混合光學直流測量系統低功耗就地變換器的研究

梁 陽, 張 杰, 李 俊

(1.南方電網超高壓輸電公司 百色局,廣西 百色 533000; 2.北京博電新力電氣股份有限公司,北京 100084)

混合光學直流測量系統低功耗就地變換器的研究

梁 陽1, 張 杰1, 李 俊2

(1.南方電網超高壓輸電公司 百色局,廣西 百色 533000; 2.北京博電新力電氣股份有限公司,北京 100084)

目前電力系統串補及直流輸電保護系統的二次采樣裝置中,測量系統多采用激光供電,而激光供能所能提供的能量是有限的,因此,研究設計高效可靠的能量轉換供能電路成為直流及串補保護系統二次采樣裝置設計中的重要課題。文章針對就地變換器的特點,通過對就地變換器結構的分析及具體實現,在各個功能模塊中采用低功耗及優化設計實現了就地變換器對光能高效可靠地轉換,使設備滿足低功耗的要求。

混合光學;測量系統;信號;低功耗

目前國內西門子直流輸電和串補工程測量系統均采用混合光學直流測量[1],其就地采樣模塊故障率高，嚴重影響系統的安全運行。據南方電網某站連續3 a的統計結果顯示,平均數月就有西門子就地采樣模塊運行故障。在實際工程中混合式光學直流測量系統互感器數據采集部分處于高壓端[2],由高壓側電路和就地轉化器2個部分組成[3],由于激光供電并受到電源輸出功率的限制,采集電路設計需要具備低功耗的特性才能保證設備的安全可靠運行。本研究給出了一種基于復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)和AD7468的光電電流互感器數字變換器的設計方法,提供了激光供能電路、CPLD、AD采集等單元的低功耗解決方案。文中的設計方法可以保障系統低功耗和采樣數據的可靠性。

1 就地變換器結構

就地轉換器完成了混合光學直流測量系統中模擬量轉換為數字量[4]、電信號轉換為光信號的工作,包括光電流換能器、隔離電路、DC-DC、時鐘提取模塊、低電壓判定模塊、模擬采樣模塊、AD轉換模塊、用于數據處理的CPLD及發光二極管。光電流換能器把激光信號轉換成電信號;隔離電路把DC-DC同光電流換能器隔離開; DC-DC為該就地轉換器提供穩定可靠的電能;時鐘提取及低電壓判別模塊由電阻電路及比較器組成;模擬采樣模塊包括運算放大電路及電阻電路;AD轉換模塊包括一個16位精度的ADC器件;CPLD完成AD采樣控制和串行編碼輸出;發光二極管負責把CPLD輸出的串行編碼轉換成光信號輸出,如圖1所示。

圖1 就地變換器電路結構

2 就地變換器低功率的研究

2.1 低功耗CPLD的應用

本研究采用XILINX公司的Coolrunner系列超低功耗的CPLD作為整個設備唯一可以編程的器件,擔負AD控制和數據輸出的工作。工作流程如下:

(1) 通過時鐘提取模塊提取的同步時鐘源,確定一個采樣周期的開始,從AD轉換模塊數據輸出端得到AD轉換數據。

(2) 在同步時鐘的驅動下,依據串行編碼方式發送來自AD轉換模塊數據輸出端的數據及低電壓信號。

(3) 周而復始地按順序重復步驟(1)、步驟(2)。

CPLD的使用為系統功耗的控制提供了保證。

2.2 光電轉換電路的設計

光電轉換電路需要將波長為808 nm左右的光能轉化為電能。本設計選擇PPC-6E作為光電轉換器件[6],最大提供500 mW的功率,在5 V時能輸出100 mA的電流。該器件可以將波長在790～850 nm之間的光能轉化為6 V電壓的電能,其工作溫度范圍在-60～+100 ℃之間,轉換效率大約為40%,與之耦合的光纖為200 μm的芯徑。其在輸入光功率為150 mW時的光電技術參數見表1所列。

表1 輸入光強150 mW時光電轉換器的技術參數

同時,輸出電壓會隨溫度升高而降低,即溫度變化時光電轉化其輸出電壓并不穩定,為了給高電位電子線路可靠供電,必須采用DC-DC變換,以得到穩定的電壓輸出。

PPC-6E提供的功率決定了就地變換器低功耗的特征。

2.3 DC-DC轉換電路的設計

DC-DC轉換電路為激光供能系統的重要組成部分。該部分將光電池輸出的寬帶電壓經過變換,產生滿足1次轉換系統要求的穩定的電壓。高壓側1次轉換系統采用低功耗微控制器,工作電壓在1.8 V左右,模擬、調制電路也都采用低功耗元件,單電源1.8 V供電。這樣,高壓側DC-DC變換電路提供1.8 V的穩定輸出,就可以滿足高壓側就地變換器供能的需要。考慮到供能系統提供的能量限制和轉換器件自身的功耗,采用高效、外圍電路簡單的DC-DC變換芯片LTC3405,其電路設計如圖2所示。

圖2 DC-DC電路

該系列DC-DC轉換芯片輸出可調,可配合電源及信號采集系統的供能要求,降低功耗。處于可調狀態時,輸出電壓為1.8 V,輸入范圍為2.5～5.5 V,轉換效率可高達93%,其電壓及電流與芯片轉換效率對應關系如圖3所示,其輸出電流在10～100 mA之間。

(a) (b)

2.4 AD采集電路的選擇

實現模數轉換的方法很多，不同電路結構的AD轉換器的工作原理差異很大,性能上的差異也可能很大。每一個AD轉換器除了必備的轉換電路還需要適當地模擬輸入信號處理電路、數字輸出信號接口電路等。AD轉換器按轉換電路結構和工作原理分為以下幾種類型:并行比較型、分級流水型、逐次逼近型、積分型、壓頻轉換型等。各種AD轉換器都有各自的特點，有的以轉換速度快見長,有的以分辨率高為特點。就地變換器的AD轉換器件要求其具有高可靠性、抗干擾、低功耗的特點。綜合考慮器件的轉換速度、分辨率、應用所需的采樣率、同時采樣、集成采樣保持器、功耗等因素，AD7468都可以滿足本系統的設計需要。其外圍電路設計如圖4所示。

圖4 AD采集電路

2.5 有效的低電壓判定電路

低電壓判定模塊能及時、有效、精準地判斷出光電流轉換器輸出電壓是否低于預設的3.3 V門檻電壓,并把判斷的結果即低電壓信號傳輸給外部激光供能平臺,外部激光供能平臺實時調整平臺中的激光發射器輸出的激光信號的強弱,輸出給本裝置的激光信號輸入端光電流轉換器。及時、有效、精準的低電壓信號使外部激光供能平臺的激光發射器處于較低的輸出功率狀態,實測其實際穩定輸出時電流值為230 mA左右。理論上同時延長了就地變換器的光電流換能器外部激光供能平臺的激光發射器的使用壽命。系統工作電流低于100 mA,滿足低功耗要求。

3 結 論

本文根據變換器的整體結構,采用激光提供能量的方式[7],將激光能量提供給高電位側的光電轉換器件[8],并通過DC-DC為整個變換器件提供穩定的電源供應。該就地轉換器的DC-DC、模擬采樣模塊、AD轉換模塊、用于低電壓判定的比較器、CPLD均采用功耗較低的電子元器件,同時在電路設計時均考慮低阻抗設計,能實現整個系統低功耗的要求。經測試,本就地變換器的典型工作電流可以低至70 mA,總功耗不大于350 mW,能夠滿足電子電路的功耗和現場設備運行的要求。

[1] 瞿剛，羅海云.混合光學直流測量系統的應用[J].電力自動化設備,2001,21(3):36-37.

[2] 劉田豹,方春恩,李偉,等.混合式光電電流互感器數據采集系統的設計[J].低壓電器,2009(1):34-36,40.

[3] 邱紅輝,李立偉,段雄英,等.用于激光供能電流互感器的低功耗光電傳輸系統[J].電力系統自動化,2006,30(20):72-76.

[4] 丁全響,周有慶,吳桂清.混合式光電電流互感器數據采集系統的研究[J].電力科學與工程,2006(1):34-37.

[5] 李偉,劉田豹,方春恩,等.基于CPLD的混合式光電電流互感器采樣控制器的低功耗設計[J].電氣應用,2009,28(24):68-70.

[6] 李澎,蔡志斌,羅承沐.光電電流互感器的供能電路的研究[J].電工電能新技術,2003,22(4):44-47,72.

[7] 方志,趙中原,邱毓昌,等.用于混合式光電電流互感器的光電傳輸系統[J].電網技術,2003,27(4):43-45,58.

[8] 朱煒,高學山,吳曉兵，等.混合光學電流互感器的反饋式激光供能[J].微納電子技術,2007(7/8):146-149.

(責任編輯 張 镅)

Research on low-power local convertor for hybrid optic DC measurement system

LIANG Yang1, ZHANG Jie1, LI Jun2

(1.Baise Bureau, EHV Power Transmission Company of China Southern Power Grid, Baise 533000, China; 2.PONOVO Power Co., Ltd., Beijing 100084, China)

Nowadays, in the second sampling device of series compensation and HVDC transmission protection of power system, laser power is mainly applied in energy supply, which is quite limited. Therefore, the research and development on efficient and reliable energy conversion supply circuit becomes an important topic in the design of second sampling device of series compensation and HVDC transmission protection system. In this paper, according to the characteristics of the local convertor, through the analysis of the local convertor structure and realization, the efficient and reliable conversion of light energy by the local convertor is realized with low power consumption and optimization design in each function module, which meets the requirements of the low power consumption.

hybrid optics; measurement system; signal; low power consumption

2015-09-11；

2015-10-31

中國南方電網公司超高壓輸電公司科技資助項目(K-GY2001-006)

梁 陽(1968-),男,壯族,廣西百色人,南方電網公司超高壓輸電公司百色局工程師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.05.016

TN911.74

A

1003-5060(2017)05-0653-03