高壓串補裝置平臺數據采集系統設計與實現

王興++王立春++陳佳永++張普紅++孟會永

摘要：以抵御外部復雜環境電磁干擾以及降低系統功耗為主要技術指標，設計了一款能夠用于500kV串補平臺的數據采集系統。從信號輸入端抗電磁干擾處理、低功耗電路設計、光通訊方式、優化軟件設計等方面出發，最終設計完成的采集系統作為高壓串補控制保護系統的核心部分之一，已經成功的應用在了500kV串補控制保護系統裝置平臺上，極大改善了目前串補控保裝置普遍存在的抗干擾能力不強的問題，能夠穩定可靠運行，同時實測正常工作功率約300mW。

關鍵詞：數據采集 電磁干擾 低功耗 高壓串補

中圖分類號：TM55 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0173-02

1 引言[1][2][3]

所謂串補，即交流輸電系統串聯電容補償。就是將電力電容器串聯于交流輸電路線中，通過阻抗補償減少功率輸送引起的電壓降和功角差，從而提高電力系統穩定性，擴大線路輸送容量。

其中，由于串補平臺的對地電壓為線路的相電壓，其電磁環境較為惡劣，受到影響因素較多。而安裝在平臺上的一次、二次設備，測量裝置等受到的干擾較大。同時，高壓串補平臺因受限于絕緣，平臺上設備需要通過激光方式供能，能耗受限。因此，能夠穩定可靠的工作于500kV平臺上的低功耗遠端數據采集系統被認為是高壓串補裝置的關鍵技術之一。

本文針對抵御外部復雜環境電磁干擾和降低系統功耗兩個主要目標，同時兼顧數據采集系統的模擬量采集精度以及光纖通訊可靠性兩個重要指標，設計了一款可以用于電力系統高壓線路串連電容器補償裝置高壓平臺的數據采集系統。

通過合理選擇處理器、外圍采樣電路、時鐘頻率、供電方式以及優化軟件設計，在保證數據采集系統（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以內。使用該采集系統的串補裝置控制保護系統已經在云南500kV硯山串補站投運，并通過了線路短路等各類試驗的驗證，保護效果正常。

2 硬件設計

2.1 數據采集部分

考慮到平臺上面復雜的電磁環境以及故障時CT回路可能出現的大電流尖峰和大量干擾，當某個采樣通道出現突發大電流情況下，很可能會干擾到其它采樣通道，造成實際運行中串補誤動、退出等嚴重現象，影響串補穩定運行[2]。因此，完整的采樣鏈路必須對一次互感器傳遞過來的信號進行預處理，同時各采樣通道在前級的信號調理環節需要做過壓保護和互相隔離，并應有針對性的加裝低通濾波器，如圖1。

進入采樣系統的信號各個通道獨立，并需采用如圖2所示的差分方式接入系統板卡，以實現對外部共模干擾的有效抑制，并對部分極高頻干擾進行過濾。根據相關規范[4][5]，串補系統采樣精度需要滿足5‰以上，在滿足保護響應時間以及數據消抖等條件下，各個通道的采樣率不宜低于5k Hz。因此，在綜合評估采樣精度、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負責模擬量采樣。

文獻[2]指出，以往的大量串補現場在實際運行中，均不同程度的出現過由于設備或保護動作導致電磁干擾繼而引發串補保護裝置通訊中斷、保護誤動甚或設備退出等嚴重現象。新設計的系統對此問題進行了針對性的專門設計，而之后的各類驗證試驗，表明采用的抑制措施效果明顯。圖3為串補設備進行短路試驗時，控保裝置上的波形記錄。由曲線可以看出，當短路故障發生時，間隙火花電流會突發達到上萬安培，必然對平臺上設備產生空間電磁干擾，但受到干擾的平臺故障電流（經變比換算后）受干擾峰值約為一百安培，從峰值和持續時間上都遠遠低于保護定值。同時從錄波曲線的連續性上可以看出，通訊丟包現象基本不存在，說明即使外部電磁干擾嚴重的情況下，數據采集系統與地面設備間的光纖通訊仍保持暢通。

2.2 控制部分

為了能夠方便的實現AD采樣控制以及通訊光模塊驅動，同時保證平臺數據采集系統運行的可靠性，在處理器部分選擇了可編程邏輯器件（CPLD）。可編程邏輯器件（CPLD）具有容易使用、時序可預測和速度高等優點，同時由于過去受CPLD密度限制而無法在大型設計應用中使用的問題近年來隨著高密度可編程邏輯器件的大量問世而被解決，使得我們可以放心的拋棄供電復雜且不容易使用的單片機/CPU方案。

通過權衡性能、控制程序復雜度、能耗等因素后，選擇了MAXV系列CPLD芯片作為數據采集系統的控制核心，并按照圖4的結構來保障多通道采樣的并行控制以及高速光纖通訊的穩定。這樣，可以充分利用CPLD的IO靈活配置以及速度快等優點，同時由于選擇的芯片供電系統簡單，可以簡化電源分級和減少外圍電路復雜度，進而降低系統的能量損耗。

2.3 光纖通訊部分

為了簡化高壓串補平臺對地的絕緣配置，平臺上設備到地面沒有任何電氣連接，所以采樣系統選擇以光纖通訊的形式向地面設備傳送采集到的各類數據。

而這個光纖通訊環節，也是采樣系統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，并根據光纖的實際光衰和老化特性，適當降低發射光模塊的驅動電流。而合理的選擇通訊速率，盡可能減少光模塊的發光時間，也是實現降低系統能耗的重要手段。

2.4 電源部分

任何系統的穩定運行，都首先依賴于一個穩定可靠的電源。這就需要在電源系統的設計中，對電源工作穩定性、電源電壓范圍、運行溫度范圍等因素進行綜合考量，同時按照盡量簡化的原則對整個系統進行電源分級。

參考文獻[6]指出，集成電路的功耗p可按照下式進行估算：

式中，是集成電路節點電容，Vdd是工作電壓，為節點信號擺幅，是時鐘頻率。從上式可以清晰的看到，電源電壓與功耗成平方關系。所以，降低器件工作電壓就可以直接達到降低功耗的目的。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情況下的工作穩定性，加之考慮到供電系統實現的簡單化，對采樣系統各個部分分類歸集為5V、2.5V、1.8V三級用電。并通過盡量減少5V電源使用，大量選用2.5V器件與電路，關鍵部位選擇小電流差分信號等手段，在降低能耗和系統工作穩定性之間取得一個平衡。（如圖5）

由外部向系統直接提供的5V電源，只要經過保護性穩壓環節即可引入系統中使用，同時選擇高效率穩壓器LTC36xx來設計實現5V/2.5V，5V/1.8V兩級電源系統，使整個電源系統的能量損耗低于10%。

3 軟件設計

多通道模擬量的高速采集是所設計系統的核心功能之一，利用CPLD芯片來設計實現AD芯片的SPI驅動程序，在得到采樣數據的同時還可憑借對AD進行引腳狀態監視來判斷AD芯片工作是否正常。同時，由于采樣頻率足夠快，在CPLD內部還可增加濾波環節，以避免極高頻干擾信號對系統的影響。（如圖6）

借助于CPLD程序能夠并行執行的優點，使多個模擬量通道能夠同時進行高速采樣工作，而又不會影響光纖通訊等其它對時間響應要求高的功能的實現。系統中，CPLD除將采集的平臺數據濾波、打包后與地面設備進行光纖通訊交互外，還可以通過對電源芯片監視、環境溫度采集等子系統完成數據采集系統自身的完整性自檢以及平臺其它信息的收集。

同樣的，程序設計中需要遵循低功耗原則，盡可能使各環節電路在大部分工作時間里處于非耗電或低功耗狀態。例如，通過程序設計使通訊光模塊在通訊間隔期處于不發光狀態，使用的門電路等處于關斷狀態，關閉不使用的采樣通道工作等手段，盡可能降低常態下的系統功耗，減輕電源系統負荷。

4 結語

專門針對于電力系統高壓串補平臺應用而設計的數據采集系統，最大可滿足10通道模擬量同時高速采樣、8通道開關量輸入、8通道開關量輸出、兼具環境溫度測量等功能，同時實測正常工作能耗低于300mW。針對各類干擾而對采樣信號調理環節等進行的特殊設計，使之非常適合在高壓串補平臺的復雜電磁環境中使用。目前，該系統已經在南方電網云南硯山500kV串補站控保系統中投入運行，并在各類測試以及實際運行中均表現良好。

參考文獻

[1]刁彥平.淺談超高壓輸電線路串補裝置的原理及應用[J].中國電子商務，2012，（9）：90-90.

[2]溫才權.串補平臺干擾分析及改進建議[J].電氣技術，2016，（2）：95-99.

[3]果家禮.500kV固定串補裝置控制及保護系統技術[J].云南電力技術，2009，37（3）：31-32.

[4]GB/T 50063-2008電力裝置的電測量儀表裝置設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2008.

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

[6]馬溪原.基于低功耗設計的多通道數據采集與傳輸系統[J].機械與電子，2008（7）：16-18.