電子式互感器采集單元可靠性分析及設(shè)計(jì)

閆志輝,宋一丁,郭 震,王曉鋒

(許繼電氣技術(shù)中心，河南 許昌 461000)

0 引言

電子互感器作為測量和保護(hù)的數(shù)據(jù)源，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響到測量和保護(hù)的功能。據(jù)國網(wǎng)不完全統(tǒng)計(jì)，1 835臺現(xiàn)場運(yùn)行的電子式互感器中，發(fā)生電子式電流互感器(electronic current transformer，ECT)故障137次，主要故障類型為采集單元、光纖、傳感故障等；發(fā)生電子式電壓互感器(electronic voltage transformer，EVT)故障51次；故障原因多為絕緣問題、采集單元故障、電磁干擾影響和合并單元故障等[1-4]。采集單元故障占比最大。

電子式互感器根據(jù)原理可分為有源和無源兩種，兩者最大的區(qū)別就是采集單元的放置位置不同[5-6]。前者的采集單元放置在高壓端，需考慮采集單元的供電問題；后者的采集單元放置在低壓端，穩(wěn)定可靠，是電子互感器發(fā)展的方向。采集單元的主要功能是完成數(shù)字信號采集，必須采用電子電路，且安裝位置靠近一次設(shè)備。設(shè)備的故障和檢修會(huì)導(dǎo)致一次設(shè)備停運(yùn)，掛網(wǎng)運(yùn)行中由于采集單元運(yùn)行不穩(wěn)定、長期投運(yùn)測量精度不可靠等因素，嚴(yán)重制約了其發(fā)展。

由于無源式電子互感器是電子式互感器發(fā)展方向，本文主要研究應(yīng)用于無源式電子互感器的采集單元。分析采集單元在現(xiàn)場應(yīng)用中惡劣環(huán)境，通過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，優(yōu)化提高采集單元的運(yùn)行壽命及可靠性，推動(dòng)電子互感器的工程應(yīng)用。

1 采集單元可靠性分析

一般認(rèn)為，可靠性是指部件、元件、產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定的環(huán)境下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下無故障地完成其規(guī)定功能的概率或能力[7]。常見的可靠性指標(biāo)有平均故障時(shí)間tMTBF、故障率λ、平均維護(hù)時(shí)間tMTTR等。采集單元的功能是把傳感頭采集的模擬量信號數(shù)字化，通過光纖發(fā)送給合并單元。因此，采集單元的可靠性主要是指無故障傳輸信號的能力及裝置的使用壽命。

在可靠性方面，硬件和軟件本質(zhì)上的差異導(dǎo)致了它們互不相同的故障機(jī)理：硬件是一種實(shí)實(shí)在在的物理存在，最主要的故障原因是材料老化等物理因素；軟件是一種邏輯產(chǎn)品，故障的根本原因是設(shè)計(jì)缺陷。設(shè)計(jì)是由工程人員完成的，因此具有極大的不可預(yù)測性。本文主要從硬件和軟件兩個(gè)方面，分別分析采集單元的可靠性。

1.1 硬件可靠性分析

元器件是組成硬件平臺的基本單元，因此硬件平臺的可靠性極大地依賴于各個(gè)元器件單元及印制板電路的可靠性。提高硬件電路的可靠性，首先必須保證元器件的質(zhì)量和可靠性。采集單元硬件結(jié)構(gòu)總體框圖如圖1所示。

圖1 采集單元硬件結(jié)構(gòu)總體框圖

一般認(rèn)為，可靠性是度量系統(tǒng)無故障工作的概率，系統(tǒng)在時(shí)間t內(nèi)發(fā)生故障的概率函數(shù)為F(t)，可靠性函數(shù)為R(t)，則滿足R(t)=1-F(t)。在研究系統(tǒng)的可靠性時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)的故障概率密度函數(shù)f(x) 在t時(shí)間內(nèi)的積分求得F(t):

(1)

定義故障率函數(shù)λ(t)：

(2)

由式(2)可得：

(3)

通過對大量不同類型元器件的故障數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，故障率λ(t)呈“浴盆”曲線特性。經(jīng)過應(yīng)力篩選后，可以認(rèn)為所有的元器件的失效率是恒定不變的，即λ(t)=λ,λ為常數(shù)。

根據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)功能模塊組成，功能模塊為串聯(lián)模型，假定由n個(gè)模塊組成，任何模塊中的元器件的失效都會(huì)導(dǎo)致采集單元的失效。其失效率函數(shù)為：

λs=λ1+λ2+…+λn

(4)

采集單元的元器件組成主要包括片阻、片容、電感、二極管、磁珠、電源管理芯片、電解電容、功能芯片等。通過GJB/Z 299C查詢各類元器件的失效率發(fā)現(xiàn)，電解電容在所有元器件中失效率最高，與其他元器件不在一個(gè)數(shù)量級。元器件失效率如表1所示。

表1 元器件失效率

由以上分析可知，對采集單元可靠性的影響較大的元器件就是電解電容。

以上失效率的分析都是基于正常工作條件，而采集單元運(yùn)行環(huán)境十分惡劣，最主要的影響就是電磁兼容問題。因此，采集單元的硬件可靠性提高主要從提高硬件回路的抗電磁兼容能力及電解電容的使用壽命上著手。

1.2 軟件可靠性分析

智能變電站典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能變電站典型結(jié)構(gòu)圖

一般而言，軟件可靠性認(rèn)為是在一段規(guī)定的自然單元或時(shí)間間隔內(nèi)，軟件能夠無故障正確運(yùn)行的概率。軟件故障主要有以下來源：未認(rèn)真進(jìn)行用戶需求調(diào)查、方案中有錯(cuò)誤、采用不合適的編程語言、編程中存在錯(cuò)誤、規(guī)范錯(cuò)誤、性能錯(cuò)誤、中斷與堆棧操作出錯(cuò)、人為因素等。軟件故障率的呈現(xiàn)不是本文研究的重點(diǎn)。本文主要研究故障對采集單元工程應(yīng)用的影響。

應(yīng)用電子互感器的智能變電站典型結(jié)構(gòu)。合并單元接收電子互感器的數(shù)字信號[8-9]，進(jìn)行合并同步后供全站使用。智能變電站的保護(hù)裝置通過單一合并單元獲取雙A/D數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)運(yùn)算，控制智能終端保護(hù)出口。

電子互感器采樣值數(shù)據(jù)流示意圖如圖3所示。

圖3 電子互感器采樣值數(shù)據(jù)流示意圖

單個(gè)模擬量通道由一個(gè)采集單元完成雙A/D的數(shù)據(jù)采樣，通過光纖發(fā)送至合并單元，合并單元接收多個(gè)采集單元的數(shù)據(jù)，重采樣合并后發(fā)送給保護(hù)裝置使用。

通過分析保護(hù)系統(tǒng)模擬量采樣的數(shù)據(jù)流，可以看出單個(gè)采集單元負(fù)責(zé)雙A/D的數(shù)據(jù)采樣。若采集單元軟件構(gòu)架不考慮硬件異常，在雙A/D處理的公共部分出現(xiàn)異常，極易發(fā)生雙A/D數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)相同異常的現(xiàn)象，導(dǎo)致后端保護(hù)裝置無法判斷出采樣異常，引起保護(hù)裝置誤動(dòng)。

由以上分析可知，采集單元的軟件可靠性提高主要用于解決在嵌入式部分硬件故障時(shí)，采集單元不會(huì)誤發(fā)雙A/D一致性錯(cuò)誤的數(shù)字信號，可避免單一元器件故障造成的電力系統(tǒng)誤動(dòng)。

2 采集單元硬件可靠性設(shè)計(jì)

通過對采集單元硬件可靠性分析，硬件可靠性通過兩個(gè)方面進(jìn)行提升。一方面是通過電磁兼容能力提升，保障在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面是通過降低元器件的失效率，提高整設(shè)備的平均無故障時(shí)間。

2.1 電磁兼容能力提升

由于采集單元電子互感器安裝位置靠近一次側(cè)，一次系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾水平遠(yuǎn)超過電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的干擾水平。在拉合刀閘、切斷感性負(fù)載或接入大容性負(fù)載時(shí)，一次側(cè)產(chǎn)生的電磁干擾尤其強(qiáng)烈[10]。采集單元受到的電磁兼容干擾可以分為兩類。一類干擾能量較大，直接造成元器件損壞；另一類是高頻信號干擾。在試驗(yàn)室環(huán)境下，常用浪涌抗擾度試驗(yàn)和電快速瞬變抗擾度試驗(yàn)來驗(yàn)證裝置的抗干擾能力。

2.1.1 浪涌抗擾度試驗(yàn)

浪涌抗擾度試驗(yàn)的脈沖上升時(shí)間較長，脈寬較寬，不含有較高的頻率成分，因此對電路的干擾以傳導(dǎo)為主。過高的差模電壓幅度容易導(dǎo)致輸入器件擊穿損壞，過高的共模電壓容易導(dǎo)致線路與地之間的絕緣層擊穿。

采集單元使用氣體放電管、壓敏電阻、硅瞬變電壓吸收二極管等專門的浪涌抑制器件對電源及信號回路進(jìn)行了保護(hù)。浪涌抑制器件的一個(gè)共同特性就是阻抗在有浪涌電壓與沒浪涌電壓時(shí)不同。正常電壓下，它的阻抗很高，對電路的工作沒有影響；當(dāng)有很高的浪涌電壓加在它上面時(shí)，它的阻抗變得很低，將浪涌能量旁路掉。

采集單元電源端口抗浪涌電路如圖4所示。

圖4 采集單元電源端口抗浪涌電路

圖4中：G1和G2為氣體放電管；Rvz1～Rvz3為壓敏電阻；F1和F2為空氣開關(guān)； L1為退耦電感；T1為雙向瞬變電壓抑制二極管。第1級采用兩個(gè)壓敏電阻并聯(lián)的差模保護(hù)，兩個(gè)氣體放電管并聯(lián)進(jìn)行共模保護(hù)，第2級采用壓敏電阻和TVS管保護(hù)，將殘壓降低到后級電路能夠承受的水平。共模保護(hù)采用兩個(gè)氣體放電管并聯(lián)構(gòu)成的1級抗浪涌電路。該電路具有較低的輸出殘壓，采集單元后級電路抗浪涌過電壓的能力較弱，一級抗浪涌電路不足以保護(hù)后級的設(shè)備，需要通過二級的抗浪涌電路將殘壓進(jìn)一步降低。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，采用該保護(hù)電路的采集單元能夠承受6 kV的浪涌電壓，超出國標(biāo)規(guī)定的50%。

2.1.2 電快速瞬變抗擾度試驗(yàn)

電快速瞬變抗擾度(electrical fast transient,EFT)試驗(yàn)是由電感性負(fù)載(如繼電器、接觸器等)在斷開時(shí)，由于開關(guān)觸點(diǎn)間隙的絕緣擊穿或觸點(diǎn)彈跳等原因，在斷開處產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾。這種暫態(tài)騷擾能量較小，一般不會(huì)引起設(shè)備的損壞。由于其頻譜分布較寬，會(huì)對裝置的可靠工作產(chǎn)生影響。影響一般分為三種途徑：一是通過電源線直接傳導(dǎo)進(jìn)設(shè)備的電源，導(dǎo)致電路的電源線上有過大的噪聲電壓；二是干擾能量在電源線上傳導(dǎo)的過程中，向空間輻射，這些輻射能量感應(yīng)到鄰近的信號電纜上，對信號電纜連接的電路形成干擾；三是干擾脈沖信號在電纜上傳輸時(shí)產(chǎn)生的二次輻射能量感應(yīng)進(jìn)電路，對電路形成干擾。

針對脈沖群干擾，在干擾的源頭和設(shè)備的入口處安裝共模濾波電容進(jìn)行濾波處理，在信號線上安裝共模扼流圈進(jìn)行吸收處理，并采用了金屬機(jī)箱及屏蔽電纜進(jìn)行外部屏蔽。共模電容將高頻干擾泄放在信號及電源的入口處。共模扼流圈實(shí)際是一種低通濾波器，經(jīng)過調(diào)整扼流圈的匝數(shù)及串聯(lián)兩種不同匝數(shù)扼流圈，吸收兼顧了高頻和低頻干擾。金屬機(jī)箱及屏蔽電纜則對機(jī)箱的敏感電路進(jìn)行了屏蔽保護(hù)。

典型EFT保護(hù)電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 典型EFT保護(hù)電路結(jié)構(gòu)圖

前級 I/O 保護(hù)通過將干擾電壓限制在一個(gè)定值，避免大部分干擾電流流入 I/O 及內(nèi)部電路，致使 I/O 或內(nèi)部電路失效；電源保護(hù)網(wǎng)絡(luò)主要是迅速檢測到VDD 上的高壓或高頻干擾信號在電路破壞前提供一條由 VDD 到 VSS 的低阻通路，將大電流快速地泄放到地。

2.2 設(shè)備壽命提升

按DL/T 725-2013《電力用電流互感器使用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，互感器的設(shè)計(jì)使用壽命不低于30年。對于電子互感器來說，采集單元部分是電子互感器的短板，電子元器件的設(shè)計(jì)壽命一般為10年。由硬件可靠性分析可知，采集單元的設(shè)計(jì)壽命與電解電容的使用有關(guān)。

電解電容是電源回路中常用的部件，一般情況下，一個(gè)極限工作溫度是85 ℃的電解電容，在溫度為20 ℃的條件下工作，可以保證181 019 h的正常工作時(shí)間；而在極限溫度85 ℃的條件下工作，僅僅可以正常工作2 000 h。根據(jù)阿列紐斯方程可知，工作溫度每升高10 ℃，電容的壽命就會(huì)減小一半，所以合適的工作溫度是提高采集單元壽命的有效方法。

通常采用的降低設(shè)備運(yùn)行溫度的方法有：①采用低功耗器件，降低整裝置的功耗；②采用極限工作溫度高的電解電容；③采用適當(dāng)?shù)纳岱椒ǎ虎芴岣唠娫椿芈返霓D(zhuǎn)換效率；⑤優(yōu)化裝置的運(yùn)行環(huán)境。

裝置的運(yùn)行環(huán)境在設(shè)計(jì)階段無法控制，本文在設(shè)計(jì)上采用上述的前4種方法，可以把設(shè)備的溫升控制在18 ℃以內(nèi)。按每年有一半時(shí)間環(huán)境溫度為55 ℃、另一半時(shí)間環(huán)境溫度為25 ℃計(jì)算，裝置的正常工作時(shí)間可達(dá)15年左右，滿足電子元器件的使用壽命要求。

3 采集單元軟件可靠性設(shè)計(jì)

軟件是依附于硬件存在的。本文采用現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)，實(shí)現(xiàn)采集單元硬件設(shè)計(jì)，避免單一元器件異常造成保護(hù)誤動(dòng)的現(xiàn)象。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集單元是電子互感器的數(shù)字輸出部分，根據(jù)IEC 60044標(biāo)準(zhǔn)對電子互感器的定義，采集單元的數(shù)字輸出有兩種技術(shù)方案[11]：一種是采用IEC 61850-9-1所述的以太網(wǎng)；另一種采用曼徹斯特編碼串行傳輸，鏈路層選定IEC 60870-5-1的FT3格式。目前，業(yè)內(nèi)通用的做法是采用第二種數(shù)字傳輸方案。該方案具有簡單可靠、有利于合并單元的實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的采集單元硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 采集單元硬件結(jié)構(gòu)圖

采用Xilinx公司的Spartan6系列FPGA為核心芯片，外擴(kuò)兩片ADI公司的AD7606芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，A/D芯片與FPGA之間采用串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)通信，F(xiàn)PGA通過通用輸入/輸出(general purpose input output，GPIO)模擬2路串行發(fā)送口和一路串行接收口，分別實(shí)現(xiàn)FT3發(fā)送和裝置調(diào)試接口。

單相數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 單相數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

在Q/GDW 1426-2016智能變電站合并單元技術(shù)規(guī)范中，對FT3的應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的定義[12-15]，把數(shù)據(jù)通信格式分為單相數(shù)據(jù)幀、三相數(shù)據(jù)幀兩種。單相數(shù)據(jù)幀的對應(yīng)的報(bào)文類型為單相電流(0x01)、單相電壓(0x02)以及單相電流電壓(0x03)；三相數(shù)據(jù)幀的報(bào)文類型分為三相電流(0x04)、三相電壓(0x05)以及三相電流電壓(0x06)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)用數(shù)據(jù)幀有一個(gè)共同的特點(diǎn)，保護(hù)用模擬量通道的雙A/D數(shù)據(jù)打包在同一個(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)段內(nèi)，如表2中所示的保護(hù)用電流數(shù)據(jù)1、保護(hù)用電流數(shù)據(jù)2。這就要求采集的雙A/D數(shù)據(jù)必然要通過一個(gè)公共環(huán)節(jié)進(jìn)行合并后才可以發(fā)送。若不進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)，當(dāng)公共環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時(shí)，無法避免雙A/D數(shù)據(jù)出現(xiàn)同樣的錯(cuò)誤，導(dǎo)致后端保護(hù)誤動(dòng)。本文通過軟件雙冗余、硬件自檢異常處理等方法，避免此類異常的發(fā)生。

3.2 軟件雙冗余

FPGA采用邏輯單元陣列的概念，通過加載在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(random access memory，RAM)中的配置實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯功能。RAM中的配置是靠語言來描述的，稱為FPGA程序。因此，F(xiàn)PGA程序設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響程序的穩(wěn)定運(yùn)行。通常FPGA程序采用模塊化編程，每個(gè)模塊獨(dú)立完成模塊功能，通過把模塊組合起來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。通過對采集單元系統(tǒng)的分析，必然會(huì)存在公用環(huán)節(jié)，也就是公用模塊。資源最優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 資源最優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7滿足資源最優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度地共用公共資源。常見的異常如FPGA程序時(shí)序約束問題導(dǎo)致的邏輯錯(cuò)誤、FPGA某一邏輯單元硬件異常導(dǎo)致的邏輯錯(cuò)誤、FPGA芯片RAM中某一位異常翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的邏輯錯(cuò)誤等，都有可能造成雙A/D出現(xiàn)一致的錯(cuò)誤，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。

上述的程序結(jié)構(gòu)雖然在程序結(jié)構(gòu)上相對優(yōu)化，但是放到電力系統(tǒng)中，可靠性問題就變得至關(guān)重要了。

為了解決單一元器件不引起誤動(dòng)問題，本文設(shè)計(jì)的軟件冗余結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 軟件冗余結(jié)構(gòu)圖

軟件雙冗余程序結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)打包模塊前的模塊都采用雙冗余設(shè)計(jì)，第一路A/D采集和第二路A/D采集通過不同的邏輯模塊完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理。但在數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)填寫時(shí)，該結(jié)構(gòu)不可避免地使用同一個(gè)處理模塊。因此，該模塊利用FT3報(bào)文中CRC校驗(yàn)功能，以防止單一模塊故障，即發(fā)送緩沖區(qū)中應(yīng)用數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)打包模塊2，而循環(huán)冗余校驗(yàn)來自數(shù)據(jù)打包模塊1。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)模塊出現(xiàn)異常時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致循環(huán)冗余校驗(yàn)失敗，后端的保護(hù)裝置就會(huì)閉鎖保護(hù)，避免單一元器件異常導(dǎo)致誤動(dòng)。

3.3 雙電源自檢解耦

在硬件回路的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)把雙A/D獨(dú)立設(shè)計(jì)，傳感頭輸出的模擬量信號從濾波回路開始獨(dú)立，兩塊A/D芯片分別通過兩個(gè)SPI與FPGA通信，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)的相互獨(dú)立。但由于雙A/D在一塊電路板上實(shí)現(xiàn)，不可避免地會(huì)使用公共資源，如裝置電源。若裝置電源故障，造成A/D芯片的基準(zhǔn)偏移，兩塊A/D的輸出就會(huì)輸出同樣的異常數(shù)據(jù)，必然導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。

為了解決電源異常導(dǎo)致的問題，本文采用分別監(jiān)視裝置電源的方案，通過兩塊A/D同時(shí)對裝置電源進(jìn)行采樣，對兩路電源采樣值的判斷實(shí)現(xiàn)公共資源的解耦。A/D采樣數(shù)據(jù)的異常處理流程如圖9所示。

圖9 異常處理流程圖

當(dāng)總電源回路出問題時(shí)，兩個(gè)A/D回路的電源監(jiān)視采樣值也會(huì)出現(xiàn)偏差，置采樣值品質(zhì)異常。當(dāng)某一塊A/D出現(xiàn)問題時(shí)，對應(yīng)的電源采樣值出現(xiàn)偏差，置對應(yīng)的采樣值品質(zhì)無效，有效避免了采集單元電源回路出現(xiàn)異常時(shí)導(dǎo)致雙A/D同時(shí)出錯(cuò)的可能，以及電源單一元器件出現(xiàn)異常導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)問題。

4 結(jié)束語

電子互感器是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然選擇。采集單元作為電子互感器的薄弱環(huán)節(jié)，特別是單一元器件導(dǎo)致誤動(dòng)隱患，是電力系統(tǒng)無法容忍的缺陷，直接影響電子互感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

本文從電子互感器的應(yīng)用環(huán)境分析其使用采集單元的可靠性要求，分析采集單元硬件和軟件的薄弱點(diǎn)。在硬件方面，從電磁兼容能力提升、設(shè)備壽命提升兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)提出了相應(yīng)的方案；在軟件方面，主要提出了利用軟件解決單一元器件導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)的方案，解決了采集單元雙A/D數(shù)據(jù)共口傳輸不可避免出現(xiàn)公共環(huán)節(jié)的問題，極大地提高了采集單元的可靠性，為電子互感器技術(shù)的發(fā)展和推廣起到積極的作用。