避雷计数光纤信号转换器的设计及可靠性分析.pdf

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留计数光纤信号转換器的计及可靠性分析
赤峰学院计算杋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,避雷器是否正常エ作直接影响着电力
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
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,适应电カ系统中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】光纤信号转換;冗余设计;可靠性分析;状态检测
纤信号转换器。本文利用硬件功能冗余技术来保证光纤
0引言
信号转化器的高可靠性工作。
避免雷击对于110kV及以上输变线路很重要,因此
系统总体方案及框架设计
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
信号转换器的作用是将放电计数器的光信号接收并
器的放电次数,以此来实现对避雷器工作状态的检测。转换成符合要求的电信号,光信号为波长850nm的10
可靠稳定的采集避雷器的放电次数,可以用来推断避雷80ms红外光脉冲信号,采样的光纤信号波形如图1所示。
器的工作状态和剩余寿命,同时也能够反映出避雷器限转换器与避雷计数器之间通过光缆连接,光纤信号转换
制过电压效果、系统过电压情况。怎样将放电动作计数器与其它设备连接示意图如图2。避雷器计数器通过光缆
器记录的数据及时有效的传输给控制中心,也逐渐成为将红外光脉冲信号传输给光纤信号转换器,转换器接收
了避雷器工作状态监测系统中的一个重要环节。目前到光脉冲信号以后,处理转换成10ms的电脉冲信号,通
110kV及以上输变线路上的避雷器放电次数的数据采集主过电导线向下一级设备发送该信号
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。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
图1光纤信号采样图
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
信号
光缆
导线
发射
光纤信号转换器
接收
转换成计算机能够识别和处理的弱电信号,是光纤信号传
设备110-8ms的红
10ms电神信号设备
外光脉冲信号
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[1。完成这样功能的即为光
图2光电转换设备与其它设备连接示意图
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为了实现光纤信号转换,信号转换器的整体设计方装在一块光信号输入电路板上,12路光信号通过转換输
案可以分为以下三种:
入模块的接收处理转换成逻辑电路识别的电信号,输入
(1)简单的数字逻辑电路模拟电路滤波。直接利到嵌入式处理器中。
用模拟电路进行处理,利用光接收器将光信号转化成TL2.1.2逻辑处理模块
数字电路逻辑信号,利用积分电路进行积分处理,当积
逻辑处理模块由嵌入式处理器及外围电路组成。完
分电平达到一定域值(时间>2ms),触发后续的固态继成对输入电信号的数字处理,并按照预定的状态输出到
电器驱动放大电路。
驱动放大电路,以控制固态继电器的状态。
(2)数字逻辑电路+CPLD(可编程逻辑阵列)+晶振2.1.3驱动输出模块
(时钟源)+驱动放大电路。直接用数字电路和一个可编
驱动输出模块的作用是增强逻辑电路的电信号,驱
程逻辑阵列(CPLD)以及一个数字时钟源,利用CPLD做动固态继电器输出10ms的电脉冲信号,脉冲上升延时和
个数字积分和逻辑计算。并根据计算的结果驱动后续下降延时不大于0.5ms。固态继电器基座采用电路板基座
的固态继电器的驱动放大电路
的形式,继电器通过基座固定在电路板上。在系统断电
3)数字逻辑电路+MCU+驱动放大电路。利用MCU和初始情况,固态继电器处于断开的状态。
(单片机、ARM处理器)进行处理。根据处理的结果驱动2.1.4电源模块
后续的固态继电器的驱动放大电路。
电源模块采用110V直流电源输入的方式,通过DC/DC
根据整个设备的特点和应用的场合,第三种方案设计模块将电压直接转换成5V直流电源供逻辑电路使用。5V
灵活,可靠性高,而且增加了转换器的灵活性和可维护性。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
2关键硬件设计实现
机箱采用工业标准1U机箱,尺寸为244.5mm(深)X
435mn(带挂耳483mm)(宽)×44.45mm(高)。机箱前面板
信号转换器需要同时接收处理12路光信号,硬件采是工作指示灯和调试端口,后面板是两排输入输出接口
用模块化设计,将输入光藕和输出端子进行功能划分进和电源输入端口:第一排是12路光信号输入口和炳路电
行独立模块设计。同时模块之间的电路连接通过可靠排源输入接口,第二排是12路固态继电器输出端子。
线进行联接。这样不仅增强了设备的可靠性,而且提高2.2关键元器件的选型
其维修性。设计图如图3所示。
2.2.1固态继电器
硬件主要由光电转换输入模块、逻辑处理模块、驱
固态继电器直接影响光纤信号转换后电信号的性
动输出模块、电源模块和机箱组成。为了保证恶劣条件
能。采用芬兰 DELCONI的SL05CRA,该系列直流输出固态继
下的可靠工作,采用了冗余系统设计。
电器多用于标准工业应用。该系列标准继电器应用于正
2.1主要硬件模块
常的0-250负载的工业应用。输出开关部件为一个功率晶
2.1.1光电转换输入模块
体管。直流输出继电器SLO5RA,可以配套使用的底座是
根据接收光信号的数量,12路光电转换输入模块安导轨式底座MOS1L或者PCB板式的PCU,将底座直接焊接在
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