高压直流输电系统RS8680测量板卡的误差原因分析与修复

摘

要：RS8680高精度测量板卡的主要功能是采集3路4～20mA电流测量值，并将模拟量转化为数字量返回到厂站SCADA后台。针对从西换流站RS8680测量板卡产生误差的原因进行了分析，通过对器件进行实验测试，判断光耦合器A7800老化是引起板卡测量误差的主要因素，更换光耦合器A7800可使通道测量功能恢复正常，若要进一步提高测量精度可进行程序校正，并通过仿真验证了所述校正方法的有效性。关键词：测量误差；高压直流输电；光耦合器0引言RS8680高精度测量板卡的主要功能是采集3路4～20mA电流测量值，并将模拟量转化为数字量返回到厂站SCADA后台，目前从西换流站全站在运行的RS8680板卡共有206块，总体数目较大。从2018年4月至今，从西换流站共计更换故障RS8680测量板测控板卡32板次，其数量之多、故障率之高不容忽视。天广、牛从工程站点均使用相同类型的4～20mA电流信号测量板测控板卡，可互为备用。考虑到该类型测量板卡运行年限已较长，并且合格的采样精度需保持在较高的0.2%以下，工作强度大且常年使用，板卡不可避免地出现老化现象，存在设备损坏风险。测量板卡的运行性能好坏直接关系到直流输电系统能否安全稳定运行，从西换流站曾经发生过因为直流测量系统部分测点故障导致直流电压波动的异常事件，严重危害到电网的安全稳定运行。南方电网超高压输电公司目前检测板卡所使用的PCS9550测试仪为RS8680测量板卡专用的测试平台，采用“加量对比测试”法，通过对测量板加小电流方式对比换算后的输入采样电流，即可对其3路通道分别进行测试。但目前的测试平台仅可以确定故障通道编号，无法最终定位故障元件及故障原因。故障类型主要有：（1）没有输出；（2）输出值明显偏离正常范围；（3）输出值仍在正常值附近，但测量精度不满足要求。其中第3类情况居多。针对目前RS8680（4～20mA）测量板测控板卡存在的问题，可通过分析电路，定位引起误差增大的元件，并通过更换元件验证准确性。针对板卡的功能要求提出校正零点漂移以及修正变比的校正方法，以确保测量精度符合要求，通过仿真验证所述方法的有效性。1误差原因RS8680测量板卡可以分为三大部分，如图1所示。由故障信息可知，部分板卡仅个别通道异常，可排除电源及控制器造成的故障。经验证，当加载电压后，发现板卡各部分电源电压及控制器正常。因此，造成板卡误差的原因缩小到模拟量采集及转换部分，即前级电路。其简化框图如图2所示。光电信号电气隔离电路主要由光电隔离芯片A7800及隔离电源NMV0505SAC构成，信号比例缩放电路主要采用了OP284芯片对信号进行缩放处理。经过实验测试，最终确定光耦合器A7800是引起测量通道故障或存在测量误差的原因。2实验测试根据A7800官方提供的参数，其线性工作区在输入-0.2～0.2V。根据前级4～20mA电流模拟量转换为电压模拟量可得到该电路输出电压范围为0.04～0.2V，因此该电路实际工作于芯片的线性区。为判断存在误差的板卡的A7800光耦合器的性能，根据技术文件搭建芯片的附属电路以便进行测试，用函数信号发生器产生锯齿波作为输入信号，接入A7800的2脚及3脚，并对芯片输入侧和输出侧的电源进行独立供电隔离。该芯片的6脚及7脚则接入示波器探头，采用示波器直接对信号进行观察测量。测试电路如图3所示。A7800出厂时要求的增益允许误差为±3%，即标准增益倍数是8，但实际允许在7.76～8.24变化。对存在误差的板卡上的A7800以及全新的A7800进行对比测试，结果如表1所示。通过对A7800测试结果进行对比分析，可以看出在板卡采样范围内，故障板卡上卸下的A7800输出值明显偏高，换算得到的变比也高于正常范围，而全新的A7800的变比与规定的出厂误差相比，基本在允许范围内。因此，可以断定A7800由于长期运行确实出现了老化现象，使得器件的特性发生偏移，与设计性能不符。另外，重点关注了原板卡上老化的A7800的输出波形，在小输入信号时噪声表现得尤为明显，波形中具有大量毛刺，当输入信号增大时有所改善，此外部分板卡上卸下的芯片还会表现出输出的异常波动，可以预见该芯片在板卡上工作将造成输出信号的不稳定，难以取得正确的采样结果，而正常通道的A7800及全新芯片测试并未出现以上现象。通过实验对比分析，可以断定由于板卡使用时间过久，A7800芯片已经出现老化现象。3板卡修复与校正实例通过更换A7800，再利用测试平台进行测试，发现故障板卡的采样功能恢复正常，未出现通道明显偏离正常的情况，但输出值精度仍与技术要求的0.2%存在一定差距，结合芯片本身工艺参数，A7800出厂要求的准确度本身就与RS8680要求的技术精度0.2%存在差距，仅从器件本身难以确保精度在要求范围内。通过实验可知其线性度高，因此RS8680应采用程序校正，实现高精度采样。以其中一块板卡为例进行分析，比较3个通道的采样值绝对误差的变化趋势。其采样值绝对误差曲线如图4所示。由图4可以看出，3个通道都存在固有的零点漂移，即当放大电路输入信号为零时，由于种种不稳定因素的影响，静态工作点发生变化，得到非零的输出。根据所测量的数据，基于MATLAB进行仿真分析，对3个通道分别校正零漂，即采样值序列整体扣除掉输入值为0时的采样值，重新绘制特性曲线，校正后的误差曲线以及采样值与输入值比值变化趋势分别如图5和图6所示。由此可见，校正零漂之后，3个通道的采样值绝对误差都随着输入值的增大而线性增大，曲线较好地还原了芯片线性区内的线性特性。采样值与输入值的比值也基本稳定，即芯片的增益并未根据输入的变化出现明显变化，误差百分数也能够基本保持在固定水平。综上，校正零漂之后，芯片整体的线性度高，只是增益上存在偏差。分别根据通道1、通道2、通道3各自的平均实际变比0.997、1.006、0.995进行校正，即对数字量进行缩放，仿真结果表明，修正过后能够在整个测量区段内控制误差百分数在0.2%以内。综上，在更换了新的A7800芯片的基础上，若结合程序修正，消除零漂以及增益误差的影响，可确保采样值更为准确，误差百分数在0.2%以内。4结语本文针对从西换流站高压直流输电系统RS8680高精度测量板卡出现的误差增大以及故障问题，