微機保護開關(guān)電源實時在線監(jiān)測研究

史春旻，鮑有理，仲偉寬，孫天宇，朱嬋霞，張 瑋

（1.無錫供電公司，江蘇 南京 214000； 2.國電南自，江蘇 南京 211100）

0 引 言

自1998年開始，微機保護開始在蘇南地區(qū)推廣使用，隨著技術(shù)的發(fā)展，微機保護的各項功能都得到了加強和完善，到目前為止幾乎完全取代了傳統(tǒng)的電磁型保護。雖然微機保護相對于電磁型保護來說優(yōu)點很多，但是其使用壽命僅有12年左右，比電磁型保護短很多［1］，而微機保護開關(guān)電源模件的壽命更短，且各主流廠家生產(chǎn)或提供的開關(guān)電源壽命差異較大，部分廠家的開關(guān)電源可使用12年以上，而有些廠家的開關(guān)電源僅僅能使用6年左右。從現(xiàn)場運行和檢修的經(jīng)驗來看，在繼電保護的各類缺陷中，電源模件損壞占比較大，無錫地區(qū)2012年統(tǒng)計的繼電保護缺陷數(shù)據(jù)顯示，2012年保護裝置的各類缺陷中，開關(guān)電源故障占比為34.46%，已成為影響繼電保護裝置正常運行的主要缺陷之一。

繼電保護用開關(guān)電源是繼電保護裝置中的主要功能模塊，它負責將站用220 V直流轉(zhuǎn)換成供微機保護CPU使用的5 V和繼電器使用的24 V直流［1］。而繼電保護開關(guān)電源的好壞直接影響到保護裝置動作的可靠性，當電源模件損壞時，微機保護所有功能都將缺失，這給電網(wǎng)的安全帶來很大的隱患。

本研究將探討如何在微機保護運行時，實時監(jiān)測開關(guān)電源的運行狀態(tài)，當開關(guān)電源性能下降時，及時提供報警信息，提醒檢修人員及時更換。同時，監(jiān)測的結(jié)果可完整地保存下來，為今后的開關(guān)電源設計提供可靠的設計依據(jù)。

1 開關(guān)電源故障分析

1.1 開關(guān)電源故障率狀態(tài)分析

實踐證明開關(guān)電源的故障率是時間的函數(shù)，遵循浴盆曲線（Bathtub curve，失效率曲線）的規(guī)律［2］，失效率曲線如圖1所示。

圖1 失效率曲線

曲線的形狀呈兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為3個階段:早期失效期，偶然失效期，耗損失效期。浴盆曲線是指產(chǎn)品從投入到報廢為止的整個壽命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律，如果取產(chǎn)品的失效率作為產(chǎn)品的可靠性特征值，則它是以使用時間為橫坐標、以失效率為縱坐標的一條曲線。

早期失效期:是由于在設計、結(jié)構(gòu)、制造工藝中存在缺陷或由于嚴重的使用不當而造成產(chǎn)品失效的階段。由于微機保護出廠時已經(jīng)完成拷機測試，現(xiàn)場運行時該階段失效的概率很低。

偶然失效期:這是一個隨機的失效階段，這種失效與工作環(huán)境有關(guān)，與工作時間關(guān)系不大。這一時期是產(chǎn)品的良好使用階段，偶然失效主要是由質(zhì)量缺陷、材料弱點、環(huán)境和使用不當?shù)纫蛩匾稹Ｔ撾A段的失效概率很低。

耗損失效期:該階段，元件的性能急劇惡化，失效率隨時間而上升。主要由磨損、疲勞、老化和耗損等原因造成。微機保護開關(guān)電源在該階段損壞的概率上升很快，需要及時更換。

要研究開關(guān)電源是否進入耗損失效期以及進入耗損失效期的條件，就需要從開關(guān)電源的組成和結(jié)構(gòu)開始研究。

1.2 開關(guān)電源結(jié)構(gòu)分析

開關(guān)電源是開關(guān)穩(wěn)壓電源的簡稱，它采用脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動功率半導體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)、控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓［3］。其工作頻率一般在20 kHz～500 kHz范圍之內(nèi)（典型開關(guān)頻率為150 kHz），效率可達65%～85%。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOS?FET構(gòu)成。

繼電保護開關(guān)電源一般為DC/DC開關(guān)電源，由于微機保護裝置的運行功率較低，一般使用小功率反激式DC/DC轉(zhuǎn)換電源。反激式開關(guān)電源即:開關(guān)穩(wěn)壓器將一輸入電壓變換成一較低的穩(wěn)定反相輸出電壓。其原理圖如圖2所示［4］。

圖2 反激式DC/DC開關(guān)電源簡化等效電路圖

其中，變壓器T1起隔離、傳遞、儲存能量的作用，即在開關(guān)管Q導通時Np儲存能量，開關(guān)管Q關(guān)斷時Np向Ns釋放能量。在輸出端加有電感器L0和電容C0組成的低通濾波器，變壓器初級Cr、Rr和VDr，組成的RCD漏感尖峰吸收電路［4］。其優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于200 W以下的小功率電源，且多路輸出交調(diào)特性相對較好。

1.3 開關(guān)電源元器件分析

開關(guān)電源由多種元器件構(gòu)成，其中易老化的關(guān)鍵元器件主要為電解電容、光耦和粉芯磁件。

（1）電解電容。電解電容中的電解液易揮發(fā)，長期運行后存在電容值降低、等效串聯(lián)電阻上升等老化現(xiàn)象，從而影響電源產(chǎn)品的性能，最終導致整個產(chǎn)品失效［5］。

（2）光耦。光耦一般應用在控制回路中作為線性隔離器件。老化時電流傳輸比降低，導致電源環(huán)路增益下降、環(huán)路不穩(wěn)等，使得產(chǎn)品失效。

（3）粉芯磁件。粉芯磁件由鐵粉通過有機膠粘合壓制而成，如果設計不當，使得有機粘合老化嚴重時，會出現(xiàn)磁損巨增、磁芯飽和等問題，可能引起由電感導致的燒機的安全隱患。

一般而言在開關(guān)電源元器件中，電解電容為壽命最短的元器件，所以電解電容在電源產(chǎn)品的壽命中是關(guān)鍵性的一個環(huán)節(jié)。

通過對開關(guān)電源電解電容、輸出紋波、電壓的監(jiān)測，能達到監(jiān)測開關(guān)電源運行狀態(tài)和性能的目的。

2 開關(guān)電源實時在線監(jiān)測算法研究

2.1 開關(guān)電源理論壽命折算評估法

開關(guān)電源的壽命主要由電容的壽命決定，通過估算電容的壽命，可以大致了解電容的壽命。

電解電容的理論壽命公式［6］為:

式中:L—電容壽命時間，L0—電容理論壽命，T—電容實際使用溫度，T0—電容標識溫度。

L0、T0由生產(chǎn)廠商提供。

首先，引入電容的耗損量公式，電容的耗損量是時間和溫度的函數(shù):

式中:W(t)—電容的損耗量；t—時間變量；T(t)—溫度變量，其中溫度又是時間的函數(shù)。

根據(jù)電容理論壽命公式可以推導出電容耗損量公式:

式中:W(t)—電容的損耗量，t—時間變量，L0—電容理論壽命，T0—電容標識溫度，T—電容實際使用溫度。

考慮適當?shù)脑６龋旊娙莸暮膿p量達到85%時，認為開關(guān)電源進入耗損失效期。

2.2 輸出紋波判別法

DC/DC開關(guān)電源輸出為直流量，直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波。

實際運行中的開關(guān)電源紋波如圖3所示。

圖3 開關(guān)電源輸出紋波示意圖

開關(guān)電源的輸出紋波和輸出濾波電容有很大的關(guān)系［7］。當輸出濾波電路的電容量下降時，輸出電壓中的紋波含量將上升。

本研究對國內(nèi)著名繼電保護廠家國電南自的PSL641U保護裝置電源模塊進行紋波分析實驗，數(shù)據(jù)顯示:當電容正常工作時，紋波幅值小于10 mV。當電容損耗容值下降50%時，紋波擴大接近1倍。當電容徹底損壞，紋波的幅值已經(jīng)大幅度增加達到100 mV以上。

上述實驗表明，可以根據(jù)諧波增大的程度，判別開關(guān)電源是否進入耗損失效期。而且，隨著電容量耗盡，開關(guān)電容的輸出紋波明顯增加。

在實際運行環(huán)境中，由于開關(guān)電源輸出電壓中的諧波比較復雜，如果采用輸出諧波判別法對開關(guān)電源的狀態(tài)進行評估，還需要結(jié)合開關(guān)電源的實際結(jié)構(gòu)、電源的實際應用環(huán)境等因素進行綜合分析評估。

本研究通過實時地對開關(guān)電源的交流均方根值進行記錄，構(gòu)建紋波的變化趨勢圖，可以做到預測電源的失效時間。

2.3 輸出電壓判別法

由圖3可以看出，忽略紋波后，開關(guān)電源的輸出也不會是一條水平直線，輸出電壓將會呈現(xiàn)周期性或隨機性的漂移和擺動。

根據(jù)國網(wǎng)公司DL/T527-2002《靜態(tài)繼電保護裝置逆變電源技術(shù)條件》規(guī)定，5 V、24 V的電壓波動范圍為［8］:

當開關(guān)電源輸出電壓超出上述范圍持續(xù)一段時間時，即可判斷開關(guān)電源性能異常。

3 開關(guān)電源實時在線監(jiān)測硬件

3.1 溫度采集電路設計

根據(jù)式（3）可知，需要監(jiān)測開關(guān)電源運行中的溫度，才能獲得開關(guān)電源的耗損量。

通過在開關(guān)電源電路板的關(guān)鍵部位，預埋Pt100 RTD測溫電阻，可以精確獲得需要采集的溫度。

鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其測量準確度高、測量范圍大、復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫（-200 ℃～650 ℃）范圍的溫度測量中［9］。

通過應用三線制接法能準確地測量Pt100電阻值，其優(yōu)點是將PT100的兩側(cè)相等的導線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導線電阻得以消除。

3.2 紋波采集電路設計

紋波采集電路和示波器電路設計類似，其典型的電路如圖4所示。

圖4 紋波采集電路流程圖

輸入的電壓信號經(jīng)耦合電路后送至前端放大器，前端放大器將信號放大，以提高示波器的靈敏度和動態(tài)范圍。放大器輸出的信號由取樣/保持電路進行取樣，并由A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，信號變成了數(shù)字形式存入存儲器中［10］，微處理器對存儲器中的數(shù)字化信號波形進行相應地處理，并顯示出來。這就是數(shù)字存儲示波器的工作過程。總體上說，采集開關(guān)電源紋波的處理方法幾乎等同于示波器處理流程。

但是對紋波采集的要求又不同于示波器:開關(guān)電源的紋波頻率一定，采集需要的截止頻率有限，僅僅需要采集150 kHz頻率的PWM信號紋波；無需還原紋波的上升沿、下降沿時間，只需知道紋波大小即可；頻譜分析只需計算總的諧波含有率；電源故障的特征較長，對刷新率要求不高，對處理器的運算速度要求低。

經(jīng)選擇，國電南自原有線路保護中使用的CPU，ST意法半導體Cortex-M4核心的STM32F4ZET6可以很好地滿足需求，3個獨立的12位ADC，采樣率高達2.4 Msps，支持3個ADC交錯采樣，最高實現(xiàn)7.2 sps的采樣率，可以很好地完成對開關(guān)電源紋波的采樣；自帶10/100 M以太網(wǎng)MAC，能可靠完成設備對外的通信任務，支持DSP指令，對浮點運算操作有更快的硬件運算部件支持。硬件總體設計圖如圖5所示。

圖5 紋波采集電路框圖

4 開關(guān)電源在線監(jiān)測前景分析

CPU-STM32F4ZET6為高集成度單芯片設計，具有很高的性價比。通過在微機保護中增加一塊診斷插件來完成在線實時監(jiān)測任務，不影響保護裝置其他功能的正常運行，總體硬件的成本可控，同時又能很好地滿足技術(shù)參數(shù)要求，具有很好的市場競爭力。

未來該系統(tǒng)可逐步增加其他監(jiān)測功能和監(jiān)測點，使整個監(jiān)測回路更加完善，能促進繼電保護裝置的安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

本研究根據(jù)微機型繼電保護多年運行經(jīng)驗的總結(jié)，從開關(guān)電源是其性能的薄弱點出發(fā)，分析了開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)、特點，最后設計相應的軟件和硬件，完成對開關(guān)電源運行狀態(tài)的監(jiān)視。該硬件已開始在變電站現(xiàn)場運行，且運行情況良好。

本研究提出的監(jiān)測方法，手段尚比較單一，監(jiān)測點較少，未來還需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)之上，進行升級和擴充，使監(jiān)測功能更加全面完整，并提高準確率。

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