特高壓直流輸電閥基電子設備光通道的可靠性設計和應用研究

賴桂森， 陳子明， 陳浩， 劉虹， 胡義， 陳海鋒， 張俊

(1.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510405；2.華南理工大學，廣東 廣州 510640；3.中電普瑞電力工程有限公司，北京 102200)

0 引 言

截至2020年3月，我國共有25條在運特高壓線路、7條在建特高壓線路以及7條待核準特高壓線路。隨著特高壓直流輸電工程的增多，實現直流工程優質投運及安全穩定送電，減少非計劃停運，成為提高特高壓直流工程可靠運行的關鍵[1-4]。換流閥閥控設備是直流輸電工程二次系統中的核心元件[5-6]，其關鍵器件在長時間連續通電的情況下運行，受到環境條件變化(溫度和濕度)的影響，閥控設備光通道出現異常的風險會逐步提高，觸發與監測板上光發射器的輸出功率降低，信號出現畸變，會導致換流閥晶閘管不能正常導通和關閉。現有的閥基電子設備，由于缺乏光通道的監測數據，無法及時發現光功率器件失效等狀態變化，從而導致換流閥運行故障[7-9]。本文提出的閥基電子設備光通道硬件優化設計，通過采集光功率數據，可得到發射器件的耦合功率，并以此作為光通道可靠運行的重要判定依據。當閥基電子設備光通道存在運行風險時，通過光功率的檢測和預測，可以有效評估光通道運行狀況，并制訂合理的檢修計劃，縮短換流閥停電時間，有效節省人力物力。

1 觸發與監測板的光通道

換流閥的觸發和監視功能主要由閥基電子設備(valve base electronics equipment, VBE)和晶閘管監測單元(thyristor trigger and monitor unit, TTM)來實現，換流閥和VBE通過觸發與監測板和TTM之間的光通道進行連接[10]。觸發與監測板的光通道和換流閥晶閘管級采用一一對應方式，通過回報通道監測每一級晶閘管回報信號，判斷晶閘管級的工作狀態。通過觸發通道向每一塊TTM發送觸發脈沖，使晶閘管導通[11]。觸發與監測板光通道結構示意圖如圖1所示。

圖1 光通道結構示意圖

2 現有光通道的設計

隨著高壓/特高壓直流輸電迅猛發展，我國已開展大量直流工程關鍵設備狀態在線監測技術的研究，國內現有的VBE系統光通道的監測手段較為匱乏，僅限于光通道好與壞的判斷，無法實現光通道數據的監測、分析，限制了光通道可靠性評估和光收發器件故障機理的分析[12-13]。

目前A5000型VBE的觸發與監測板采用驅動芯片直接控制光發射器的導通和關閉，通過觸發光通道輸出觸發脈沖信號；通過回報光通道接收TTM的回報信號，采集光接收器的輸出電平變化，實現晶閘管級狀態的監測。發射器和接收器的原理如圖2和圖3所示。

圖2 觸發與監測板發射器原理圖

圖3 觸發與監測板接收器原理圖

光通道信號輸出和監測只針對傳送信號狀態的結果，沒有對光通道自身參數進行監測。光通道傳送異常時無法區分是光通道自身還是換流閥或是VBE的運行狀態出現故障。增加光通道自身的監測，對監測數據進行分析可以預測光通道不穩定因素，提前制訂相應的應對措施，提高光通道傳輸的可靠性。

3 光通道的硬件優化設計

為了對光通道自身狀態進行監測，觸發與監測板光收發器采用具備數字診斷功能的智能小型可插拔(small form pluggable, SFP)光模塊實現光通道的數據采集[14-16]。SFP光模塊是SFP封裝的熱插拔小封裝模塊，最高速率可達10.3G，接口為LC。SFP光模塊體積較小，可以在相同的面板上配置增加端口數量，且便于更換。SFP憑借其小型化低成本等優勢滿足了設備對光模塊高密度的需要。

SFP光模塊通過內部集成IC芯片采集光模塊的狀態數據，控制系統采用I2C總線接口讀取SFP光模塊輸出數據[17]。光收發模塊的原理如圖4所示，SDA為I2C總線數據，SCL為外部時鐘，MODS為光模塊選擇信號。

圖4 SFP光模塊原理圖

4 光通道監視

觸發與監測板可以通過智能SFP光模塊的I2C總線接口獲得光通道自身的運行參數，其中SFP光模塊采樣數值經過數據轉換后可以得到光收發模塊的耦合光功率值。

4.1 監視回路

每個觸發與監測板包含多個SFP光模塊，每個SFP光模塊和1個TTM一一對應，控制和監視一級晶閘管級[18]。觸發與監測板的核心芯片使用SFP光模塊的選擇信號切換不同的SFP光模塊，實時監測每一個SFP光模塊；通過I2C總線接口采集SFP光模塊的數據，采集速率為每20 ms采集1次，數據內容包括光收發模塊的溫度，供電電源電壓，接收平均功率等實時信息。觸發與監測板獲取光通道信號后，根據實際信號形式，光功率經過數據轉換得到耦合光功率值，與光收發模塊的溫度、電源電壓等光通道的狀態信息上傳到后臺顯示。觸發與監測板光通道檢測的結構如圖5所示。

圖5 觸發與監測板光通道監視

核心芯片與光模塊之間的通信協議SFF-8472定義了數據傳輸的詳細信息。將模塊的EEPROM劃分出2個256字節的存儲單元，地址分別為A0h和A2h。存儲單元A0h用于存儲SFP模塊的一些通用信息，如模塊類型、序列號、生產日期、傳輸波長和傳輸長度等。存儲單元A2h用于存儲實時監控到的模塊溫度、電源電壓和接收光功率的數字化測量結果，以及對這些監控數據進行校準的常數，此外還包括了警告標志或警告條件的存儲空間。

接收光功率以mW為單位，用16位無符號整型來表示(0～65 535)，1LSB等于0.1 μW，整個范圍是0～6.553 5 mW(-40 dBm～+8.2 dBm)。參照光通道的波長，在給定的溫度和電壓范圍內，接收光功率的誤差不超過±3 dBm。

SFP光模塊通過輸入接口監控上報參數是否在正常的范圍內，參數有兩級告警，分別稱作Alarm和Warning告警，而每一級又分High和Low兩個告警，當監控的參數超出設置的Alarm和Warning閾值時，就會于相應的標志位，產生告警。

SFP光模塊采集的光通道信息都將通過I2C總線輸送到觸發與監測板核心芯片，經過數據處理后上傳至后臺顯示和分析。

4.2 光功率監測

SFP光模塊耦合光功率與接收信號的波形、I2C通信配置以及光功率數據的采集方式有關。當換流閥晶閘管狀態不同時，TTM板返回的狀態信號不同。換流閥正常工作時，TTM返回周期脈沖信號；晶閘管級電壓過高時，TTM返回過壓保護回報脈沖信號。SFP光模塊常高電平條件下耦合光功率計算公式如下：

(1)

式中：N為數據上傳頻率與采集頻率的比值；PC(H)為常高電平下的耦合功率；T為回報信號周期；t為周期內脈沖信號寬度；p為SFP光模塊的實時光功率。

觸發與監測板SFP光模塊的I2C總線頻率設置為400 kHz，采樣平均時間常數為100 kHz。觸發與監測板周期20 ms采集1次光模塊的數據，經過數據處理后每1 s向后臺輸出耦合功率數值。由此可計算得出SFP光模塊耦合光功率。

5 光功率檢測裝置

觸發與監測板接收通道的光功率可以通過SFP光模塊進行監視，發射通道的光功率可以通過外置的光功率檢測裝置進行檢測。

5.1 工作原理

光功率檢測裝置用于測量觸發與監測板SFP光模塊的光發射功率。檢測裝置輸出多路控制信號,控制觸發與監測板光信號的輸出，然后通過SFP光模塊采集光信號功率，光功率采集原理、數據轉換和觸發與監測板的光功率監測一致。檢測裝置的控制系統獲得光功率數據以后，通過以太網上傳至人機交互系統，并通過上位機操作可以對采集光功率數據進行保存和分析[19-21]。檢測裝置系統結構如圖6所示。

圖6 光功率檢測裝置原理圖

5.2 工作模式

觸發與監測板只能采用離線方式進行發射通道光功率檢測。當觸發與監測板為光功率測試程序時，光功率檢測裝置投入測試模式。當觸發與監測板為實際工程程序時，光功率檢測裝置投入工程檢測模式。通過2種不同模式對觸發與監測板光功率進行檢測和校準。

5.3 工程應用

換流閥投運后，由于觸發與監測板的發射器件處于長期運行狀態，發射功率必然出現一定程度的衰減。檢測觸發與監測板的發光功率，對測量數據進行分析得到光功率的變化曲線，預測光功率的衰減趨勢，使光功率值滿足光通道正常運行的范圍，將有助于觸發與監測板光通道的可靠運行[22]。

光功率檢測裝置除了可以采集光功率外，還可以采集SFP光模塊的編號，通過獲取編號信息可以建立每一個SFP光模塊全周期的光功率曲線。

1) 觸發與監測板生產過程

板卡運行測試程序使光發射器輸出常高電平的光信號，使用檢測裝置可以得到每一個SFP光模塊的耦合功率，根據該耦合功率值可以提前排查不滿足光通道正常運行條件的SFP光模塊。

2) 觸發與監測板出廠測試

板卡運行工程程序，檢測裝置通過多路控制信號使觸發與監測板的光發射器輸出正常觸發脈沖光信號，同時檢測光信號的光功率。經過數據轉換后，得到SFP光模塊的耦合功率，以此耦合功率作為初始值開始記錄光功率變化曲線。如果初始值的裕度較小時，投運后作為優先檢測對象，判斷光功率值是否滿足光通道可靠條件。

3) 觸發與監測板投運后

定期對電路板進行檢測，記錄檢測周期和耦合功率數值，建立所有SFP光模塊的光功率檢測數據庫。通過對所有光功率數據(包括已經出現異常通道的光功率值)進行數據分析，可以歸納總結光功率全周期的變化規律[23]。

總之，通過3個階段光功率的測量，就可以繪制每一個SFP光模塊經過工程運行后實際光功率變化曲線。根據光功率變化情況，可以預測光功率的變化趨勢。為了保證光通道可靠運行，預測下一個檢測周期的光功率，在不滿足正常運行條件前，制訂合理的停電檢修計劃[24]，對不符合功率要求的SFP光模塊進行更換，保證觸發與監測板光通道的穩定運行。

6 結束語

本文基于觸發與監測板光通道硬件優化設計，結合實際信號形式，對光功率的檢測數據進行處理和轉換，得到發射器件的耦合功率，并以此作為光通道可靠運行的重要判定依據。結合觸發與監測板的應用和周期檢測，建立全周期的光功率數據庫，以此繪制光功率衰減曲線，預測光功率變化趨勢，評估光通道運行狀況并制訂合理檢修計劃。通過光功率的檢測和預測，可以有效評估光通道的運行狀態，提升光通道的可靠性和穩定。光通道的檢測和預判方法，有效降低了光通道運行風險，具有極大的推廣意義。