ZXS10变电站自动化系统可靠性设计

发布时间：2007年01月17日
作者：电力安全网
来源：电力安全网
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一、引言

随着社会的发展和人们生活水平的提高，电力系统的电能质量已愈来愈成为人们普遍关注的话题，变电站自动化系统作为提升电能质量的一项重要措施，怎样提高其自身的可靠性能，至今仍是一个非常重要的工作。在本文，我们结合ZXS10变电站自动化系统的开发实际，探讨了其可靠性设计方案。

二、ZXS10可靠性简介

ZXS10变电站自动化系统是深圳市中兴通讯股份有限公司全面自主开发的第一代电力自动化产品，用于110kV及以下变电站的集中监控和无人职守。该系统集数据测量控制、微机保护、计算机、通信、故障录波及测距等功能于一体，可用于新建无人值守变电站，也可用于老站改造。系统主要由I/O单元（包括线路保护SL系列、变压器保护ST系列与监控单元SM系列）、C700通讯单元和当地后台组成。I/O单元采集遥测、遥信、遥脉信息，并与C700通讯单元进行信息交换，执行遥控、遥调命令；当地后台通过C700通讯单元接收I/O单元的数据并进行计算处理，完成电压无功控制VQC故障分析等各种计算和人机接口功能。C700通讯单元负责连接网络各部分，其中包括远方调度单元和微机保护单元的通信处理，信息的接收和转发。

变电站自动化系统工作实时性要求高，使用条件恶劣。系统工作时影响其可靠性的因素除了气候、机械环境应力外，最主要的是空间电磁干扰和传导干扰，这是因为电力系统本身就是一个强干扰源。此外，控制对象为中高压线路、变压器等重要一次设备亦对系统的安全性提出了很高的要求。因此，变电站自动化系统的可靠性十分重要。在相关的IEC标准、国标和行业标准中，对电力自动化系统和监控产品的可靠性项目要求很高，部分指标达到工业现场设备最严酷等级。

参照有关标准，结合市场需求，ZXS10系统的可靠性指标及要求如下。

1、环境条件

环境温度：0 ~ 45℃（对于分散布置的远动终端和保护单元为10 ~ 55℃）；

相对湿度：5 ~ 95%（最大绝对湿度28g/m3）；

大气压力：66 ~ 106kPa；

机械振动：0.5g，10 ~ 150Hz。

2、电磁兼容性

电气干扰(衰减阻尼振荡波)：2.5kV，100KHz及1MHz;

静电放电：6kV；

辐射电磁场：10V/m；

快速瞬变脉冲群：2kV

3、电源影响

电源电压变化：额定电压DC220V，-20% ~ +20%；

电源纹波系数：5%；

4、安全性能

绝缘电阻：100MΩ；

介质强度：2kV；

冲击电压（雷击浪涌）：5kV；

温升：不超过40℃。

5、可靠性指标

主控系统：MTBF≥10000h，MTTR≤0.5h

I/O单元、保护单元：MTBF≥16000h

三、可靠性设计技术措施

根据ZXS10系统的可靠性指标及要求，按照有关标准和企业可靠性设计规范，在系统研发阶段进行可靠性设计。

1、可靠性预计及分析

在研制初期对系统进行自下而上的可靠性预计及分析工作，得到较粗的系统、单元和单板的可靠性预计结果，以及影响可靠性的簿弱环节、主要元器件。以此作为具体应用可靠性技术措施的重点依据，取消了部分失效率高、功率在的元器件，如电位器、水泥电阻等。

2、降额设计

按企业降额设计标准要求，系统各单板元器件普遍应用了降额设计技术。所有微电子器件工作频率、输出负载降额等级达到企业II级标准，部分微电子器件电源根据实际情况也采用了降额；系统用到的分立器件主要有电阻、电容、二极管、互感器、继电器等，绝大部分为小功率器件，电参数降额设计情况良好。

3、热设计

ZXS10系统结构采用插箱式组屏方式，每个柜屏可放置四层插箱，实际总功率不到100W，故采用自然冷却方式散热。机柜下侧面开有进气孔，顶部中央开有出气孔；各插箱底部和顶部开有直径为3mm的密集孔。整个系统机柜、插箱结构散热孔的大小和位置保证了系统热量以对流方式为主散发到大气中。

系统各单板设计考虑了热设计要求。选用的元器件功耗低，绝大多数小于1W。对于所有功率1W以上的元件（最大1.8W）板上留有足够的散热空间和通道，引线很短，并避免了晶振、集成电路、二极管、精密电阻等元件与之靠近而受到热冲击。

从系统热测试结果分析，系统通电工作热稳定后，内部空气温升小于6℃，最高元器件表面温升33℃（C700单元386EXCPU），其它元器件温升均小于27℃。

4、电磁兼容性设计

系统及单板设计贯彻了硬件设计规范和电磁兼容性设计准则。具体措施有：各单元电源采用分散带屏蔽壳的高频开关电源方式，并经DC-DC模块隔离输出；CPU板采用四层印制板提高抑制噪声能力；继电器线圈回路采用了整流二极管消除线圈反向电动势影响；测量信号回路采用光电耦合器隔离，消除高频干扰；各集成电路电源与地之间就近并联了去耦电容；电源线与信号线分开走线并在接线端子处保持了一定距离；系统地（信号地）采用浮地方式并注意了板与板之间、插箱与插箱之间树干型接地；屏蔽地（机壳地）接地线尽量短，采用粗电缆接到地线汇流排上，保证接地电阻小于10Ω；系统地与机壳地之间的绝缘电阻不小于100MΩ，降低了共模干扰影响。

5、抗振性设计

各插箱单元设计时考虑了抗振性设计措施。包括：SL200线路保护单元中重量较大的两块单板电源板和交流采样板分别置于插箱的两侧使插箱力学结构平稳；继电器采用横向位置安装，避免触点移动方向与主振动方向一致；SM200监控单元、SL200线路保护单元插箱内电缆走线有卡环固定并在连接端附近夹紧；SM210监控单元电流输入回路还采用带自锁螺钉的连接器，防止电流断路。

6、其它可靠性设计措施

a）软件抗干扰措施。采用WDT看门狗电路防止由于外界干扰硬件故障及程序出错致使系统停机中断或程序进入死循环；采用软件滤波方法剔除高频脉冲干扰；应用软件线性修正技术在不增加硬件降低可靠性的前提下，提高了模拟量采集的精度；SM200监控单元的远动信息通讯采用海明码纠错技术，海明距离不小于4。

b）维修性设计。系统采用模块化设计，单元功能界面清楚。各单元采用插板式设计，维修更换方便、快捷；各遥测、遥信、遥控和通讯单元、单板设计了故障指示灯，保证故障定位快速、准确；各单元设有RS232维护通讯接口，实现系统的现场维护。

c）专门的遥控闭锁设计。为保证遥控100%可靠，遥控命令的输出采用多重闭锁措施；遥控继电器输出提供独立的电源及闭锁电路。

7、安全性设计

按照电力设备安全设计标准要求，输入输出器件采用隔离耐压能力高的互感器、继电器；抑制共模干扰的高频滤波电容要求工频耐压高，漏电流小；继电器板、交流采样板无电气连接的回路间布线爬电距离大于2mm；印制板采用防护涂层处理以提高在高湿等恶劣环境中绝缘能力。

四、总结

通过上述可靠性设计技术措施，以及反复的可靠性试验、改进，ZXS10系统的可靠性得到保证并提高。系统实验顺利，按时移交局方；SL200线路保护单元一次通过了国家级质检中心入网型式试验。