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，并將模擬量轉化為數字量返回到廠站SCADA后臺。針對從西換流站RS8680測量板卡產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，并將模擬量轉化為數字量返回到廠站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。考慮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老化現象，存在設備損壞風險。測量板卡的運行性能好壞直接關系到直流輸電系統能否安全穩定運行，從西換流站曾經發生過因為直流測量系統部分測點故障導致直流電壓波動的異常事件，嚴重危害到電網的安全穩定運行。南方電網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。經驗證，當加載電壓后，發現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A7800官方提供的參數，其線性工作區在輸入-0.2～0.2V。根據前級4～20mA電流模擬量轉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。為判斷存在誤差的板卡的A7800光耦合器的性能，根據技術文件搭建芯片的附屬電路以便進行測試，用函數信號發生器產生鋸齒波作為輸入信號，接入A7800的2腳及3腳，并對芯片輸入側和輸出側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，結果如表1所示。通過對A7800測試結果進行對比分析，可以看出在板卡采樣范圍內，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的變比與規定的出廠誤差相比，基本在允許范圍內。因此，可以斷定A7800由于長期運行確實出現了老化現象，使得器件的特性發生偏移，與設計性能不符。另外，重點關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出輸出的異常波動，可以預見該芯片在板卡上工作將造成輸出信號的不穩定，難以取得正確的采樣結果，而正常通道的A7800及全新芯片測試并未出現以上現象。通過實驗對比分析，可以斷定由于板卡使用時間過久，A7800芯片已經出現老化現象。3板卡修復與校正實例通過更換A7800，再利用測試平臺進行測試，發現故障板卡的采樣功能恢復正常，未出現通道明顯偏離正常的情況，但輸出值精度仍與技術要求的0.2%存在一定差距，結合芯片本身工藝參數，A7800出廠要求的準確度本身就與RS8680要求的技術精度0.2%存在差距，僅從器件本身難以確保精度在要求范圍內。通過實驗可知其線性度高，因此RS8680應采用程序校正，實現高精度采樣。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，由于種種不穩定因素的影響，靜態工作點發生變化，得到非零的輸出。根據所測量的數據，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內的線性特性。采樣值與輸入值的比值也基本穩定，即芯片的增益并未根據輸入的變化出現明顯變化，誤差百分數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，即對數字量進行縮放，仿真結果表明，修正過后能夠在整個測量區段內控制誤差百分數在0.2%以內。綜上，在更換了新的A7800芯片的基礎上，若結合程序修正，消除零漂以及增益誤差的影響，可確保采樣值更為準確，誤差百分數在0.2%以內。4結語本文針對從西換流站高壓直流輸電系統RS8680高精度測量板卡出現的誤差增大以及故障問題，