高压串补装置平台数据采集系统设计与实现

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摘要：以抵御外部复杂环境电磁干扰以及降低系统功耗为主要技术指标，设计了一款能够用于500kV串补平台的数据采集系统。从信号输入端抗电磁干扰处理、低功耗电路设计、光通讯方式、优化软件设计等方面出发，最终设计完成的采集系统作为高压串补控制保护系统的核心部分之一，已经成功的应用在了500kV串补控制保护系统装置平台上，极大改善了目前串补控保装置普遍存在的抗干扰能力不强的问题，能够稳定可靠\行，同时实测正常工作功率约300mW。

关键词：数据采集 电磁干扰 低功耗 高压串补

中图分类号：TM55 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0173-02

1 引言[1][2][3]

所谓串补，即交流输电系统串联电容补偿。就是将电力电容器串联于交流输电路线中，通过阻抗补偿减少功率输送引起的电压降和功角差，从而提高电力系统稳定性，扩大线路输送容量。

其中，由于串补平台的对地电压为线路的相电压，其电磁环境较为恶劣，受到影响因素较多。而安装在平台上的一次、二次设备，测量装置等受到的干扰较大。同时，高压串补平台因受限于绝缘，平台上设备需要通过激光方式供能，能耗受限。因此，能够稳定可靠的工作于500kV平台上的低功耗远端数据采集系统被认为是高压串补装置的关键技术之一。

本文针对抵御外部复杂环境电磁干扰和降低系统功耗两个主要目标，同时兼顾数据采集系统的模拟量采集精度以及光纤通讯可靠性两个重要指标，设计了一款可以用于电力系统高压线路串连电容器补偿装置高压平台的数据采集系统。

通过合理选择处理器、采样电路、时钟频率、供电方式以及优化软件设计，在保证数据采集系统（10通道AI/8通道DI/8通道DO/光纤通讯）能够可靠工作的条件下，将能耗控制在了300mW以内。使用该采集系统的串补装置控制保护系统已经在云南500kV砚山串补站投运，并通过了线路短路等各类试验的验证，保护效果正常。

2 硬件设计

2.1 数据采集部分

考虑到平台上面复杂的电磁环境以及故障时CT回路可能出现的大电流尖峰和大量干扰，当某个采样通道出现突发大电流情况下，很可能会干扰到其它采样通道，造成实际运行中串补误动、退出等严重现象，影响串补稳定运行[2]。因此，完整的采样链路必须对一次互感器传递过来的信号进行预处理，同时各采样通道在前级的信号调理环节需要做过压保护和互相隔离，并应有针对性的加装低通滤波器，如图1。

进入采样系统的信号各个通道独立，并需采用如图2所示的差分方式接入系统板卡，以实现对外部共模干扰的有效抑制，并对部分极高频干扰进行过滤。根据相关规范[4][5]，串补系统采样精度需要满足5‰以上，在满足保护响应时间以及数据消抖等条件下，各个通道的采样率不宜低于5k Hz。因此，在综合评估采样精度、采样速率、能耗等要素后，选择了极低功耗的高精度采样芯片AD79xx负责模拟量采样。

文献[2]指出，以往的大量串补现场在实际运行中，均不同程度的出现过由于设备或保护动作导致电磁干扰继而引发串补保护装置通讯中断、保护误动甚或设备退出等严重现象。新设计的系统对此问题进行了针对性的专门设计，而之后的各类验证试验，表明采用的抑制措施效果明显。图3为串补设备进行短路试验时，控保装置上的波形记录。由曲线可以看出，当短路故障发生时，间隙火花电流会突发达到上万安培，必然对平台上设备产生空间电磁干扰，但受到干扰的平台故障电流（经变比换算后）受干扰峰值约为一百安培，从峰值和持续时间上都远远低于保护定值。同时从录波曲线的连续性上可以看出，通讯丢包现象基本不存在，说明即使外部电磁干扰严重的情况下，数据采集系统与地面设备间的光纤通讯仍保持畅通。

2.2 控制部分

为了能够方便的实现AD采样控制以及通讯光模块驱动，同时保证平台数据采集系统运行的可靠性，在处理器部分选择了可编程逻辑器件（CPLD）。可编程逻辑器件（CPLD）具有容易使用、时序可预测和速度高等优点，同时由于过去受CPLD密度限制而无法在大型设计应用中使用的问题近年来随着高密度可编程逻辑器件的大量问世而被解决，使得我们可以放心的抛弃供电复杂且不容易使用的单片机/CPU方案。

通过权衡性能、控制程序复杂度、能耗等因素后，选择了MAXV系列CPLD芯片作为数据采集系统的控制核心，并按照图4的结构来保障多通道采样的并行控制以及高速光纤通讯的稳定。这样，可以充分利用CPLD的IO灵活配置以及速度快等优点，同时由于选择的芯片供电系统简单，可以简化电源分级和减少电路复杂度，进而降低系统的能量损耗。

2.3 光纤通讯部分

为了简化高压串补平台对地的绝缘配置，平台上设备到地面没有任何电气连接，所以采样系统选择以光纤通讯的形式向地面设备传送采集到的各类数据。

而这个光纤通讯环节，也是采样系统中能耗较高的部分之一。为了尽可能的降低能量消耗，选择使用玻璃光纤，并根据光纤的实际光衰和老化特性，适当降低发射光模块的驱动电流。而合理的选择通讯速率，尽可能减少光模块的发光时间，也是实现降低系统能耗的重要手段。

2.4 电源部分

任何系统的稳定运行，都首先依赖于一个稳定可靠的电源。这就需要在电源系统的设计中，对电源工作稳定性、电源电压范围、运行温度范围等因素进行综合考量，同时按照尽量简化的原则对整个系统进行电源分级。

参考文献[6]指出，集成电路的功耗p可按照下式进行估算：

式中，是集成电路节点电容，Vdd是工作电压，为节点信号摆幅，是时钟频率。从上式可以清晰的看到，电源电压与功耗成平方关系。所以，降低器件工作电压就可以直接达到降低功耗的目的。但是，器件的工作电压并不是越低越好，为了保证一定的抗干扰能力以及电源电压小幅波动情况下的工作稳定性，加之考虑到供电系统实现的简单化，对采样系统各个部分分类归集为5V、2.5V、1.8V三级用电。并通过尽量减少5V电源使用，大量选用2.5V器件与电路，关键部位选择小电流差分信号等手段，在降低能耗和系统工作稳定性之间取得一个平衡。（如图5）

由外部向系统直接提供的5V电源，只要经过保护性稳压环节即可引入系统中使用，同时选择高效率稳压器LTC36xx来设计实现5V/2.5V，5V/1.8V两级电源系统，使整个电源系统的能量损耗低于10%。

3 软件设计

多通道模拟量的高速采集是所设计系统的核心功能之一，利用CPLD芯片来设计实现AD芯片的SPI驱动程序，在得到采样数据的同时还可凭借对AD进行引脚状态监视来判断AD芯片工作是否正常。同r，由于采样频率足够快，在CPLD内部还可增加滤波环节，以避免极高频干扰信号对系统的影响。（如图6）

借助于CPLD程序能够并行执行的优点，使多个模拟量通道能够同时进行高速采样工作，而又不会影响光纤通讯等其它对时间响应要求高的功能的实现。系统中，CPLD除将采集的平台数据滤波、打包后与地面设备进行光纤通讯交互外，还可以通过对电源芯片监视、环境温度采集等子系统完成数据采集系统自身的完整性自检以及平台其它信息的收集。

同样的，程序设计中需要遵循低功耗原则，尽可能使各环节电路在大部分工作时间里处于非耗电或低功耗状态。例如，通过程序设计使通讯光模块在通讯间隔期处于不发光状态，使用的门电路等处于关断状态，关闭不使用的采样通道工作等手段，尽可能降低常态下的系统功耗，减轻电源系统负荷。

4 结语

专门针对于电力系统高压串补平台应用而设计的数据采集系统，最大可满足10通道模拟量同时高速采样、8通道开关量输入、8通道开关量输出、兼具环境温度测量等功能，同时实测正常工作能耗低于300mW。针对各类干扰而对采样信号调理环节等进行的特殊设计，使之非常适合在高压串补平台的复杂电磁环境中使用。目前，该系统已经在南方电网云南砚山500kV串补站控保系统中投入运行，并在各类测试以及实际运行中均表现良好。

参考文献

[1]刁彦平.浅谈超高压输电线路串补装置的原理及应用[J].中国电子商务，2012，（9）：90-90.

[2]温才权.串补平台干扰分析及改进建议[J].电气技术，2016，（2）：95-99.

[3]果家礼.500kV固定串补装置控制及保护系统技术[J].云南电力技术，2009，37（3）：31-32.

[4]GB/T 50063-2008电力装置的电测量仪表装置设计规范[S].北京：中国计划出版社，2008.

[5]IEC 60143-1-2004Series capacitors for power systems[S].

[6]马溪原.基于低功耗设计的多通道数据采集与传输系统[J].机械与电子，2008（7）：16-18.