滕召勝，羅志坤，唐 求，周良璋，李小青

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082；2.杭州海興電器有限公司，浙江杭州310011）

三相多功能諧波電能表的EMI分析與EMC設(shè)計＊

滕召勝1?，羅志坤1，唐 求1，周良璋2，李小青2

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082；2.杭州海興電器有限公司，浙江杭州310011）

針對電力系統(tǒng)需求，研制了一種具有RFID接口與GPRS通信模塊的三相多功能諧波電能表，介紹了電能表的構(gòu)成與工作原理，分析了電能表的空間電磁干擾、傳導(dǎo)耦合干擾和公共阻抗耦合干擾，探討了電能表的電磁干擾傳輸途徑，提出了三相多功能諧波電能表的電磁兼容可靠性設(shè)計方案，論述了電能表開關(guān)電源電磁兼容、PCB布線、通信接口抗干擾、防靜電設(shè)計、軟件抗干擾設(shè)計等電能表的EMC設(shè)計方法，給出了電能表的EMC測試結(jié)果.試驗和運行表明三相多功能諧波電能表設(shè)計具有良好的電磁兼容性.

三相多功能諧波電能表；電磁兼容；干擾源；靜電放電；傳輸線長度

隨著社會的發(fā)展，供電、用電部門對電能表的計量性能及其自動抄表技術(shù)提出了更高的要求［1］.三相電能表不僅要具有電能參數(shù)準(zhǔn)確測量和電能準(zhǔn)確計量功能，還要具有諧波電能計量功能和USB，RS-485，吸附式紅外與遠紅外，電力線載波和GPRS等通信功能［2－4］，以便于配合上位機軟件方便地生成電力系統(tǒng)日報、月報和圖形曲線，直觀、準(zhǔn)確地顯示電能表的觀測與計量結(jié)果、運行狀態(tài).為此，作者研制了一種具有RFID接口和GPRS通信模塊的三相多功能諧波電能表［5］.由于電能表工作的電磁環(huán)境較復(fù)雜［6］，電路所處空間狹小，來自電能表外部的空間輻射干擾、電源干擾、靜電干擾和來自電能表內(nèi)部的開關(guān)電源干擾、傳導(dǎo)耦合干擾、射頻輻射干擾、數(shù)字電路等引起的電磁干擾［7－8］問題突出，通過合理的設(shè)計計算使三相多功能諧波電能表具備優(yōu)良的電磁兼容性能和抗干擾性能尤為重要.

三相多功能諧波電能表充分考慮了EMC設(shè)計，取得了良好的應(yīng)用效果.本文分析三相多功能諧波電能表的電磁干擾傳輸途徑，提出三相多功能諧波電能表的電磁兼容可靠性設(shè)計方案，論述電能表的EMC硬件、軟件設(shè)計方法，給出電能表的EMC測試結(jié)果.

1 電能表的電磁干擾分析

1.1 三相多功能諧波電能表的構(gòu)成

三相多功能諧波電能表采用DSP＋MCU的雙CPU結(jié)構(gòu)，如圖1所示.6路ADC對三相電網(wǎng)電壓、電流進行實時同步采樣，通過并行接口將采樣數(shù)據(jù)送往DSP單元（ADSPBF533）.DSP利用加窗插值FFT算法［9］對電壓、電流波形進行高精度頻譜分析，分離出基波分量及2～21次諧波分量，高速實現(xiàn)電參量測量、電能累計、諧波分析、諧波電能計量等功能.DSP的處理結(jié)果通過異步串口發(fā)送到MCU（M30624FGPFP），完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存儲、顯示、通信、電能表功能選擇等管理功能.為便于組網(wǎng)通信，設(shè)計了吸附式／遠紅外，雙RS-485，USB，RFID，GPRS等通信接口.

1.2 三相多功能諧波電能表的電磁干擾源

電能表的電磁干擾源主要有：1）閃電雷擊.閃電引起的沖擊電流可高達100 k A，產(chǎn)生的輻射波頻率范圍廣，無規(guī)律，其頻率從幾k Hz到幾百MHz或更高頻域［10］.2）高壓電力設(shè)備的干擾.高壓輸電線路及變壓器的磁泄漏都是很強的干擾源，其頻譜主要分布在30 MHz以下的中、短波頻段.3）電力開關(guān)操作.開關(guān)過程中引起強烈的電流脈沖及短時的電壓跌落.4）變頻器、調(diào)光開關(guān)等節(jié)能器件等以晶閘管或類似電子器件為核心的設(shè)備工作時在電網(wǎng)上產(chǎn)生高次諧波干擾.5）電網(wǎng)電壓波動.大容量負(fù)荷的起、停，引起電網(wǎng)電壓的瞬時起落.6）數(shù)字電路裝置.7）高頻振蕩電路.發(fā)射機、接收機及時鐘本振等振蕩電路的基頻及其諧波.8）氣體放電燈、熒光燈的整流器、啟動器等對電網(wǎng)及周圍空間產(chǎn)生電磁騷擾.9）家用電器、辦公用電器.其中串激電機的換向器、電子控制器、定時器等均會對電網(wǎng)及周圍空間產(chǎn)生電磁干擾，干擾頻譜從幾十k Hz到幾百MHz.10）電動工具.電動工具在運行時，串激電機換向器產(chǎn)生電磁干擾.11）遠距離無線電干擾源通過電磁輻射傳輸給RFID模塊、GPRS模塊，由天線接收后直接傳輸給電能表.12）RFID，GPRS等高頻通信模塊與電能表的其他電路安放在一個表箱里，電路有直接連接，RFID，GPRS模塊數(shù)據(jù)通信時，產(chǎn)生對電能表其他電路的干擾.圖2所示為三相多功能諧波電能表的干擾源和干擾途徑.

圖1 三相多功能諧波電能表結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block of three-phase multifunctional harmonic energy meter

1.3 三相多功能諧波電能表的電磁干擾途徑

電磁干擾的產(chǎn)生須有三要素：干擾源、干擾傳播途徑和敏感設(shè)備.三相多功能諧波電能表的電磁干擾傳播途徑主要有：1）傳導(dǎo)耦合.干擾信號通過信號線、電源線、地線引入到電能表的敏感單元.2）公共阻抗耦合.傳遞信號經(jīng)公共基準(zhǔn)點（電位參考點）形成了公共阻抗，干擾信號經(jīng)公共阻抗耦合到其他電路中.3）輻射耦合.載流導(dǎo)線、載流元件產(chǎn)生電磁輻射，通過分布電容、分布電感致使周圍導(dǎo)線、元件產(chǎn)生感應(yīng)電壓.

圖2 三相多功能諧波電能表干擾途徑Fig.2 Interference propagation path of three-phase multifunctional harmonic energy meter

2 電能表的PCB傳輸線效應(yīng)

2.1 傳輸線效應(yīng)分析

PCB的EMC是多功能電能表設(shè)計必須重視的問題.由于分布電容、傳輸線特性阻抗與負(fù)載等效電阻不匹配等原因，高次諧波、數(shù)字信號、時鐘信號在PCB上傳輸時會產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)，導(dǎo)致傳輸信號的延時、反射和變形，還會對間距很小的相鄰走線產(chǎn)生很難準(zhǔn)確量化的串?dāng)_.

利用全波時域分析方法、通過等效電路建立高頻電磁場的等效模型可以構(gòu)建電能表傳輸線模型.將PCB在空間域和時間域進行離散化，設(shè)空間域、時間域的離散步長分別為Δl，Δt，把求解空間劃分為網(wǎng)格，其節(jié)點之間用傳輸線來連接，從而實現(xiàn)空間域的離散.通過迭代運算可實現(xiàn)時間域的離散.設(shè)每次迭代時間為時間域的離散步長Δt，信號傳輸距離為空間域的離散步長Δl，則

式中：c為光速.

利用麥克斯韋方程組可以建立網(wǎng)格中傳輸線上電壓、電流的電場、磁場等效關(guān)系，將場在空間域的傳播問題等效為離散時間域的電壓波、電流波在網(wǎng)格中的傳播問題［11］.對時域響應(yīng)進行傅里葉變換后可得到頻域解，求解得到空間內(nèi)的電場和磁場分布［12－13］.例如，電壓波在各個節(jié)點發(fā)生散射，散射后的電壓波在下一次迭代運算則成為與其相鄰節(jié)點的入射電壓波，即

式中：kVi為k時刻各個節(jié)點的輸入電壓脈沖矩陣；kVr為k時刻各個節(jié)點的反射電壓脈沖矩陣；k＋1Vi為k＋1時刻各個節(jié)點的輸入電壓脈沖矩陣；S為k時刻的散射矩陣；C為k時刻的連接矩陣.

當(dāng)電能表的高頻信號、數(shù)字信號沿傳輸線傳送時，需要考慮傳輸線的傳輸阻抗和傳播延遲，如果傳輸線特性阻抗與傳輸線負(fù)載不匹配，電壓波將形成循環(huán)往復(fù)的反射信號并逐漸衰減.

2.2 傳輸線效應(yīng)仿真

電能表PCB橫截面為0.25 mm×1.25 mm的傳輸線的特性阻抗約為48.5Ω.設(shè)x，y，z方向的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)分別為84，15，5，節(jié)點的三向長度Δl＝0.25 mm，則根據(jù)式（1）可以計算得到迭代時間約為8×10－13s.仿真實驗時，以圖3（a）所示的梯形波為傳輸信號，在傳輸線終端接入阻值與傳輸線特性阻抗不一致的阻性負(fù)載，構(gòu)成圖3（b）所示的傳輸線等效電路.圖4（a）（b）分別為負(fù)載電阻Zl＝28.5Ω，70.5 Ω時信號反射與延時的仿真結(jié)果.可見，由于信號傳輸線長度、橫截面積、負(fù)載阻抗的不同，傳輸線將造成信號不同的延時、變形和反射.另一方面，寄生電容將進一步加大信號的傳輸延時與失真，對間距小的相鄰走線產(chǎn)生串?dāng)_.因此，設(shè)計PCB時應(yīng)盡量減少長線傳輸.

3 電能表的EMC設(shè)計

電能表EMC設(shè)計的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能.

3.1 PCB的EMC設(shè)計

硬件EMC設(shè)計主要是PCB的抗干擾設(shè)計.元器件的布局在很大程度上影響著電能表的性能.

圖3 電能表傳輸信號與傳輸線等效電路Fig.3 Equivalent circuit of transmission signals and transmission line of the energy meter

圖4 電能表信號傳輸線效應(yīng)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the transmission line effects of the energy meter

電能表的PCB以ADC，DSP，MCU等器件為中心，外圍器件圍繞它們進行布局，布線盡可能短；電路的輸入與輸出分開在PCB兩端；數(shù)字信號電路和模擬信號分開；IC器件的去耦電容盡可能靠近IC；元器件之間保持一定間距，各部分電路的濾波網(wǎng)絡(luò)就近連接；PCB的主要信號線匯集于板中央，充分靠近地線或用地線包圍；信號線、信號回路線所形成的環(huán)路面積盡量?。槐苊忾L距離平行布線，電路中電氣互連點間布線力求最短；相鄰布線面導(dǎo)線采取相互垂直、斜交或彎曲走線的形式，以減小寄生耦合；高頻信號導(dǎo)線避免相互平行；電源線和地線盡量粗；避免90°折線，減少高頻噪聲發(fā)射；減少回路環(huán)面積，降低感應(yīng)噪聲；晶振與DSP，MCU的引腳盡量靠近，用地線對時鐘區(qū)隔離，晶振外殼接地并固定；電源線的走向與主流數(shù)據(jù)傳遞方向一致；為各電路模塊提供一個公共電位參考點，形成各模塊電路的專用地線；各模塊之間用地線進行隔離，防止相互間的信號耦合效應(yīng)；數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)用地線隔離，數(shù)字地與模擬地分離，最后接于電源地；各部分電路內(nèi)部的地線單點接地，盡量減小信號環(huán)路面積，并與相應(yīng)的濾波電路的地線就近相接.這樣不僅減小了電能表電路板的電磁輻射，而且降低了被干擾的機率，提高了電路的抗干擾能力.

3.2 電能表開關(guān)電源的EMC設(shè)計

電能表的開關(guān)電源EMC設(shè)計采取了如下措施：1）電源線濾波器.電源線濾波器安裝在電能表電源線入口處，避免來自電網(wǎng)的強干擾，同時抑制電能表開關(guān)電源、RFID模塊、GPRS模塊、數(shù)字電路產(chǎn)生的干擾影響供電網(wǎng)絡(luò).2）尖峰吸收.外接電源干擾主要有快速瞬變脈沖群干擾、電源瞬時跌落、電源瞬時掉電等，其中快速瞬變脈沖群干擾尤為嚴(yán)重［14－15］，主要以差模和共模的方式作用于供電電源的入口，對電能表電路系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾.儀器開關(guān)電源的主要干擾是功率開關(guān)管通、斷時的du／dt，減小功率開關(guān)管通斷的du／dt是減小開關(guān)電源干擾的重要方面.在高頻變壓器的初級設(shè)置了由瞬變電壓抑制二極管（TVS）和超快恢復(fù)二極管（SRD）組成的抗干擾和保護電路，充分發(fā)揮TVS響應(yīng)速度極快、可承受高能量瞬態(tài)脈沖之優(yōu)點，吸收漏感引起的尖峰電壓，并確保MOSFET不被損壞.3）開關(guān)頻率調(diào)制.將開關(guān)電源頻率變?yōu)殡S機調(diào)制和變頻調(diào)制.頻率固定不變的調(diào)制脈沖產(chǎn)生的干擾在低頻段主要是調(diào)制頻率的諧波干擾，主要集中在各諧波點上.通過調(diào)制開關(guān)頻率fc，把集中在開關(guān)頻率fc及其諧波2fc，3fc…上的能量分散到它們周圍的頻帶上，由此降低各個頻點上的EMI幅值，以達到低于EMI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值.這種開關(guān)調(diào)頻PWM方法［16］雖然不能降低總的干擾能量，但它把能量分散到頻點的基帶上，有效地降低了干擾影響，如圖5所示.

圖5 EMI的頻譜波形Fig.5 Spectrum waveform of EMI

3.3 通信接口的EMC設(shè)計

通信接口EMC設(shè)計主要是利用元件組合把干擾信號旁路、吸收、隔離、濾除、去耦.以RFID接口為例，除遵循PCB的EMC設(shè)計原則外，還采用了如下設(shè)計方法：1）將RFID接口的元器件間距加大且雙面焊接元器件，一面為SMD，SMC元件，另一面為分立元件.2）對RFID接口電路進行分塊處理，為高頻放大、混頻、解調(diào)、本振等電路模塊電路提供各自的地線，匯總于RFID接口電路PCB接入地線處.由于沒有公共阻抗耦合，因此沒有相互干擾；3）在IC的電源進線端放置一個10μF的低噪聲去耦鉭電容.4）RFID接口電源利用LC濾波網(wǎng)絡(luò)濾除干擾電壓.

3.4 防靜電設(shè)計

靜電放電分為接觸式和非接觸式，即電流注入放電和空氣擊穿放電，對電能表的影響包括：1）放電前的靜電場對電能表的影響；2）放電時的直接電荷注入對電能表的影響；3）靜電放電電流激發(fā)的電磁場對電能表的影響.其中，放電之前的靜電場和放電電流激發(fā)的電磁場使電能表產(chǎn)生輻射噪聲，直接電流注入和電磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流使電能表產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲.

電能表若不進行合理的防靜電設(shè)計，由靜電干擾引起的輻射噪聲和傳導(dǎo)噪聲將同時存在，嚴(yán)重影響可靠性.試驗發(fā)現(xiàn)，空氣放電可直接從電能表按鍵的縫隙進入PCB板的按鍵走線，影響電能表的正常工作.因此，設(shè)計采取了下列防靜電措施：1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少縫隙，并且使縫隙和固定開孔遠離敏感電路；2）在電能表按鍵、上下機殼接合處加入塑膠墊，加長靜電干擾路徑，削減靜電對電能表電路的影響；3）在鍵盤電路上加抑制電容或TVS進行防護處理.

3.5 軟件抗干擾設(shè)計

軟件設(shè)計除采用看門狗、指令冗余、設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元、設(shè)計自檢程序等措施外，還采用了下列EMC設(shè)計方法：1）設(shè)置程序指針陷阱.在電能表的每個子程序后面或程序段后插入5條指令NOP，NOP，NOP，NOP，LJMP MAIN（初始化程序開始地址），在DSP，MCU未用的空白ROM區(qū)域（特別是后面的空白處），每32個字節(jié)放指令LJMP MAIN.一旦DSP，MCU受干擾，使程序指針混亂，執(zhí)行了一段程序后，就會落入陷阱中，執(zhí)行LJMP MAIN指令，自動跳轉(zhuǎn)到初始化程序開始處，從而避免死機，使程序恢復(fù)正常.2）設(shè)置程序監(jiān)視跟蹤定時器.利用DSP，MCU片內(nèi)集成的程序監(jiān)視跟蹤定時器跟蹤程序的運行，當(dāng)程序運行出現(xiàn)故障時，計數(shù)器溢出，電能表復(fù)位，重新運行程序，有效地“防飛”.

4 電能表的EMC試驗

三相多功能諧波電能表屬Ⅱ類防護絕緣包封儀表，采用絕緣材料表殼，無保護接地措施，參考《GB／T 17215靜止式交流有功電能表》對絕緣性能的基本要求進行EMC測試.儀器經(jīng)湖南省電力公司計量中心進行EMC測試合格，表1為三相多功能諧波電能表EMC主要試驗項目的試驗結(jié)果.

表1 三相多功能諧波電能表EMC試驗結(jié)果Tab.1 EMC test results of three-phase multifunctional harmonic energy meter

5 結(jié) 論

三相多功能諧波電能表工作在電磁輻射、電源干擾、環(huán)境影響復(fù)雜的場所，EMC設(shè)計是電能表成功的技術(shù)關(guān)鍵.本文分析了電能表的干擾因素與電磁干擾途徑，提出了電能表電磁兼容設(shè)計的完整方案，介紹了電能表的EMC硬件、軟件設(shè)計方法，取得了良好的電磁兼容設(shè)計效果.儀器的電壓、有功功率測量誤差均≤0.1%，基波電能計量準(zhǔn)確度達0.2 s級，諧波分析準(zhǔn)確度高于GB／T 14549—93的A類標(biāo)準(zhǔn)要求.現(xiàn)場運行證明了儀器的可靠性.

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EMI Analysis and EMC Design of Three-phase Multifunctional Harmonic Energy Meter

TENG Zhao-sheng1?，LUO Zhi-kun1，TANG Qiu1，ZHOU Liang-zhang2，LI Xiao-qing2

（1.College of Electrical and Information Engineering，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China；2.Hangzhou Hexing Electrical Co；LTD，Hangzhou，Zhejiang 310011，China）

According to power system requirements，a kind of three-phase multifunctional harmonic energy meter with radio frequency identification（RFID）interface and general packet radio service（GPRS）communication module was developed.The structure and the working principle of the energy meter were described，and its space electromagnetic interference（EMI），conducted coupling interference，and common impedance coupling interference were analyzed.The EMI propagation paths of energy meter were discussed，and the reliability design scheme of energy meter was proposed.The electromagnetic compatibility（EMC）design method of energy meter such as EMC of switch power，PCB routing，communication interface anti-interference design，the anti-static design and software anti-interference design，were analyzed.The EMC test results of the energy meter were given.The experiment and operating results have shown that the three-phase multifunctional harmonic energy meter has better EMC.

three-phase multi-functional harmonic energy meter；electromagnetic compatibility（EMC）；noise source；electrostatic discharge；length of transmission line

TP273

A

1674-2974（2010）11-0040-06＊

2010-04-12

國家自然科學(xué)基金資助項目（60872128）

滕召勝（1963－），男，湖南辰溪人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人，E-mail：tengzs＠126.com