避雷计数光纤信号转换器的设计及可靠性分析

赤峰学院计算机与信息工程学院　王智军



避雷计数光纤信号转换器的设计及可靠性分析

赤峰学院计算机与信息工程学院王智军

【摘要】110kV及以上输变线路需要有效避雷，安装了大量的避雷器，避雷器是否正常工作直接影响着电力系统的安全。避雷器工作状态一般是通过统计其放电次数来确定的，采用的设备是放电动作计数器，如何将基于光纤传输的放电数据及时有效的处理接收，为控制中心提供决策依据，成为了避雷器工作状态监测中的一个重要问题。设计实现了可靠稳定的光纤信号接收转换处理设备，能将光纤信号可靠转换成计算机识别和处理的电信号，符合设计要求，适应电力系统中110kV及以上输变线路上的恶劣环境。还利用Markov过程分析和计算了转换器的可靠性，结果符合设计需求。

【关键词】光纤信号转换；冗余设计；可靠性分析；状态检测

0　引言

避免雷击对于110kV及以上输变线路很重要，因此需要安装大量的避雷器。而评价避雷器工作状态的一个重要指标就是它的放电动作，通常的方法是记录统计避雷器的放电次数，以此来实现对避雷器工作状态的检测[1]。可靠稳定的采集避雷器的放电次数，可以用来推断避雷器的工作状态和剩余寿命，同时也能够反映出避雷器限制过电压效果、系统过电压情况。怎样将放电动作计数器记录的数据及时有效的传输给控制中心，也逐渐成为了避雷器工作状态监测系统中的一个重要环节[2]。目前110kV及以上输变线路上的避雷器放电次数的数据采集主要使用人工观察计数器次数结果的方式，然后进行后期制作成数据统计表格供决策部门参考。这种方式容易受到观察者自身因素的影响，造成误读、漏读、出错等问题，并且耗用时间长，不能做到实时检测[3]。因此利用光纤传感器对计数器的数据进行实时处理、传输，这种方法速度快、容量大、传输稳定，目前被广泛使用。但是，光纤信号传输到基地后，如何可靠稳定的接收光纤信号，并将其转换成计算机能够识别和处理的弱电信号，是光纤信号传输系统中的一个难点问题，特别是在电力系统中，通常需要达到严格的工作环境要求[4][5]。完成这样功能的即为光纤信号转换器。本文利用硬件功能冗余技术[6]来保证光纤信号转化器的高可靠性工作。

1　系统总体方案及框架设计

信号转换器的作用是将放电计数器的光信号接收并转换成符合要求的电信号，光信号为波长850nm的10～80ms红外光脉冲信号，采样的光纤信号波形如图1所示。转换器与避雷计数器之间通过光缆连接，光纤信号转换器与其它设备连接示意图如图2。避雷器计数器通过光缆将红外光脉冲信号传输给光纤信号转换器，转换器接收到光脉冲信号以后，处理转换成10ms的电脉冲信号，通过电导线向下一级设备发送该信号。

图1 光纤信号采样图

图2 光电转换设备与其它设备连接示意图

为了实现光纤信号转换，信号转换器的整体设计方案可以分为以下三种：

（1）简单的数字逻辑电路+模拟电路滤波。直接利用模拟电路进行处理，利用光接收器将光信号转化成TTL数字电路逻辑信号，利用积分电路进行积分处理，当积分电平达到一定域值（时间>2ms），触发后续的固态继电器驱动放大电路。

（2）数字逻辑电路+CPLD（可编程逻辑阵列）+晶振（时钟源）+驱动放大电路。直接用数字电路和一个可编程逻辑阵列（CPLD）以及一个数字时钟源，利用CPLD做一个数字积分和逻辑计算。并根据计算的结果驱动后续的固态继电器的驱动放大电路。

（3）数字逻辑电路+MCU+驱动放大电路。利用MCU（单片机、ARM处理器）进行处理。根据处理的结果驱动后续的固态继电器的驱动放大电路。

根据整个设备的特点和应用的场合，第三种方案设计灵活，可靠性高，而且增加了转换器的灵活性和可维护性。

2　关键硬件设计实现

信号转换器需要同时接收处理12路光信号，硬件采用模块化设计，将输入光藕和输出端子进行功能划分进行独立模块设计。同时模块之间的电路连接通过可靠排线进行联接。这样不仅增强了设备的可靠性，而且提高其维修性。设计图如图3所示。

硬件主要由光电转换输入模块、逻辑处理模块、驱动输出模块、电源模块和机箱组成。为了保证恶劣条件下的可靠工作，采用了冗余系统设计。

2.1主要硬件模块

2.1.1光电转换输入模块

根据接收光信号的数量，12路光电转换输入模块安装在一块光信号输入电路板上，12路光信号通过转换输入模块的接收处理转换成逻辑电路识别的电信号，输入到嵌入式处理器中。

2.1.2逻辑处理模块

逻辑处理模块由嵌入式处理器及外围电路组成。完成对输入电信号的数字处理，并按照预定的状态输出到驱动放大电路，以控制固态继电器的状态。

2.1.3驱动输出模块

驱动输出模块的作用是增强逻辑电路的电信号，驱动固态继电器输出10ms的电脉冲信号，脉冲上升延时和下降延时不大于0.5ms。固态继电器基座采用电路板基座的形式，继电器通过基座固定在电路板上。在系统断电和初始情况，固态继电器处于断开的状态。

2.1.4电源模块

电源模块采用110V直流电源输入的方式，通过DC/DC模块将电压直接转换成5V直流电源供逻辑电路使用。5V电源通过电源选择电路输出供逻辑电路用。

2.1.5机箱结构和布局

机箱采用工业标准1U机箱，尺寸为244.5mm(深)× 435mm（带挂耳483mm）(宽)×44.45mm(高)。机箱前面板是工作指示灯和调试端口，后面板是两排输入输出接口和电源输入端口：第一排是12路光信号输入口和两路电源输入接口，第二排是12路固态继电器输出端子。

2.2关键元器件的选型

2.2.1固态继电器

固态继电器直接影响光纤信号转换后电信号的性能。采用芬兰DELCON的SLO5CRA，该系列直流输出固态继电器多用于标准工业应用。该系列标准继电器应用于正常的0-250负载的工业应用。输出开关部件为一个功率晶体管。直流输出继电器SLO5CRA，可以配套使用的底座是导轨式底座MOS1L或者PCB板式的PCU，将底座直接焊接在电路板上。

采用AVAGO的HRBF-2412T，工作温度是-40度到+80度，通过上拉电阻接不同的上拉电压，可以驱动不同的电平逻辑。HFBR2412作为光电转换器（ST的标准接头）接收信号发射设备传送的信号。

2.2.3输入电源转换器

采用上海德创电器电子有限公司的DC/DC电源DOF60A-5V，输入的电压范围是DC85—360V。

2.2.4继电器输出端子

采用菲尼克斯电气的穿墙端子。电路板端端子型号：1776524 MSTB 2,5/4-GF-5,08，线端插头1778001 MSTB 2,5/4-STF-5,08；额定电流：12A，额定电压：250V，针距：5.08mm，位数：4，接线类型：螺钉连接。

2.2.5数字逻辑主控电路

数字逻辑电路的主控芯片采用ATMEL公司的ARM7处理器AT91SAM7X128，该微控制器具备嵌入式10/100以太网(Ethernet)MAC、CAN、全速(12Mbps)USB 2.0。针对广泛的网络化实时嵌入式系统而设计的AT91SAM7X256还具备一个10位模数转换器(ADC)、两个串行外围接口(SPI)、同步串行接口(SSC)、双线接口(TWI)、三个通用异步收发器(UART)、一个8级(8-level)优先中断控制器(priority interrupt controller)和众多的监管功能。这个新型的50 MIPS MCU 拥有64KB的静态存储器和128KB的25ns闪存，这种闪存支持实时控制系统所需的可确定性处理能力。

2.3冗余系统设计

这种形式创新创业实验班具有很强的针对性和可操作性，直接邀请者指定学科或专业的著名教师作为教学学生的导师,并实现了研究性教学课程的“精、深、通”，这不仅方便教师的合理配置，而且还方便快速培养专业人才。同时，由于学科和专业的方向性，在课堂上实现开放式系统是可能的。基于学生自愿参与的原则，可以根据自身学习的实际情况灵活地进行分离，最终使学生达到“精、深、通”的水平。

冗余系统是转换器的重要组成部分，它采用完全相同的两套硬件设备，一套工作一套冷备用，同时设计冗余切换控制电路，当检测到工作设备发生故障，有效切换到备用设备，实现可靠无故障工作切换，不影响转换器的正常工作。针对转换器中关键部件，重点在电源双冗余、逻辑处理模块双冗余和驱动输出模块双冗余。

2.3.1电源双冗余

转换器采用2路独立的电源供电，并采取隔离措施防止2路电源短路或者其它故障。在一路电源模块输出电压异常时，能够保证另一路电源正常供电。

设计电源失败冗余检测电路，检测到某一路电源模块输出电压异常，则指示灯报警电源失败、冗余切换。

2.3.2逻辑处理模块双冗余电路

通过冗余切换控制电路，监测工作中的逻辑处理模块，一旦发生故障，及时切换到备用模块，并给出指示灯报警。

2.3.3驱动输出模块双冗余

固态继电器的输出是转换器的重要指标，它的工作可靠性非出那个胡总要，因此设计冷备用的冗余系统。同样由冗余切换控制电路来监测驱动模块的工作状态，一旦发生故障，及时切换到备用模块，并给出指示灯报警。

图3　光电转换器设计原理图

3　冗余系统可靠度模型及分析

信号转换器的设计是一个冷储备的冗余系统，可以用Markov过程来分析其可靠性。

3.1Markov过程

根据已知的实验资料统计，转换器运行的早期、中期和后期，故障率的分布呈浴盆曲线，中期偶然故障期的失效率与修复率分别为λ和μ，即寿命分布和修复时间分布均为指数分布[8]，因此，可以用Markov过程来描述。假设系统的两套设备同时发生故障的概率为零。

3.2系统可靠性模型及分析

系统由两套同样功能的硬件设备组成，它们的故障率和修复率相同，可以用Markov过程，对冗余系统进行可靠性的建模。从可靠性的角度，这种冗余系统一般看作为冷储备系统[9]。

系统采用一工一备的工作方式，即一套设备工作（1号），另一套设备冷备份等待运行（2号）。此系统与常用的1/2（G）表决系统不同，虽然表决系统模型应用广泛[10][11]，但是冷备份的冗余系统可靠性更高。图4为本系统的Markov状态转移图。图中，S1为1号设备工作，2号设备停机，系统工作正常；S2为1号设备失效正在修理，2号设备工作，系统工作正常；S3为1号、2号设备均失效，正在修理，系统故障。S3也是系统的吸收状态，一旦系统转移到S3，状态转移就终止了。系统整体设计有冗余切换指示灯，当1号设备故障，切换到2号设备工作时，指示灯点亮，此时可以提醒及时维修1号设备。

图4　 一工一备系统状态转移图（带吸收状态）

系统转移率矩阵为：

式中：

进一步可以计算系统平均故障间隔时间：

3.3实例验证

利用试验数据进行可靠性模型的验证。系统的失效率通过设备元器件的失效率预测得出，系统的修复率由以往的历史维修记录统计得出，具体参数见表1。

表1　设备可靠性指标

应用公式（4），可计算可靠度为：

可靠度函数曲线如图5所示。

图5　可靠度函数曲线图

系统的平均故障间隔时间为：

4　结束语

110kV及以上输变线路上所使用的避雷器需要放电计数器来统计其放电次数，以此来评价避雷器的工作状态。对于放电次数等数据的光纤传输信号，需要进行可靠转换处理，然后才能被中心计算机识别和处理。根据使用环境和需求，信号转换器需要很高的可维护性、灵活性，并且要求可靠性高。采用以MCU为主控，基于数字逻辑电路和驱动放大电路的设计，结构简单，功能满足要求，同时利用硬件功能冗余技术保证了它的高可靠性，并对其进行了可靠性分析，结果符合要求。

参考文献

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[3]李思南,刘黎,刘岩等.基于ZigBee无线网络技术的避雷器在线监测传感器设计[J].工业控制计算机,2011,24(4):69-70.

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王智军（1972－），男，内蒙古赤峰人，副教授，硕士，研究方向：电力系统保护、计算机应用研究。

作者简介：