ZXS10變電站自動化系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)
一、引言
隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量已愈來愈成為人們普遍關(guān)注的話題，變電站自動化系統(tǒng)作為提升電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要措施，怎樣提高其自身的可靠性能，至今仍是一個非常重要的工作。在本文，我們結(jié)合ZXS10變電站自動化系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)際，探討了其可靠性設(shè)計(jì)方案。
二、ZXS10可靠性簡介
ZXS10變電站自動化系統(tǒng)是深圳市中興通訊股份有限公司全面自主開發(fā)的第一代電力自動化產(chǎn)品，用于110kV及以下變電站的集中監(jiān)控和無人職守。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)測量控制、微機(jī)保護(hù)、計(jì)算機(jī)、通信、故障錄波及測距等功能于一體，可用于新建無人值守變電站，也可用于老站改造。系統(tǒng)主要由I/O單元（包括線路保護(hù)SL系列、變壓器保護(hù)ST系列與監(jiān)控單元SM系列）、C700通訊單元和當(dāng)?shù)睾笈_組成。I/O單元采集遙測、遙信、遙脈信息，并與C700通訊單元進(jìn)行信息交換，執(zhí)行遙控、遙調(diào)命令；當(dāng)?shù)睾笈_通過C700通訊單元接收I/O單元的數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算處理，完成電壓無功控制VQC故障分析等各種計(jì)算和人機(jī)接口功能。C700通訊單元負(fù)責(zé)連接網(wǎng)絡(luò)各部分，其中包括遠(yuǎn)方調(diào)度單元和微機(jī)保護(hù)單元的通信處理，信息的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。
變電站自動化系統(tǒng)工作實(shí)時性要求高，使用條件惡劣。系統(tǒng)工作時影響其可靠性的因素除了氣候、機(jī)械環(huán)境應(yīng)力外，最主要的是空間電磁干擾和傳導(dǎo)干擾，這是因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)本身就是一個強(qiáng)干擾源。此外，控制對象為中高壓線路、變壓器等重要一次設(shè)備亦對系統(tǒng)的安全性提出了很高的要求。因此，變電站自動化系統(tǒng)的可靠性十分重要。在相關(guān)的IEC標(biāo)準(zhǔn)、國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對電力自動化系統(tǒng)和監(jiān)控產(chǎn)品的可靠性項(xiàng)目要求很高，部分指標(biāo)達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備最嚴(yán)酷等級。
參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合市場需求，ZXS10系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)及要求如下。
1、環(huán)境條件
環(huán)境溫度：0 ~ 45℃（對于分散布置的遠(yuǎn)動終端和保護(hù)單元為10 ~ 55℃）；
相對濕度：5 ~ 95%（最大絕對濕度28g/m3）；
大氣壓力：66 ~ 106kPa；
機(jī)械振動：0.5g，10 ~ 150Hz。
2、電磁兼容性
電氣干擾(衰減阻尼振蕩波)：2.5kV，100KHz及1MHz;
靜電放電：6kV；
輻射電磁場：10V/m；
快速瞬變脈沖群：2kV
3、電源影響
電源電壓變化：額定電壓DC220V，-20% ~ +20%；
電源紋波系數(shù)：5%；
4、安全性能
絕緣電阻：100MΩ；
介質(zhì)強(qiáng)度：2kV；
沖擊電壓（雷擊浪涌）：5kV；
溫升：不超過40℃。
5、可靠性指標(biāo)
主控系統(tǒng)：MTBF≥10000h，MTTR≤0.5h
I/O單元、保護(hù)單元：MTBF≥16000h
三、 可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)措施
根據(jù)ZXS10系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)及要求，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范，在系統(tǒng)研發(fā)階段進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。
1、可靠性預(yù)計(jì)及分析
在研制初期對系統(tǒng)進(jìn)行自下而上的可靠性預(yù)計(jì)及分析工作，得到較粗的系統(tǒng)、單元和單板的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果，以及影響可靠性的簿弱環(huán)節(jié)、主要元器件。以此作為具體應(yīng)用可靠性技術(shù)措施的重點(diǎn)依據(jù)，取消了部分失效率高、功率在的元器件，如電位器、水泥電阻等。
2、降額設(shè)計(jì)
按企業(yè)降額設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，系統(tǒng)各單板元器件普遍應(yīng)用了降額設(shè)計(jì)技術(shù)。所有微電子器件工作頻率、輸出負(fù)載降額等級達(dá)到企業(yè)II級標(biāo)準(zhǔn)，部分微電子器件電源根據(jù)實(shí)際情況也采用了降額；系統(tǒng)用到的分立器件主要有電阻、電容、二極管、互感器、繼電器等，絕大部分為小功率器件，電參數(shù)降額設(shè)計(jì)情況良好。
3、熱設(shè)計(jì)
ZXS10系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用插箱式組屏方式，每個柜屏可放置四層插箱，實(shí)際總功率不到100W，故采用自然冷卻方式散熱。機(jī)柜下側(cè)面開有進(jìn)氣孔，頂部中央開有出氣孔；各插箱底部和頂部開有直徑為3mm的密集孔。整個系統(tǒng)機(jī)柜、插箱結(jié)構(gòu)散熱孔的大小和位置保證了系統(tǒng)熱量以對流方式為主散發(fā)到大氣中。
系統(tǒng)各單板設(shè)計(jì)考慮了熱設(shè)計(jì)要求。選用的元器件功耗低，絕大多數(shù)小于1W。對于所有功率1W以上的元件（最大1.8W）板上留有足夠的散熱空間和通道，引線很短，并避免了晶振、集成電路、二極管、精密電阻等元件與之靠近而受到熱沖擊。
從系統(tǒng)熱測試結(jié)果分析，系統(tǒng)通電工作熱穩(wěn)定后，內(nèi)部空氣溫升小于6℃，最高元器件表面溫升33℃（C700單元386EXCPU），其它元器件溫升均小于27℃。
4、電磁兼容性設(shè)計(jì)
系統(tǒng)及單板設(shè)計(jì)貫徹了硬件設(shè)計(jì)規(guī)范和電磁兼容性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。具體措施有：各單元電源采用分散帶屏蔽殼的高頻開關(guān)電源方式，并經(jīng)DC-DC模塊隔離輸出；CPU板采用四層印制板提高抑制噪聲能力；繼電器線圈回路采用了整流二極管消除線圈反向電動勢影響；測量信號回路采用光電耦合器隔離，消除高頻干擾；各集成電路電源與地之間就近并聯(lián)了去耦電容；電源線與信號線分開走線并在接線端子處保持了一定距離；系統(tǒng)地（信號地）采用浮地方式并注意了板與板之間、插箱與插箱之間樹干型接地；屏蔽地（機(jī)殼地）接地線盡量短，采用粗電纜接到地線匯流排上，保證接地電阻小于10Ω；系統(tǒng)地與機(jī)殼地之間的絕緣電阻不小于100MΩ，降低了共模干擾影響。
5、抗振性設(shè)計(jì)
各插箱單元設(shè)計(jì)時考慮了抗振性設(shè)計(jì)措施。包括：SL200線路保護(hù)單元中重量較大的兩塊單板電源板和交流采樣板分別置于插箱的兩側(cè)使插箱力學(xué)結(jié)構(gòu)平穩(wěn)；繼電器采用橫向位置安裝，避免觸點(diǎn)移動方向與主振動方向一致；SM200監(jiān)控單元、SL200線路保護(hù)單元插箱內(nèi)電纜走線有卡環(huán)固定并在連接端附近夾緊；SM210監(jiān)控單元電流輸入回路還采用帶自鎖螺釘?shù)倪B接器，防止電流斷路。
6、其它可靠性設(shè)計(jì)措施
a）軟件抗干擾措施。采用WDT看門狗電路防止由于外界干擾硬件故障及程序出錯致使系統(tǒng)停機(jī)中斷或程序進(jìn)入死循環(huán)；采用軟件濾波方法剔除高頻脈沖干擾；應(yīng)用軟件線性修正技術(shù)在不增加硬件降低可靠性的前提下，提高了模擬量采集的精度；SM200監(jiān)控單元的遠(yuǎn)動信息通訊采用海明碼糾錯技術(shù)，海明距離不小于4。
b）維修性設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，單元功能界面清楚。各單元采用插板式設(shè)計(jì)，維修更換方便、快捷；各遙測、遙信、遙控和通訊單元、單板設(shè)計(jì)了故障指示燈，保證故障定位快速、準(zhǔn)確；各單元設(shè)有RS232維護(hù)通訊接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場維護(hù)。
c）專門的遙控閉鎖設(shè)計(jì)。為保證遙控100%可靠，遙控命令的輸出采用多重閉鎖措施；遙控繼電器輸出提供獨(dú)立的電源及閉鎖電路。
7、安全性設(shè)計(jì)
按照電力設(shè)備安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，輸入輸出器件采用隔離耐壓能力高的互感器、繼電器；抑制共模干擾的高頻濾波電容要求工頻耐壓高，漏電流??；繼電器板、交流采樣板無電氣連接的回路間布線爬電距離大于2mm；印制板采用防護(hù)涂層處理以提高在高濕等惡劣環(huán)境中絕緣能力。
四、總結(jié)
通過上述可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)措施，以及反復(fù)的可靠性試驗(yàn)、改進(jìn)，ZXS10系統(tǒng)的可靠性得到保證并提高。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)順利，按時移交局方；SL200線路保護(hù)單元一次通過了國家級質(zhì)檢中心入網(wǎng)型式試驗(yàn)。
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