特高压直流输电阀基电子设备光通道的可靠性设计和应用研究

赖桂森， 陈子明， 陈浩， 刘虹， 胡义， 陈海锋， 张俊

(1.中国南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州 510405；2.华南理工大学，广东 广州 510640；3.中电普瑞电力工程有限公司，北京 102200)

0 引 言

截至2020年3月，我国共有25条在运特高压线路、7条在建特高压线路以及7条待核准特高压线路。随着特高压直流输电工程的增多，实现直流工程优质投运及安全稳定送电，减少非计划停运，成为提高特高压直流工程可靠运行的关键[1-4]。换流阀阀控设备是直流输电工程二次系统中的核心元件[5-6]，其关键器件在长时间连续通电的情况下运行，受到环境条件变化(温度和湿度)的影响，阀控设备光通道出现异常的风险会逐步提高，触发与监测板上光发射器的输出功率降低，信号出现畸变，会导致换流阀晶闸管不能正常导通和关闭。现有的阀基电子设备，由于缺乏光通道的监测数据，无法及时发现光功率器件失效等状态变化，从而导致换流阀运行故障[7-9]。本文提出的阀基电子设备光通道硬件优化设计，通过采集光功率数据，可得到发射器件的耦合功率，并以此作为光通道可靠运行的重要判定依据。当阀基电子设备光通道存在运行风险时，通过光功率的检测和预测，可以有效评估光通道运行状况，并制订合理的检修计划，缩短换流阀停电时间，有效节省人力物力。

1 触发与监测板的光通道

换流阀的触发和监视功能主要由阀基电子设备(valve base electronics equipment, VBE)和晶闸管监测单元(thyristor trigger and monitor unit, TTM)来实现，换流阀和VBE通过触发与监测板和TTM之间的光通道进行连接[10]。触发与监测板的光通道和换流阀晶闸管级采用一一对应方式，通过回报通道监测每一级晶闸管回报信号，判断晶闸管级的工作状态。通过触发通道向每一块TTM发送触发脉冲，使晶闸管导通[11]。触发与监测板光通道结构示意图如图1所示。

图1 光通道结构示意图

2 现有光通道的设计

随着高压/特高压直流输电迅猛发展，我国已开展大量直流工程关键设备状态在线监测技术的研究，国内现有的VBE系统光通道的监测手段较为匮乏，仅限于光通道好与坏的判断，无法实现光通道数据的监测、分析，限制了光通道可靠性评估和光收发器件故障机理的分析[12-13]。

目前A5000型VBE的触发与监测板采用驱动芯片直接控制光发射器的导通和关闭，通过触发光通道输出触发脉冲信号；通过回报光通道接收TTM的回报信号，采集光接收器的输出电平变化，实现晶闸管级状态的监测。发射器和接收器的原理如图2和图3所示。

图2 触发与监测板发射器原理图

图3 触发与监测板接收器原理图

光通道信号输出和监测只针对传送信号状态的结果，没有对光通道自身参数进行监测。光通道传送异常时无法区分是光通道自身还是换流阀或是VBE的运行状态出现故障。增加光通道自身的监测，对监测数据进行分析可以预测光通道不稳定因素，提前制订相应的应对措施，提高光通道传输的可靠性。

3 光通道的硬件优化设计

为了对光通道自身状态进行监测，触发与监测板光收发器采用具备数字诊断功能的智能小型可插拔(small form pluggable, SFP)光模块实现光通道的数据采集[14-16]。SFP光模块是SFP封装的热插拔小封装模块，最高速率可达10.3G，接口为LC。SFP光模块体积较小，可以在相同的面板上配置增加端口数量，且便于更换。SFP凭借其小型化低成本等优势满足了设备对光模块高密度的需要。

SFP光模块通过内部集成IC芯片采集光模块的状态数据，控制系统采用I2C总线接口读取SFP光模块输出数据[17]。光收发模块的原理如图4所示，SDA为I2C总线数据，SCL为外部时钟，MODS为光模块选择信号。

图4 SFP光模块原理图

4 光通道监视

触发与监测板可以通过智能SFP光模块的I2C总线接口获得光通道自身的运行参数，其中SFP光模块采样数值经过数据转换后可以得到光收发模块的耦合光功率值。

4.1 监视回路

每个触发与监测板包含多个SFP光模块，每个SFP光模块和1个TTM一一对应，控制和监视一级晶闸管级[18]。触发与监测板的核心芯片使用SFP光模块的选择信号切换不同的SFP光模块，实时监测每一个SFP光模块；通过I2C总线接口采集SFP光模块的数据，采集速率为每20 ms采集1次，数据内容包括光收发模块的温度，供电电源电压，接收平均功率等实时信息。触发与监测板获取光通道信号后，根据实际信号形式，光功率经过数据转换得到耦合光功率值，与光收发模块的温度、电源电压等光通道的状态信息上传到后台显示。触发与监测板光通道检测的结构如图5所示。

图5 触发与监测板光通道监视

核心芯片与光模块之间的通信协议SFF-8472定义了数据传输的详细信息。将模块的EEPROM划分出2个256字节的存储单元，地址分别为A0h和A2h。存储单元A0h用于存储SFP模块的一些通用信息，如模块类型、序列号、生产日期、传输波长和传输长度等。存储单元A2h用于存储实时监控到的模块温度、电源电压和接收光功率的数字化测量结果，以及对这些监控数据进行校准的常数，此外还包括了警告标志或警告条件的存储空间。

接收光功率以mW为单位，用16位无符号整型来表示(0～65 535)，1LSB等于0.1 μW，整个范围是0～6.553 5 mW(-40 dBm～+8.2 dBm)。参照光通道的波长，在给定的温度和电压范围内，接收光功率的误差不超过±3 dBm。

SFP光模块通过输入接口监控上报参数是否在正常的范围内，参数有两级告警，分别称作Alarm和Warning告警，而每一级又分High和Low两个告警，当监控的参数超出设置的Alarm和Warning阈值时，就会于相应的标志位，产生告警。

SFP光模块采集的光通道信息都将通过I2C总线输送到触发与监测板核心芯片，经过数据处理后上传至后台显示和分析。

4.2 光功率监测

SFP光模块耦合光功率与接收信号的波形、I2C通信配置以及光功率数据的采集方式有关。当换流阀晶闸管状态不同时，TTM板返回的状态信号不同。换流阀正常工作时，TTM返回周期脉冲信号；晶闸管级电压过高时，TTM返回过压保护回报脉冲信号。SFP光模块常高电平条件下耦合光功率计算公式如下：

(1)

式中：N为数据上传频率与采集频率的比值；PC(H)为常高电平下的耦合功率；T为回报信号周期；t为周期内脉冲信号宽度；p为SFP光模块的实时光功率。

触发与监测板SFP光模块的I2C总线频率设置为400 kHz，采样平均时间常数为100 kHz。触发与监测板周期20 ms采集1次光模块的数据，经过数据处理后每1 s向后台输出耦合功率数值。由此可计算得出SFP光模块耦合光功率。

5 光功率检测装置

触发与监测板接收通道的光功率可以通过SFP光模块进行监视，发射通道的光功率可以通过外置的光功率检测装置进行检测。

5.1 工作原理

光功率检测装置用于测量触发与监测板SFP光模块的光发射功率。检测装置输出多路控制信号,控制触发与监测板光信号的输出，然后通过SFP光模块采集光信号功率，光功率采集原理、数据转换和触发与监测板的光功率监测一致。检测装置的控制系统获得光功率数据以后，通过以太网上传至人机交互系统，并通过上位机操作可以对采集光功率数据进行保存和分析[19-21]。检测装置系统结构如图6所示。

图6 光功率检测装置原理图

5.2 工作模式

触发与监测板只能采用离线方式进行发射通道光功率检测。当触发与监测板为光功率测试程序时，光功率检测装置投入测试模式。当触发与监测板为实际工程程序时，光功率检测装置投入工程检测模式。通过2种不同模式对触发与监测板光功率进行检测和校准。

5.3 工程应用

换流阀投运后，由于触发与监测板的发射器件处于长期运行状态，发射功率必然出现一定程度的衰减。检测触发与监测板的发光功率，对测量数据进行分析得到光功率的变化曲线，预测光功率的衰减趋势，使光功率值满足光通道正常运行的范围，将有助于触发与监测板光通道的可靠运行[22]。

光功率检测装置除了可以采集光功率外，还可以采集SFP光模块的编号，通过获取编号信息可以建立每一个SFP光模块全周期的光功率曲线。

1) 触发与监测板生产过程

板卡运行测试程序使光发射器输出常高电平的光信号，使用检测装置可以得到每一个SFP光模块的耦合功率，根据该耦合功率值可以提前排查不满足光通道正常运行条件的SFP光模块。

2) 触发与监测板出厂测试

板卡运行工程程序，检测装置通过多路控制信号使触发与监测板的光发射器输出正常触发脉冲光信号，同时检测光信号的光功率。经过数据转换后，得到SFP光模块的耦合功率，以此耦合功率作为初始值开始记录光功率变化曲线。如果初始值的裕度较小时，投运后作为优先检测对象，判断光功率值是否满足光通道可靠条件。

3) 触发与监测板投运后

定期对电路板进行检测，记录检测周期和耦合功率数值，建立所有SFP光模块的光功率检测数据库。通过对所有光功率数据(包括已经出现异常通道的光功率值)进行数据分析，可以归纳总结光功率全周期的变化规律[23]。

总之，通过3个阶段光功率的测量，就可以绘制每一个SFP光模块经过工程运行后实际光功率变化曲线。根据光功率变化情况，可以预测光功率的变化趋势。为了保证光通道可靠运行，预测下一个检测周期的光功率，在不满足正常运行条件前，制订合理的停电检修计划[24]，对不符合功率要求的SFP光模块进行更换，保证触发与监测板光通道的稳定运行。

6 结束语

本文基于触发与监测板光通道硬件优化设计，结合实际信号形式，对光功率的检测数据进行处理和转换，得到发射器件的耦合功率，并以此作为光通道可靠运行的重要判定依据。结合触发与监测板的应用和周期检测，建立全周期的光功率数据库，以此绘制光功率衰减曲线，预测光功率变化趋势，评估光通道运行状况并制订合理检修计划。通过光功率的检测和预测，可以有效评估光通道的运行状态，提升光通道的可靠性和稳定。光通道的检测和预判方法，有效降低了光通道运行风险，具有极大的推广意义。