避雷計(jì)數(shù)光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)及可靠性分析

赤峰學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院　王智軍

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避雷計(jì)數(shù)光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)及可靠性分析

赤峰學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院王智軍

【摘要】110kV及以上輸變線路需要有效避雷，安裝了大量的避雷器，避雷器是否正常工作直接影響著電力系統(tǒng)的安全。避雷器工作狀態(tài)一般是通過統(tǒng)計(jì)其放電次數(shù)來(lái)確定的，采用的設(shè)備是放電動(dòng)作計(jì)數(shù)器，如何將基于光纖傳輸?shù)姆烹姅?shù)據(jù)及時(shí)有效的處理接收，為控制中心提供決策依據(jù)，成為了避雷器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要問題。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可靠穩(wěn)定的光纖信號(hào)接收轉(zhuǎn)換處理設(shè)備，能將光纖信號(hào)可靠轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)識(shí)別和處理的電信號(hào)，符合設(shè)計(jì)要求，適應(yīng)電力系統(tǒng)中110kV及以上輸變線路上的惡劣環(huán)境。還利用Markov過程分析和計(jì)算了轉(zhuǎn)換器的可靠性，結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求。

【關(guān)鍵詞】光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換；冗余設(shè)計(jì)；可靠性分析；狀態(tài)檢測(cè)

0　引言

避免雷擊對(duì)于110kV及以上輸變線路很重要，因此需要安裝大量的避雷器。而評(píng)價(jià)避雷器工作狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)就是它的放電動(dòng)作，通常的方法是記錄統(tǒng)計(jì)避雷器的放電次數(shù)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器工作狀態(tài)的檢測(cè)[1]。可靠穩(wěn)定的采集避雷器的放電次數(shù)，可以用來(lái)推斷避雷器的工作狀態(tài)和剩余壽命，同時(shí)也能夠反映出避雷器限制過電壓效果、系統(tǒng)過電壓情況。怎樣將放電動(dòng)作計(jì)數(shù)器記錄的數(shù)據(jù)及時(shí)有效的傳輸給控制中心，也逐漸成為了避雷器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[2]。目前110kV及以上輸變線路上的避雷器放電次數(shù)的數(shù)據(jù)采集主要使用人工觀察計(jì)數(shù)器次數(shù)結(jié)果的方式，然后進(jìn)行后期制作成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表格供決策部門參考。這種方式容易受到觀察者自身因素的影響，造成誤讀、漏讀、出錯(cuò)等問題，并且耗用時(shí)間長(zhǎng)，不能做到實(shí)時(shí)檢測(cè)[3]。因此利用光纖傳感器對(duì)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、傳輸，這種方法速度快、容量大、傳輸穩(wěn)定，目前被廣泛使用。但是，光纖信號(hào)傳輸?shù)交睾?，如何可靠穩(wěn)定的接收光纖信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和處理的弱電信號(hào)，是光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的一個(gè)難點(diǎn)問題，特別是在電力系統(tǒng)中，通常需要達(dá)到嚴(yán)格的工作環(huán)境要求[4][5]。完成這樣功能的即為光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換器。本文利用硬件功能冗余技術(shù)[6]來(lái)保證光纖信號(hào)轉(zhuǎn)化器的高可靠性工作。

1　系統(tǒng)總體方案及框架設(shè)計(jì)

信號(hào)轉(zhuǎn)換器的作用是將放電計(jì)數(shù)器的光信號(hào)接收并轉(zhuǎn)換成符合要求的電信號(hào)，光信號(hào)為波長(zhǎng)850nm的10～80ms紅外光脈沖信號(hào)，采樣的光纖信號(hào)波形如圖1所示。轉(zhuǎn)換器與避雷計(jì)數(shù)器之間通過光纜連接，光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換器與其它設(shè)備連接示意圖如圖2。避雷器計(jì)數(shù)器通過光纜將紅外光脈沖信號(hào)傳輸給光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器接收到光脈沖信號(hào)以后，處理轉(zhuǎn)換成10ms的電脈沖信號(hào)，通過電導(dǎo)線向下一級(jí)設(shè)備發(fā)送該信號(hào)。

圖1 光纖信號(hào)采樣圖

圖2 光電轉(zhuǎn)換設(shè)備與其它設(shè)備連接示意圖

為了實(shí)現(xiàn)光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換，信號(hào)轉(zhuǎn)換器的整體設(shè)計(jì)方案可以分為以下三種：

（1）簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯電路+模擬電路濾波。直接利用模擬電路進(jìn)行處理，利用光接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成TTL數(shù)字電路邏輯信號(hào)，利用積分電路進(jìn)行積分處理，當(dāng)積分電平達(dá)到一定域值（時(shí)間>2ms），觸發(fā)后續(xù)的固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)放大電路。

（2）數(shù)字邏輯電路+CPLD（可編程邏輯陣列）+晶振（時(shí)鐘源）+驅(qū)動(dòng)放大電路。直接用數(shù)字電路和一個(gè)可編程邏輯陣列（CPLD）以及一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘源，利用CPLD做一個(gè)數(shù)字積分和邏輯計(jì)算。并根據(jù)計(jì)算的結(jié)果驅(qū)動(dòng)后續(xù)的固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)放大電路。

（3）數(shù)字邏輯電路+MCU+驅(qū)動(dòng)放大電路。利用MCU（單片機(jī)、ARM處理器）進(jìn)行處理。根據(jù)處理的結(jié)果驅(qū)動(dòng)后續(xù)的固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)放大電路。

根據(jù)整個(gè)設(shè)備的特點(diǎn)和應(yīng)用的場(chǎng)合，第三種方案設(shè)計(jì)靈活，可靠性高，而且增加了轉(zhuǎn)換器的靈活性和可維護(hù)性。

2　關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

信號(hào)轉(zhuǎn)換器需要同時(shí)接收處理12路光信號(hào)，硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，將輸入光藕和輸出端子進(jìn)行功能劃分進(jìn)行獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)。同時(shí)模塊之間的電路連接通過可靠排線進(jìn)行聯(lián)接。這樣不僅增強(qiáng)了設(shè)備的可靠性，而且提高其維修性。設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

硬件主要由光電轉(zhuǎn)換輸入模塊、邏輯處理模塊、驅(qū)動(dòng)輸出模塊、電源模塊和機(jī)箱組成。為了保證惡劣條件下的可靠工作，采用了冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1主要硬件模塊

2.1.1光電轉(zhuǎn)換輸入模塊

根據(jù)接收光信號(hào)的數(shù)量，12路光電轉(zhuǎn)換輸入模塊安裝在一塊光信號(hào)輸入電路板上，12路光信號(hào)通過轉(zhuǎn)換輸入模塊的接收處理轉(zhuǎn)換成邏輯電路識(shí)別的電信號(hào)，輸入到嵌入式處理器中。

2.1.2邏輯處理模塊

邏輯處理模塊由嵌入式處理器及外圍電路組成。完成對(duì)輸入電信號(hào)的數(shù)字處理，并按照預(yù)定的狀態(tài)輸出到驅(qū)動(dòng)放大電路，以控制固態(tài)繼電器的狀態(tài)。

2.1.3驅(qū)動(dòng)輸出模塊

驅(qū)動(dòng)輸出模塊的作用是增強(qiáng)邏輯電路的電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器輸出10ms的電脈沖信號(hào)，脈沖上升延時(shí)和下降延時(shí)不大于0.5ms。固態(tài)繼電器基座采用電路板基座的形式，繼電器通過基座固定在電路板上。在系統(tǒng)斷電和初始情況，固態(tài)繼電器處于斷開的狀態(tài)。

2.1.4電源模塊

電源模塊采用110V直流電源輸入的方式，通過DC/DC模塊將電壓直接轉(zhuǎn)換成5V直流電源供邏輯電路使用。5V電源通過電源選擇電路輸出供邏輯電路用。

2.1.5機(jī)箱結(jié)構(gòu)和布局

機(jī)箱采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1U機(jī)箱，尺寸為244.5mm(深)× 435mm（帶掛耳483mm）(寬)×44.45mm(高)。機(jī)箱前面板是工作指示燈和調(diào)試端口，后面板是兩排輸入輸出接口和電源輸入端口：第一排是12路光信號(hào)輸入口和兩路電源輸入接口，第二排是12路固態(tài)繼電器輸出端子。

2.2關(guān)鍵元器件的選型

2.2.1固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器直接影響光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換后電信號(hào)的性能。采用芬蘭DELCON的SLO5CRA，該系列直流輸出固態(tài)繼電器多用于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)應(yīng)用。該系列標(biāo)準(zhǔn)繼電器應(yīng)用于正常的0-250負(fù)載的工業(yè)應(yīng)用。輸出開關(guān)部件為一個(gè)功率晶體管。直流輸出繼電器SLO5CRA，可以配套使用的底座是導(dǎo)軌式底座MOS1L或者PCB板式的PCU，將底座直接焊接在電路板上。

采用AVAGO的HRBF-2412T，工作溫度是-40度到+80度，通過上拉電阻接不同的上拉電壓，可以驅(qū)動(dòng)不同的電平邏輯。HFBR2412作為光電轉(zhuǎn)換器（ST的標(biāo)準(zhǔn)接頭）接收信號(hào)發(fā)射設(shè)備傳送的信號(hào)。

2.2.3輸入電源轉(zhuǎn)換器

采用上海德創(chuàng)電器電子有限公司的DC/DC電源DOF60A-5V，輸入的電壓范圍是DC85—360V。

2.2.4繼電器輸出端子

采用菲尼克斯電氣的穿墻端子。電路板端端子型號(hào)：1776524 MSTB 2,5/4-GF-5,08，線端插頭1778001 MSTB 2,5/4-STF-5,08；額定電流：12A，額定電壓：250V，針距：5.08mm，位數(shù)：4，接線類型：螺釘連接。

2.2.5數(shù)字邏輯主控電路

數(shù)字邏輯電路的主控芯片采用ATMEL公司的ARM7處理器AT91SAM7X128，該微控制器具備嵌入式10/100以太網(wǎng)(Ethernet)MAC、CAN、全速(12Mbps)USB 2.0。針對(duì)廣泛的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的AT91SAM7X256還具備一個(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、兩個(gè)串行外圍接口(SPI)、同步串行接口(SSC)、雙線接口(TWI)、三個(gè)通用異步收發(fā)器(UART)、一個(gè)8級(jí)(8-level)優(yōu)先中斷控制器(priority interrupt controller)和眾多的監(jiān)管功能。這個(gè)新型的50 MIPS MCU 擁有64KB的靜態(tài)存儲(chǔ)器和128KB的25ns閃存，這種閃存支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)所需的可確定性處理能力。

2.3冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這種形式創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)班具有很強(qiáng)的針對(duì)性和可操作性，直接邀請(qǐng)者指定學(xué)科或?qū)I(yè)的著名教師作為教學(xué)學(xué)生的導(dǎo)師,并實(shí)現(xiàn)了研究性教學(xué)課程的“精、深、通”，這不僅方便教師的合理配置，而且還方便快速培養(yǎng)專業(yè)人才。同時(shí)，由于學(xué)科和專業(yè)的方向性，在課堂上實(shí)現(xiàn)開放式系統(tǒng)是可能的。基于學(xué)生自愿參與的原則，可以根據(jù)自身學(xué)習(xí)的實(shí)際情況靈活地進(jìn)行分離，最終使學(xué)生達(dá)到“精、深、通”的水平。

冗余系統(tǒng)是轉(zhuǎn)換器的重要組成部分，它采用完全相同的兩套硬件設(shè)備，一套工作一套冷備用，同時(shí)設(shè)計(jì)冗余切換控制電路，當(dāng)檢測(cè)到工作設(shè)備發(fā)生故障，有效切換到備用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)可靠無(wú)故障工作切換，不影響轉(zhuǎn)換器的正常工作。針對(duì)轉(zhuǎn)換器中關(guān)鍵部件，重點(diǎn)在電源雙冗余、邏輯處理模塊雙冗余和驅(qū)動(dòng)輸出模塊雙冗余。

2.3.1電源雙冗余

轉(zhuǎn)換器采用2路獨(dú)立的電源供電，并采取隔離措施防止2路電源短路或者其它故障。在一路電源模塊輸出電壓異常時(shí)，能夠保證另一路電源正常供電。

設(shè)計(jì)電源失敗冗余檢測(cè)電路，檢測(cè)到某一路電源模塊輸出電壓異常，則指示燈報(bào)警電源失敗、冗余切換。

2.3.2邏輯處理模塊雙冗余電路

通過冗余切換控制電路，監(jiān)測(cè)工作中的邏輯處理模塊，一旦發(fā)生故障，及時(shí)切換到備用模塊，并給出指示燈報(bào)警。

2.3.3驅(qū)動(dòng)輸出模塊雙冗余

固態(tài)繼電器的輸出是轉(zhuǎn)換器的重要指標(biāo)，它的工作可靠性非出那個(gè)胡總要，因此設(shè)計(jì)冷備用的冗余系統(tǒng)。同樣由冗余切換控制電路來(lái)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊的工作狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，及時(shí)切換到備用模塊，并給出指示燈報(bào)警。

圖3　光電轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)原理圖

3　冗余系統(tǒng)可靠度模型及分析

信號(hào)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)是一個(gè)冷儲(chǔ)備的冗余系統(tǒng)，可以用Markov過程來(lái)分析其可靠性。

3.1Markov過程

根據(jù)已知的實(shí)驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)換器運(yùn)行的早期、中期和后期，故障率的分布呈浴盆曲線，中期偶然故障期的失效率與修復(fù)率分別為λ和μ，即壽命分布和修復(fù)時(shí)間分布均為指數(shù)分布[8]，因此，可以用Markov過程來(lái)描述。假設(shè)系統(tǒng)的兩套設(shè)備同時(shí)發(fā)生故障的概率為零。

3.2系統(tǒng)可靠性模型及分析

系統(tǒng)由兩套同樣功能的硬件設(shè)備組成，它們的故障率和修復(fù)率相同，可以用Markov過程，對(duì)冗余系統(tǒng)進(jìn)行可靠性的建模。從可靠性的角度，這種冗余系統(tǒng)一般看作為冷儲(chǔ)備系統(tǒng)[9]。

系統(tǒng)采用一工一備的工作方式，即一套設(shè)備工作（1號(hào)），另一套設(shè)備冷備份等待運(yùn)行（2號(hào)）。此系統(tǒng)與常用的1/2（G）表決系統(tǒng)不同，雖然表決系統(tǒng)模型應(yīng)用廣泛[10][11]，但是冷備份的冗余系統(tǒng)可靠性更高。圖4為本系統(tǒng)的Markov狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。圖中，S1為1號(hào)設(shè)備工作，2號(hào)設(shè)備停機(jī)，系統(tǒng)工作正常；S2為1號(hào)設(shè)備失效正在修理，2號(hào)設(shè)備工作，系統(tǒng)工作正常；S3為1號(hào)、2號(hào)設(shè)備均失效，正在修理，系統(tǒng)故障。S3也是系統(tǒng)的吸收狀態(tài)，一旦系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到S3，狀態(tài)轉(zhuǎn)移就終止了。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)有冗余切換指示燈，當(dāng)1號(hào)設(shè)備故障，切換到2號(hào)設(shè)備工作時(shí)，指示燈點(diǎn)亮，此時(shí)可以提醒及時(shí)維修1號(hào)設(shè)備。

圖4　 一工一備系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（帶吸收狀態(tài)）

系統(tǒng)轉(zhuǎn)移率矩陣為：

式中：

進(jìn)一步可以計(jì)算系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間：

3.3實(shí)例驗(yàn)證

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性模型的驗(yàn)證。系統(tǒng)的失效率通過設(shè)備元器件的失效率預(yù)測(cè)得出，系統(tǒng)的修復(fù)率由以往的歷史維修記錄統(tǒng)計(jì)得出，具體參數(shù)見表1。

表1　設(shè)備可靠性指標(biāo)

應(yīng)用公式（4），可計(jì)算可靠度為：

可靠度函數(shù)曲線如圖5所示。

圖5　可靠度函數(shù)曲線圖

系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間為：

4　結(jié)束語(yǔ)

110kV及以上輸變線路上所使用的避雷器需要放電計(jì)數(shù)器來(lái)統(tǒng)計(jì)其放電次數(shù)，以此來(lái)評(píng)價(jià)避雷器的工作狀態(tài)。對(duì)于放電次數(shù)等數(shù)據(jù)的光纖傳輸信號(hào)，需要進(jìn)行可靠轉(zhuǎn)換處理，然后才能被中心計(jì)算機(jī)識(shí)別和處理。根據(jù)使用環(huán)境和需求，信號(hào)轉(zhuǎn)換器需要很高的可維護(hù)性、靈活性，并且要求可靠性高。采用以MCU為主控，基于數(shù)字邏輯電路和驅(qū)動(dòng)放大電路的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能滿足要求，同時(shí)利用硬件功能冗余技術(shù)保證了它的高可靠性，并對(duì)其進(jìn)行了可靠性分析，結(jié)果符合要求。

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王智軍（1972－），男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)保護(hù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。

作者簡(jiǎn)介：