电子式互感器采集单元可靠性分析及设计

闫志辉,宋一丁,郭 震,王晓锋

(许继电气技术中心，河南 许昌 461000)

0 引言

电子互感器作为测量和保护的数据源，其运行稳定性直接影响到测量和保护的功能。据国网不完全统计，1 835台现场运行的电子式互感器中，发生电子式电流互感器(electronic current transformer，ECT)故障137次，主要故障类型为采集单元、光纤、传感故障等；发生电子式电压互感器(electronic voltage transformer，EVT)故障51次；故障原因多为绝缘问题、采集单元故障、电磁干扰影响和合并单元故障等[1-4]。采集单元故障占比最大。

电子式互感器根据原理可分为有源和无源两种，两者最大的区别就是采集单元的放置位置不同[5-6]。前者的采集单元放置在高压端，需考虑采集单元的供电问题；后者的采集单元放置在低压端，稳定可靠，是电子互感器发展的方向。采集单元的主要功能是完成数字信号采集，必须采用电子电路，且安装位置靠近一次设备。设备的故障和检修会导致一次设备停运，挂网运行中由于采集单元运行不稳定、长期投运测量精度不可靠等因素，严重制约了其发展。

由于无源式电子互感器是电子式互感器发展方向，本文主要研究应用于无源式电子互感器的采集单元。分析采集单元在现场应用中恶劣环境，通过硬件设计和软件设计，优化提高采集单元的运行寿命及可靠性，推动电子互感器的工程应用。

1 采集单元可靠性分析

一般认为，可靠性是指部件、元件、产品或系统在规定的环境下、规定的时间内、规定的条件下无故障地完成其规定功能的概率或能力[7]。常见的可靠性指标有平均故障时间tMTBF、故障率λ、平均维护时间tMTTR等。采集单元的功能是把传感头采集的模拟量信号数字化，通过光纤发送给合并单元。因此，采集单元的可靠性主要是指无故障传输信号的能力及装置的使用寿命。

在可靠性方面，硬件和软件本质上的差异导致了它们互不相同的故障机理：硬件是一种实实在在的物理存在，最主要的故障原因是材料老化等物理因素；软件是一种逻辑产品，故障的根本原因是设计缺陷。设计是由工程人员完成的，因此具有极大的不可预测性。本文主要从硬件和软件两个方面，分别分析采集单元的可靠性。

1.1 硬件可靠性分析

元器件是组成硬件平台的基本单元，因此硬件平台的可靠性极大地依赖于各个元器件单元及印制板电路的可靠性。提高硬件电路的可靠性，首先必须保证元器件的质量和可靠性。采集单元硬件结构总体框图如图1所示。

图1 采集单元硬件结构总体框图

一般认为，可靠性是度量系统无故障工作的概率，系统在时间t内发生故障的概率函数为F(t)，可靠性函数为R(t)，则满足R(t)=1-F(t)。在研究系统的可靠性时，可根据系统的故障概率密度函数f(x) 在t时间内的积分求得F(t):

(1)

定义故障率函数λ(t)：

(2)

由式(2)可得：

(3)

通过对大量不同类型元器件的故障数据研究发现，故障率λ(t)呈“浴盆”曲线特性。经过应力筛选后，可以认为所有的元器件的失效率是恒定不变的，即λ(t)=λ,λ为常数。

根据采集单元结构功能模块组成，功能模块为串联模型，假定由n个模块组成，任何模块中的元器件的失效都会导致采集单元的失效。其失效率函数为：

λs=λ1+λ2+…+λn

(4)

采集单元的元器件组成主要包括片阻、片容、电感、二极管、磁珠、电源管理芯片、电解电容、功能芯片等。通过GJB/Z 299C查询各类元器件的失效率发现，电解电容在所有元器件中失效率最高，与其他元器件不在一个数量级。元器件失效率如表1所示。

表1 元器件失效率

由以上分析可知，对采集单元可靠性的影响较大的元器件就是电解电容。

以上失效率的分析都是基于正常工作条件，而采集单元运行环境十分恶劣，最主要的影响就是电磁兼容问题。因此，采集单元的硬件可靠性提高主要从提高硬件回路的抗电磁兼容能力及电解电容的使用寿命上着手。

1.2 软件可靠性分析

智能变电站典型结构如图2所示。

图2 智能变电站典型结构图

一般而言，软件可靠性认为是在一段规定的自然单元或时间间隔内，软件能够无故障正确运行的概率。软件故障主要有以下来源：未认真进行用户需求调查、方案中有错误、采用不合适的编程语言、编程中存在错误、规范错误、性能错误、中断与堆栈操作出错、人为因素等。软件故障率的呈现不是本文研究的重点。本文主要研究故障对采集单元工程应用的影响。

应用电子互感器的智能变电站典型结构。合并单元接收电子互感器的数字信号[8-9]，进行合并同步后供全站使用。智能变电站的保护装置通过单一合并单元获取双A/D数据进行保护运算，控制智能终端保护出口。

电子互感器采样值数据流示意图如图3所示。

图3 电子互感器采样值数据流示意图

单个模拟量通道由一个采集单元完成双A/D的数据采样，通过光纤发送至合并单元，合并单元接收多个采集单元的数据，重采样合并后发送给保护装置使用。

通过分析保护系统模拟量采样的数据流，可以看出单个采集单元负责双A/D的数据采样。若采集单元软件构架不考虑硬件异常，在双A/D处理的公共部分出现异常，极易发生双A/D数据同时出现相同异常的现象，导致后端保护装置无法判断出采样异常，引起保护装置误动。

由以上分析可知，采集单元的软件可靠性提高主要用于解决在嵌入式部分硬件故障时，采集单元不会误发双A/D一致性错误的数字信号，可避免单一元器件故障造成的电力系统误动。

2 采集单元硬件可靠性设计

通过对采集单元硬件可靠性分析，硬件可靠性通过两个方面进行提升。一方面是通过电磁兼容能力提升，保障在恶劣环境下的稳定运行；另一方面是通过降低元器件的失效率，提高整设备的平均无故障时间。

2.1 电磁兼容能力提升

由于采集单元电子互感器安装位置靠近一次侧，一次系统所产生的电磁干扰水平远超过电磁兼容标准所规定的干扰水平。在拉合刀闸、切断感性负载或接入大容性负载时，一次侧产生的电磁干扰尤其强烈[10]。采集单元受到的电磁兼容干扰可以分为两类。一类干扰能量较大，直接造成元器件损坏；另一类是高频信号干扰。在试验室环境下，常用浪涌抗扰度试验和电快速瞬变抗扰度试验来验证装置的抗干扰能力。

2.1.1 浪涌抗扰度试验

浪涌抗扰度试验的脉冲上升时间较长，脉宽较宽，不含有较高的频率成分，因此对电路的干扰以传导为主。过高的差模电压幅度容易导致输入器件击穿损坏，过高的共模电压容易导致线路与地之间的绝缘层击穿。

采集单元使用气体放电管、压敏电阻、硅瞬变电压吸收二极管等专门的浪涌抑制器件对电源及信号回路进行了保护。浪涌抑制器件的一个共同特性就是阻抗在有浪涌电压与没浪涌电压时不同。正常电压下，它的阻抗很高，对电路的工作没有影响；当有很高的浪涌电压加在它上面时，它的阻抗变得很低，将浪涌能量旁路掉。

采集单元电源端口抗浪涌电路如图4所示。

图4 采集单元电源端口抗浪涌电路

图4中：G1和G2为气体放电管；Rvz1～Rvz3为压敏电阻；F1和F2为空气开关； L1为退耦电感；T1为双向瞬变电压抑制二极管。第1级采用两个压敏电阻并联的差模保护，两个气体放电管并联进行共模保护，第2级采用压敏电阻和TVS管保护，将残压降低到后级电路能够承受的水平。共模保护采用两个气体放电管并联构成的1级抗浪涌电路。该电路具有较低的输出残压，采集单元后级电路抗浪涌过电压的能力较弱，一级抗浪涌电路不足以保护后级的设备，需要通过二级的抗浪涌电路将残压进一步降低。经过试验验证，采用该保护电路的采集单元能够承受6 kV的浪涌电压，超出国标规定的50%。

2.1.2 电快速瞬变抗扰度试验

电快速瞬变抗扰度(electrical fast transient,EFT)试验是由电感性负载(如继电器、接触器等)在断开时，由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因，在断开处产生的暂态骚扰。这种暂态骚扰能量较小，一般不会引起设备的损坏。由于其频谱分布较宽，会对装置的可靠工作产生影响。影响一般分为三种途径：一是通过电源线直接传导进设备的电源，导致电路的电源线上有过大的噪声电压；二是干扰能量在电源线上传导的过程中，向空间辐射，这些辐射能量感应到邻近的信号电缆上，对信号电缆连接的电路形成干扰；三是干扰脉冲信号在电缆上传输时产生的二次辐射能量感应进电路，对电路形成干扰。

针对脉冲群干扰，在干扰的源头和设备的入口处安装共模滤波电容进行滤波处理，在信号线上安装共模扼流圈进行吸收处理，并采用了金属机箱及屏蔽电缆进行外部屏蔽。共模电容将高频干扰泄放在信号及电源的入口处。共模扼流圈实际是一种低通滤波器，经过调整扼流圈的匝数及串联两种不同匝数扼流圈，吸收兼顾了高频和低频干扰。金属机箱及屏蔽电缆则对机箱的敏感电路进行了屏蔽保护。

典型EFT保护电路结构如图5所示。

图5 典型EFT保护电路结构图

前级 I/O 保护通过将干扰电压限制在一个定值，避免大部分干扰电流流入 I/O 及内部电路，致使 I/O 或内部电路失效；电源保护网络主要是迅速检测到VDD 上的高压或高频干扰信号在电路破坏前提供一条由 VDD 到 VSS 的低阻通路，将大电流快速地泄放到地。

2.2 设备寿命提升

按DL/T 725-2013《电力用电流互感器使用技术规范》规定，互感器的设计使用寿命不低于30年。对于电子互感器来说，采集单元部分是电子互感器的短板，电子元器件的设计寿命一般为10年。由硬件可靠性分析可知，采集单元的设计寿命与电解电容的使用有关。

电解电容是电源回路中常用的部件，一般情况下，一个极限工作温度是85 ℃的电解电容，在温度为20 ℃的条件下工作，可以保证181 019 h的正常工作时间；而在极限温度85 ℃的条件下工作，仅仅可以正常工作2 000 h。根据阿列纽斯方程可知，工作温度每升高10 ℃，电容的寿命就会减小一半，所以合适的工作温度是提高采集单元寿命的有效方法。

通常采用的降低设备运行温度的方法有：①采用低功耗器件，降低整装置的功耗；②采用极限工作温度高的电解电容；③采用适当的散热方法；④提高电源回路的转换效率；⑤优化装置的运行环境。

装置的运行环境在设计阶段无法控制，本文在设计上采用上述的前4种方法，可以把设备的温升控制在18 ℃以内。按每年有一半时间环境温度为55 ℃、另一半时间环境温度为25 ℃计算，装置的正常工作时间可达15年左右，满足电子元器件的使用寿命要求。

3 采集单元软件可靠性设计

软件是依附于硬件存在的。本文采用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)，实现采集单元硬件设计，避免单一元器件异常造成保护误动的现象。

3.1 系统结构

采集单元是电子互感器的数字输出部分，根据IEC 60044标准对电子互感器的定义，采集单元的数字输出有两种技术方案[11]：一种是采用IEC 61850-9-1所述的以太网；另一种采用曼彻斯特编码串行传输，链路层选定IEC 60870-5-1的FT3格式。目前，业内通用的做法是采用第二种数字传输方案。该方案具有简单可靠、有利于合并单元的实现等优点。

本文设计的采集单元硬件结构如图6所示。

图6 采集单元硬件结构图

采用Xilinx公司的Spartan6系列FPGA为核心芯片，外扩两片ADI公司的AD7606芯片进行A/D转换，A/D芯片与FPGA之间采用串行外设接口(serial peripheral interface，SPI)通信，FPGA通过通用输入/输出(general purpose input output，GPIO)模拟2路串行发送口和一路串行接收口，分别实现FT3发送和装置调试接口。

单相数据帧结构如表2所示。

表2 单相数据帧结构

在Q/GDW 1426-2016智能变电站合并单元技术规范中，对FT3的应用数据进行了进一步的定义[12-15]，把数据通信格式分为单相数据帧、三相数据帧两种。单相数据帧的对应的报文类型为单相电流(0x01)、单相电压(0x02)以及单相电流电压(0x03)；三相数据帧的报文类型分为三相电流(0x04)、三相电压(0x05)以及三相电流电压(0x06)。标准规定的应用数据帧有一个共同的特点，保护用模拟量通道的双A/D数据打包在同一个应用数据段内，如表2中所示的保护用电流数据1、保护用电流数据2。这就要求采集的双A/D数据必然要通过一个公共环节进行合并后才可以发送。若不进行特定的设计，当公共环节出现异常时，无法避免双A/D数据出现同样的错误，导致后端保护误动。本文通过软件双冗余、硬件自检异常处理等方法，避免此类异常的发生。

3.2 软件双冗余

FPGA采用逻辑单元阵列的概念，通过加载在随机存取存储器(random access memory，RAM)中的配置实现内部逻辑功能。RAM中的配置是靠语言来描述的，称为FPGA程序。因此，FPGA程序设计的优劣直接影响程序的稳定运行。通常FPGA程序采用模块化编程，每个模块独立完成模块功能，通过把模块组合起来实现整个系统的功能。通过对采集单元系统的分析，必然会存在公用环节，也就是公用模块。资源最优化系统结构如图7所示。

图7 资源最优化系统结构图

图7满足资源最优化设计，最大限度地共用公共资源。常见的异常如FPGA程序时序约束问题导致的逻辑错误、FPGA某一逻辑单元硬件异常导致的逻辑错误、FPGA芯片RAM中某一位异常翻转导致的逻辑错误等，都有可能造成双A/D出现一致的错误，导致保护误动。

上述的程序结构虽然在程序结构上相对优化，但是放到电力系统中，可靠性问题就变得至关重要了。

为了解决单一元器件不引起误动问题，本文设计的软件冗余结构如图8所示。

图8 软件冗余结构图

软件双冗余程序结构在数据打包模块前的模块都采用双冗余设计，第一路A/D采集和第二路A/D采集通过不同的逻辑模块完成数据采集、数据处理。但在数据发送缓冲区填写时，该结构不可避免地使用同一个处理模块。因此，该模块利用FT3报文中CRC校验功能，以防止单一模块故障，即发送缓冲区中应用数据来自数据打包模块2，而循环冗余校验来自数据打包模块1。当发送缓冲区模块出现异常时，必然会导致循环冗余校验失败，后端的保护装置就会闭锁保护，避免单一元器件异常导致误动。

3.3 双电源自检解耦

在硬件回路的设计中，已经把双A/D独立设计，传感头输出的模拟量信号从滤波回路开始独立，两块A/D芯片分别通过两个SPI与FPGA通信，实现了硬件设计的相互独立。但由于双A/D在一块电路板上实现，不可避免地会使用公共资源，如装置电源。若装置电源故障，造成A/D芯片的基准偏移，两块A/D的输出就会输出同样的异常数据，必然导致保护误动。

为了解决电源异常导致的问题，本文采用分别监视装置电源的方案，通过两块A/D同时对装置电源进行采样，对两路电源采样值的判断实现公共资源的解耦。A/D采样数据的异常处理流程如图9所示。

图9 异常处理流程图

当总电源回路出问题时，两个A/D回路的电源监视采样值也会出现偏差，置采样值品质异常。当某一块A/D出现问题时，对应的电源采样值出现偏差，置对应的采样值品质无效，有效避免了采集单元电源回路出现异常时导致双A/D同时出错的可能，以及电源单一元器件出现异常导致保护误动问题。

4 结束语

电子互感器是智能电网发展的必然选择。采集单元作为电子互感器的薄弱环节，特别是单一元器件导致误动隐患，是电力系统无法容忍的缺陷，直接影响电子互感器在电力系统中的应用。

本文从电子互感器的应用环境分析其使用采集单元的可靠性要求，分析采集单元硬件和软件的薄弱点。在硬件方面，从电磁兼容能力提升、设备寿命提升两个薄弱环节提出了相应的方案；在软件方面，主要提出了利用软件解决单一元器件导致保护误动的方案，解决了采集单元双A/D数据共口传输不可避免出现公共环节的问题，极大地提高了采集单元的可靠性，为电子互感器技术的发展和推广起到积极的作用。