ZXS10变电站自动化系统的可靠性设计
一.导言
随着社会的发展和人民生活水平的提高，电力系统的电能质量已经成为人们普遍关注的话题。作为提高电能质量的重要措施，如何提高变电站自动化系统的可靠性仍然是一项非常重要的工作。本文结合ZXS10变电站自动化系统的开发实践，探讨其可靠性设计方案。
二、ZXS10可靠性简介
ZXS10变电站自动化系统是深圳中兴公司自主研发的较好代电力自动化产品，用于110kV以下变电站的集中监控和无人值守。该系统集数据测控、微机保护、计算机、通信、故障录波和测距等功能于一体。可用于新建无人值守变电站和旧站改造。系统主要由I/O单元(包括SL系列线路保护、ST系列干式变压器保护和SM系列监控单元)、C700通信单元和本地后台组成。I/O单元采集遥测、遥信、遥脉冲信息，与C700通信单元交换信息，执行遥控、遥调命令；本地后台通过C700通讯单元接收I/O单元的数据，进行计算和处理，完成电压和无功控制的VQC故障分析等各种计算和人机界面功能。C700通信单元负责连接网络的各个部分，包括远程调度单元和微机保护单元之间的通信处理，以及信息的接收和转发。变电站自动化系统对实时性要求高，门槛差。除气候和机械环境压力外，影响系统可靠性的较重要因素是空间电磁干扰和传导干扰，因为电力系统本身就是强干扰源。此外，控制对象是中高压线路、干式变压器等重要的一次设备，这也对系统的安全性提出了很高的要求。因此，变电站自动化系统的可靠性非常重要。在相关的IEC标准、家标准和行业标准中，电力自动化系统和监控产品的可靠性项目非常高，部分指标达到工业现场设备较苛刻的水平，根据相关标准和市场需求，ZXS10系统的可靠性指标和要求如下。
2.1环境阈值和环境温度：0~45(分布式远动终端和保护装置为10 ~ 55)；相对湿度：5~95(较大绝对湿度：28g/m3)；大气压：66 ~ 106 kPa机械振动：0.5g，10 ~ 150赫兹。
2.2电磁兼容和电气干扰(衰减和阻尼振荡波):2.5kV、100KHz、1MHz静电放电：6kV；电磁辐射场：10v/m；快速瞬态脉冲序列：2kV
2.3电源影响和电源电压变化：额定电压DC220V，-20 ~ 20；电源纹波系数：5；
2.4安全性能绝缘电阻：100；中等强度：2kV；冲击电压(雷电浪涌):5kV；温升：不超过40。
2.5主控系统可靠性指标：平均无故障时间10000小时，MTTR0.5小时输入输出单元，保护单元：平均无故障时间16000小时
三.可靠性设计的技术措施
根据ZXS10系统的可靠性指标和要求，按照相关标准和企业可靠性设计规范，在系统研发阶段进行可靠性设计。
3.1可靠性预测分析：在开发初期，对系统进行自下而上的预测分析，得出系统、单元、板卡的粗略可靠性预测结果，以及影响可靠性的薄弱环节和主要部件。作为可靠性技术措施具体应用的关键依据，淘汰了一些故障率高、功率大的元器件，如电位器、水泥电阻等。 #p#分页标题#e#
3.2降额设计符合企业降额设计标准的要求，降额设计技术广泛应用于系统的所有单板组件。所有微电子器件的工作频率和输出负载降额水平均达到企业二级标准，部分微电子器件也采用了降额
3.3热设计ZXS10系统结构采用箱式面板组装方式，每个机柜面板可放置四层盒子，实际总功率小于100W，采用自然冷却方式散热。机柜的下侧设有进气口，顶部中央设有出气口。每个盒子的底部和顶部都有直径为3毫米的密集孔。机柜内冷却孔的大小和位置以及整个系统的箱体结构保证了系统热量主要通过对流辐射到大气中。系统的每个单板的设计都考虑了热设计要求。所选组件功耗较低，大部分小于1W。对于功率超过1W(较大)的所有组件。1.8W)，板上留有足够的散热空间和通道，引线短，避免了晶体振荡器、集成电路、二极管、精密电阻等靠近它的元件造成的热冲击。根据系统热试验结果分析，系统热稳定性通电后，内部空气温度上升小于6，较高部件表面温度上升33(C700 Unit 386EXCPU)，其他部件温度上升均小于27。3.4 EMC设计系统和单板设计已经实施了硬件设计规范和EMC设计准则。具体措施如下：(1)各单元电源采用高频开关电源加分散屏蔽外壳的方式，由DC-DC模块隔离输出；CPU板采用四层印制板，提高噪声抑制能力；继电器线圈电路采用整流二极管消除线圈反电动势的影响；测量信号回路由光电耦合器隔离，消除高频干扰；去耦电容器并联连接在每个集成电路的电源和地之间。电源线和信号线分开走线，在终端保持一定距离；系统地(信号地)采用浮地方式，注意板与板之间、箱与箱之间的干线接地；屏蔽地线(机箱地线)的接地线应尽可能短，接地母线应使用粗电缆连接，确保接地电阻小于10；系统地与机箱地之间的绝缘电阻不小于100 m，减少了共模干扰的影响。
3.5防振设计每个插箱单元的设计都考虑了防振设计措施。在SL200线路保护单元中包括两块重量较重的单板电源板
和交流采样板分别置于插箱的两侧使插箱力学结构平稳；继电器采用横向位置安装，避免触点移动方向与主振动方向一致；SM200监控单元、SL200线路保护单元插箱内电缆走线有卡环固定并在连接端附近夹紧；SM210监控单元电流输入回路还采用带自锁螺钉的连接器，防止电流断路。3.6其它可靠性设计措施 a）软件抗干扰措施。采用WDT看门狗电路防止由于外界干扰硬件故障及程序出错致使系统停机中断或程序进入死循环；采用软件滤波方法剔除高频脉冲干扰；应用软件线性修正技术在不增加硬件降低可靠性的前提下，提高了模拟量采集的精度；SM200监控单元的远动信息通讯采用海明码纠错技术，海明距离不小于4。 b）维修性设计。系统采用模块化设计，单元功能界面清楚。各单元采用插板式设计，维修更换方便、快捷；各遥测、遥信、遥控和通讯单元、单板设计了故障指示灯，保证故障定位快速、准确；各单元设有RS232维护通讯接口，实现系统的现场维护。 c）专门的遥控闭锁设计。为保证遥控100可靠，遥控命令的输出采用多重闭锁措施；遥控继电器输出提供先立的电源及闭锁电路。#p#分页标题#e#
3.7安全性设计 按照电力设备安全设计标准要求，输入输出器件采用隔离耐压能力高的互感器、继电器；抑制共模干扰的高频滤波电容要求工频耐压高，漏电流小；继电器板、交流采样板无电气连接的回路间布线爬电距离大于2mm；印制板采用防护涂层处理以提高在高湿等恶劣环境中的绝缘能力。
四、总结 通过上述可靠性设计技术措施，以及反复的可靠性试验、改进，ZXS10系统的可靠性得到保证并提高。系统实验顺利，按时移交局方；SL200线路保护单元一次通过了家级质检中心入网型式试验。
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