牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)分析

夏添

（成都交大運(yùn)達(dá)電氣有限公司，四川 成都 611731）

引言

電氣化鐵路以電力機(jī)車作為牽引動(dòng)力，電能通過專用的牽引供電系統(tǒng)從電力系統(tǒng)傳送到電力機(jī)車上，牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷本身固有的特點(diǎn)是：變化劇烈、非線性、電流回路不可靠等特性，對系統(tǒng)本身及周邊設(shè)備都會造成的較大的沖擊和較強(qiáng)的干擾，而且受到雷擊、倒塔、內(nèi)部過壓以及工作人員操作失誤等都會造成牽引供電系統(tǒng)中各類設(shè)備故障，影響牽引供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置應(yīng)及時(shí)采取有效措施切除故障，確保牽引供電系統(tǒng)及時(shí)恢復(fù)正常工作、安全可靠的運(yùn)行。最近CRCC（中國鐵路產(chǎn)品認(rèn)證中心）將牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置納入了CRCC 認(rèn)證產(chǎn)品目錄，旨在進(jìn)一步提升牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

一、牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置概述

牽引供電系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置根據(jù)被保護(hù)的設(shè)備和對象不同分為：主變保護(hù)裝置、主變測控裝置、備自投裝置、AT 保護(hù)測控裝置、饋線保護(hù)測控裝置，以及主變操作箱、通用測控等裝置組成系統(tǒng)，共同完成牽引供電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的保護(hù)工作。保護(hù)裝置應(yīng)具有以下特點(diǎn)：可靠性好、具有選擇性、速動(dòng)性、靈敏性等特點(diǎn)，尤其是可靠性，由于鐵路牽引供電系統(tǒng)在列車啟動(dòng)時(shí)電流大，產(chǎn)生的浪涌、快速瞬變等干擾也大，容易造成牽引變電所保護(hù)裝置誤動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤Щ芈芳跋鄳?yīng)設(shè)備，因此保護(hù)裝置可靠性好就必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力，尤其是數(shù)據(jù)采集模塊中的模擬量輸入回路、開入開出回路等外部連接回路，除了選擇合適的元器件外，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件布局及抗干擾措施都是必須的。

雖然各裝置具體完成的保護(hù)功能有不同，但基本功能模塊、硬件結(jié)構(gòu)類似，主要有以下幾個(gè)功能模塊：CPU 模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、開入開出模塊、人機(jī)接口、電源系統(tǒng)。

二、微機(jī)保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)及分析

牽引供電系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置采用1/2 19 英寸6U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，采用整面板、后插拔結(jié)構(gòu)，可分為5 個(gè)基本功能模塊，各模塊的插件采用后插拔式，接線端子直接安裝在插件上，強(qiáng)電信號從接線端子進(jìn)入裝置后，變換成為弱電信號到背板，背板在機(jī)箱的前部，背板上只有弱電信號。這樣使強(qiáng)弱信號徹底分開，避免了強(qiáng)電信號對弱電信號的干擾。

保護(hù)裝置通過數(shù)據(jù)采集模塊采集各類模擬量包括電流、電壓等電量信號以及銅溫、油溫等非電量信號，同時(shí)通過IA 開入模塊接收各隔離開關(guān)、斷路器等設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，在CPU 模塊內(nèi)完成分析及邏輯判斷,并確定被保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如判斷有故障,發(fā)出跳閘動(dòng)作、告警等信號,并通過OA 輸出模塊驅(qū)動(dòng)回路，以切除故障設(shè)備，通過以太網(wǎng)通信上送故障、事件報(bào)告，完成相應(yīng)的保護(hù)控制功能。

（一）CPU 模塊

裝置采用ADI 雙核DSP 處理器BLACKFIN BF6XX，工作頻率達(dá)500MHz,處理器的核1 從FPGA 獲得電流電壓等模擬量，經(jīng)過保護(hù)算法和邏輯判斷，完成保護(hù)和控制功能，主要包括：模擬量計(jì)算、保護(hù)算法和邏輯判斷、開關(guān)量輸入信號監(jiān)視、開關(guān)控制命令輸出、故障數(shù)據(jù)記錄；處理器的核2主要完成通信接口功能，主要包括以太網(wǎng)通信接口以及人機(jī)接口部分。裝置采用雙以太網(wǎng)接口，10M/100M 自適應(yīng)，支持星型、環(huán)形等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；支持電接口和光纖接口方式；支持IEC60870-5-103、IEC61850等通信規(guī)約。CPU 插件的外接端子包括調(diào)試串口、運(yùn)行/告警/電源指示燈、以太網(wǎng)0 口、以太網(wǎng)1 口、光纖環(huán)網(wǎng)口、485 信號與檔位控制器通信、485 秒脈沖或IRIG-B碼輸入。

CPU 模塊的可靠運(yùn)行是保護(hù)裝置可靠運(yùn)行的重要前提，采用了六層板設(shè)計(jì)，板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地分開并單點(diǎn)相連，確保了高頻數(shù)字信號與模擬信號之間不產(chǎn)生串?dāng)_；數(shù)據(jù)地址等信號進(jìn)行等長設(shè)計(jì)，確保信號傳輸?shù)耐暾裕恢匾盘柸鐣r(shí)鐘進(jìn)行包地保護(hù)，確保運(yùn)行過程中不受到外部干擾。

（二）數(shù)據(jù)采集模塊

裝置采用XILINX 的FPGA 實(shí)現(xiàn)模擬量采集，通過總線接口與CPU 通信，實(shí)現(xiàn)模擬量的采集和上送，對模擬量通道最多的牽引變壓器保護(hù)裝置有：高壓側(cè)三相電壓、三相電流、低壓側(cè)T1T2，F(xiàn)1F2 相電流相電壓，共14 路，其它保護(hù)測控裝置的模擬量通道較少，可參考此方案，本設(shè)計(jì)選用ADI 公司的2 片8 通道的AD 芯片，該芯片支持雙極性輸入、多通道同時(shí)采樣，采樣頻率可達(dá)200K，采用96 點(diǎn)/周波，采樣頻率為4.8K，滿足要求。

在采樣模塊設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮有：1）AD 芯片如何實(shí)現(xiàn)自檢，通過給定AD 芯片指定通道一個(gè)固定電壓比如5V，每次采樣數(shù)據(jù)都判斷該通道采樣值是否在指定范圍內(nèi)，來確定AD 芯片是否在正常工作；2）模擬輸入回路的濾波措施，采用二階RC 低通濾波，濾除高頻干擾信號，同時(shí)通過TVS 管將各通道的輸入信號限幅在有限范圍內(nèi)，以防止損壞后端AD 芯片及其它電路；3）通過實(shí)際抗干擾測試在電路板的敏感及有效泄放點(diǎn)增加對地濾波電容，泄放干擾信號；4）輸入通道互感器的抗干擾能力，選擇具有屏蔽功能的互感器，以防止互感器產(chǎn)生或者受到空間干擾，同時(shí)，互感器的初級和次級的絕緣要達(dá)到3KV 及以上；5）通過電磁兼容項(xiàng)目自測試，優(yōu)化電路板走線、選擇最優(yōu)干擾泄放點(diǎn)，尤其是浪涌、快速瞬變等抗干擾能力測試，確保采集數(shù)據(jù)的可靠性。

（三）開入開出模塊

根據(jù)裝置類型不同，可選擇配置1 個(gè)或者多個(gè)開入、開出模塊，1 個(gè)全開入模塊，提供30 路開入量，1 個(gè)全開出模塊，提供16 路開出量。開入量以DC220V/110V 的強(qiáng)電形式進(jìn)入裝置，進(jìn)入裝置后都通過光耦進(jìn)行光電隔離，開出量以繼電器空接點(diǎn)形式輸出，開入開出模塊均采用16 位ARM 微處理器實(shí)現(xiàn)，與DSP 之間采用CAN 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

開入開出模塊設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮：（1）強(qiáng)電與弱電回路的隔離措施，每個(gè)回路采用光-電隔離方式，隔離電壓達(dá)3750V,完全避免強(qiáng)電串?dāng)_進(jìn)入后端弱電回路；（2）強(qiáng)電回路長時(shí)間工作的功耗及散熱考慮，尤其是單插件多達(dá)30 路開入而且長時(shí)間工作；（3）強(qiáng)電回路信號有效范圍，由于外部信號經(jīng)常存在一定的干擾，個(gè)別回路有時(shí)高達(dá)幾十伏，回路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮輸入信號的啟動(dòng)范圍，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為55%-70%的額定范圍，比如為110VDC 的開入信號時(shí)啟動(dòng)電壓范圍為60.5-77V，通過設(shè)計(jì)保證低于60.5V 的干擾信號是無效信號；（4）開入開出模塊的抗干擾能力，優(yōu)化電路板走線、選擇最優(yōu)干擾泄放點(diǎn)，尤其是浪涌、沖擊電壓等測試，確保開入開出模塊可靠工作；（5）開出回路的自檢功能設(shè)計(jì)，確認(rèn)開出信號真實(shí)有效，才能保證裝置的保護(hù)功能可靠動(dòng)作時(shí)，所以需要對開出信號進(jìn)行自檢，在板內(nèi)設(shè)計(jì)了開出信號反饋回路，定時(shí)自檢，并形成自檢報(bào)告；（6）針對位置監(jiān)視回路，由于存在長時(shí)間通電，需要注意回路的功耗及散熱以及對周邊元器件的影響；（7）針對非電量回路，由于非電量故障動(dòng)作于直接跳閘，所以必須要防止誤動(dòng)作，而非電量信號連接的電纜由于耦合等原因造成電容電流較大，還有直接串入交流信號而導(dǎo)致誤動(dòng)作的事故也存在，這里設(shè)計(jì)了一種能防止：串入交流信號不誤動(dòng)作、直流有效信號在指定的55%的額定電壓范圍以下不動(dòng)作、在70%的額定以上能可靠動(dòng)作的電路，確保非電量回路的可靠動(dòng)作于跳閘。

（四）人機(jī)接口模塊

裝置采用3.5 英寸液晶屏幕，提供中文顯示界面和中文菜單；裝置具備以太網(wǎng)調(diào)試接口，提供維護(hù)軟件實(shí)現(xiàn)定值整定、故障分析等功能。人機(jī)接口模塊設(shè)計(jì)時(shí)尤其需要注意靜電防護(hù)能力，通過隔離、屏蔽、接地等方式優(yōu)化設(shè)計(jì)，該裝置接觸放電8KV、空氣放電15KV 的要求。

（五）電源模塊

電源模塊通過背板端子給裝置供電，提供2 組穩(wěn)壓電源輸出：一組5V 電源、一組24V電源，并有電源消失告警接點(diǎn)輸出，具有過載及過電壓保護(hù)。5V電源給CPU模塊、采樣模塊、開入開出插件、裝置面板供電；24V 電源給開入開出插件供電；24V 與5V電源不共地，且均不與機(jī)殼相連；該插件設(shè)置開關(guān)，24V 電源指示燈，5V 電源指示燈。

整個(gè)裝置電源模塊設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮：1）采樣回路的模擬電源穩(wěn)定、模擬電源與數(shù)字電源隔離，這里由于AD 芯片工作在單5V，使用電源模塊輸出的5V 在裝置內(nèi)分兩路，一路給AD 回路，一路給其它數(shù)字回路，并在有效點(diǎn)分割數(shù)字地和模擬地，確保模擬回路不受數(shù)字信號的干擾；2）繼電器的驅(qū)動(dòng)電壓為24V，注意24V 與5V 之間的隔離和間距，確保繼電器動(dòng)作時(shí)造成的24V 電壓波動(dòng)不會影響5V 系統(tǒng)；3）整裝置的功耗和熱設(shè)計(jì)，微機(jī)保護(hù)裝置整體功耗不大，但需考慮工作時(shí)整裝置的最大功耗不能超過電源輸出能力的70%，以確保電源輸出長時(shí)間穩(wěn)定可靠。

除了以上硬件設(shè)計(jì)思路外，還需要配合軟件方面的完善和優(yōu)化，借助算法與程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，提升裝置的穩(wěn)定性和抗干擾的能力，比如抗干擾的判據(jù)，針對不同的干擾類型，施加不同的算法，確保裝置可靠工作。

四、結(jié)語

通過以上思路，針對牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各類保護(hù)測控裝置有：主變保護(hù)裝置、主變測控裝置、AT 保護(hù)測控裝置、饋線保護(hù)測控裝置、備自投裝置、故障測距裝置、通用測控裝置及操作箱等等，產(chǎn)品具有較高標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容性能，配合完善的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了極大的提升，最終該系列產(chǎn)品通過了CRCC 認(rèn)證，并已經(jīng)大量應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目，取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。