游昊，石恒初，楊遠(yuǎn)航，李銀銀，朱青成，徐騰飛

（1.云南電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650011；2.山東山大電力技術(shù)股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

由于能源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡，高壓直流輸電大容量、遠(yuǎn)距離的輸電優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)“西電東送，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略中發(fā)揮了重要作用[1-4]。多端直流輸電系統(tǒng)是指含有多個(gè)整流站或多個(gè)逆變站的直流輸電系統(tǒng)，它與交流系統(tǒng)有多個(gè)連接端口，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)電源區(qū)域向多個(gè)負(fù)荷中心供電，其換流站可以在整流與逆變之間切換，為電網(wǎng)提供了一種更為靈活、快捷的輸電方式。柔性直流輸電技術(shù)是基于可關(guān)斷電力電子器件，通常是絕緣柵雙極型晶體管（insulated-gate bipolar transistor，IGBT），及電壓源型換流器的新型直流輸電技術(shù)，其具有能向無源系統(tǒng)供電、具備動(dòng)態(tài)無功支撐能力、無需交流濾波裝置等諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。發(fā)展多端柔性直流輸電技術(shù)，是解決我國(guó)能源利用問題、發(fā)展我國(guó)柔性直流輸電技術(shù)的必然趨勢(shì)[5-6]。為配合柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)的研究，研究用于柔性直流輸電調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)的專用現(xiàn)場(chǎng)便攜式檢修測(cè)試和故障分析技術(shù)，開發(fā)便攜式檢修測(cè)試和故障分析系統(tǒng)，對(duì)提高柔性直流輸電二次系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)工作效率具有重要意義。

由于換流站的特殊性，不同區(qū)域設(shè)備的故障有其自己的特點(diǎn)，并且直流核心設(shè)備的故障形式和機(jī)理與交流系統(tǒng)中的一般元件有很大差別，雖然國(guó)外眾多廠家也推出來不少應(yīng)用于直流系統(tǒng)的故障錄波系統(tǒng)，如ABB技術(shù)路線的直流換流站控制保護(hù)系統(tǒng)中，故障錄波的分析與診斷主要依賴于SCADA系統(tǒng)中工程師工作站所提供的數(shù)據(jù)，而國(guó)內(nèi)的主流廠家針對(duì)直流系統(tǒng)推出故障錄波裝置，主要集中于數(shù)字FT3信號(hào)的采集，模擬部分采樣率只有20 kHz，不能滿足柔性直流輸電對(duì)高采樣率的要求[7-8]。

為了解決上述問題，本文采用Maxim公司MAX11901模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，TI公司的OPA2350運(yùn)放芯片，ADI公司的ADuM6401數(shù)字隔離芯片等設(shè)計(jì)了一套高精度、高采樣率的模擬采樣電路。

1 方案設(shè)計(jì)

目前故障錄波裝置模擬采樣率一般不超過20 kHz，為實(shí)現(xiàn)500 kHz采樣速率，通用方案主要有2種：并行雙通道實(shí)時(shí)采樣（也稱為并行雙通道時(shí)間交替采樣）和單通道實(shí)時(shí)采樣[9-10]。

并行雙通道實(shí)時(shí)采樣是將被采樣信號(hào)同時(shí)接入兩個(gè)完全一樣的采樣電路，這兩個(gè)采樣電路采樣頻率為要求頻率的一半。一個(gè)在時(shí)鐘上升沿采樣，另外一個(gè)在時(shí)鐘下降沿采樣。并且第二個(gè)時(shí)鐘要比第一個(gè)時(shí)鐘延遲180°。兩套系統(tǒng)采樣結(jié)果合起來的采樣頻率即為所要求的頻率[11]。具體來說所要求的采樣頻率為500 kHz，周期為2 μs。同時(shí)接入兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converters，ADC），采樣頻率為250 kHz，周期為4 μs，通過時(shí)鐘的相位延遲實(shí)現(xiàn)延遲2 μs。這樣在4個(gè)μs的時(shí)間內(nèi)就可以采樣兩次數(shù)據(jù)，達(dá)到了500 kHz的采樣頻率。這種方案既有效地提高了系統(tǒng)的采樣率又降低了對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)囊?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了500 kHz的采樣率。缺點(diǎn)是需設(shè)計(jì)兩套相同的采樣電路和時(shí)鐘信號(hào)，電路和算法復(fù)雜。

單通道實(shí)時(shí)采樣是指采用1個(gè)500 kHz的采集通道工作，優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸速率要求較高。

并行雙通道實(shí)時(shí)采樣方案需要2個(gè)完全一樣采樣頻率大于500 ksps的ADC，控制邏輯也比較復(fù)雜，需要把時(shí)鐘進(jìn)行相位延遲，然后在程序內(nèi)部將2片AD的采樣結(jié)果再合成為1個(gè)采樣結(jié)果，單通道實(shí)時(shí)采樣方案需要1個(gè)采樣頻率大于1 Msps的ADC，只要CPU的處理速度滿足要求，控制邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，

經(jīng)分析500 ksps和1 Msps的ADC價(jià)格以及裝置的CPU性能，考慮到裝置的整體設(shè)計(jì)情況，選用了單通道實(shí)時(shí)采樣方案，方案如圖1所示。

圖1 方案框圖Fig.1 The block diagram of the project

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 AD采樣電路設(shè)計(jì)

ADC芯片選用了Maxim公司的MAX11901芯片，MAX11901是一款16位、1.6 Msps單通道、帶內(nèi)部參考緩沖器的全差分逐次逼近型（successive approximation register，SAR）ADC[12]。電源包括參考緩沖器的3.3 V電源、1.8 V模擬電源、1.8 V數(shù)字電源和1.5～3.6 V數(shù)字接口電源，通過串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）方式與控制芯片通訊，可以達(dá)到95.2 dB的信噪比（signal noise ratio，SNR）和-115 dB的總諧波失真（total harmonic distortion，THD），保證了16位分辨率。

為了保證采樣精度，ADC參考電源選擇外部輸入?yún)⒖茧娫捶绞?，選用了ADI公司的ADR3430電源芯片，ADR3430A為低成本、低功耗、高精度的基準(zhǔn)電壓源，具有±0.1%的初始精度、低工作電流和低輸出噪聲特性，采用SOT-23（small outline transistor-23，小外形晶體管封裝）小型封裝。在電路中輸入內(nèi)部參考電源3.3 V（3.3 V_ISO），輸出3 V基準(zhǔn)參考電源（3V_REF）。

工作電源選用了TI公司的TLV7111518D電源芯片，TLV7111518D為雙通道、低壓降線性穩(wěn)壓器（low dropout regulator，LDR），在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供了2%的典型準(zhǔn)確度。在電路中產(chǎn)生1.8 V和1.5 V電源。其中1.8 V電源提供給MAX11901模擬部分AVDD（1.8 V_ISO）和數(shù)字部分DVDD（1.8 V_ISO）。1.5 V電源提供給采樣電路做直流參考源（1.5 V_ISO）。

AD的數(shù)字接口電源OVDD（3.3 V_ISO）同樣用內(nèi)部參考電源3.3 V提供。

為了實(shí)現(xiàn)外部輸入和內(nèi)部電路的隔離選用了ADI公司的ADuM6401數(shù)字隔離芯片，AD-uM6401為isoPower集成式隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，具備4路直流至25 Mbps（NRZ）信號(hào)隔離通道，在電路中將SPI信號(hào)、電源、地進(jìn)行隔離。

2.2 大信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)

便攜裝置需要采樣的模擬信號(hào)包括直流電壓、直流電流、交流電壓和交流電流4種。若以采樣電路形式而分可以分為大信號(hào)采樣電路和小信號(hào)采樣電路。

大信號(hào)采樣電路的采樣信號(hào)主要包括0～180 V AC，0～400 V AC，0～100 A AC，0～20 V DC，0～200 V DC，0～2 000 V DC；小信號(hào)采樣電路的采樣信號(hào)主要包括0～200 mV DC，0～20 mA DC。

MAX11901的規(guī)格書上要求輸入范圍為：（AN+）-（AN-）∈[-3，3]V，AN∈[-0.1，3.1]V。為了使?jié)M足精度、采樣范圍、輸入阻抗、不同輸入電壓等的要求，運(yùn)放選用了TI公司的OPA2350單電源、雙通道、高精度的運(yùn)放芯片，采用3.3 V供電。為了滿足交流電壓輸入和運(yùn)放輸入電壓的要求，設(shè)計(jì)了1.5 V的直流參考電源[13-15]。

大信號(hào)采樣電路的具體電路如圖2所示，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，R1=R2，R3=R4=4.99 kΩ。

圖2 電壓采樣電路原理圖Fig.2 Schematic of the voltage sampling circuit

根據(jù)基爾霍夫定律和運(yùn)放“虛短”和“虛斷”，由圖2可以得到：

式中：VIP為輸入差分電壓正輸入端（U1_P）電壓；VAP為U1A同相輸入端（AP）電壓。

式中：VIN為輸入差分電壓負(fù)輸入端（U1_N）電壓；VBP為U1B同相輸入端（BP）電壓。

式中：VAO為U1A輸出端（AO）電壓；VAN為U1A反相輸入端（AN）電壓。

式中：VBO為U1B輸出端（BO）電壓；VBN為U1B反相輸入端（BN）電壓。

由式（1）～式（4）可以得到以下公式：

式中：PR1為R1電阻承受的功率。

在實(shí)際使用時(shí)，可以選擇R1和R2的阻值和功率來適應(yīng)不同類型輸入信號(hào)。且一般要求電阻功率≥2×電阻實(shí)際承受的功率。

下面以0～180 V AC輸入為例來計(jì)算R1和R2的阻值和功率。

0～180V交流電壓輸入時(shí)，輸入電壓Vin∈[-254.52，254.52]V，需滿足運(yùn)放輸出電壓范圍和ADC引腳輸入范圍要求，即

則可以得到：R1=R2≥418 kΩ，即0～180 V交流電壓輸入時(shí)，R1和R2至少選用418 kΩ以上，采樣電路才能采樣0～180 V交流電壓，實(shí)際應(yīng)用中選擇R1=R2=499 kΩ。則

則R1，R2的電阻功率至少要達(dá)到0.13 W。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮實(shí)際情況選用了0.5 W功率的電阻。

交流電流采樣選用是電流鉗方案，內(nèi)部采用互感器方式采樣，將交流電流轉(zhuǎn)換為交流電壓輸出，電流鉗具體采用的指標(biāo)為：10 mV∕A，最大采樣范圍為100 A。則電流鉗輸出電壓范圍為0～1 V，輸入電壓VIN∈[-1.414，1.414]V。因此不需要分壓。R1=R2=0 Ω，功率同樣選擇了0.5 W。則

以此類推其余輸入信號(hào)的采樣電阻如表1所示。

表1 大信號(hào)采樣電路參數(shù)值Tab.1 Large signal sampling circuit parameters

2.3 小信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)

小信號(hào)采樣電路的采樣信號(hào)主要包括0～200 mV DC，0～20 mA DC。電阻功率統(tǒng)一選擇為0.25 W。具體電路如圖3所示。

圖3 小信號(hào)采樣電路原理圖Fig.3 Small signal sampling circuit schematic

2.4 電阻漂移解決方案

2.2節(jié)、2.3節(jié)中對(duì)電阻參數(shù)的取值進(jìn)行了研究，但是實(shí)際應(yīng)用中的電阻是有誤差的，這種誤差主要由兩方面構(gòu)成，一是電阻本身的精度誤差即電阻的精度，另一方面是電阻阻值會(huì)隨著溫度變化而變化即電阻的溫度系數(shù)。

電路設(shè)計(jì)的精度要求是0.5%，滿足這個(gè)技術(shù)指標(biāo)要從以下兩個(gè)方面來進(jìn)行處理：

1）選用高精度的運(yùn)放和電阻，運(yùn)放選用了TI的OPA2350，電阻方面考慮體積、精度、價(jià)格等各方面因素，選用了Viking的高精度金屬膜電阻CSR0207系列，電阻精度0.5%，電阻溫度系數(shù)TCR=25 ppm∕℃；

2）整定，雖然選用了高精的運(yùn)放和電阻，但各個(gè)元器件之間還是有誤差，不過焊接完成后這個(gè)誤差就固定了，因此為了采樣結(jié)果中減少這個(gè)誤差，在使用之前對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行整定，先把參數(shù)誤差標(biāo)定記錄下來，正式使用時(shí)再用整定后的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以進(jìn)一步減小誤差。

3 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

按照第2節(jié)的設(shè)計(jì)，完成裝置的生產(chǎn)后，重點(diǎn)測(cè)試相關(guān)電路的精度和采樣率是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1 采樣電路精度測(cè)試

精度測(cè)試分為常規(guī)采樣測(cè)試和諧波采樣測(cè)試。常規(guī)采樣時(shí)輸入幅值變化、頻率固定（交流信號(hào)頻率固定為50 Hz）的模擬量。諧波采樣輸入幅值固定、頻率變化（只測(cè)交流信號(hào)）的模擬量。

針對(duì)不同輸入電壓和電流，分別通入裝置，記錄實(shí)時(shí)監(jiān)視數(shù)據(jù)并計(jì)算相對(duì)誤差。

3.1.1 常規(guī)采樣精度測(cè)試

因篇幅關(guān)系，測(cè)試數(shù)據(jù)只列出了直流0～20 mA和交流0～400 V數(shù)據(jù)，如圖4、圖5所示。按照《GB∕T 14598.301—2020電力系統(tǒng)連續(xù)記錄裝置技術(shù)要求》中5.5.6的要求，交流信號(hào)相對(duì)誤差≤0.5%。直流信號(hào)相對(duì)誤差≤1%，根據(jù)圖4、圖5的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果如表2所示。

圖4 直流0～20 mA輸入采樣結(jié)果及相對(duì)誤差Fig.4 DC 0～20 mA input sampling results and relative error

圖5 交流0～400 V輸入采樣結(jié)果及相對(duì)誤差Fig.5 AC 0～400 V input sampling results and relative error

表2 常規(guī)采樣測(cè)試結(jié)果Tab.2 Conventional sampling test results

3.1.2 諧波采樣精度測(cè)試

諧波測(cè)試時(shí)，輸入額定Un為57.735 V∕50 Hz，各次諧波含量為20%Un即11.547 V。輸入額定In為5 A∕50 Hz，各次諧波含量為20%In即1 A。

由于篇幅關(guān)系，測(cè)試數(shù)據(jù)只列出了0～400 V數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 交流0～400 V輸入諧波采樣結(jié)果及相對(duì)誤差Fig.6 AC 0～400 V input harmonic sampling results and relative error

按照《GB∕T 14598.301—2020電力系統(tǒng)連續(xù)記錄裝置技術(shù)要求》中5.5.6.10的要求：裝置應(yīng)具備25次及以下諧波分析功能，諧波分量測(cè)量誤差不大于5%。根據(jù)圖6的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果如表3所示。

表3 諧波采樣測(cè)試結(jié)果Tab.3 Harmonic sampling test results

由圖4～圖6可以看出，本文設(shè)計(jì)的模擬信號(hào)隔離采樣電路在各種輸入信號(hào)和范圍時(shí)，幅值和諧波精度較高，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.2 500 kHz采樣率測(cè)試

本文的另一個(gè)核心設(shè)計(jì)目標(biāo)為500 kHz采樣率設(shè)計(jì)，將交流電壓通道接入額定電壓，啟動(dòng)錄波并分析，220 kV正河線合并單元A套PCS221CB各相電壓錄波圖如圖7所示。

圖7 故障錄波波形Fig.7 Fault recorded waveforms

在圖7中，實(shí)線游標(biāo)為第109 999個(gè)采樣點(diǎn)，虛線游標(biāo)為第110 000個(gè)采樣點(diǎn)。兩個(gè)采樣點(diǎn)之間相差 0.002 ms，即 2 μs，采樣頻率為 500 kHz。達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于便攜錄波裝置的模擬信號(hào)隔離采樣電路方案，此方案采用單通道ADC芯片，通過簡(jiǎn)單的電阻匹配適應(yīng)用交直流電壓和直流電流等信號(hào)。設(shè)計(jì)了相關(guān)裝置，對(duì)各種輸入信號(hào)的常規(guī)采樣、諧波采樣和采樣率進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證明了本文提出的采樣方案具有很高的精度同時(shí)具備了國(guó)內(nèi)最高的故障錄波采樣率。目前本方案已經(jīng)批量使用于相關(guān)裝置，并得到了良好的應(yīng)用效果。