王興++王立春++陳佳永++張普紅++孟會永

摘要：以抵御外部復(fù)雜環(huán)境電磁干擾以及降低系統(tǒng)功耗為主要技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計了一款能夠用于500kV串補(bǔ)平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。從信號輸入端抗電磁干擾處理、低功耗電路設(shè)計、光通訊方式、優(yōu)化軟件設(shè)計等方面出發(fā)，最終設(shè)計完成的采集系統(tǒng)作為高壓串補(bǔ)控制保護(hù)系統(tǒng)的核心部分之一，已經(jīng)成功的應(yīng)用在了500kV串補(bǔ)控制保護(hù)系統(tǒng)裝置平臺上，極大改善了目前串補(bǔ)控保裝置普遍存在的抗干擾能力不強(qiáng)的問題，能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，同時實(shí)測正常工作功率約300mW。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集 電磁干擾 低功耗 高壓串補(bǔ)

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

1 引言[1][2][3]

所謂串補(bǔ)，即交流輸電系統(tǒng)串聯(lián)電容補(bǔ)償。就是將電力電容器串聯(lián)于交流輸電路線中，通過阻抗補(bǔ)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(tǒng)穩(wěn)定性，擴(kuò)大線路輸送容量。

其中，由于串補(bǔ)平臺的對地電壓為線路的相電壓，其電磁環(huán)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(shè)備，測量裝置等受到的干擾較大。同時，高壓串補(bǔ)平臺因受限于絕緣，平臺上設(shè)備需要通過激光方式供能，能耗受限。因此，能夠穩(wěn)定可靠的工作于500kV平臺上的低功耗遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被認(rèn)為是高壓串補(bǔ)裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文針對抵御外部復(fù)雜環(huán)境電磁干擾和降低系統(tǒng)功耗兩個主要目標(biāo)，同時兼顧數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬量采集精度以及光纖通訊可靠性兩個重要指標(biāo)，設(shè)計了一款可以用于電力系統(tǒng)高壓線路串連電容器補(bǔ)償裝置高壓平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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(yōu)化軟件設(shè)計，在保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（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(nèi)。使用該采集系統(tǒng)的串補(bǔ)裝置控制保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)在云南500kV硯山串補(bǔ)站投運(yùn)，并通過了線路短路等各類試驗的驗證，保護(hù)效果正常。

2 硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集部分

考慮到平臺上面復(fù)雜的電磁環(huán)境以及故障時CT回路可能出現(xiàn)的大電流尖峰和大量干擾，當(dāng)某個采樣通道出現(xiàn)突發(fā)大電流情況下，很可能會干擾到其它采樣通道，造成實(shí)際運(yùn)行中串補(bǔ)誤動、退出等嚴(yán)重現(xiàn)象，影響串補(bǔ)穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)行預(yù)處理，同時各采樣通道在前級的信號調(diào)理環(huán)節(jié)需要做過壓保護(hù)和互相隔離，并應(yīng)有針對性的加裝低通濾波器，如圖1。

進(jìn)入采樣系統(tǒng)的信號各個通道獨(dú)立，并需采用如圖2所示的差分方式接入系統(tǒng)板卡，以實(shí)現(xiàn)對外部共模干擾的有效抑制，并對部分極高頻干擾進(jìn)行過濾。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4][5]，串補(bǔ)系統(tǒng)采樣精度需要滿足5‰以上，在滿足保護(hù)響應(yīng)時間以及數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)模擬量采樣。

文獻(xiàn)[2]指出，以往的大量串補(bǔ)現(xiàn)場在實(shí)際運(yùn)行中，均不同程度的出現(xiàn)過由于設(shè)備或保護(hù)動作導(dǎo)致電磁干擾繼而引發(fā)串補(bǔ)保護(hù)裝置通訊中斷、保護(hù)誤動甚或設(shè)備退出等嚴(yán)重現(xiàn)象。新設(shè)計的系統(tǒng)對此問題進(jìn)行了針對性的專門設(shè)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(bǔ)設(shè)備進(jìn)行短路試驗時，控保裝置上的波形記錄。由曲線可以看出，當(dāng)短路故障發(fā)生時，間隙火花電流會突發(fā)達(dá)到上萬安培，必然對平臺上設(shè)備產(chǎn)生空間電磁干擾，但受到干擾的平臺故障電流（經(jīng)變比換算后）受干擾峰值約為一百安培，從峰值和持續(xù)時間上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于保護(hù)定值。同時從錄波曲線的連續(xù)性上可以看出，通訊丟包現(xiàn)象基本不存在，說明即使外部電磁干擾嚴(yán)重的情況下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與地面設(shè)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(shí)現(xiàn)AD采樣控制以及通訊光模塊驅(qū)動，同時保證平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在處理器部分選擇了可編程邏輯器件（CPLD）?？删幊踢壿嬈骷–PLD）具有容易使用、時序可預(yù)測和速度高等優(yōu)點(diǎn)，同時由于過去受CPLD密度限制而無法在大型設(shè)計應(yīng)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(fù)雜且不容易使用的單片機(jī)/CPU方案。

通過權(quán)衡性能、控制程序復(fù)雜度、能耗等因素后，選擇了MAXV系列CPLD芯片作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，并按照圖4的結(jié)構(gòu)來保障多通道采樣的并行控制以及高速光纖通訊的穩(wěn)定。這樣，可以充分利用CPLD的IO靈活配置以及速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時由于選擇的芯片供電系統(tǒng)簡單，可以簡化電源分級和減少外圍電路復(fù)雜度，進(jìn)而降低系統(tǒng)的能量損耗。

2.3 光纖通訊部分

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

而這個光纖通訊環(huán)節(jié)，也是采樣系統(tǒng)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(jù)光纖的實(shí)際光衰和老化特性，適當(dāng)降低發(fā)射光模塊的驅(qū)動電流。而合理的選擇通訊速率，盡可能減少光模塊的發(fā)光時間，也是實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)能耗的重要手段。

2.4 電源部分

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

參考文獻(xiàn)[6]指出，集成電路的功耗p可按照下式進(jìn)行估算：

式中，是集成電路節(jié)點(diǎn)電容，Vdd是工作電壓，為節(jié)點(diǎn)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(guān)系。所以，降低器件工作電壓就可以直接達(dá)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(wěn)定性，加之考慮到供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的簡單化，對采樣系統(tǒng)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(guān)鍵部位選擇小電流差分信號等手段，在降低能耗和系統(tǒng)工作穩(wěn)定性之間取得一個平衡。（如圖5）

由外部向系統(tǒng)直接提供的5V電源，只要經(jīng)過保護(hù)性穩(wěn)壓環(huán)節(jié)即可引入系統(tǒng)中使用，同時選擇高效率穩(wěn)壓器LTC36xx來設(shè)計實(shí)現(xiàn)5V/2.5V，5V/1.8V兩級電源系統(tǒng)，使整個電源系統(tǒng)的能量損耗低于10%。

3 軟件設(shè)計

多通道模擬量的高速采集是所設(shè)計系統(tǒng)的核心功能之一，利用CPLD芯片來設(shè)計實(shí)現(xiàn)AD芯片的SPI驅(qū)動程序，在得到采樣數(shù)據(jù)的同時還可憑借對AD進(jìn)行引腳狀態(tài)監(jiān)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(nèi)部還可增加濾波環(huán)節(jié)，以避免極高頻干擾信號對系統(tǒng)的影響。（如圖6）

借助于CPLD程序能夠并行執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)，使多個模擬量通道能夠同時進(jìn)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(yīng)要求高的功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中，CPLD除將采集的平臺數(shù)據(jù)濾波、打包后與地面設(shè)備進(jìn)行光纖通訊交互外，還可以通過對電源芯片監(jiān)視、環(huán)境溫度采集等子系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shè)計中需要遵循低功耗原則，盡可能使各環(huán)節(jié)電路在大部分工作時間里處于非耗電或低功耗狀態(tài)。例如，通過程序設(shè)計使通訊光模塊在通訊間隔期處于不發(fā)光狀態(tài)，使用的門電路等處于關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)閉不使用的采樣通道工作等手段，盡可能降低常態(tài)下的系統(tǒng)功耗，減輕電源系統(tǒng)負(fù)荷。

4 結(jié)語

專門針對于電力系統(tǒng)高壓串補(bǔ)平臺應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最大可滿足10通道模擬量同時高速采樣、8通道開關(guān)量輸入、8通道開關(guān)量輸出、兼具環(huán)境溫度測量等功能，同時實(shí)測正常工作能耗低于300mW。針對各類干擾而對采樣信號調(diào)理環(huán)節(jié)等進(jìn)行的特殊設(shè)計，使之非常適合在高壓串補(bǔ)平臺的復(fù)雜電磁環(huán)境中使用。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在南方電網(wǎng)云南硯山500kV串補(bǔ)站控保系統(tǒng)中投入運(yùn)行，并在各類測試以及實(shí)際運(yùn)行中均表現(xiàn)良好。

參考文獻(xiàn)

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

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

[4]GB/T 50063-2008電力裝置的電測量儀表裝置設(shè)計規(guī)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(shè)計的多通道數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)[J].機(jī)械與電子，2008（7）：16-18.