CN114552551A - 一种多站融合边缘数据中心雷电防护装置和采样控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多站融合共地情况下边缘数据中心的雷电防护装置，包括供电单元、接地网过电压监测单元、接地网过电流监测单元、中央信号处理单元、通讯设备保护单元；所述中央信号处理单元包括FPGA主控模块、人机交互模块、数据存储模块、报警模块。与传统接地保护装置相比，本发明能够对接地网的过电流、过电压信号进行在线监测，实现保护设备对接地网的过电流、过电压信号的高速响应，可以有效避免多站融合共地情况下地电位高压反击现象对二次侧通讯设备的影响，优化新型变电站中边缘数据中心的接地网结构，对新型变电站的联合接地网设计与建设具有参考意义。

Description

一种多站融合边缘数据中心雷电防护装置和采样控制方法

技术领域

本发明属于通讯设备的雷电防护技术，具体涉及一种多站融合边缘数据中心雷电防护装置和采样控制方法。

背景技术

多站融合变电站是变电站未来发展的一个方向，可以提升变电站数字化程度，提升资源利用率和管理效率。

在变电站开展多站融合的建设运营需要系统考虑和规避安全风险，尤其是变电站电气设备同5G基站、信息通信机柜等设备应实现独立安全运行、互不影响。按照通信机房、数据中心的相关设计建设标准，接地支线需要与接地干线相连接，接地电阻设计要求小于0.5Ω。随着多站融合项目的实施，通信机房、数据中心机房与变电站不可避免出现共用接地的方式。现阶段变电站机房的接地线，按功能分类主要包括防雷保护接地(PE) 和电线接地(GND)两类。防雷地，是指为设备或系统的电源线路、信号线路提供旁路分流通道的装置，将线路中的雷电过电压对地进行分流或转移；而保护地，为避免交直流电源线对设备和人身构成威胁，设备中的不带电金属机壳与地相连，当发生漏电或机壳带电时，保证人身安全。理想运行状态下，两类接地线应相互独立、互不干扰，或各自有独立的接地网，尤其是精密的终端设备不能受到防雷地电位的影响，否则会有高压反击的危险。现在接地方式采用联合接地系统，即将所有接地线(防雷地、保护地)统一接在汇流铜排处，通过引下线与接地网连接。然而，多站融合共地运行情况下会出现的一些新问题，如新增基础设施(5G基站架设等)与原有变电站设备形成联合接地网，但强地接、弱地接的地线都通过同一汇流排的共点、共网方式联合接地，因此，当雷电浪涌电压通过防雷接地进入联合接地网时，易沿弱地线(即设备接地线、工作接地线)进行相互传导、干扰，易造成地电位高压反击现象。同时，由于变电站和边缘数据中心机房设施的绝缘设计和过电压耐受能力设计差异明显，地电位的高压反击现象易引起共地通讯设施(边缘数据中心机房)出现过电压侵扰和功能失效的情况。因此，需要开展与变电站共地情况下的边缘数据中心机房安全防护技术和保护装置研制研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种多站融合边缘数据中心雷电防护装置和采样控制方法，能够满足雷电故障下的过电压及过电流信号的测量精度要求，同时满足三级保护装置的快响应速度要求。

实现上述目的的一种技术方案是：一种多站融合边缘数据中心雷电防护装置，包括供电单元、地网过电压监测单元、地网过电流监测单元、中央信号处理单元和通讯设备保护单元；

所述供电单元分别向过电压监测单元、过电流监测单元、中央信号处理单元提供所需的工作电压；

所述中央信号处理单元包括FPGA主控模块、人机交互模块、数据存储模块、报警模块；

所述通讯设备保护单元包括一级防雷保护器、二级防雷保护器和三级防雷保护器，分别设置于变电站的边缘数据中心的各个终端处。

进一步的，一级防雷保护器设置于所述边缘数据中心的交流电源后端。

防雷保护器，分别设置于变电站的边缘数据中心的各个终端处。

进一步的，二级防雷保护器设置于所述边缘数据中心的单相UPS电源前端。

防雷保护器，分别设置于变电站的边缘数据中心的各个终端处。

进一步的，三级防雷保护器设置于所述边缘数据中心的通讯设备前端。

应用一种多站融合边缘数据中心雷电防护装置的采样控制方法，包括如下步骤：

S1、通过接地网过电压及过电流监测单元实时采集接地网的过电压及过电流信号，并传递给中央信号处理单元的FPGA主控模块；

S2、通过中央信号处理单元的人机交互模块预设过电压及过电流阈值和持续时间的故障判据；

S3、中央信号处理单元的FPGA主控模块根据预设的过电压及过电流数据判断故障类别，故障信息存储于数据存储模块；

S4、通过中央信号处理单元的报警模块发出报警信号，通讯设备保护单元的三级防雷保护器动作。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

(1)通过过电压/过电流监测单元实时检测雷电入地情况，采用FPGA 主控模块快速处理故障信号，不需要改动变电站原有的一次侧接线，可以实现信号的无畸变传输

(2)硬件结构简单、工作可靠性高，可长期在线运行实时采样，能够捕捉、存储电力系统的暂态过电压、过电流波形，通过对过电压、过电流信号进行分析，可以为边缘数据中心的设备事故原因分析提供数据。

附图说明

图1为本发明的多站融合共地情况下边缘数据中心雷电防护装置的结构示意图；

图2为地网过电压监测单元的电路原理图；

图3为地网过电流监测单元的电路原理图。

图中标号为：PT为电压互感器，Fu为过流保护器，SPD为过电压保护器，L_s为线圈内感，R_s为线圈的内电阻，R₀为线圈的端口电阻，U_o为电路输出电压，U_i为电路输入电压。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

请参阅图1，本发明的一种多站融合边缘数据中心雷电防护装置，包括供电单元、地网过电压监测单元、地网过电流监测单元、中央信号处理单元和通讯设备保护单元。

所述供电单元分别向过电压监测单元、过电流监测单元、中央信号处理单元提供所需的工作电压。所述供电单元采用独立的锂电池为过电压监测单元、过电流监测单元、中央信号处理单元同时供电，同时电源口设置有后备电源，后备电源采用NBC300-220D27超级电容管理模块，超级电容采用TBCHC2835超级电容组。

所述过电压监测单元由依次连接的电压互感器、过流保护器、过电压保护器、分压电路、隔离电路构成，其中，直接由PT在控制室内的测量二次端口提取电压信号作为单元的数据来源，分压电路接电压互感器的输出端，包括高压电容和低压电容，电容均采用高频瓷介电容，隔离电路由运算放大器LM7332组成，接线方式为电压跟随器，输入端接低压电容两端的输出信号，输出端接数据采集卡，同时，增设一个过流保护器和两个过压保护器，过流保护器与分压电路串联，用于限制后续电路的短路与过载电流，两级过压保护器可防止过电压对后续高速数据采集卡信号侵扰，其中一级过压保护器并联于分压电路，二级过压保护器并联于信号输出端。隔离电路应用运算放大器LM7332，用于通过提供高输入阻抗和低输出阻抗来缓冲信号。该电路通常用于驱动低阻抗负载、模数转换器(ADC)和缓冲器基准电压。该电路的输出电压等于输入电压U_o＝U_i。无间隙金属氧化物避雷器具体型号为Y5WZ-54/134，采用发、变电站常用的额定电压为35 kV的电站型金属氧化物避雷器。

所述地网过电流监测单元由电流采集电路、过流保护器(Fu)、隔离电路、比较电路组成。采用LR积分器结构的Rogowski线圈测量地网电流，由于与被测电路没有直接的电路联系，因此可以有效避免接地点地电位升高引起的影响。隔离电路采用单个零漂移快速建立放大器(OPA388)，该芯片具有较宽的带宽以及超低偏移和快速压摆率，可以实现检测放大器模块的差分测量。比较电路采用具有低功耗和快速响应功能的高速比较器(TLV3201)，可以在瞬态响应时间要求范围内快速响应并向系统发出过流事件警报，输出部分设计了推挽电路结构，以使得比较器可以直接连接到中央控制单元的逻辑电平。

所述中央信号处理单元中央信号处理单元采用基于

V E FPGA 开发板实现对所测过电压、过电流数据的显示、处理、存储功能，包括FPGA 主控模块、人机交互模块、数据存储模块、报警模块。FPGA主控模块采用芯片型号为5CEFA7F31I7N，该型号FPGA具有49k的逻辑元件，并提供了较低的系统成本和功耗，当检测到异常故障时，所述FPGA主控模块通过控制开入开出模块进行切断电路，实现配电箱保护。人机交互模块包括能够提供10/100/1000传输速度的RJ-45以太网端口，用于程序写入及调试，同时包括16位×2行的点阵式LCD显示屏用于显示测量结果。数据存储模块包括两片容量为256MB的DDR3存储器芯片和一片容量为512MB的 LPDDR2存储器芯片。报警模块包括LED闪光灯报警电路和扬声器声音报警电路。

所述通讯设备保护单元包括一级防雷保护器、二级防雷保护器和三级防雷保护器，分别设置于变电站的边缘数据中心的各个终端处。一级防雷保护器设置于所述边缘数据中心的交流电源后端二级防雷保护器设置于所述边缘数据中心的单相UPS电源前端。三级防雷保护器设置于所述边缘数据中心的通讯设备前端，用于将一级防雷保护器的残压进一步降低到通讯设备的承受范围内。

应用一种多站融合边缘数据中心雷电防护装置的采样控制方法，包括如下步骤：

S1、通过接地网过电压及过电流监测单元实时采集接地网的过电压及过电流信号，并传递给中央信号处理单元的FPGA主控模块。

图2为所述过电压监测单元的电路原理图，由依次连接的电压互感器、过流保护器、过电压保护器、分压电路、隔离电路构成，其中，直接由PT 在控制室内的测量二次端口提取电压信号作为单元的数据来源，分压电路接电压互感器的输出端，包括高压电容和低压电容，电容均采用高频瓷介电容，隔离电路由运算放大器LM7332组成，接线方式为电压跟随器，输入端接低压电容两端的输出信号，输出端接数据采集卡，同时，增设一个过流保护器和两个过压保护器，过流保护器与分压电路串联，用于限制后续电路的短路与过载电流，两级过压保护器可防止过电压对后续高速数据采集卡信号侵扰，其中一级过压保护器并联于分压电路，二级过压保护器并联于信号输出端。

所述过电压监测单元可以等值为一系列级联的二端口网络，其时域电压信号对于PT和分压电路，应用频谱分析仪测量其二端口散射参数，假设测量得到的散射参数矩阵为：

则传递函数为：

图3为所述的过电流监测单元的电路原理图，由电流采集电路、过流保护器(Fu)、隔离电路、比较电路组成。采用LR积分器结构的Rogowski 线圈测量地网电流，由于与被测电路没有直接的电路联系，因此可以有效避免接地点地电位升高引起的影响。

为了最大限度地降低误差，选择精密电阻器并设置R₁＝R₃和R₂＝R₄，放大电路的传递方程为：

选择检测电阻器值R₀＝10mΩ以最大限度地降低电阻器压降，确定放大器增益，使得负载电流达到临界阈值1A时，放大电路输出达到2V：

因此，设置R₁＝R₃＝1kΩ，R₂＝R₄＝200kΩ。放大电路的跨阻增益为：

S2、通过中央信号处理单元的人机交互模块预设过电压及过电流阈值和持续时间的故障判据；

过电压类型判断主要是通过已有研究获得的电压波形参数(包括频率、幅值、波形陡度等)，形成特征向量A，将该特征向量与数据库中已存储的各类型过电压特征进行比较，判断故障类型。

S3、中央信号处理单元的FPGA主控模块根据预设的过电压及过电流数据判断故障类别，故障信息存储于数据存储模块；

所述过电压监测单元可以等值为一系列级联的二端口网络，其时域电压信号可通过连续的时域卷积得到高压侧母线的电压信号，应用频谱分析仪测量其二端口散射参数，假设测量得到的散射参数矩阵为：

则传递函数为：

S4、通过中央信号处理单元的报警模块发出报警信号，通讯设备保护单元的三级防雷保护器动作。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种多站融合边缘数据中心雷电防护装置，其特征在于，包括供电单元、地网过电压监测单元、地网过电流监测单元、中央信号处理单元和通讯设备保护单元；

所述供电单元分别向过电压监测单元、过电流监测单元、中央信号处理单元提供所需的工作电压；

所述中央信号处理单元包括FPGA主控模块、人机交互模块、数据存储模块、报警模块；

所述通讯设备保护单元包括一级防雷保护器、二级防雷保护器和三级防雷保护器，分别设置于变电站的边缘数据中心的各个终端处。

2.根据权利要求1所述的一种多站融合共地情况下边缘数据中心雷电防护装置，其特征在于，一级防雷保护器设置于所述边缘数据中心的交流电源后端。

3.根据权利要求1所述的一种多站融合共地情况下边缘数据中心雷电防护装置，其特征在于，二级防雷保护器设置于所述边缘数据中心的单相UPS电源前端。

4.根据权利要求1所述的一种多站融合共地情况下边缘数据中心雷电防护装置，其特征在于，三级防雷保护器设置于所述边缘数据中心的通讯设备前端。

5.应用一种多站融合边缘数据中心雷电防护装置的采样控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过接地网过电压及过电流监测单元实时采集接地网的过电压及过电流信号，并传递给中央信号处理单元的FPGA主控模块；

S2、通过中央信号处理单元的人机交互模块预设过电压及过电流阈值和持续时间的故障判据；

S3、中央信号处理单元的FPGA主控模块根据预设的过电压及过电流数据判断故障类别，故障信息存储于数据存储模块；

S4、通过中央信号处理单元的报警模块发出报警信号，通讯设备保护单元的三级防雷保护器动作。

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