高壓串補(bǔ)裝置平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王興++王立春++陳佳永++張普紅++孟會(huì)永

摘要：以抵御外部復(fù)雜環(huán)境電磁干擾以及降低系統(tǒng)功耗為主要技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一款能夠用于500kV串補(bǔ)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。從信號(hào)輸入端抗電磁干擾處理、低功耗電路設(shè)計(jì)、光通訊方式、優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)等方面出發(fā)，最終設(shè)計(jì)完成的采集系統(tǒng)作為高壓串補(bǔ)控制保護(hù)系統(tǒng)的核心部分之一，已經(jīng)成功的應(yīng)用在了500kV串補(bǔ)控制保護(hù)系統(tǒng)裝置平臺(tái)上，極大改善了目前串補(bǔ)控保裝置普遍存在的抗干擾能力不強(qiáng)的問(wèn)題，能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，同時(shí)實(shí)測(cè)正常工作功率約300mW。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集 電磁干擾 低功耗 高壓串補(bǔ)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）12-0173-02

1 引言[1][2][3]

所謂串補(bǔ)，即交流輸電系統(tǒng)串聯(lián)電容補(bǔ)償。就是將電力電容器串聯(lián)于交流輸電路線中，通過(guò)阻抗補(bǔ)償減少功率輸送引起的電壓降和功角差，從而提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，擴(kuò)大線路輸送容量。

其中，由于串補(bǔ)平臺(tái)的對(duì)地電壓為線路的相電壓，其電磁環(huán)境較為惡劣，受到影響因素較多。而安裝在平臺(tái)上的一次、二次設(shè)備，測(cè)量裝置等受到的干擾較大。同時(shí)，高壓串補(bǔ)平臺(tái)因受限于絕緣，平臺(tái)上設(shè)備需要通過(guò)激光方式供能，能耗受限。因此，能夠穩(wěn)定可靠的工作于500kV平臺(tái)上的低功耗遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被認(rèn)為是高壓串補(bǔ)裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文針對(duì)抵御外部復(fù)雜環(huán)境電磁干擾和降低系統(tǒng)功耗兩個(gè)主要目標(biāo)，同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬量采集精度以及光纖通訊可靠性?xún)蓚€(gè)重要指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一款可以用于電力系統(tǒng)高壓線路串連電容器補(bǔ)償裝置高壓平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

通過(guò)合理選擇處理器、外圍采樣電路、時(shí)鐘頻率、供電方式以及優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，在保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（10通道AI/8通道DI/8通道DO/光纖通訊）能夠可靠工作的條件下，將能耗控制在了300mW以?xún)?nèi)。使用該采集系統(tǒng)的串補(bǔ)裝置控制保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)在云南500kV硯山串補(bǔ)站投運(yùn)，并通過(guò)了線路短路等各類(lèi)試驗(yàn)的驗(yàn)證，保護(hù)效果正常。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集部分

考慮到平臺(tái)上面復(fù)雜的電磁環(huán)境以及故障時(shí)CT回路可能出現(xiàn)的大電流尖峰和大量干擾，當(dāng)某個(gè)采樣通道出現(xiàn)突發(fā)大電流情況下，很可能會(huì)干擾到其它采樣通道，造成實(shí)際運(yùn)行中串補(bǔ)誤動(dòng)、退出等嚴(yán)重現(xiàn)象，影響串補(bǔ)穩(wěn)定運(yùn)行[2]。因此，完整的采樣鏈路必須對(duì)一次互感器傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)各采樣通道在前級(jí)的信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)需要做過(guò)壓保護(hù)和互相隔離，并應(yīng)有針對(duì)性的加裝低通濾波器，如圖1。

進(jìn)入采樣系統(tǒng)的信號(hào)各個(gè)通道獨(dú)立，并需采用如圖2所示的差分方式接入系統(tǒng)板卡，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部共模干擾的有效抑制，并對(duì)部分極高頻干擾進(jìn)行過(guò)濾。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4][5]，串補(bǔ)系統(tǒng)采樣精度需要滿(mǎn)足5‰以上，在滿(mǎn)足保護(hù)響應(yīng)時(shí)間以及數(shù)據(jù)消抖等條件下，各個(gè)通道的采樣率不宜低于5k Hz。因此，在綜合評(píng)估采樣精度、采樣速率、能耗等要素后，選擇了極低功耗的高精度采樣芯片AD79xx負(fù)責(zé)模擬量采樣。

文獻(xiàn)[2]指出，以往的大量串補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)在實(shí)際運(yùn)行中，均不同程度的出現(xiàn)過(guò)由于設(shè)備或保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致電磁干擾繼而引發(fā)串補(bǔ)保護(hù)裝置通訊中斷、保護(hù)誤動(dòng)甚或設(shè)備退出等嚴(yán)重現(xiàn)象。新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了針對(duì)性的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，而之后的各類(lèi)驗(yàn)證試驗(yàn)，表明采用的抑制措施效果明顯。圖3為串補(bǔ)設(shè)備進(jìn)行短路試驗(yàn)時(shí)，控保裝置上的波形記錄。由曲線可以看出，當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，間隙火花電流會(huì)突發(fā)達(dá)到上萬(wàn)安培，必然對(duì)平臺(tái)上設(shè)備產(chǎn)生空間電磁干擾，但受到干擾的平臺(tái)故障電流（經(jīng)變比換算后）受干擾峰值約為一百安培，從峰值和持續(xù)時(shí)間上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于保護(hù)定值。同時(shí)從錄波曲線的連續(xù)性上可以看出，通訊丟包現(xiàn)象基本不存在，說(shuō)明即使外部電磁干擾嚴(yán)重的情況下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與地面設(shè)備間的光纖通訊仍保持暢通。

2.2 控制部分

為了能夠方便的實(shí)現(xiàn)AD采樣控制以及通訊光模塊驅(qū)動(dòng)，同時(shí)保證平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在處理器部分選擇了可編程邏輯器件（CPLD）?？删幊踢壿嬈骷–PLD）具有容易使用、時(shí)序可預(yù)測(cè)和速度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于過(guò)去受CPLD密度限制而無(wú)法在大型設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的問(wèn)題近年來(lái)隨著高密度可編程邏輯器件的大量問(wèn)世而被解決，使得我們可以放心的拋棄供電復(fù)雜且不容易使用的單片機(jī)/CPU方案。

通過(guò)權(quán)衡性能、控制程序復(fù)雜度、能耗等因素后，選擇了MAXV系列CPLD芯片作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，并按照?qǐng)D4的結(jié)構(gòu)來(lái)保障多通道采樣的并行控制以及高速光纖通訊的穩(wěn)定。這樣，可以充分利用CPLD的IO靈活配置以及速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于選擇的芯片供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化電源分級(jí)和減少外圍電路復(fù)雜度，進(jìn)而降低系統(tǒng)的能量損耗。

2.3 光纖通訊部分

為了簡(jiǎn)化高壓串補(bǔ)平臺(tái)對(duì)地的絕緣配置，平臺(tái)上設(shè)備到地面沒(méi)有任何電氣連接，所以采樣系統(tǒng)選擇以光纖通訊的形式向地面設(shè)備傳送采集到的各類(lèi)數(shù)據(jù)。

而這個(gè)光纖通訊環(huán)節(jié)，也是采樣系統(tǒng)中能耗較高的部分之一。為了盡可能的降低能量消耗，選擇使用玻璃光纖，并根據(jù)光纖的實(shí)際光衰和老化特性，適當(dāng)降低發(fā)射光模塊的驅(qū)動(dòng)電流。而合理的選擇通訊速率，盡可能減少光模塊的發(fā)光時(shí)間，也是實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)能耗的重要手段。

2.4 電源部分

任何系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，都首先依賴(lài)于一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源。這就需要在電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)電源工作穩(wěn)定性、電源電壓范圍、運(yùn)行溫度范圍等因素進(jìn)行綜合考量，同時(shí)按照盡量簡(jiǎn)化的原則對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電源分級(jí)。

參考文獻(xiàn)[6]指出，集成電路的功耗p可按照下式進(jìn)行估算：

式中，是集成電路節(jié)點(diǎn)電容，Vdd是工作電壓，為節(jié)點(diǎn)信號(hào)擺幅，是時(shí)鐘頻率。從上式可以清晰的看到，電源電壓與功耗成平方關(guān)系。所以，降低器件工作電壓就可以直接達(dá)到降低功耗的目的。但是，器件的工作電壓并不是越低越好，為了保證一定的抗干擾能力以及電源電壓小幅波動(dòng)情況下的工作穩(wěn)定性，加之考慮到供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單化，對(duì)采樣系統(tǒng)各個(gè)部分分類(lèi)歸集為5V、2.5V、1.8V三級(jí)用電。并通過(guò)盡量減少5V電源使用，大量選用2.5V器件與電路，關(guān)鍵部位選擇小電流差分信號(hào)等手段，在降低能耗和系統(tǒng)工作穩(wěn)定性之間取得一個(gè)平衡。（如圖5）

由外部向系統(tǒng)直接提供的5V電源，只要經(jīng)過(guò)保護(hù)性穩(wěn)壓環(huán)節(jié)即可引入系統(tǒng)中使用，同時(shí)選擇高效率穩(wěn)壓器LTC36xx來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)5V/2.5V，5V/1.8V兩級(jí)電源系統(tǒng)，使整個(gè)電源系統(tǒng)的能量損耗低于10%。

3 軟件設(shè)計(jì)

多通道模擬量的高速采集是所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心功能之一，利用CPLD芯片來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)AD芯片的SPI驅(qū)動(dòng)程序，在得到采樣數(shù)據(jù)的同時(shí)還可憑借對(duì)AD進(jìn)行引腳狀態(tài)監(jiān)視來(lái)判斷AD芯片工作是否正常。同時(shí)，由于采樣頻率足夠快，在CPLD內(nèi)部還可增加濾波環(huán)節(jié)，以避免極高頻干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響。（如圖6）

借助于CPLD程序能夠并行執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)，使多個(gè)模擬量通道能夠同時(shí)進(jìn)行高速采樣工作，而又不會(huì)影響光纖通訊等其它對(duì)時(shí)間響應(yīng)要求高的功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中，CPLD除將采集的平臺(tái)數(shù)據(jù)濾波、打包后與地面設(shè)備進(jìn)行光纖通訊交互外，還可以通過(guò)對(duì)電源芯片監(jiān)視、環(huán)境溫度采集等子系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自身的完整性自檢以及平臺(tái)其它信息的收集。

同樣的，程序設(shè)計(jì)中需要遵循低功耗原則，盡可能使各環(huán)節(jié)電路在大部分工作時(shí)間里處于非耗電或低功耗狀態(tài)。例如，通過(guò)程序設(shè)計(jì)使通訊光模塊在通訊間隔期處于不發(fā)光狀態(tài)，使用的門(mén)電路等處于關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)閉不使用的采樣通道工作等手段，盡可能降低常態(tài)下的系統(tǒng)功耗，減輕電源系統(tǒng)負(fù)荷。

4 結(jié)語(yǔ)

專(zhuān)門(mén)針對(duì)于電力系統(tǒng)高壓串補(bǔ)平臺(tái)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最大可滿(mǎn)足10通道模擬量同時(shí)高速采樣、8通道開(kāi)關(guān)量輸入、8通道開(kāi)關(guān)量輸出、兼具環(huán)境溫度測(cè)量等功能，同時(shí)實(shí)測(cè)正常工作能耗低于300mW。針對(duì)各類(lèi)干擾而對(duì)采樣信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)等進(jìn)行的特殊設(shè)計(jì)，使之非常適合在高壓串補(bǔ)平臺(tái)的復(fù)雜電磁環(huán)境中使用。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在南方電網(wǎng)云南硯山500kV串補(bǔ)站控保系統(tǒng)中投入運(yùn)行，并在各類(lèi)測(cè)試以及實(shí)際運(yùn)行中均表現(xiàn)良好。

參考文獻(xiàn)

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[5]IEC 60143-1-2004Series capacitors for power systems[S].

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