高壓直流輸電系統(tǒng)RS8680測(cè)量板卡的誤差原因分析與修復(fù)

莫熙喆 蘇杰和 李澤 楊家豪 陳繩得

摘要：RS8680高精度測(cè)量板卡的主要功能是采集3路4～20 mA電流測(cè)量值，并將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量返回到廠站SCADA后臺(tái)。針對(duì)從西換流站RS8680測(cè)量板卡產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，判斷光耦合器A7800老化是引起板卡測(cè)量誤差的主要因素，更換光耦合器A7800可使通道測(cè)量功能恢復(fù)正常，若要進(jìn)一步提高測(cè)量精度可進(jìn)行程序校正，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了所述校正方法的有效性。

關(guān)鍵詞：測(cè)量誤差;高壓直流輸電;光耦合器

0 引言

RS8680高精度測(cè)量板卡的主要功能是采集3路4～20 mA電流測(cè)量值，并將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量返回到廠站SCADA后臺(tái)，目前從西換流站全站在運(yùn)行的RS8680板卡共有206塊，總體數(shù)目較大。從2018年4月至今，從西換流站共計(jì)更換故障RS8680測(cè)量板測(cè)控板卡32板次，其數(shù)量之多、故障率之高不容忽視。

天廣、牛從工程站點(diǎn)均使用相同類(lèi)型的4～20 mA電流信號(hào)測(cè)量板測(cè)控板卡，可互為備用?？紤]到該類(lèi)型測(cè)量板卡運(yùn)行年限已較長(zhǎng)，并且合格的采樣精度需保持在較高的0.2%以下，工作強(qiáng)度大且常年使用，板卡不可避免地出現(xiàn)老化現(xiàn)象，存在設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。測(cè)量板卡的運(yùn)行性能好壞直接關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行，從西換流站曾經(jīng)發(fā)生過(guò)因?yàn)橹绷鳒y(cè)量系統(tǒng)部分測(cè)點(diǎn)故障導(dǎo)致直流電壓波動(dòng)的異常事件，嚴(yán)重危害到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

南方電網(wǎng)超高壓輸電公司目前檢測(cè)板卡所使用的PCS9550測(cè)試儀為RS8680測(cè)量板卡專(zhuān)用的測(cè)試平臺(tái)，采用“加量對(duì)比測(cè)試”法，通過(guò)對(duì)測(cè)量板加小電流方式對(duì)比換算后的輸入采樣電流，即可對(duì)其3路通道分別進(jìn)行測(cè)試。但目前的測(cè)試平臺(tái)僅可以確定故障通道編號(hào)，無(wú)法最終定位故障元件及故障原因。故障類(lèi)型主要有：（1）沒(méi)有輸出;（2）輸出值明顯偏離正常范圍;（3）輸出值仍在正常值附近，但測(cè)量精度不滿(mǎn)足要求。其中第3類(lèi)情況居多。

針對(duì)目前RS8680（4～20 mA）測(cè)量板測(cè)控板卡存在的問(wèn)題，可通過(guò)分析電路，定位引起誤差增大的元件，并通過(guò)更換元件驗(yàn)證準(zhǔn)確性。針對(duì)板卡的功能要求提出校正零點(diǎn)漂移以及修正變比的校正方法，以確保測(cè)量精度符合要求，通過(guò)仿真驗(yàn)證所述方法的有效性。

1 誤差原因

RS8680測(cè)量板卡可以分為三大部分，如圖1所示。

由故障信息可知，部分板卡僅個(gè)別通道異常，可排除電源及控制器造成的故障。經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)加載電壓后，發(fā)現(xiàn)板卡各部分電源電壓及控制器正常。因此，造成板卡誤差的原因縮小到模擬量采集及轉(zhuǎn)換部分，即前級(jí)電路。其簡(jiǎn)化框圖如圖2所示。

光電信號(hào)電氣隔離電路[3]主要由光電隔離芯片A7800及隔離電源NMV0505SAC構(gòu)成，信號(hào)比例縮放電路主要采用了OP284芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行縮放處理。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終確定光耦合器A7800是引起測(cè)量通道故障或存在測(cè)量誤差的原因。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)A7800官方提供的參數(shù)，其線性工作區(qū)在輸入-0.2～0.2 V。根據(jù)前級(jí)4～20 mA電流模擬量轉(zhuǎn)換為電壓模擬量可得到該電路輸出電壓范圍為0.04～0.2 V，因此該電路實(shí)際工作于芯片的線性區(qū)。

為判斷存在誤差的板卡的A7800光耦合器的性能，根據(jù)技術(shù)文件搭建芯片的附屬電路以便進(jìn)行測(cè)試，用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波作為輸入信號(hào)，接入A7800的2腳及3腳，并對(duì)芯片輸入側(cè)和輸出側(cè)的電源進(jìn)行獨(dú)立供電隔離。該芯片的6腳及7腳則接入示波器探頭，采用示波器直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行觀察測(cè)量。測(cè)試電路如圖3所示。

A7800出廠時(shí)要求的增益允許誤差為±3%，即標(biāo)準(zhǔn)增益倍數(shù)是8，但實(shí)際允許在7.76～8.24變化。對(duì)存在誤差的板卡上的A7800以及全新的A7800進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

通過(guò)對(duì)A7800測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出在板卡采樣范圍內(nèi)，故障板卡上卸下的A7800輸出值明顯偏高，換算得到的變比也高于正常范圍，而全新的A7800的變比與規(guī)定的出廠誤差相比，基本在允許范圍內(nèi)。因此，可以斷定A7800由于長(zhǎng)期運(yùn)行確實(shí)出現(xiàn)了老化現(xiàn)象，使得器件的特性發(fā)生偏移，與設(shè)計(jì)性能不符。

另外，重點(diǎn)關(guān)注了原板卡上老化的A7800的輸出波形，當(dāng)輸入信號(hào)小時(shí)噪聲表現(xiàn)得尤為明顯，波形中具有大量毛刺，當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)有所改善，此外部分板卡上卸下的芯片還會(huì)表現(xiàn)出輸出的異常波動(dòng)，可以預(yù)見(jiàn)該芯片在板卡上工作將造成輸出信號(hào)的不穩(wěn)定，難以取得正確的采樣結(jié)果，而正常通道的A7800及全新芯片測(cè)試并未出現(xiàn)以上現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，可以斷定由于板卡使用時(shí)間過(guò)久，A7800芯片已經(jīng)出現(xiàn)老化現(xiàn)象。

3 板卡修復(fù)與校正實(shí)例

通過(guò)更換A7800，再利用測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)故障板卡的采樣功能恢復(fù)正常，未出現(xiàn)通道明顯偏離正常的情況，但輸出值精度仍與技術(shù)要求的0.2%存在一定差距，結(jié)合芯片本身工藝參數(shù)，A7800出廠要求的準(zhǔn)確度本身就與RS8680要求的技術(shù)精度0.2%存在差距，僅從器件本身難以確保精度在要求范圍內(nèi)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知其線性度高，因此RS8680應(yīng)采用程序校正，實(shí)現(xiàn)高精度采樣。

以其中一塊板卡為例進(jìn)行分析，比較3個(gè)通道的采樣值絕對(duì)誤差的變化趨勢(shì)。其采樣值絕對(duì)誤差曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，3個(gè)通道都存在固有的零點(diǎn)漂移，即當(dāng)放大電路輸入信號(hào)為零時(shí)，由于種種不穩(wěn)定因素的影響，靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，得到非零的輸出。根據(jù)所測(cè)量的數(shù)據(jù)，基于MATLAB進(jìn)行仿真分析，對(duì)3個(gè)通道分別校正零漂，即采樣值序列整體扣除掉輸入值為0時(shí)的采樣值，重新繪制特性曲線，校正后的誤差曲線以及采樣值與輸入值比值變化趨勢(shì)分別如圖5和圖6所示。

由此可見(jiàn)，校正零漂之后，3個(gè)通道的采樣值絕對(duì)誤差都隨著輸入值的增大而線性增大，曲線較好地還原了芯片線性區(qū)內(nèi)的線性特性。采樣值與輸入值的比值也基本穩(wěn)定，即芯片的增益并未根據(jù)輸入的變化出現(xiàn)明顯變化，誤差百分?jǐn)?shù)也能夠基本保持在固定水平。綜上，校正零漂之后，芯片整體的線性度高，只是增益上存在偏差。分別根據(jù)通道1、通道2、通道3各自的平均實(shí)際變比0.997、1.006、0.995進(jìn)行校正，即對(duì)數(shù)字量進(jìn)行縮放，仿真結(jié)果表明，修正過(guò)后能夠在整個(gè)測(cè)量區(qū)段內(nèi)控制誤差百分?jǐn)?shù)在0.2%以?xún)?nèi)。

綜上，在更換了新的A7800芯片的基礎(chǔ)上，若結(jié)合程序修正，消除零漂以及增益誤差的影響，可確保采樣值更為準(zhǔn)確，誤差百分?jǐn)?shù)在0.2%以?xún)?nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)從西換流站高壓直流輸電系統(tǒng)RS8680高精度測(cè)量板卡出現(xiàn)的誤差增大以及故障問(wèn)題，通過(guò)對(duì)測(cè)量板卡產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析以及對(duì)器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到光耦合器A7800老化是引起板卡誤差主因的結(jié)論，更換A7800可使通道測(cè)量功能恢復(fù)正常。此外，在A7800線性度高的基礎(chǔ)上，為消除器件固有誤差，提出通過(guò)程序校正提高精度的方法，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所述方法的有效性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 楊陽(yáng)，蔡斌.牛從直流電壓測(cè)量系統(tǒng)板卡異常時(shí)控制保護(hù)動(dòng)作特性分析[J].電工技術(shù)，2020（24）：123-125.

[2] 嚴(yán)偉，羅宇航，高寧.牛從直流測(cè)量系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)故障導(dǎo)致直流電壓跌落事件原因分析[J].電工技術(shù)，2019（23）：74-76.

[3] 肖業(yè)偉，王正強(qiáng)，吳稱(chēng)列.基于線性光耦HCNR201隔離電路的低溫漂研究[J].信息技術(shù)，2016（3）：69-72.

收稿日期：2021-03-31

作者簡(jiǎn)介：莫熙喆（1994—），男，廣東廣州人，助理工程師，研究方向：高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)維技術(shù)。

通信作者：楊家豪（1990—），男，福建廈門(mén)人，講師，研究方向：電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行。