避雷計數光纖信號轉換器的設計及可靠性分析

赤峰學院計算機與信息工程學院　王智軍

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避雷計數光纖信號轉換器的設計及可靠性分析

赤峰學院計算機與信息工程學院王智軍

【摘要】110kV及以上輸變線路需要有效避雷，安裝了大量的避雷器，避雷器是否正常工作直接影響著電力系統的安全。避雷器工作狀態一般是通過統計其放電次數來確定的，采用的設備是放電動作計數器，如何將基于光纖傳輸的放電數據及時有效的處理接收，為控制中心提供決策依據，成為了避雷器工作狀態監測中的一個重要問題。設計實現了可靠穩定的光纖信號接收轉換處理設備，能將光纖信號可靠轉換成計算機識別和處理的電信號，符合設計要求，適應電力系統中110kV及以上輸變線路上的惡劣環境。還利用Markov過程分析和計算了轉換器的可靠性，結果符合設計需求。

【關鍵詞】光纖信號轉換；冗余設計；可靠性分析；狀態檢測

0　引言

避免雷擊對于110kV及以上輸變線路很重要，因此需要安裝大量的避雷器。而評價避雷器工作狀態的一個重要指標就是它的放電動作，通常的方法是記錄統計避雷器的放電次數，以此來實現對避雷器工作狀態的檢測[1]。可靠穩定的采集避雷器的放電次數，可以用來推斷避雷器的工作狀態和剩余壽命，同時也能夠反映出避雷器限制過電壓效果、系統過電壓情況。怎樣將放電動作計數器記錄的數據及時有效的傳輸給控制中心，也逐漸成為了避雷器工作狀態監測系統中的一個重要環節[2]。目前110kV及以上輸變線路上的避雷器放電次數的數據采集主要使用人工觀察計數器次數結果的方式，然后進行后期制作成數據統計表格供決策部門參考。這種方式容易受到觀察者自身因素的影響，造成誤讀、漏讀、出錯等問題，并且耗用時間長，不能做到實時檢測[3]。因此利用光纖傳感器對計數器的數據進行實時處理、傳輸，這種方法速度快、容量大、傳輸穩定，目前被廣泛使用。但是，光纖信號傳輸到基地后，如何可靠穩定的接收光纖信號，并將其轉換成計算機能夠識別和處理的弱電信號，是光纖信號傳輸系統中的一個難點問題，特別是在電力系統中，通常需要達到嚴格的工作環境要求[4][5]。完成這樣功能的即為光纖信號轉換器。本文利用硬件功能冗余技術[6]來保證光纖信號轉化器的高可靠性工作。

1　系統總體方案及框架設計

信號轉換器的作用是將放電計數器的光信號接收并轉換成符合要求的電信號，光信號為波長850nm的10～80ms紅外光脈沖信號，采樣的光纖信號波形如圖1所示。轉換器與避雷計數器之間通過光纜連接，光纖信號轉換器與其它設備連接示意圖如圖2。避雷器計數器通過光纜將紅外光脈沖信號傳輸給光纖信號轉換器，轉換器接收到光脈沖信號以后，處理轉換成10ms的電脈沖信號，通過電導線向下一級設備發送該信號。

圖1 光纖信號采樣圖

圖2 光電轉換設備與其它設備連接示意圖

為了實現光纖信號轉換，信號轉換器的整體設計方案可以分為以下三種：

（1）簡單的數字邏輯電路+模擬電路濾波。直接利用模擬電路進行處理，利用光接收器將光信號轉化成TTL數字電路邏輯信號，利用積分電路進行積分處理，當積分電平達到一定域值（時間>2ms），觸發后續的固態繼電器驅動放大電路。

（2）數字邏輯電路+CPLD（可編程邏輯陣列）+晶振（時鐘源）+驅動放大電路。直接用數字電路和一個可編程邏輯陣列（CPLD）以及一個數字時鐘源，利用CPLD做一個數字積分和邏輯計算。并根據計算的結果驅動后續的固態繼電器的驅動放大電路。

（3）數字邏輯電路+MCU+驅動放大電路。利用MCU（單片機、ARM處理器）進行處理。根據處理的結果驅動后續的固態繼電器的驅動放大電路。

根據整個設備的特點和應用的場合，第三種方案設計靈活，可靠性高，而且增加了轉換器的靈活性和可維護性。

2　關鍵硬件設計實現

信號轉換器需要同時接收處理12路光信號，硬件采用模塊化設計，將輸入光藕和輸出端子進行功能劃分進行獨立模塊設計。同時模塊之間的電路連接通過可靠排線進行聯接。這樣不僅增強了設備的可靠性，而且提高其維修性。設計圖如圖3所示。

硬件主要由光電轉換輸入模塊、邏輯處理模塊、驅動輸出模塊、電源模塊和機箱組成。為了保證惡劣條件下的可靠工作，采用了冗余系統設計。

2.1主要硬件模塊

2.1.1光電轉換輸入模塊

根據接收光信號的數量，12路光電轉換輸入模塊安裝在一塊光信號輸入電路板上，12路光信號通過轉換輸入模塊的接收處理轉換成邏輯電路識別的電信號，輸入到嵌入式處理器中。

2.1.2邏輯處理模塊

邏輯處理模塊由嵌入式處理器及外圍電路組成。完成對輸入電信號的數字處理，并按照預定的狀態輸出到驅動放大電路，以控制固態繼電器的狀態。

2.1.3驅動輸出模塊

驅動輸出模塊的作用是增強邏輯電路的電信號，驅動固態繼電器輸出10ms的電脈沖信號，脈沖上升延時和下降延時不大于0.5ms。固態繼電器基座采用電路板基座的形式，繼電器通過基座固定在電路板上。在系統斷電和初始情況，固態繼電器處于斷開的狀態。

2.1.4電源模塊

電源模塊采用110V直流電源輸入的方式，通過DC/DC模塊將電壓直接轉換成5V直流電源供邏輯電路使用。5V電源通過電源選擇電路輸出供邏輯電路用。

2.1.5機箱結構和布局

機箱采用工業標準1U機箱，尺寸為244.5mm(深)× 435mm（帶掛耳483mm）(寬)×44.45mm(高)。機箱前面板是工作指示燈和調試端口，后面板是兩排輸入輸出接口和電源輸入端口：第一排是12路光信號輸入口和兩路電源輸入接口，第二排是12路固態繼電器輸出端子。

2.2關鍵元器件的選型

2.2.1固態繼電器

固態繼電器直接影響光纖信號轉換后電信號的性能。采用芬蘭DELCON的SLO5CRA，該系列直流輸出固態繼電器多用于標準工業應用。該系列標準繼電器應用于正常的0-250負載的工業應用。輸出開關部件為一個功率晶體管。直流輸出繼電器SLO5CRA，可以配套使用的底座是導軌式底座MOS1L或者PCB板式的PCU，將底座直接焊接在電路板上。

采用AVAGO的HRBF-2412T，工作溫度是-40度到+80度，通過上拉電阻接不同的上拉電壓，可以驅動不同的電平邏輯。HFBR2412作為光電轉換器（ST的標準接頭）接收信號發射設備傳送的信號。

2.2.3輸入電源轉換器

采用上海德創電器電子有限公司的DC/DC電源DOF60A-5V，輸入的電壓范圍是DC85—360V。

2.2.4繼電器輸出端子

采用菲尼克斯電氣的穿墻端子。電路板端端子型號：1776524 MSTB 2,5/4-GF-5,08，線端插頭1778001 MSTB 2,5/4-STF-5,08；額定電流：12A，額定電壓：250V，針距：5.08mm，位數：4，接線類型：螺釘連接。

2.2.5數字邏輯主控電路

數字邏輯電路的主控芯片采用ATMEL公司的ARM7處理器AT91SAM7X128，該微控制器具備嵌入式10/100以太網(Ethernet)MAC、CAN、全速(12Mbps)USB 2.0。針對廣泛的網絡化實時嵌入式系統而設計的AT91SAM7X256還具備一個10位模數轉換器(ADC)、兩個串行外圍接口(SPI)、同步串行接口(SSC)、雙線接口(TWI)、三個通用異步收發器(UART)、一個8級(8-level)優先中斷控制器(priority interrupt controller)和眾多的監管功能。這個新型的50 MIPS MCU 擁有64KB的靜態存儲器和128KB的25ns閃存，這種閃存支持實時控制系統所需的可確定性處理能力。

2.3冗余系統設計

這種形式創新創業實驗班具有很強的針對性和可操作性，直接邀請者指定學科或專業的著名教師作為教學學生的導師,并實現了研究性教學課程的“精、深、通”，這不僅方便教師的合理配置，而且還方便快速培養專業人才。同時，由于學科和專業的方向性，在課堂上實現開放式系統是可能的。基于學生自愿參與的原則，可以根據自身學習的實際情況靈活地進行分離，最終使學生達到“精、深、通”的水平。

冗余系統是轉換器的重要組成部分，它采用完全相同的兩套硬件設備，一套工作一套冷備用，同時設計冗余切換控制電路，當檢測到工作設備發生故障，有效切換到備用設備，實現可靠無故障工作切換，不影響轉換器的正常工作。針對轉換器中關鍵部件，重點在電源雙冗余、邏輯處理模塊雙冗余和驅動輸出模塊雙冗余。

2.3.1電源雙冗余

轉換器采用2路獨立的電源供電，并采取隔離措施防止2路電源短路或者其它故障。在一路電源模塊輸出電壓異常時，能夠保證另一路電源正常供電。

設計電源失敗冗余檢測電路，檢測到某一路電源模塊輸出電壓異常，則指示燈報警電源失敗、冗余切換。

2.3.2邏輯處理模塊雙冗余電路

通過冗余切換控制電路，監測工作中的邏輯處理模塊，一旦發生故障，及時切換到備用模塊，并給出指示燈報警。

2.3.3驅動輸出模塊雙冗余

固態繼電器的輸出是轉換器的重要指標，它的工作可靠性非出那個胡總要，因此設計冷備用的冗余系統。同樣由冗余切換控制電路來監測驅動模塊的工作狀態，一旦發生故障，及時切換到備用模塊，并給出指示燈報警。

圖3　光電轉換器設計原理圖

3　冗余系統可靠度模型及分析

信號轉換器的設計是一個冷儲備的冗余系統，可以用Markov過程來分析其可靠性。

3.1Markov過程

根據已知的實驗資料統計，轉換器運行的早期、中期和后期，故障率的分布呈浴盆曲線，中期偶然故障期的失效率與修復率分別為λ和μ，即壽命分布和修復時間分布均為指數分布[8]，因此，可以用Markov過程來描述。假設系統的兩套設備同時發生故障的概率為零。

3.2系統可靠性模型及分析

系統由兩套同樣功能的硬件設備組成，它們的故障率和修復率相同，可以用Markov過程，對冗余系統進行可靠性的建模。從可靠性的角度，這種冗余系統一般看作為冷儲備系統[9]。

系統采用一工一備的工作方式，即一套設備工作（1號），另一套設備冷備份等待運行（2號）。此系統與常用的1/2（G）表決系統不同，雖然表決系統模型應用廣泛[10][11]，但是冷備份的冗余系統可靠性更高。圖4為本系統的Markov狀態轉移圖。圖中，S1為1號設備工作，2號設備停機，系統工作正常；S2為1號設備失效正在修理，2號設備工作，系統工作正常；S3為1號、2號設備均失效，正在修理，系統故障。S3也是系統的吸收狀態，一旦系統轉移到S3，狀態轉移就終止了。系統整體設計有冗余切換指示燈，當1號設備故障，切換到2號設備工作時，指示燈點亮，此時可以提醒及時維修1號設備。

圖4　 一工一備系統狀態轉移圖（帶吸收狀態）

系統轉移率矩陣為：

式中：

進一步可以計算系統平均故障間隔時間：

3.3實例驗證

利用試驗數據進行可靠性模型的驗證。系統的失效率通過設備元器件的失效率預測得出，系統的修復率由以往的歷史維修記錄統計得出，具體參數見表1。

表1　設備可靠性指標

應用公式（4），可計算可靠度為：

可靠度函數曲線如圖5所示。

圖5　可靠度函數曲線圖

系統的平均故障間隔時間為：

4　結束語

110kV及以上輸變線路上所使用的避雷器需要放電計數器來統計其放電次數，以此來評價避雷器的工作狀態。對于放電次數等數據的光纖傳輸信號，需要進行可靠轉換處理，然后才能被中心計算機識別和處理。根據使用環境和需求，信號轉換器需要很高的可維護性、靈活性，并且要求可靠性高。采用以MCU為主控，基于數字邏輯電路和驅動放大電路的設計，結構簡單，功能滿足要求，同時利用硬件功能冗余技術保證了它的高可靠性，并對其進行了可靠性分析，結果符合要求。

參考文獻

[1]崔龍躍,郭潔,余涌,等.避雷器放電計數器的動作靈敏性研究[J].電瓷避雷器,2011,(6):65-69.

[2]王義,徐勇.基于DSP技術的氧化鋅避雷器在線監測儀的設計[J].世界科技研究與發展,2011,33(6): 1023-1025.

[3]李思南,劉黎,劉巖等.基于ZigBee無線網絡技術的避雷器在線監測傳感器設計[J].工業控制計算機,2011,24(4):69-70.

[4]湯霖,王保山,熊易,等.數字式交流特高壓避雷器在線監測系統[J].高電壓技術,2009,35(11):2624-2628．

[5]周驍威.用光纖取樣技術實現避雷器泄漏電流的在線實時監測[J].高壓電器,2001,37(6):55-56,58.

[6]毛南.實時雙機嵌入式容錯系統的研究及應用[D].北京:中國農業大學,2007.

[7]于敏,何正友,錢清泉等.基于Markov過程的硬/軟件綜合系統可靠性分析[J].電子學報,2010,38(2):473-479.

[8]馬小兵,谷若星,秦晉等.指數分布單元共載荷失效串聯系統可靠性分析與評估模型[J].系統工程與電子技術,2014,36(3):608-612.

[9]吳志良,郭晨.船舶、港口電氣系統可靠性工程及應用[M].大連:大連海事大學出版社,2006.

[10]方永鋒,陳建軍,曹鴻鈞等.可修復的kn表決系統的可靠性分析[J].西安電子科技大學學報(自然科學版),2014,(5):180-184,206.

[11]陳硯橋,金家善.可修K/N(G)系統可靠性指標的仿真算法研究[J].計算機仿真,2008,25(11):115-118.

王智軍（1972－），男，內蒙古赤峰人，副教授，碩士，研究方向：電力系統保護、計算機應用研究。

作者簡介：