電子式電流互感器采集單元上下電缺陷分析及改進(jìn)

王軍，夏利民，陳磊

（1.電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，廣東 中山 528402；2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3.江蘇西電南自智能電力設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211100）

電子式電流互感器采集單元上下電缺陷分析及改進(jìn)

王軍1,2，夏利民2，陳磊3

（1.電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，廣東 中山 528402；2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3.江蘇西電南自智能電力設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211100）

針對廣西翡翠220kV變電站電子式電流互感器在上下電過程中出現(xiàn)異常波形的現(xiàn)象，結(jié)合采集單元的軟硬件設(shè)計對問題原因進(jìn)行了分析。指出采集單元的硬件設(shè)計是引起異常波形的主要原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。整改后的運(yùn)行情況表明改進(jìn)措施有效解決了采集單元的設(shè)計缺陷，對其他電力自動化裝置的設(shè)計有一定的參考價值。

電子式電流互感器；采集單元；上下電時序

廣西翡翠220kV智能化變電站采用新型電子式電流互感器。2015年8月現(xiàn)場調(diào)試時，當(dāng)開、合安裝于匯控柜中采集單元的電源開關(guān)時，對應(yīng)間隔的繼電保護(hù)、測控裝置會發(fā)現(xiàn)有異常波形產(chǎn)生。本文對上述異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析，提出硬件、軟件上改進(jìn)措施，較好地解決了采集單元在電源上下電時出現(xiàn)的異常情況，提高了電子式電流互感器產(chǎn)品的可靠性。

1 電子式電流互感器原理

目前大多數(shù)有源電子式電流互感器利用電磁感應(yīng)原理的Rogowski線圈和低功率線圈實(shí)現(xiàn)保護(hù)電流和測量電流的傳變，較傳統(tǒng)互感器有測量精度高、暫態(tài)特性優(yōu)越、數(shù)據(jù)傳輸可靠、無CT開路問題等優(yōu)勢而得到一定程度上的推廣使用。

采集單元對保護(hù)、測量電流等信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和處理后，上送到合并單元；合并單元對這些數(shù)字量進(jìn)行合并處理，并按IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，再通過光纖輸出到過程層網(wǎng)絡(luò)或相關(guān)智能電子設(shè)備。

2 缺陷分析

在調(diào)試階段，開、合采集單元供電電源開關(guān)時保護(hù)和測控裝置均發(fā)現(xiàn)有如圖1、2所示異常波形產(chǎn)生。經(jīng)分析，異常波形與電流互感器一次本體和合并單元部分無關(guān)，缺陷根源定位在采集器。

采集單元電源系統(tǒng)包括4種電源，即差動放大器和硬件積分器（即運(yùn)算放大器）所需的±15V電源、CPU系統(tǒng)和ADC芯片工作所需的3.3V電源、ADC芯片的2.5V參考電源、光發(fā)器件及其他電路所需的+5V電源，如圖3所示。

圖1 上電波形

圖2 下電時異常波形

圖3 采集單元電源系統(tǒng)

用示波器捕捉采集單元上4種電源的上、下電時序，如圖4、5所示。圖中CH1、CH2、CH3和CH4分別表示+5V、-15V、+15V、2.5V，用黃色、藍(lán)色、紫色和綠色表示。

圖4 采集單元電源上電時序

圖5 采集單元電源下電時序

根據(jù)圖4及示波器顯示，電源上電后，+5V和2.5V幾乎10ms內(nèi)就可以建立完成，因此采集單元的CPU系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送等回路的初始化工作很快結(jié)束；上電120ms后MAX743芯片才開始工作，但之前其boost升壓電路，將輸入的+5V直接輸出，故圖4紫色通道CH3在5V電平上停留了120ms左右的時間；上電170ms后MAX743輸出的±15V幾乎同時建立起來。在±15V電源沒有同步建立的時間內(nèi)，硬件積分器的正電源大于負(fù)電源，OP放大器的輸出為正值，正負(fù)輸入引腳電平為正值，并對積分電容進(jìn)行充電，此時采集單元產(chǎn)生類似上沖的異常波形。由于測量通道沒有硬件積分器，所以沒有類似上沖的異常波形，見圖1。由于+5V、2.5V電源首先建立完成，運(yùn)放的正電源先于負(fù)電源建立，因此整個硬件系統(tǒng)不會發(fā)生過壓和閂鎖狀況。

當(dāng)輸入電壓低于3.8～4.2V時，MAX743欠壓閉鎖，不再輸出±15V電源。同理，當(dāng)輸入電壓分別低于3.5V、4.5V時，TPS76033和ADR421芯片工作異常，3.3V和2.5V電源異常。采集單元實(shí)時監(jiān)測+5V、2.5V、±15V電源，當(dāng)上述電源電壓絕對值分別小于4.75V、2.42V、+13V時，將通道Ia_+5V、Ia_參考電源、Ia_+15V和Ia_-15V的品質(zhì)位由有效變位為無效位。通過對電源異常時間點(diǎn)、品質(zhì)位變位時刻分析，印證了采集單元+5V下電過程中，A/D轉(zhuǎn)換電路、硬件積分器、濾波調(diào)理電路和CPU系統(tǒng)依次工作異常，遂產(chǎn)生圖2所示的異常波形。結(jié)合圖5，在采集單元下電過程中硬件系統(tǒng)不會發(fā)生過壓和閂鎖狀態(tài)，但正常工作的CPU系統(tǒng)可能會將異常的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)上送合并單元。

3 改進(jìn)措施

如前述，在上、下電過程中，采集單元硬件系統(tǒng)工作欠穩(wěn)定便將異常波形上送至合并單元，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。因此需要采取措施避免生成此類波形，或者在電源系統(tǒng)穩(wěn)定之前采集單元不能上送數(shù)據(jù)。在上電過程中，±15V電源建立過程不同步產(chǎn)生圖1所示異常波形。為了使±15V電源同步建立，將MAX743的+15V電源輸出回路加PMOS管作為開關(guān)，電阻R1和R2的分壓作為該P(yáng)MOS管的開門電壓。只要PMOS管的開門電壓在1.7V以上，并且+15V電源軌的輸出電平大于5V后，+15V電源才能有輸出。經(jīng)測試，電路整改后圖1異常波形不再出現(xiàn)。如前述，只要5V電源保持在4.5V以上，采集單元的電源系統(tǒng)就能正常工作。應(yīng)用MAX803LEXR芯片實(shí)現(xiàn)對5V電源的監(jiān)視。當(dāng)5V電源電壓低于MAX803LEXR復(fù)位閾值電平（即4.56V～4.70V），采集單元的CPU還能正常工作，MAX803LEXR開漏輸出的PWR_MON信號變?yōu)榈碗娖?，采集單元上送電源電壓偏低的報警信息并置錯誤標(biāo)。

與上述改進(jìn)措施相對應(yīng)的是，采集單元軟件系統(tǒng)做如下整改：（1）修改采集單元程序，實(shí)時監(jiān)測電源系統(tǒng)各電源的運(yùn)行工況并上報合并單元；（2）如果一個或幾個電源工作異常，采集單元置錯誤標(biāo)，上送合并單元，通知保護(hù)測控裝置采樣數(shù)據(jù)異常，避免保護(hù)裝置誤動；（3）合并單元接收到錯誤標(biāo)后，即刻開始對采集單元上送的數(shù)據(jù)錄波。

4 結(jié)語

本文對廣西翡翠220kv變電站采集單元上下電時產(chǎn)生的異常波形進(jìn)行分析，指出了問題根源并提出了改進(jìn)措施。經(jīng)過整改，采集單元未再出現(xiàn)類似問題，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性得到保證。

[1]GB/T 20840.8—2007 互感器第8部分：電子式電流互感器[S]，2007.

[2]劉延冰，李紅斌，葉國雄等.電子式互感器原理、技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京科學(xué)出版社，2003.

[3]ANALOG DEVICES Website.電源時序控制, [DB/OL].

TM452

A

1671-0711（2017）06（下）-0043-02