能力[7]。常見的可靠性指標有平均故障時間tMTBF、故障率λ、平均維護時間tMTTR等。采集單元的功能是把傳感頭采集的模擬量信號數(shù)字化，通過光纖發(fā)送給合并單元。因此，采集單元的可靠性主要是指無故障傳輸信號的能力及裝置的使用壽命。

在可靠性方面，硬件和軟件本質(zhì)上的差異導致了它們互不相同的故障機理：硬件是一種實實在在的物理存在，最主要的故障原因是材料老化等物理因素；軟件是一種邏輯產(chǎn)品，故障的根本原因是設計缺陷。設計是由工程人員完成的，因此具有極大的不可預測性。本文主要從硬件和軟件兩個方面，分別分析采集單元的可靠性。

1.1 硬件可靠性分析

元器件是組成硬件平臺的基本單元，因此硬件平臺的可靠性極大地依賴于各個元器件單元及印制板電路的可靠性。提高硬件電路的可靠性，首先必須保證元器件的質(zhì)量和可靠性。采集單元硬件結(jié)構(gòu)總體框圖如圖1所示。

圖1 采集單元硬件結(jié)構(gòu)總體框圖

一般認為，可靠性是度量系統(tǒng)無故障工作的概率，系統(tǒng)在時間t內(nèi)發(fā)生故障的概率函數(shù)為F(t)，可靠性函數(shù)為R(t)，則滿足R(t)=1-F(t)。在研究系統(tǒng)的可靠性時，可根據(jù)系統(tǒng)的故障概率密度函數(shù)f(x) 在t時間內(nèi)的積分求得F(t):

(1)

定義故障率函數(shù)λ(t)：

(2)

由式(2)可得：

(3)

通過對大量不同類型元器件的故障數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，故障率λ(t)呈“浴盆”曲線特性。經(jīng)過應力篩選后，可以認為所有的元器件的失效率是恒定不變的，即λ(t)=λ,λ為常數(shù)。

根據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)功能模塊組成，功能模塊為串聯(lián)模型，假定由n個模塊組成，任何模塊中的元器件的失效都會導致采集單元的失效。其失效率函數(shù)為：

λs=λ1+λ2+…+λn

(4)

采集單元的元器件組成主要包括片阻、片容、電感、二極管、磁珠、電源管理芯片、電解電容、功能芯片等。通過GJB/Z 299C查詢各類元器件的失效率發(fā)現(xiàn)，電解電容在所有元器件中失效率最高，與其他元器件不在一個數(shù)量級。元器件失效率如表1所示。

表1 元器件失效率

由以上分析可知，對采集單元可靠性的影響較大的元器件就是電解電容。

以上失效率的分析都是基于正常工作條件，而采集單元運行環(huán)境十分惡劣，最主要的影響就是電磁兼容問題。因此，采集單元的硬件可靠性提高主要從提高硬件回路的抗電磁兼容能力及電解電容的使用壽命上著手。

1.2 軟件可靠性分析

智能變電站典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能變電站典型結(jié)構(gòu)圖

一般而言，軟件可靠性認為是在一段規(guī)定的自然單元或時間間隔內(nèi)，軟件能夠無故障正確運行的概率。軟件故障主要有以下來源：未認真進行用戶需求調(diào)查、方案中有錯誤、采用不合適的編程語言、編程中存在錯誤、規(guī)范錯誤、性能錯誤、中斷與堆棧操作出錯、人為因素等。軟件故障率的呈現(xiàn)不是本文研究的重點。本文主要研究故障對采集單元工程應用的影響。

應用電子互感器的智能變電站典型結(jié)構(gòu)。合并單元接收電子互感器的數(shù)字信號[8-9]，進行合并同步后供全站使用。智能變電站的保護裝置通過單一合并單元獲取雙A/D數(shù)據(jù)進行保護運算，控制智能終端保護出口。

電子互感器采樣值數(shù)據(jù)流示意圖如圖3所示。

圖3 電子互感器采樣值數(shù)據(jù)流示意圖

單個模擬量通道由一個采集單元完成雙A/D的數(shù)據(jù)采樣，通過光纖發(fā)送至合并單元，合并單元接收多個采集單元的數(shù)據(jù)，重采樣合并后發(fā)送給保護裝置使用。

通過分析保護系統(tǒng)模擬量采樣的數(shù)據(jù)流，可以看出單個采集單元負責雙A/D的數(shù)據(jù)采樣。若采集單元軟件構(gòu)架不考慮硬件異常，在雙A/D處理的公共部分出現(xiàn)異常，極易發(fā)生雙A/D數(shù)據(jù)同時出現(xiàn)相同異常的現(xiàn)象，導致后端保護裝置無法判斷出采樣異常，引起保護裝置誤動。

由以上分析可知，采集單元的軟件可靠性提高主要用于解決在嵌入式部分硬件故障時，采集單元不會誤發(fā)雙A/D一致性錯誤的數(shù)字信號，可避免單一元器件故障造成的電力系統(tǒng)誤動。

2 采集單元硬件可靠性設計

通過對采集單元硬件可靠性分析，硬件可靠性通過兩個方面進行提升。一方面是通過電磁兼容能力提升，保障在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運行；另一方面是通過降低元器件的失效率，提高整設備的平均無故障時間。

2.1 電磁兼容能力提升

由于采集單元電子互感器安裝位置靠近一次側(cè)，一次系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾水平遠超過電磁兼容標準所規(guī)定的干擾水平。在拉合刀閘、切斷感性負載或接入大容性負載時，一次側(cè)產(chǎn)生的電磁干擾尤其強烈[10]。采集單元受到的電磁兼容干擾可以分為兩類。一類干擾能量較大，直接造成元器件損壞；另一類是高頻信號干擾。在試驗室環(huán)境下，常用浪涌抗擾度試驗和電快速瞬變抗擾度試驗來驗證裝置的抗干擾能力。

2.1.1 浪涌抗擾度試驗

浪涌抗擾度試驗的脈沖上升時間較長，脈寬較寬，不含有較高的頻率成分，因此對電路的干擾以傳導為主。過高的差模電壓幅度容易導致輸入器件擊穿損壞，過高的共模電壓容易導致線路與地之間的絕緣層擊穿。

采集單元使用氣體放電管、壓敏電阻、硅瞬變電壓吸收二極管等專門的浪涌抑制器件對電源及信號回路進行了保護。浪涌抑制器件的一個共同特性就是阻抗在有浪涌電壓與沒浪涌電壓時不同。正常電壓下，它的阻抗很高，對電路的工作沒有影響；當有很高的浪涌電壓加在它上面時，它的阻抗變得很低，將浪涌能量旁路掉。

采集單元電源端口抗浪涌電路如圖4所示。

圖4 采集單元電源端口抗浪涌電路

圖4中：G1和G2為氣體放電管；Rvz1～Rvz3為壓敏電阻；F1和F2為空氣開關(guān)； L1為退耦電感；T1為雙向瞬變電壓抑制二極管。第1級采用兩個壓敏電阻并聯(lián)的差模保護，兩個氣體放電管并聯(lián)進行共模保護，第2級采用壓敏電阻和TVS管保護，將殘壓降低到后級電路能夠承受的水平。共模保護采用兩個氣體放電管并聯(lián)構(gòu)成的1級抗浪涌電路。該電路具有較低的輸出殘壓，采集單元后級電路抗浪涌過電壓的能力較弱，一級抗浪涌電路不足以保護后級的設備，需要通過二級的抗浪涌電路將殘壓進一步降低。經(jīng)過試驗驗證，采用該保護電路的采集單元能夠承受6 kV的浪涌電壓，超出國標規(guī)定的50%。

2.1.2 電快速瞬變抗擾度試驗

電快速瞬變抗擾度(electrical fast transient,EFT)試驗是由電感性負載(如繼電器、接觸器等)在斷開時，由于開關(guān)觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，在斷開處產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾。這種暫態(tài)騷擾能量較小，一般不會引起設備的損壞。由于其頻譜分布較寬，會對裝置的可靠工作產(chǎn)生影響。影響一般分為三種途徑：一是通過電源線直接傳導進設備的電源，導致電路的電源線上有過大的噪聲電壓；二是干擾能量在電源線上傳導的過程中，向空間輻射，這些輻射能量感應到鄰近的信號電纜上，對信號電纜連接的電路形成干擾；三是干擾脈沖信號在電纜上傳輸時產(chǎn)生的二次輻射能量感應進電路，對電路形成干擾。

針對脈沖群干擾，在干擾的源頭和設備的入口處安裝共模濾波電容進行濾波處理，在信號線上安裝共模扼流圈進行吸收處理，并采用了金屬機箱及屏蔽電纜進行外部屏蔽。共模電容將高頻干擾泄放在信號及電源的入口處。共模扼流圈實際是一種低通濾波器，經(jīng)過調(diào)整扼流圈的匝數(shù)及串聯(lián)兩種不同匝數(shù)扼流圈，吸收兼顧了高頻和低頻干擾。金屬機箱及屏蔽電纜則對機箱的敏感電路進行了屏蔽保護。

典型EFT保護電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 典型EFT保護電路結(jié)構(gòu)圖

前級 I/O 保護通過將干擾電壓限制在一個定值，避免大部分干擾電流流入 I/O 及內(nèi)部電路，致使 I/O 或內(nèi)部電路失效；電源保護網(wǎng)絡主要是迅速檢測到VDD 上的高壓或高頻干擾信號在電路破壞前提供一條由 VDD 到 VSS 的低阻通路，將大電流快速地泄放到地。

2.2 設備壽命提升

按DL/T 725-2013《電力用電流互感器使用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，互感器的設計使用壽命不低于30年。對于電子互感器來說，采集單元部分是電子互感器的短板，電子元器件的設計壽命一般為10年。由硬件可靠性分析可知，采集單元的設計壽命與電解電容的使用有關(guān)。

電解電容是電源回路中常用的部件，一般情況下，一個極限工作溫度是85 ℃的電解電容，在溫度為20 ℃的條件下工作，可以保證181 019 h的正常工作時間；而在極限溫度85 ℃的條件下工作，僅僅可以正常工作2 000 h。根據(jù)阿列紐斯方程可知，工作溫度每升高10 ℃，電容的壽命就會減小一半，所以合適的工作溫度是提高采集單元壽命的有效方法。

通常采用的降低設備運行溫度的方法有：①采用低功耗器件，降低整裝置的功耗；②采用極限工作溫度高的電解電容；③采用適當?shù)纳岱椒?；④提高電源回路的轉(zhuǎn)換效率；⑤優(yōu)化裝置的運行環(huán)境。

裝置的運行環(huán)境在設計階段無法控制，本文在設計上采用上述的前4種方法，可以把設備的溫升控制在18 ℃以內(nèi)。按每年有一半時間環(huán)境溫度為55 ℃、另一半時間環(huán)境溫度為25 ℃計算，裝置的正常工作時間可達15年左右，滿足電子元器件的使用壽命要求。

3 采集單元軟件可靠性設計

軟件是依附于硬件存在的。本文采用現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)，實現(xiàn)采集單元硬件設計，避免單一元器件異常造成保護誤動的現(xiàn)象。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集單元是電子互感器的數(shù)字輸出部分，根據(jù)IEC 60044標準對電子互感器的定義，采集單元的數(shù)字輸出有兩種技術(shù)方案[11]：一種是采用IEC 61850-9-1所述的以太網(wǎng)；另一種采用曼徹斯特編碼串行傳輸，鏈路層選定IEC 60870-5-1的FT3格式。目前，業(yè)內(nèi)通用的做法是采用第二種數(shù)字傳輸方案。該方案具有簡單可靠、有利于合并單元的實現(xiàn)等優(yōu)點。

本文設計的采集單元硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 采集單元硬件結(jié)構(gòu)圖

采用Xilinx公司的Spartan6系列FPGA為核心芯片，外擴兩片ADI公司的AD7606芯片進行A/D轉(zhuǎn)換，A/D芯片與FPGA之間采用串行外設接口(serial peripheral interface，SPI)通信，F(xiàn)PGA通過通用輸入/輸出(general purpose input output，GPIO)模擬2路串行發(fā)送口和一路串行接收口，分別實現(xiàn)FT3發(fā)送和裝置調(diào)試接口。

單相數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 單相數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

在Q/GDW 1426-2016智能變電站合并單元技術(shù)規(guī)范中，對FT3的應用數(shù)據(jù)進行了進一步的定義[12-15]，把數(shù)據(jù)通信格式分為單相數(shù)據(jù)幀、三相數(shù)據(jù)幀兩種。單相數(shù)據(jù)幀的對應的報文類型為單相電流(0x01)、單相電壓(0x02)以及單相電流電壓(0x03)；三相數(shù)據(jù)幀的報文類型分為三相電流(0x04)、三相電壓(0x05)以及三相電流電壓(0x06)。標準規(guī)定的應用數(shù)據(jù)幀有一個共同的特點，保護用模擬量通道的雙A/D數(shù)據(jù)打包在同一個應用數(shù)據(jù)段內(nèi)，如表2中所示的保護用電流數(shù)據(jù)1、保護用電流數(shù)據(jù)2。這就要求采集的雙A/D數(shù)據(jù)必然要通過一個公共環(huán)節(jié)進行合并后才可以發(fā)送。若不進行特定的設計，當公共環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時，無法避免雙A/D數(shù)據(jù)出現(xiàn)同樣的錯誤，導致后端保護誤動。本文通過軟件雙冗余、硬件自檢異常處理等方法，避免此類異常的發(fā)生。

3.2 軟件雙冗余

FPGA采用邏輯單元陣列的概念，通過加載在隨機存取存儲器(random access memory，RAM)中的配置實現(xiàn)內(nèi)部邏輯功能。RAM中的配置是靠語言來描述的，稱為FPGA程序。因此，F(xiàn)PGA程序設計的優(yōu)劣直接影響程序的穩(wěn)定運行。通常FPGA程序采用模塊化編程，每個模塊獨立完成模塊功能，通過把模塊組合起來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。通過對采集單元系統(tǒng)的分析，必然會存在公用環(huán)節(jié)，也就是公用模塊。資源最優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 資源最優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7滿足資源最優(yōu)化設計，最大限度地共用公共資源。常見的異常如FPGA程序時序約束問題導致的邏輯錯誤、FPGA某一邏輯單元硬件異常導致的邏輯錯誤、FPGA芯片RAM中某一位異常翻轉(zhuǎn)導致的邏輯錯誤等，都有可能造成雙A/D出現(xiàn)一致的錯誤，導致保護誤動。

上述的程序結(jié)構(gòu)雖然在程序結(jié)構(gòu)上相對優(yōu)化，但是放到電力系統(tǒng)中，可靠性問題就變得至關(guān)重要了。

為了解決單一元器件不引起誤動問題，本文設計的軟件冗余結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 軟件冗余結(jié)構(gòu)圖

軟件雙冗余程序結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)打包模塊前的模塊都采用雙冗余設計，第一路A/D采集和第二路A/D采集通過不同的邏輯模塊完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理。但在數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)填寫時，該結(jié)構(gòu)不可避免地使用同一個處理模塊。因此，該模塊利用FT3報文中CRC校驗功能，以防止單一模塊故障，即發(fā)送緩沖區(qū)中應用數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)打包模塊2，而循環(huán)冗余校驗來自數(shù)據(jù)打包模塊1。當發(fā)送緩沖區(qū)模塊出現(xiàn)異常時，必然會導致循環(huán)冗余校驗失敗，后端的保護裝置就會閉鎖保護，避免單一元器件異常導致誤動。

3.3 雙電源自檢解耦

在硬件回路的設計中，已經(jīng)把雙A/D獨立設計，傳感頭輸出的模擬量信號從濾波回路開始獨立，兩塊A/D芯片分別通過兩個SPI與FPGA通信，實現(xiàn)了硬件設計的相互獨立。但由于雙A/D在一塊電路板上實現(xiàn)，不可避免地會使用公共資源，如裝置電源。若裝置電源故障，造成A/D芯片的基準偏移，兩塊A/D的輸出就會輸出同樣的異常數(shù)據(jù)，必然導致保護誤動。

為了解決電源異常導致的問題，本文采用分別監(jiān)視裝置電源的方案，通過兩塊A/D同時對裝置電源進行采樣，對兩路電源采樣值的判斷實現(xiàn)公共資源的解耦。A/D采樣數(shù)據(jù)的異常處理流程如圖9所示。

圖9 異常處理流程圖

當總電源回路出問題時，兩個A/D回路的電源監(jiān)視采樣值也會出現(xiàn)偏差，置采樣值品質(zhì)異常。當某一塊A/D出現(xiàn)問題時，對應的電源采樣值出現(xiàn)偏差，置對應的采樣值品質(zhì)無效，有效避免了采集單元電源回路出現(xiàn)異常時導致雙A/D同時出錯的可能，以及電源單一元器件出現(xiàn)異常導致保護誤動問題。

4 結(jié)束語

電子互感器是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然選擇。采集單元作為電子互感器的薄弱環(huán)節(jié)，特別是單一元器件導致誤動隱患，是電力系統(tǒng)無法容忍的缺陷，直接影響電子互感器在電力系統(tǒng)中的應用。

本文從電子互感器的應用環(huán)境分析其使用采集單元的可靠性要求，分析采集單元硬件和軟件的薄弱點。在硬件方面，從電磁兼容能力提升、設備壽命提升兩個薄弱環(huán)節(jié)提出了相應的方案；在軟件方面，主要提出了利用軟件解決單一元器件導致保護誤動的方案，解決了采集單元雙A/D數(shù)據(jù)共口傳輸不可避免出現(xiàn)公共環(huán)節(jié)的問題，極大地提高了采集單元的可靠性，為電子互感器技術(shù)的發(fā)展和推廣起到積極的作用。