微機保護開關電源實時在線監測研究

史春旻，鮑有理，仲偉寬，孫天宇，朱嬋霞，張 瑋

（1.無錫供電公司，江蘇 南京 214000； 2.國電南自，江蘇 南京 211100）

0 引 言

自1998年開始，微機保護開始在蘇南地區推廣使用，隨著技術的發展，微機保護的各項功能都得到了加強和完善，到目前為止幾乎完全取代了傳統的電磁型保護。雖然微機保護相對于電磁型保護來說優點很多，但是其使用壽命僅有12年左右，比電磁型保護短很多［1］，而微機保護開關電源模件的壽命更短，且各主流廠家生產或提供的開關電源壽命差異較大，部分廠家的開關電源可使用12年以上，而有些廠家的開關電源僅僅能使用6年左右。從現場運行和檢修的經驗來看，在繼電保護的各類缺陷中，電源模件損壞占比較大，無錫地區2012年統計的繼電保護缺陷數據顯示，2012年保護裝置的各類缺陷中，開關電源故障占比為34.46%，已成為影響繼電保護裝置正常運行的主要缺陷之一。

繼電保護用開關電源是繼電保護裝置中的主要功能模塊，它負責將站用220 V直流轉換成供微機保護CPU使用的5 V和繼電器使用的24 V直流［1］。而繼電保護開關電源的好壞直接影響到保護裝置動作的可靠性，當電源模件損壞時，微機保護所有功能都將缺失，這給電網的安全帶來很大的隱患。

本研究將探討如何在微機保護運行時，實時監測開關電源的運行狀態，當開關電源性能下降時，及時提供報警信息，提醒檢修人員及時更換。同時，監測的結果可完整地保存下來，為今后的開關電源設計提供可靠的設計依據。

1 開關電源故障分析

1.1 開關電源故障率狀態分析

實踐證明開關電源的故障率是時間的函數，遵循浴盆曲線（Bathtub curve，失效率曲線）的規律［2］，失效率曲線如圖1所示。

圖1 失效率曲線

曲線的形狀呈兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為3個階段:早期失效期，偶然失效期，耗損失效期。浴盆曲線是指產品從投入到報廢為止的整個壽命周期內，其可靠性的變化呈現一定的規律，如果取產品的失效率作為產品的可靠性特征值，則它是以使用時間為橫坐標、以失效率為縱坐標的一條曲線。

早期失效期:是由于在設計、結構、制造工藝中存在缺陷或由于嚴重的使用不當而造成產品失效的階段。由于微機保護出廠時已經完成拷機測試，現場運行時該階段失效的概率很低。

偶然失效期:這是一個隨機的失效階段，這種失效與工作環境有關，與工作時間關系不大。這一時期是產品的良好使用階段，偶然失效主要是由質量缺陷、材料弱點、環境和使用不當等因素引起。該階段的失效概率很低。

耗損失效期:該階段，元件的性能急劇惡化，失效率隨時間而上升。主要由磨損、疲勞、老化和耗損等原因造成。微機保護開關電源在該階段損壞的概率上升很快，需要及時更換。

要研究開關電源是否進入耗損失效期以及進入耗損失效期的條件，就需要從開關電源的組成和結構開始研究。

1.2 開關電源結構分析

開關電源是開關穩壓電源的簡稱，它采用脈寬調制（PWM）驅動功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關、控制開關元件的占空比來調整輸出電壓［3］。其工作頻率一般在20 kHz～500 kHz范圍之內（典型開關頻率為150 kHz），效率可達65%～85%。開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOS?FET構成。

繼電保護開關電源一般為DC/DC開關電源，由于微機保護裝置的運行功率較低，一般使用小功率反激式DC/DC轉換電源。反激式開關電源即:開關穩壓器將一輸入電壓變換成一較低的穩定反相輸出電壓。其原理圖如圖2所示［4］。

圖2 反激式DC/DC開關電源簡化等效電路圖

其中，變壓器T1起隔離、傳遞、儲存能量的作用，即在開關管Q導通時Np儲存能量，開關管Q關斷時Np向Ns釋放能量。在輸出端加有電感器L0和電容C0組成的低通濾波器，變壓器初級Cr、Rr和VDr，組成的RCD漏感尖峰吸收電路［4］。其優點是電路結構簡單，適用于200 W以下的小功率電源，且多路輸出交調特性相對較好。

1.3 開關電源元器件分析

開關電源由多種元器件構成，其中易老化的關鍵元器件主要為電解電容、光耦和粉芯磁件。

（1）電解電容。電解電容中的電解液易揮發，長期運行后存在電容值降低、等效串聯電阻上升等老化現象，從而影響電源產品的性能，最終導致整個產品失效［5］。

（2）光耦。光耦一般應用在控制回路中作為線性隔離器件。老化時電流傳輸比降低，導致電源環路增益下降、環路不穩等，使得產品失效。

（3）粉芯磁件。粉芯磁件由鐵粉通過有機膠粘合壓制而成，如果設計不當，使得有機粘合老化嚴重時，會出現磁損巨增、磁芯飽和等問題，可能引起由電感導致的燒機的安全隱患。

一般而言在開關電源元器件中，電解電容為壽命最短的元器件，所以電解電容在電源產品的壽命中是關鍵性的一個環節。

通過對開關電源電解電容、輸出紋波、電壓的監測，能達到監測開關電源運行狀態和性能的目的。

2 開關電源實時在線監測算法研究

2.1 開關電源理論壽命折算評估法

開關電源的壽命主要由電容的壽命決定，通過估算電容的壽命，可以大致了解電容的壽命。

電解電容的理論壽命公式［6］為:

式中:L—電容壽命時間，L0—電容理論壽命，T—電容實際使用溫度，T0—電容標識溫度。

L0、T0由生產廠商提供。

首先，引入電容的耗損量公式，電容的耗損量是時間和溫度的函數:

式中:W(t)—電容的損耗量；t—時間變量；T(t)—溫度變量，其中溫度又是時間的函數。

根據電容理論壽命公式可以推導出電容耗損量公式:

式中:W(t)—電容的損耗量，t—時間變量，L0—電容理論壽命，T0—電容標識溫度，T—電容實際使用溫度。

考慮適當的裕度，當電容的耗損量達到85%時，認為開關電源進入耗損失效期。

2.2 輸出紋波判別法

DC/DC開關電源輸出為直流量，直流穩定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩定量上的交流分量就稱之為紋波。

實際運行中的開關電源紋波如圖3所示。

圖3 開關電源輸出紋波示意圖

開關電源的輸出紋波和輸出濾波電容有很大的關系［7］。當輸出濾波電路的電容量下降時，輸出電壓中的紋波含量將上升。

本研究對國內著名繼電保護廠家國電南自的PSL641U保護裝置電源模塊進行紋波分析實驗，數據顯示:當電容正常工作時，紋波幅值小于10 mV。當電容損耗容值下降50%時，紋波擴大接近1倍。當電容徹底損壞，紋波的幅值已經大幅度增加達到100 mV以上。

上述實驗表明，可以根據諧波增大的程度，判別開關電源是否進入耗損失效期。而且，隨著電容量耗盡，開關電容的輸出紋波明顯增加。

在實際運行環境中，由于開關電源輸出電壓中的諧波比較復雜，如果采用輸出諧波判別法對開關電源的狀態進行評估，還需要結合開關電源的實際結構、電源的實際應用環境等因素進行綜合分析評估。

本研究通過實時地對開關電源的交流均方根值進行記錄，構建紋波的變化趨勢圖，可以做到預測電源的失效時間。

2.3 輸出電壓判別法

由圖3可以看出，忽略紋波后，開關電源的輸出也不會是一條水平直線，輸出電壓將會呈現周期性或隨機性的漂移和擺動。

根據國網公司DL/T527-2002《靜態繼電保護裝置逆變電源技術條件》規定，5 V、24 V的電壓波動范圍為［8］:

當開關電源輸出電壓超出上述范圍持續一段時間時，即可判斷開關電源性能異常。

3 開關電源實時在線監測硬件

3.1 溫度采集電路設計

根據式（3）可知，需要監測開關電源運行中的溫度，才能獲得開關電源的耗損量。

通過在開關電源電路板的關鍵部位，預埋Pt100 RTD測溫電阻，可以精確獲得需要采集的溫度。

鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數關系而制成的溫度傳感器，由于其測量準確度高、測量范圍大、復現性和穩定性好等，被廣泛用于中溫（-200 ℃～650 ℃）范圍的溫度測量中［9］。

通過應用三線制接法能準確地測量Pt100電阻值，其優點是將PT100的兩側相等的導線長度分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除。

3.2 紋波采集電路設計

紋波采集電路和示波器電路設計類似，其典型的電路如圖4所示。

圖4 紋波采集電路流程圖

輸入的電壓信號經耦合電路后送至前端放大器，前端放大器將信號放大，以提高示波器的靈敏度和動態范圍。放大器輸出的信號由取樣/保持電路進行取樣，并由A/D轉換器數字化，經過A/D轉換后，信號變成了數字形式存入存儲器中［10］，微處理器對存儲器中的數字化信號波形進行相應地處理，并顯示出來。這就是數字存儲示波器的工作過程。總體上說，采集開關電源紋波的處理方法幾乎等同于示波器處理流程。

但是對紋波采集的要求又不同于示波器:開關電源的紋波頻率一定，采集需要的截止頻率有限，僅僅需要采集150 kHz頻率的PWM信號紋波；無需還原紋波的上升沿、下降沿時間，只需知道紋波大小即可；頻譜分析只需計算總的諧波含有率；電源故障的特征較長，對刷新率要求不高，對處理器的運算速度要求低。

經選擇，國電南自原有線路保護中使用的CPU，ST意法半導體Cortex-M4核心的STM32F4ZET6可以很好地滿足需求，3個獨立的12位ADC，采樣率高達2.4 Msps，支持3個ADC交錯采樣，最高實現7.2 sps的采樣率，可以很好地完成對開關電源紋波的采樣；自帶10/100 M以太網MAC，能可靠完成設備對外的通信任務，支持DSP指令，對浮點運算操作有更快的硬件運算部件支持。硬件總體設計圖如圖5所示。

圖5 紋波采集電路框圖

4 開關電源在線監測前景分析

CPU-STM32F4ZET6為高集成度單芯片設計，具有很高的性價比。通過在微機保護中增加一塊診斷插件來完成在線實時監測任務，不影響保護裝置其他功能的正常運行，總體硬件的成本可控，同時又能很好地滿足技術參數要求，具有很好的市場競爭力。

未來該系統可逐步增加其他監測功能和監測點，使整個監測回路更加完善，能促進繼電保護裝置的安全穩定運行。

5 結束語

本研究根據微機型繼電保護多年運行經驗的總結，從開關電源是其性能的薄弱點出發，分析了開關電源的結構、特點，最后設計相應的軟件和硬件，完成對開關電源運行狀態的監視。該硬件已開始在變電站現場運行，且運行情況良好。

本研究提出的監測方法，手段尚比較單一，監測點較少，未來還需要在現有的基礎之上，進行升級和擴充，使監測功能更加全面完整，并提高準確率。

（References）:

［1］歐陽帆，張亮峰，李 剛，等.微機保護裝置逆變電源故障原因分析［J］.電力自動化設備，2011，31（7）:150-153.

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［3］徐 濤，吳迎霞，張紅超，等.繼電保護用開關電源的故障分析及改進［J］.電力系統保護與控制，2010，38（10）:135-137.

［4］張 維.單端反激式開關電源研究與設計［D］.西安:西安電子科技大學電氣工程學院，2011:5-6.

［5］趙勇剛，梁秋妮，周慶波.開關電源用高壓鋁電解電容器長壽命技術的研究［J］.電子元件與材料，2013，32（7）:29-33.

［6］CORPORATION R.Technical notes for electrolytic capaci?tor［EB/OL］.［日 期 不 詳］.http://www.rubycon.co.jp/de/products/alumi/pdf/Life.pdf.

［7］吳凌云，李瑞正.關于開關電源紋波抑制的技術要點及措施［J］.數字技術與應用，2011（12）:205-206.

［8］中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T 527-2002靜態繼電保護裝置逆變電源技術條件［S］.北京:中國電力出版社，2002.

［9］陳志文，王 瑋.基于Pt100鉑熱電阻的溫度變送器設計與實現［J］.現代電子技術，2010（8）:197-199.

［10］行韶谞，段衍東，禹林焓.基于FPGA的VGA顯示簡易數字示波器設計［J］.電子測量技術，2012，35（10）:30-35.