混合光学直流测量系统低功耗就地变换器的研究

梁 阳, 张 杰, 李 俊

(1.南方电网超高压输电公司 百色局,广西 百色 533000; 2.北京博电新力电气股份有限公司,北京 100084)

混合光学直流测量系统低功耗就地变换器的研究

梁 阳1, 张 杰1, 李 俊2

(1.南方电网超高压输电公司 百色局,广西 百色 533000; 2.北京博电新力电气股份有限公司,北京 100084)

目前电力系统串补及直流输电保护系统的二次采样装置中,测量系统多采用激光供电,而激光供能所能提供的能量是有限的,因此,研究设计高效可靠的能量转换供能电路成为直流及串补保护系统二次采样装置设计中的重要课题。文章针对就地变换器的特点,通过对就地变换器结构的分析及具体实现,在各个功能模块中采用低功耗及优化设计实现了就地变换器对光能高效可靠地转换,使设备满足低功耗的要求。

混合光学;测量系统;信号;低功耗

目前国内西门子直流输电和串补工程测量系统均采用混合光学直流测量[1],其就地采样模块故障率高，严重影响系统的安全运行。据南方电网某站连续3 a的统计结果显示,平均数月就有西门子就地采样模块运行故障。在实际工程中混合式光学直流测量系统互感器数据采集部分处于高压端[2],由高压侧电路和就地转化器2个部分组成[3],由于激光供电并受到电源输出功率的限制,采集电路设计需要具备低功耗的特性才能保证设备的安全可靠运行。本研究给出了一种基于复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，CPLD)和AD7468的光电电流互感器数字变换器的设计方法,提供了激光供能电路、CPLD、AD采集等单元的低功耗解决方案。文中的设计方法可以保障系统低功耗和采样数据的可靠性。

1 就地变换器结构

就地转换器完成了混合光学直流测量系统中模拟量转换为数字量[4]、电信号转换为光信号的工作,包括光电流换能器、隔离电路、DC-DC、时钟提取模块、低电压判定模块、模拟采样模块、AD转换模块、用于数据处理的CPLD及发光二极管。光电流换能器把激光信号转换成电信号;隔离电路把DC-DC同光电流换能器隔离开; DC-DC为该就地转换器提供稳定可靠的电能;时钟提取及低电压判别模块由电阻电路及比较器组成;模拟采样模块包括运算放大电路及电阻电路;AD转换模块包括一个16位精度的ADC器件;CPLD完成AD采样控制和串行编码输出;发光二极管负责把CPLD输出的串行编码转换成光信号输出,如图1所示。

图1 就地变换器电路结构

2 就地变换器低功率的研究

2.1 低功耗CPLD的应用

本研究采用XILINX公司的Coolrunner系列超低功耗的CPLD作为整个设备唯一可以编程的器件,担负AD控制和数据输出的工作。工作流程如下:

(1) 通过时钟提取模块提取的同步时钟源,确定一个采样周期的开始,从AD转换模块数据输出端得到AD转换数据。

(2) 在同步时钟的驱动下,依据串行编码方式发送来自AD转换模块数据输出端的数据及低电压信号。

(3) 周而复始地按顺序重复步骤(1)、步骤(2)。

CPLD的使用为系统功耗的控制提供了保证。

2.2 光电转换电路的设计

光电转换电路需要将波长为808 nm左右的光能转化为电能。本设计选择PPC-6E作为光电转换器件[6],最大提供500 mW的功率,在5 V时能输出100 mA的电流。该器件可以将波长在790～850 nm之间的光能转化为6 V电压的电能,其工作温度范围在-60～+100 ℃之间,转换效率大约为40%,与之耦合的光纤为200 μm的芯径。其在输入光功率为150 mW时的光电技术参数见表1所列。

表1 输入光强150 mW时光电转换器的技术参数

同时,输出电压会随温度升高而降低,即温度变化时光电转化其输出电压并不稳定,为了给高电位电子线路可靠供电,必须采用DC-DC变换,以得到稳定的电压输出。

PPC-6E提供的功率决定了就地变换器低功耗的特征。

2.3 DC-DC转换电路的设计

DC-DC转换电路为激光供能系统的重要组成部分。该部分将光电池输出的宽带电压经过变换,产生满足1次转换系统要求的稳定的电压。高压侧1次转换系统采用低功耗微控制器,工作电压在1.8 V左右,模拟、调制电路也都采用低功耗元件,单电源1.8 V供电。这样,高压侧DC-DC变换电路提供1.8 V的稳定输出,就可以满足高压侧就地变换器供能的需要。考虑到供能系统提供的能量限制和转换器件自身的功耗,采用高效、外围电路简单的DC-DC变换芯片LTC3405,其电路设计如图2所示。

图2 DC-DC电路

该系列DC-DC转换芯片输出可调,可配合电源及信号采集系统的供能要求,降低功耗。处于可调状态时,输出电压为1.8 V,输入范围为2.5～5.5 V,转换效率可高达93%,其电压及电流与芯片转换效率对应关系如图3所示,其输出电流在10～100 mA之间。

(a) (b)

2.4 AD采集电路的选择

实现模数转换的方法很多，不同电路结构的AD转换器的工作原理差异很大,性能上的差异也可能很大。每一个AD转换器除了必备的转换电路还需要适当地模拟输入信号处理电路、数字输出信号接口电路等。AD转换器按转换电路结构和工作原理分为以下几种类型:并行比较型、分级流水型、逐次逼近型、积分型、压频转换型等。各种AD转换器都有各自的特点，有的以转换速度快见长,有的以分辨率高为特点。就地变换器的AD转换器件要求其具有高可靠性、抗干扰、低功耗的特点。综合考虑器件的转换速度、分辨率、应用所需的采样率、同时采样、集成采样保持器、功耗等因素，AD7468都可以满足本系统的设计需要。其外围电路设计如图4所示。

图4 AD采集电路

2.5 有效的低电压判定电路

低电压判定模块能及时、有效、精准地判断出光电流转换器输出电压是否低于预设的3.3 V门槛电压,并把判断的结果即低电压信号传输给外部激光供能平台,外部激光供能平台实时调整平台中的激光发射器输出的激光信号的强弱,输出给本装置的激光信号输入端光电流转换器。及时、有效、精准的低电压信号使外部激光供能平台的激光发射器处于较低的输出功率状态,实测其实际稳定输出时电流值为230 mA左右。理论上同时延长了就地变换器的光电流换能器外部激光供能平台的激光发射器的使用寿命。系统工作电流低于100 mA,满足低功耗要求。

3 结 论

本文根据变换器的整体结构,采用激光提供能量的方式[7],将激光能量提供给高电位侧的光电转换器件[8],并通过DC-DC为整个变换器件提供稳定的电源供应。该就地转换器的DC-DC、模拟采样模块、AD转换模块、用于低电压判定的比较器、CPLD均采用功耗较低的电子元器件,同时在电路设计时均考虑低阻抗设计,能实现整个系统低功耗的要求。经测试,本就地变换器的典型工作电流可以低至70 mA,总功耗不大于350 mW,能够满足电子电路的功耗和现场设备运行的要求。

[1] 瞿刚，罗海云.混合光学直流测量系统的应用[J].电力自动化设备,2001,21(3):36-37.

[2] 刘田豹,方春恩,李伟,等.混合式光电电流互感器数据采集系统的设计[J].低压电器,2009(1):34-36,40.

[3] 邱红辉,李立伟,段雄英,等.用于激光供能电流互感器的低功耗光电传输系统[J].电力系统自动化,2006,30(20):72-76.

[4] 丁全响,周有庆,吴桂清.混合式光电电流互感器数据采集系统的研究[J].电力科学与工程,2006(1):34-37.

[5] 李伟,刘田豹,方春恩,等.基于CPLD的混合式光电电流互感器采样控制器的低功耗设计[J].电气应用,2009,28(24):68-70.

[6] 李澎,蔡志斌,罗承沐.光电电流互感器的供能电路的研究[J].电工电能新技术,2003,22(4):44-47,72.

[7] 方志,赵中原,邱毓昌,等.用于混合式光电电流互感器的光电传输系统[J].电网技术,2003,27(4):43-45,58.

[8] 朱炜,高学山,吴晓兵，等.混合光学电流互感器的反馈式激光供能[J].微纳电子技术,2007(7/8):146-149.

(责任编辑 张 镅)

Research on low-power local convertor for hybrid optic DC measurement system

LIANG Yang1, ZHANG Jie1, LI Jun2

(1.Baise Bureau, EHV Power Transmission Company of China Southern Power Grid, Baise 533000, China; 2.PONOVO Power Co., Ltd., Beijing 100084, China)

Nowadays, in the second sampling device of series compensation and HVDC transmission protection of power system, laser power is mainly applied in energy supply, which is quite limited. Therefore, the research and development on efficient and reliable energy conversion supply circuit becomes an important topic in the design of second sampling device of series compensation and HVDC transmission protection system. In this paper, according to the characteristics of the local convertor, through the analysis of the local convertor structure and realization, the efficient and reliable conversion of light energy by the local convertor is realized with low power consumption and optimization design in each function module, which meets the requirements of the low power consumption.

hybrid optics; measurement system; signal; low power consumption

2015-09-11；

2015-10-31

中国南方电网公司超高压输电公司科技资助项目(K-GY2001-006)

梁 阳(1968-),男,壮族,广西百色人,南方电网公司超高压输电公司百色局工程师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.05.016

TN911.74

A

1003-5060(2017)05-0653-03