ZXS10變電站自動化系統可靠性設計

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一、引言

隨著社會的發展和人們生活水平的提高，電力系統的電能質量已愈來愈成為人們普遍關注的話題，變電站自動化系統作為提升電能質量的一項重要措施，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，我們結合ZXS10變電站自動化系統的開發實際，探討了其可靠性設計方案。

二、ZXS10可靠性簡介

ZXS10變電站自動化系統是深圳市中興通訊股份有限公司全面自主開發的第一代電力自動化產品，用于110kV及以下變電站的集中監控和無人職守。該系統集數據測量控制、微機保護、計算機、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。系統主要由I/O單元（包括線路保護SL系列、變壓器保護ST系列與監控單元SM系列）、C700通訊單元和當地后臺組成。I/O單元采集遙測、遙信、遙脈信息，并與C700通訊單元進行信息交換，執行遙控、遙調命令；當地后臺通過C700通訊單元接收I/O單元的數據并進行計算處理，完成電壓無功控制VQC故障分析等各種計算和人機接口功能。C700通訊單元負責連接網絡各部分，其中包括遠方調度單元和微機保護單元的通信處理，信息的接收和轉發。

變電站自動化系統工作實時性要求高，使用條件惡劣。系統工作時影響其可靠性的因素除了氣候、機械環境應力外，最主要的是空間電磁干擾和傳導干擾，這是因為電力系統本身就是一個強干擾源。此外，控制對象為中高壓線路、變壓器等重要一次設備亦對系統的安全性提出了很高的要求。因此，變電站自動化系統的可靠性十分重要。在相關的IEC標準、國標和行業標準中，對電力自動化系統和監控產品的可靠性項目要求很高，部分指標達到工業現場設備最嚴酷等級。

參照有關標準，結合市場需求，ZXS10系統的可靠性指標及要求如下。

1、環境條件

環境溫度：0 ~ 45℃（對于分散布置的遠動終端和保護單元為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：5%；

4、安全性能

絕緣電阻：100MΩ；

介質強度：2kV；

沖擊電壓（雷擊浪涌）：5kV；

溫升：不超過40℃。

5、可靠性指標

主控系統：MTBF≥10000h，MTTR≤0.5h

I/O單元、保護單元：MTBF≥16000h

三、可靠性設計技術措施

根據ZXS10系統的可靠性指標及要求，按照有關標準和企業可靠性設計規范，在系統研發階段進行可靠性設計。

1、可靠性預計及分析

在研制初期對系統進行自下而上的可靠性預計及分析工作，得到較粗的系統、單元和單板的可靠性預計結果，以及影響可靠性的簿弱環節、主要元器件。以此作為具體應用可靠性技術措施的重點依據，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、降額設計

按企業降額設計標準要求，系統各單板元器件普遍應用了降額設計技術。所有微電子器件工作頻率、輸出負載降額等級達到企業II級標準，部分微電子器件電源根據實際情況也采用了降額；系統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，電參數降額設計情況良好。

3、熱設計

ZXS10系統結構采用插箱式組屏方式，每個柜屏可放置四層插箱，實際總功率不到100W，故采用自然冷卻方式散熱。機柜下側面開有進氣孔，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。整個系統機柜、插箱結構散熱孔的大小和位置保證了系統熱量以對流方式為主散發到大氣中。

系統各單板設計考慮了熱設計要求。選用的元器件功耗低，絕大多數小于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。

從系統熱測試結果分析，系統通電工作熱穩定后，內部空氣溫升小于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、電磁兼容性設計

系統及單板設計貫徹了硬件設計規范和電磁兼容性設計準則。具體措施有：各單元電源采用分散帶屏蔽殼的高頻開關電源方式，并經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；系統地與機殼地之間的絕緣電阻不小于100MΩ，降低了共模干擾影響。

5、抗振性設計

各插箱單元設計時考慮了抗振性設計措施。包括：SL200線路保護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使插箱力學結構平穩；繼電器采用橫向位置安裝，避免觸點移動方向與主振動方向一致；SM200監控單元、SL200線路保護單元插箱內電纜走線有卡環固定并在連接端附近夾緊；SM210監控單元電流輸入回路還采用帶自鎖螺釘的連接器，防止電流斷路。

6、其它可靠性設計措施

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停機中斷或程序進入死循環；采用軟件濾波方法剔除高頻脈沖干擾；應用軟件線性修正技術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監控單元的遠動信息通訊采用海明碼糾錯技術，海明距離不小于4。

b）維修性設計。系統采用模塊化設計，單元功能界面清楚。各單元采用插板式設計，維修更換方便、快捷；各遙測、遙信、遙控和通訊單元、單板設計了故障指示燈，保證故障定位快速、準確；各單元設有RS232維護通訊接口，實現系統的現場維護。

c）專門的遙控閉鎖設計。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立的電源及閉鎖電路。

7、安全性設計

按照電力設備安全設計標準要求，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，漏電流小；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；印制板采用防護涂層處理以提高在高濕等惡劣環境中絕緣能力。

四、總結

通過上述可靠性設計技術措施，以及反復的可靠性試驗、改進，ZXS10系統的可靠性得到保證并提高。系統實驗順利，按時移交局方；SL200線路保護單元一次通過了國家級質檢中心入網型式試驗。