于文斌，肖智宏，劉穎，尹東，高旭，申洪明，張效

(1. 哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 國網(wǎng)經(jīng)濟技術研究院有限公司，北京 102209；3. 國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100053；4. 國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031)

與傳統(tǒng)電流互感器相比，電子式電流互感器具有體積小、重量輕、絕緣結(jié)構(gòu)簡單、頻帶寬和動態(tài)范圍大等優(yōu)點，并且易與開關設備集成設計和安裝，有助于推動電力設備向小型化、集成化和智能化方向發(fā)展[1-3]。在過去很長一段時間里，基于Faraday磁光效應的光學電流互感器(optical current transformer，OCT)一直是電子式電流互感器的研究熱點[4-8]。OCT主要包括全光纖OCT(fiber-optic current transformer，F(xiàn)OCT)和磁光玻璃OCT(magnet-optic current transformer，MOCT)。目前，對于OCT的原理和關鍵技術的研究已經(jīng)比較成熟，已有相當規(guī)模的OCT產(chǎn)品在智能電網(wǎng)中得到應用。但是由于產(chǎn)品工藝和質(zhì)量等原因，在實際現(xiàn)場使用過程中仍然存在一些問題，特別是可靠性和適用性問題，使得OCT一直不能大規(guī)模推廣應用到工程實踐中[9-10]。

在OCT的可靠性方面，文獻[11]介紹了一些有關OCT可靠性的標準和程序，但并未針對OCT的可靠性進行具體分析研究；文獻[12]從光路結(jié)構(gòu)的角度分析了影響MOCT長期運行穩(wěn)定性和可靠性的因素；文獻[13-14]設計了MOCT的可靠性試驗內(nèi)容和程序，并對光學電流傳感頭的可靠性評估和壽命計算方法進行了研究，獲得了光學電流傳感頭的可靠性試驗數(shù)據(jù)；文獻[15]建立了按照功能部件劃分的OCT自頂而下的狀態(tài)參數(shù)分解層次模型，并設計了一種采用軟件同步時分復用技術的OCT運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)；文獻[16]基于故障模式與影響分析法構(gòu)建了FOCT的故障樹和故障特征空間，并建立了故障診斷專家系統(tǒng)；文獻[17]設計了FOCT的自診斷功能；文獻[18]分析了光學組件常見的失效模式，對FOCT光學組件的壽命及長期運行穩(wěn)定性進行了加速老化測試。上述研究主要集中在OCT可靠性的定性分析、故障診斷和光學組件的可靠性數(shù)據(jù)獲取等方面，但對于OCT的系統(tǒng)可靠性幾乎沒有涉及。

互感器作為智能變電站中一次系統(tǒng)的傳感元件，是繼電保護信息采集的源頭。由于繼電保護的特殊性，其可靠性不容忽視，繼電保護裝置是電力系統(tǒng)的重要組成部分，對于保證系統(tǒng)安全運行起著非常重要的作用。在電力系統(tǒng)無故障時，繼電保護的誤動作是應該杜絕的。Q/GDW 441—2010《智能變電站繼電保護技術規(guī)范》規(guī)定“智能變電站中電子式互感器的二次轉(zhuǎn)換器(A/D采樣回路)損壞，不應引起保護誤動作跳閘”為保證繼電保護的可靠性，該規(guī)范對電子式互感器提出了雙重化配置要求：電子式互感器內(nèi)由2路獨立的采樣系統(tǒng)進行采集，每路采樣系統(tǒng)應采用雙A/D系統(tǒng)接入合并單元(merging unit，MU)，每個MU輸出2路數(shù)字采樣值由同一路通道進入同一套保護裝置，保護裝置根據(jù)電子式互感器的雙A/D模擬量采樣值做相應處理，提高可靠性[19]。OCT顯然也必須滿足此規(guī)范要求。文獻[20]針對繼電保護雙重化配置的工程應用要求，提出了一種采用時分復用技術實現(xiàn)2路相互獨立采樣系統(tǒng)的方案，解決了FOCT采樣系統(tǒng)的雙重化要求，但缺少對該方案工程適用性的分析。

本文針對智能變電站繼電保護對電子式互感器的雙重化采樣需求，分析采用獨立雙采樣技術的FOCT和MOCT的系統(tǒng)可靠性和工程適用性。通過建立FOCT和MOCT的可靠性模型，依據(jù)中華人民共和國軍用標準GJB/Z 299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》[21]，結(jié)合文獻給出的部分元器件試驗數(shù)據(jù)，采用元器件計數(shù)法和應力分析法，分別對FOCT和MOCT進行可靠性預計，獲得OCT的設備可靠性指標和不同雙重化配置方案的系統(tǒng)可靠性指標。對采用雙套獨立和單套雙采樣2種方案構(gòu)成的雙重化配置方案的系統(tǒng)可靠性指標和經(jīng)濟性指標進行比較分析，評價FOCT和MOCT的工程適用性，以期推動OCT產(chǎn)品的工程推廣和應用。

1 雙采樣方案簡介

1.1 FOCT的雙采樣方案

為保證繼電保護裝置運行的可靠性，Q/GDW 441—2010要求電子式互感器應具有獨立雙采樣的功能。對于FOCT，規(guī)范要求每套FOCT內(nèi)配置4個保護用傳感元件，由4路獨立的采樣系統(tǒng)進行采集(單A/D系統(tǒng))，每2路采樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過各自通道輸出至同一MU。此配置方案屬于完整的FOCT雙重化采樣方案，相位調(diào)制器、分光器、光源和光電探測器等昂貴的光學部件要準備4套，在設備成本極大增加的同時，還存在配置方案結(jié)構(gòu)復雜、體積大、安裝繁瑣等問題，導致許多用戶難以接受，推廣應用難度較大。

為此，文獻[20]提出了一種采用單一光路構(gòu)建獨立雙采樣的雙反饋調(diào)制數(shù)字閉環(huán)控制方案，采取雙反饋調(diào)制器實現(xiàn)雙采樣的獨立A/D采集和D/A反饋，如圖1所示。

圖1 FOCT的獨立雙采樣設計方案Fig.1 Design scheme of independent double sampling circuits for FOCT

電路部分包括2個A/D轉(zhuǎn)換電路、2個D/A轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)字信號處理模塊。2個A/D轉(zhuǎn)換電路對光電探測器的輸出進行獨立采樣，用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)作為數(shù)據(jù)處理模塊，基于時分復用技術分別對2路獨立采樣數(shù)據(jù)進行分時解調(diào)處理，生成的2路解調(diào)處理信號分別輸出至2個D/A轉(zhuǎn)換電路，2個D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出數(shù)據(jù)作為相位調(diào)制信號，在相位調(diào)制器上進行光信號的相位分時調(diào)制和閉環(huán)反饋，數(shù)字信號處理模塊分別輸出2路互相獨立、互不干擾的互感器數(shù)據(jù)至MU。工程中雙重化配置方案如圖2所示，以集成的方式使得單套雙采樣FOCT同時實現(xiàn)了雙套獨立FOCT產(chǎn)品的功能。

圖2 雙采樣FOCT的雙重化配置Fig.2 Schematic diagram of double configuration for FOCT with double sampling circuits

1.2 MOCT的雙采樣方案

與FOCT不同，MOCT采用開環(huán)控制方式，實現(xiàn)單套雙采樣的方法相對比較容易。圖3為MOCT的獨立雙采樣設計方案，主要包括LED光源、光學電流傳感器(optical current sensor，OCS)、光電探測器和信號處理電路單元。OCS采用雙光路輸出方式，分別接入2個光電探測器，信號處理電路單元包括2路相互獨立的A/D前置處理電路、2路相互獨立的A/D轉(zhuǎn)換電路以及共用的數(shù)字信號處理模塊。2個A/D轉(zhuǎn)換電路對光電探測器的輸出進行獨立采樣后將2路采樣數(shù)據(jù)同時輸出至數(shù)字信號處理模塊，數(shù)字信號處理模塊輸出2路互相獨立、互不干擾的互感器數(shù)據(jù)至MU。

圖3 MOCT的獨立雙采樣設計方案Fig.3 Design scheme of independent double sampling circuits for MOCT

工程中雙重化配置方案如圖4所示，單套雙采樣MOCT同時實現(xiàn)了雙套獨立MOCT產(chǎn)品的功能。

DSP—數(shù)字信號處理器，digital signal processor的縮寫。圖4 雙采樣MOCT的雙重化配置Fig.4 Schematic diagram of double configuration for MOCT with double sampling circuits

2 可靠性分析

2.1 可靠性模型

可靠性評估的基礎理論模型較為成熟，可以參照國際通用的經(jīng)典可靠性分析模型，其基本分析模型主要有串聯(lián)模型、并聯(lián)模型和串并聯(lián)模型。根據(jù)OCT的組成結(jié)構(gòu)，建立OCT的可靠性模型。

2.1.1 FOCT的可靠性模型

圖5為FOCT的可靠性框圖，主要包括高壓側(cè)光纖敏感環(huán)、傳輸光纖光纜、低壓側(cè)光路單元、低壓側(cè)信號處理單元和低壓側(cè)電源單元，構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖5 FOCT的可靠性框圖Fig.5 Reliability block diagram of FOCT

圖6為FOCT高壓側(cè)光纖敏感環(huán)的可靠性框圖，主要包括傳感光纖環(huán)、反射鏡和1/4波片等關鍵光器件，也構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖6 FOCT高壓側(cè)光纖敏感環(huán)的可靠性框圖Fig.6 Reliability block diagram of fiber optic sensitive ring at high voltage end of FOCT

圖7為FOCT低壓側(cè)光路單元的可靠性框圖，主要包括超輻射發(fā)光二極管(superluminescent diode，SLD)光源模塊、分光器(也可采用耦合器、環(huán)形器等)和偏振器、相位調(diào)制器(直波導或Y波導)和光電探測器(PIN-FET)等關鍵光器件，也構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖7 FOCT低壓側(cè)光路單元的可靠性框圖Fig.7 Reliability block diagram of optical circuit unit at low voltage end of FOCT

圖8為FOCT低壓側(cè)信號處理單元的可靠性框圖，主要包括A/D1采集模塊、A/D2采集模塊、數(shù)字信號處理模塊、D/A1反饋模塊和D/A2反饋模塊等電子電路，構(gòu)成并串聯(lián)復合模型。

圖8 FOCT低壓側(cè)信號處理單元的可靠性框圖Fig.8 Reliability block diagram of signal processing unit at low voltage end of FOCT

2.1.2 MOCT的可靠性模型

圖9為MOCT的可靠性框圖，主要包括高壓側(cè)OCS、傳輸光纖光纜、低壓側(cè)光路單元、低壓側(cè)信號處理單元和低壓側(cè)電源單元，構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖9 MOCT的可靠性框圖Fig.9 Reliability block diagram of MOCT

圖 10為MOCT高壓側(cè)OCS的可靠性框圖，主要包括準直器組、起偏器、磁光玻璃光柱和檢偏器等關鍵光器件，構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖10 MOCT高壓側(cè)OCS的可靠性框圖Fig.10 Reliability block diagram of OCS at high voltage end of MOCT

圖11為MOCT低壓側(cè)光路單元的可靠性框圖，主要包括LED光源模塊和光電探測器模塊，構(gòu)成串聯(lián)模型。

圖11 MOCT低壓側(cè)光路單元的可靠性框圖Fig.11 Reliability block diagram of optical circuit unit at low voltage end of MOCT

圖12為MOCT低壓側(cè)信號處理單元的可靠性框圖，主要包括A/D1前置處理電路、A/D2前置處理電路、A/D1采集電路、A/D2采集電路、數(shù)字信號處理模塊等電子電路，構(gòu)成并串聯(lián)復合模型。

圖12 MOCT低壓側(cè)信號處理單元的可靠性框圖Fig.12 Reliability block diagram of signal processing unit at low voltage end of MOCT

2.2 可靠性指標計算

2.2.1 可靠性基本概念

可靠性是指產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。其中，規(guī)定功能是指在論證、研制時賦予產(chǎn)品的功效和作用，通常用產(chǎn)品的性能指標來表征，需明確完成規(guī)定功能的含義，并準確地制訂完成規(guī)定功能的標準。在某些特定條件下，有些故障并不一定影響完成規(guī)定功能的能力。因此，在判斷產(chǎn)品是否具有完成規(guī)定功能的能力時，必須規(guī)定明確的失效判據(jù)。

由于“完成規(guī)定功能的能力”的要求不同，OCT設備與由其構(gòu)成的雙重化配置系統(tǒng)的失效定義是不同的，分別可以描述為：

a)OCT設備失效。對于OCT設備本身而言，完成規(guī)定功能的能力是指其能完成GB/T 20840.8—2007《互感器 第8部分：電子式電流互感器》規(guī)定的性能指標要求。

b)雙重化配置系統(tǒng)失效。對于光學互感器需滿足繼電保護雙重化配置的要求而言，完成規(guī)定功能的能力是指其能滿足Q/GDW 441—2010規(guī)定“智能變電站中電子式互感器的二次轉(zhuǎn)換器(A/D采樣回路)損壞，不應引起保護誤動作跳閘”的規(guī)定。

度量可靠性的常用指標有可靠度、失效率、平均壽命、可靠壽命、維修度和有效度等。本文選擇可靠度R(t)、失效率λ(t)和平均壽命θ來度量可靠性。大部分產(chǎn)品或系統(tǒng)的壽命主要服從指數(shù)分布，對于指數(shù)分布，可靠度、失效率和平均壽命之間的關系可以描述為[22]：

可靠度

(1)

平均壽命

θ=1/λ.

(2)

參照GJB/Z 299C—2006，結(jié)合部分元器件加速老化試驗數(shù)據(jù)，采用元器件計數(shù)法和應力分析法，分別對FOCT和MOCT進行可靠性預計，獲得OCT設備和不同雙重化配置系統(tǒng)的失效率等可靠性指標。

2.2.2 FOCT的可靠性指標

2.2.2.1 高壓側(cè)光纖敏感環(huán)

圖6所示高壓側(cè)光纖敏感環(huán)主要由傳感光纖環(huán)、反射鏡和1/4波片等無源光器件構(gòu)成串聯(lián)模型，器件密封在封裝殼內(nèi)，工作在較為惡劣的戶外環(huán)境，滿足軍級產(chǎn)品標準。這些無源光器件目前還沒有可參考的試驗數(shù)據(jù)，但其結(jié)構(gòu)均與光纖耦合器類似，可以參照光纖耦合器的失效率進行預計。GJB/Z 299C—2006中進口光電子器件的工作失效率λp預計模型為

λp=λbπEπQπT.

(3)

式中：λb為基本失效率；πT為溫度應力系數(shù)；πE為環(huán)境系數(shù)；πQ為質(zhì)量系數(shù)。

依據(jù)文獻[21]，表1列出了傳感光纖環(huán)、反射鏡和1/4波片的元器件失效率計算參數(shù)。

表1 高壓側(cè)光纖敏感環(huán)的元器件失效率計算參數(shù)Tab.1 Failure rate parameters of components of fiber optic sensitive ring at high voltage end

對于指數(shù)分布，串聯(lián)模型的失效率λ是各組成模塊失效率λi的總和，即[22]

λ=Σλi.

(4)

于是，可得高壓側(cè)光纖敏感環(huán)的工作失效率λFOSR=λp×3=0.923 4×10-6h-1。

2.2.2.2 低壓側(cè)光路單元

圖7所示FOCT低壓側(cè)光路單元主要由SLD光源模塊、分光器、偏振器、相位調(diào)制器和光電探測器等光器件構(gòu)成串聯(lián)模型，工作在維護條件較好的戶內(nèi)環(huán)境，滿足軍級產(chǎn)品標準。其中：分光器和偏振器是無源光器件，結(jié)構(gòu)與光纖耦合器類似，失效率也可參照光纖耦合器；SLD光源、相位調(diào)制器和光電探測器屬于有源光電子器件。

分光器、偏振器和光電探測器的工作失效率預計模型可按式(3)計算，參照GJB/Z 299C—2006，其元器件失效率計算參數(shù)見表2。

表2 低壓側(cè)光路單元部分元器件失效率計算參數(shù)Tab.2 Failure rate parameters of partial components of optical circuit unit at low voltage end

SLD光源模塊作為組件級別的有源光電子器件[23]，內(nèi)部一般包括管芯、光纖耦合點、制冷器和2個熱敏電阻等元器件，其失效率λSLD的預計模型可表示為

λSLD=λTUB+λCOUP+λREFG+2λTR.

(5)

式中：λTUB為SLD光源模塊管芯的失效率；λCOUP為光纖耦合點的失效率；λREFG為制冷器的失效率；λTR為熱敏電阻的失效率。

文獻[24]顯示，SLD光源模塊的管芯在驅(qū)動電流100 mA、室溫25 ℃下的工作條件下正常工作106h以上，取θ=1.0×106h的平均工作壽命。根據(jù)式(2)，可得SLD光源模塊管芯的工作失效率λTUB=1.0×10-6h-1。文獻[23]顯示，SLD光源模塊中使用的制冷器一般為進口產(chǎn)品，其失效率λREFG=0.004 9×10-6h-1。光纖耦合點的失效率參照光纖耦合器，其失效率λCOUP=0.099 4×10-6h-1。GJB/Z 299C—2006中進口熱敏電阻的工作失效率預計模型為

λp=λbπEπQπTπS.

(6)

式中πS為電應力系數(shù)。

依據(jù)文獻[21]，表3列出了熱敏電阻失效率的計算參數(shù)。

表3 熱敏電阻的失效率計算參數(shù)Tab.3 Failure rate parameters of thermistor

根據(jù)式(5)計算得到SLD光源模塊的工作失效率λSLD=1.112 8×10-6h-1。

相位調(diào)制器選擇Y波導，根據(jù)文獻[25]，在溫度22 ℃下，Y波導的平均工作壽命θ=1.6×107h。按照指數(shù)分布來近似估算，根據(jù)式(2)可得Y波導的工作失效率為λY=0.062 5×10-6h-1。

于是，可得FOCT低壓側(cè)光路單元的工作失效率λOCUF=2.874 0×10-6h-1。

2.2.2.3 光纖光纜

文獻[26]顯示，單根光纖的工作失效率λF=0.014 0×10-6h-1。低壓側(cè)光路單元與低壓側(cè)信號處理單元之間選用國產(chǎn)單芯單模FC/PC光纖連接器連接，工作在維護條件較好的戶內(nèi)環(huán)境。GJB/Z 299C—2006中，國產(chǎn)光纖連接器的工作失效率預計模型為

λp=λbπEπmπPπL.

(7)

式中：πm為傳輸模式系數(shù)；πP為端面形式系數(shù)；πL為連接系數(shù)。光纖連接器的失效率計算參數(shù)見表4。

表4 光纖連接器的失效率計算參數(shù)Tab.4 Failure rate parameters of fiber optic connector

于是，可得光纖光纜的工作失效率λFOC=0.283 4×10-6h-1。

2.2.2.4 低壓側(cè)信號處理單元

圖8所示FOCT低壓側(cè)信號處理單元主要包括A/D1采集模塊、A/D2采集模塊、數(shù)字信號處理模塊、D/A1反饋模塊和D/A2反饋模塊等電子電路，構(gòu)成并串聯(lián)模型，工作在維護條件較好的戶內(nèi)環(huán)境，滿足工業(yè)級產(chǎn)品標準。A/D1采集模塊和A/D2采集模塊相同，包括A/D前置處理電路和A/D采集電路。A/D前置處理電路主要由2個運算放大器、12個金屬膜電阻器、6個陶瓷電容器構(gòu)成串聯(lián)模型；A/D采集電路主要由1個A/D轉(zhuǎn)換器和1個電壓基準構(gòu)成串聯(lián)模型；數(shù)字信號處理模塊主要由1個FPGA和1個存儲器構(gòu)成串聯(lián)模型；D/A1反饋模塊和D/A2反饋模塊相同，主要由1個D/A轉(zhuǎn)換器、1個運算放大器、4個金屬膜電阻器和1個電壓基準構(gòu)成串聯(lián)模型。

其中，運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、FPGA和存儲器都屬于半導體集成電路。GJB/Z 299C—2006中，進口半導體單片集成電路的工作失效率預計模型為

λp=(C1πT+C2πE)πQ.

(8)

式中：C1為電路復雜度失效率；C2為封裝復雜度失效率。

半導體集成電路的失效率計算參數(shù)見表5。

表5 半導體集成單路的元器件失效率計算參數(shù)Tab.5 Failure rate parameters ofcomponents of semiconductor integrated circuit

進口電壓基準的工作失效率預計模型為

λp=λbπEπQπTπS.

(9)

電壓基準的失效率計算參數(shù)見表6。

表6 電壓基準的失效率計算參數(shù)Tab.6 Failure rate parameters of voltage reference

電阻電容一般為國產(chǎn)產(chǎn)品。GJB/Z 299C—2006中，國產(chǎn)金屬膜電阻的工作失效率預計模型為

λp=λbπEπQπR.

(10)

式中πR為阻值系數(shù)。

國產(chǎn)NPO陶瓷電容的工作失效率預計模型為

λp=λbπEπQπCVπch.

(11)

式中：πCV為電容量系數(shù)；πch為表面貼裝系數(shù)。

電阻電容的失效率計算參數(shù)見表7。

表7 電阻電容的失效率計算參數(shù)Tab.7 Failure rate parameters of resistances and capacitances

計算可得：A/D前置處理電路的工作失效率λADP=0.272 3×10-6h-1；A/D采樣電路的工作失效率λADS=0.184 31×10-6h-1；數(shù)字信號處理模塊的工作失效率λDSP=0.226 6×10-6h-1；D/A反饋電路的工作失效率λDAF=0.259 2×10-6h-1。

2.2.2.5 低壓側(cè)電源單元

FOCT低壓側(cè)電源單元中的主要組件為DC/DC變換器，文獻[27]顯示影響DC/DC電源模塊可靠性的關鍵器件為垂直雙擴散金屬-氧化物-半導體場效應晶體管和肖特基勢壘二極管，兩者的平均壽命分別為1.47×107h和4.3×107h。按照指數(shù)分布來近似估算，根據(jù)式(2)，可得低壓側(cè)電源單元的工作失效率為λPSU=0.091 3×10-6h-1。

2.2.2.6 FOCT系統(tǒng)可靠性

根據(jù)上述各個單元和模塊工作失效率的計算結(jié)果，可進一步得到FOCT的設備可靠性指標和不同雙重化配置方案的系統(tǒng)可靠性指標。雙套獨立和單套雙采樣2種方案構(gòu)成的雙重化配置方案的差異主要是低壓側(cè)信號處理單元部分模塊是否采用雙套配置，在計算系統(tǒng)可靠性指標時，雙套配置部分為并聯(lián)模型。對于指數(shù)分布，2個相同模塊構(gòu)成的并聯(lián)模型的失效率

λ=λi/(1+1/2)=2λi/3.

(12)

FOCT不同配置方案的可靠性計算結(jié)果見表8、9。

表8 FOCT不同配置方案Tab.8 Different FOCT configuration schemes

計算結(jié)果表明：FOCT設備的平均壽命大于20年，基本能滿足工程使用的需求。采用雙采樣技術后的FOCT比單采樣FOCT設備平均壽命只提高了1年，這是由于FOCT的失效主要在光纖敏感環(huán)和光路單元部分。雙套獨立方案和單套雙采樣方案都能實現(xiàn)繼電保護的雙重化配置要求，避免保護誤動作跳閘事故的發(fā)生。但由于雙套獨立方案整個組成模塊的可靠性邏輯結(jié)構(gòu)為并聯(lián)，因此雙套獨立方案的雙重化配置的系統(tǒng)失效率要低于單套雙采樣方案，其1年時間內(nèi)的系統(tǒng)可靠度稍高于單套雙采樣方案。

表9 FOCT不同配置方案的系統(tǒng)可靠性Tab.9 System reliabilities with different FOCT configuration schemes

2.2.3 MOCT的可靠性指標

2.2.3.1 高壓側(cè)OCS模塊

圖10所示高壓側(cè)OCS主要由準直器組、起偏器、磁光玻璃光柱和檢偏器等無源光器件構(gòu)成串聯(lián)模型。文獻[14]將OCS作為一個整體，通過加速老化試驗得到在常溫25℃下的中位壽命t0.5是50年，分布參數(shù)σ為1.27，其平均壽命θ可以表示為[22]

θ=exp(lnt0.5+σ2/2)，

(13)

可得OCS的平均壽命θ=0.981 2×106h。按式(2)近似估算OCS的工作失效率λOCS=1.019 2×10-6h-1。

2.2.3.2 低壓側(cè)光路單元

圖11所示MOCT低壓側(cè)光路單元由LED光源模塊和光電探測器模塊構(gòu)成串聯(lián)模型。LED光源模塊由線性穩(wěn)壓芯片、光纖發(fā)光二極管模塊和限流電阻組成。線性穩(wěn)壓芯片為光纖發(fā)光二極管模塊提供穩(wěn)定的驅(qū)動電流，構(gòu)成串聯(lián)模型，工作在維護條件較好的戶內(nèi)環(huán)境。光纖發(fā)光二極管模塊采用HFBR-1414，其在常溫(25 ℃)下的工作失效率λH=0.263 0×10-6h-1。限流電阻采用國產(chǎn)金屬膜電阻，表7顯示其工作失效率λR=0.001 5×10-6h-1。線性穩(wěn)壓芯片屬于半導體集成單路的一種，其工作失效率按式(8)計算，表10為線性穩(wěn)壓芯片的失效率計算參數(shù)。

表10 線性穩(wěn)壓芯片的失效率計算參數(shù)Tab.10 Failure rate parameters of linear voltage stabilizer chip

計算可得LED光源模塊的工作失效率λLED=0.313 4×10-6h-1。

圖 3所示OCS模塊由2只光電探測器與信號處理電路單元連接，構(gòu)成并聯(lián)模型，工作在維護條件較好的戶內(nèi)環(huán)境。表2顯示單只光電探測器的工作失效率為λPD=1.5×10-6h-1，可得光電探測器模塊的工作失效率λPDU=1.0×10-6h-1。

于是，可得MOCT低壓側(cè)光路單元的工作失效率λOCUM=1.313 4×10-6h-1。

2.2.3.3 光纖光纜

單套OCS共需3根多模光纖，單根光纖的工作失效率[26]λF=0.014 0×10-6h-1。光纖連接器選用國產(chǎn)62.5 μm/125 μm的3芯FC/PC多模光纖連接器，其工作失效率按式(7)計算，表11為光纖連接器的失效率計算參數(shù)。

表11 光纖連接器的失效率計算參數(shù)Tab.11 Failure rate parameters of fiber optic connector

計算可得光纖光纜的工作失效率λFOC=0.200 2×10-6h-1。

2.2.3.4 信號處理電路單元

圖12所示MOCT信號處理電路單元主要包括A/D1采集模塊、A/D2采集模塊、數(shù)字信號處理模塊等電子電路，構(gòu)成并串聯(lián)模型，工作在維護條件較好的戶內(nèi)環(huán)境，滿足工業(yè)級產(chǎn)品標準。A/D1采集模塊和A/D2采集模塊相同，包括A/D前置處理電路和A/D采集電路。A/D前置處理電路主要由4個運算放大器、24個金屬膜電阻器、12個陶瓷電容器構(gòu)成串聯(lián)模型；A/D采集電路主要由1個A/D轉(zhuǎn)換器和1個電壓基準構(gòu)成串聯(lián)模型；數(shù)字信號處理模塊主要由1個DSP和1個存儲器構(gòu)成串聯(lián)模型。

其中，DSP屬于半導體集成電路，其工作失效率按式(8)計算，表12為DSP的失效率計算參數(shù)。

表12 DSP的失效率計算參數(shù)表Tab.12 Failure rate parameters of DSP

其他元器件的參數(shù)見表5和表6。計算可得：A/D前置處理電路的工作失效率λADP=0.544 5×10-6h-1；A/D采樣電路的工作失效率λADS=0.184 3×10-6h-1；數(shù)字信號處理模塊的工作失效率λDSP=0.215 4×10-6h-1。

2.2.3.5 低壓側(cè)電源單元

MOCT低壓側(cè)電源單元與FOCT類似，其工作失效率λPSU=0.091 3×10-6h-1。

2.2.3.6 MOCT系統(tǒng)可靠性

依據(jù)上述各個單元和模塊工作失效率的計算結(jié)果，可進一步得到MOCT的設備可靠性指標和不同雙重化配置方案的系統(tǒng)可靠性指標。MOCT不同配置方案的可靠性計算結(jié)果見表13、14。

表13 MOCT不同配置方案Tab.13 Different MOCT configuration schemes

表14 MOCT不同配置方案的系統(tǒng)可靠性Tab.14 System reliabilities with different MOCT configuration schemes

計算結(jié)果表明：MOCT設備的平均壽命大于30年，完全能滿足工程使用的需求。采用雙采樣技術后的MOCT比單采樣的MOCT設備平均壽命提高了2年左右，MOCT的失效主要在OCS模塊和光路單元部分。與FOCT類似，單套雙采樣方案的雙重化配置的系統(tǒng)失效率略高于雙套獨立方案，其1年時間內(nèi)的系統(tǒng)可靠度稍低于雙套獨立方案。

3 適用性分析

從工程適用性的角度考慮，在滿足系統(tǒng)可靠性的前提下，應該盡量簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本。

3.1 經(jīng)濟性分析

選擇在實際工程中應用較多的OCT產(chǎn)品進行詢價，獲得FOCT和MOCT主要組件的成本報價。表15和表16分別為FOCT和MOCT不同雙重化配置方案的經(jīng)濟性比較(不含光纖絕緣子)。

由表15和表16的數(shù)據(jù)可知，采用單套雙采樣方案比采用雙套獨立方案的雙重化配置系統(tǒng)成本降低約50%。在滿足雙重化配置要求的基礎上，采用雙采樣技術的成本控制效果明顯，有效提升了OCT工程應用的經(jīng)濟性。

表15 FOCT不同雙重化配置方案的經(jīng)濟性比較Tab.15 Economic comparison results of different double configuration schemes of FOCT

表16 MOCT不同雙重化配置方案的經(jīng)濟性比較Tab.16 Economic comparison results of different double configuration schemes of MOCT

3.2 工程適用性比較

2種OCT不同雙重化配置方案的經(jīng)濟性和可靠性對比見表17。分析數(shù)據(jù)表明：雖然采用單套雙采樣方案的雙重化配置系統(tǒng)的可靠度小幅下降，但是其成本卻幾乎是采用雙套獨立配置方案的一半?？煽啃耘c經(jīng)濟性綜合分析表明：采用單套雙采樣方案以小幅降低產(chǎn)品可靠性的代價，大幅降低了OCT工程應用的成本，顯著提高了OCT工程應用的經(jīng)濟性。

表17 2種OCT不同雙重化配置方案的經(jīng)濟性和可靠性對比Tab.17 Economy and reliability comparison of two kinds double configuration schemes

不同類型OCT的經(jīng)濟性和平均壽命對比見表18。數(shù)據(jù)表明：MOCT較FOCT的平均壽命要高10年左右，這主要由于MOCT低壓側(cè)光路單元的組成結(jié)構(gòu)比FOCT簡單，而且光源采用的是平均壽命相對較高的LED光源。而且，F(xiàn)OCT大部分光學器件依賴于進口，組件成本比較高，使得FOCT的成本要遠高于MOCT，F(xiàn)OCT的成本大約為MOCT的3倍。綜上所述，MOCT比FOCT在工程應用的經(jīng)濟性上更具優(yōu)勢。

表18 不同類型OCT的經(jīng)濟性和平均壽命對比Tab.18 Economy and reliability comparison of different types of OCT

4 結(jié)束語

目前我國在運智能變電站大多采用了常規(guī)電流互感器，根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計，采用OCT的智能變電站數(shù)量尚不足5%。一方面原因是新技術的應用需要逐步試點；另一方面則是由于OCT的工程應用成本較高，難以大面積推廣。為此，本文提出了采用獨立雙采樣技術的OCT方案，以集成的方式同時實現(xiàn)獨立雙套OCT產(chǎn)品的采集功能，滿足智能變電站繼電保護對電子式互感器雙重化采樣的配置需求。本文通過建立FOCT和MOCT的可靠性模型，分別對FOCT和MOCT進行了可靠性預計，獲得了OCT的設備可靠性指標和不同雙重化配置方案的系統(tǒng)可靠性指標?？煽啃耘c經(jīng)濟性分析數(shù)據(jù)表明，采用單套雙采樣方案以小幅降低產(chǎn)品可靠性的代價，可以大幅降低OCT的工程應用成本，顯著提高OCT工程應用的經(jīng)濟性。