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

摘

要：RS8680高精度測量板卡的主要功能是采集3路4～20mA電流測量值，并將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量返回到廠站SCADA后臺。針對從西換流站RS8680測量板卡產(chǎn)生誤差的原因進行了分析，通過對器件進行實驗測試，判斷光耦合器A7800老化是引起板卡測量誤差的主要因素，更換光耦合器A7800可使通道測量功能恢復(fù)正常，若要進一步提高測量精度可進行程序校正，并通過仿真驗證了所述校正方法的有效性。關(guān)鍵詞：測量誤差；高壓直流輸電；光耦合器0引言RS8680高精度測量板卡的主要功能是采集3路4～20mA電流測量值，并將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量返回到廠站SCADA后臺，目前從西換流站全站在運行的RS8680板卡共有206塊，總體數(shù)目較大。從2018年4月至今，從西換流站共計更換故障RS8680測量板測控板卡32板次，其數(shù)量之多、故障率之高不容忽視。天廣、牛從工程站點均使用相同類型的4～20mA電流信號測量板測控板卡，可互為備用?？紤]到該類型測量板卡運行年限已較長，并且合格的采樣精度需保持在較高的0.2%以下，工作強度大且常年使用，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。測量板卡的運行性能好壞直接關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行，從西換流站曾經(jīng)發(fā)生過因為直流測量系統(tǒng)部分測點故障導(dǎo)致直流電壓波動的異常事件，嚴重危害到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。南方電網(wǎng)超高壓輸電公司目前檢測板卡所使用的PCS9550測試儀為RS8680測量板卡專用的測試平臺，采用“加量對比測試”法，通過對測量板加小電流方式對比換算后的輸入采樣電流，即可對其3路通道分別進行測試。但目前的測試平臺僅可以確定故障通道編號，無法最終定位故障元件及故障原因。故障類型主要有：（1）沒有輸出；（2）輸出值明顯偏離正常范圍；（3）輸出值仍在正常值附近，但測量精度不滿足要求。其中第3類情況居多。針對目前RS8680（4～20mA）測量板測控板卡存在的問題，可通過分析電路，定位引起誤差增大的元件，并通過更換元件驗證準確性。針對板卡的功能要求提出校正零點漂移以及修正變比的校正方法，以確保測量精度符合要求，通過仿真驗證所述方法的有效性。1誤差原因RS8680測量板卡可以分為三大部分，如圖1所示。由故障信息可知，部分板卡僅個別通道異常，可排除電源及控制器造成的故障。經(jīng)驗證，當加載電壓后，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，即前級電路。其簡化框圖如圖2所示。光電信號電氣隔離電路主要由光電隔離芯片A7800及隔離電源NMV0505SAC構(gòu)成，信號比例縮放電路主要采用了OP284芯片對信號進行縮放處理。經(jīng)過實驗測試，最終確定光耦合器A7800是引起測量通道故障或存在測量誤差的原因。2實驗測試根據(jù)A7800官方提供的參數(shù)，其線性工作區(qū)在輸入-0.2～0.2V。根據(jù)前級4～20mA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0.04～0.2V，因此該電路實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行測試，用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波作為輸入信號，接入A7800的2腳及3腳，并對芯片輸入側(cè)和輸出側(cè)的電源進行獨立供電隔離。該芯片的6腳及7腳則接入示波器探頭，采用示波器直接對信號進行觀察測量。測試電路如圖3所示。A7800出廠時要求的增益允許誤差為±3%，即標準增益倍數(shù)是8，但實際允許在7.76～8.24變化。對存在誤差的板卡上的A7800以及全新的A7800進行對比測試，結(jié)果如表1所示。通過對A7800測試結(jié)果進行對比分析，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由于長期運行確實出現(xiàn)了老化現(xiàn)象，使得器件的特性發(fā)生偏移，與設(shè)計性能不符。另外，重點關(guān)注了原板卡上老化的A7800的輸出波形，在小輸入信號時噪聲表現(xiàn)得尤為明顯，波形中具有大量毛刺，當輸入信號增大時有所改善，此外部分板卡上卸下的芯片還會表現(xiàn)出輸出的異常波動，可以預(yù)見該芯片在板卡上工作將造成輸出信號的不穩(wěn)定，難以取得正確的采樣結(jié)果，而正常通道的A7800及全新芯片測試并未出現(xiàn)以上現(xiàn)象。通過實驗對比分析，可以斷定由于板卡使用時間過久，A7800芯片已經(jīng)出現(xiàn)老化現(xiàn)象。3板卡修復(fù)與校正實例通過更換A7800，再利用測試平臺進行測試，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)。通過實驗可知其線性度高，因此RS8680應(yīng)采用程序校正，實現(xiàn)高精度采樣。以其中一塊板卡為例進行分析，比較3個通道的采樣值絕對誤差的變化趨勢。其采樣值絕對誤差曲線如圖4所示。由圖4可以看出，3個通道都存在固有的零點漂移，即當放大電路輸入信號為零時，由于種種不穩(wěn)定因素的影響，靜態(tài)工作點發(fā)生變化，得到非零的輸出。根據(jù)所測量的數(shù)據(jù)，基于MATLAB進行仿真分析，對3個通道分別校正零漂，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分別如圖5和圖6所示。由此可見，校正零漂之后，3個通道的采樣值絕對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，誤差百分數(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各自的平均實際變比0.997、1.006、0.995進行校正，即對數(shù)字量進行縮放，仿真結(jié)果表明，修正過后能夠在整個測量區(qū)段內(nèi)控制誤差百分數(shù)在0.2%以內(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確，誤差百分數(shù)在0.2%以內(nèi)。4結(jié)語本文針對從西換流站高壓直流輸電系統(tǒng)RS8680高精度測量板卡出現(xiàn)的誤差增大以及故障問題，