張志琦 孔維娜

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266510）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力部門的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出越來越高的要求，相應(yīng)的要提高變電站自動化系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。安裝在變電站現(xiàn)場的保護(hù)和監(jiān)控裝置，必須可靠長期無故障運(yùn)行。但同時變電站內(nèi)部各子系統(tǒng)都是低電平的弱電系統(tǒng)，工作環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴(yán)重，這些干擾很容易通過電磁耦合進(jìn)入微機(jī)弱電系統(tǒng)。

由于系統(tǒng)的保護(hù)和測控裝置工作在強(qiáng)電磁場下，所以必須采用將裝置故障及時報告給工作人員并自動采取隔離閉鎖措施的裝置故障自動檢測和使局部故障不降低整套裝置性能并不中斷保護(hù)和監(jiān)控裝置運(yùn)行的容錯設(shè)計技術(shù)。實際中，我們可以從兩個方面考慮：一是在設(shè)計綜合自動化系統(tǒng)時，選用優(yōu)質(zhì)的微型機(jī)芯片和其他半導(dǎo)體元件，設(shè)計合理的線路布局，切斷各種電磁耦合的途徑，盡可能減少擾動對綜合自動化系統(tǒng)的影響；二是干擾信號有很強(qiáng)的隨機(jī)性，還要考慮萬一出現(xiàn)干擾信號對系統(tǒng)可能帶來的影響和對策。

2 硬件方面抗干擾措施

2.1 隔離和屏蔽

（1）開關(guān)量的輸入和輸出（包括跳閘出口、需要監(jiān)視的信號）觸點(diǎn)和數(shù)字量輸出的光電隔離。開關(guān)量的輸入主要是斷路器、隔離開關(guān)的輔助接點(diǎn)，輸出大多也是對斷路器、隔離開關(guān)和主變壓器分接頭的控制。它們都處于強(qiáng)電回路，所以要通過光電耦合隔離才能避免強(qiáng)的電磁干擾。光電隔離原理如圖1和圖2所示。

圖1 開關(guān)量輸入的光電隔離原理圖

圖2 開關(guān)量輸出的光電隔離原理圖

（2）模擬量的隔離和屏蔽。變電站系統(tǒng)中微機(jī)保護(hù)裝置和其他監(jiān)控裝置所采集的模擬量，大多來自一次系統(tǒng)的電壓互感器和電流互感器，它們都處于強(qiáng)電回路中，必須經(jīng)過設(shè)置的各交流回路中的隔離變壓器隔離，才能輸入到變電站自動化系統(tǒng)中，這些隔離變壓器一次、二次之間必須有隔離層，而且屏蔽層必須安全接地。模擬量都經(jīng)過光電隔離單元隔離后再送入主機(jī)，從而使微機(jī)內(nèi)外系統(tǒng)的電源接地線在電氣上完全隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

使用集成A／D的微型單片機(jī)AT-tiny13進(jìn)行模擬量隔離采集，使用單根數(shù)據(jù)線完成數(shù)據(jù)傳輸。模擬量隔離采集采用了簡化的UART通信方式，即單工通信方式，只需要發(fā)送線TXD，無需接收線RXD。這樣，單根數(shù)據(jù)線就能承擔(dān)發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換值任務(wù)，接收方只要具備硬件 UART或軟件 UART(接收)，就可以輕松獲取隔離模擬量值。如圖3所示。

圖3 模擬量隔離采集電路

（3）在布局二次回路的線路時，也要充分考慮隔離，減少互感耦合，避免干擾由互感耦合進(jìn)入系統(tǒng)。強(qiáng)弱信號不能使用同一根電纜，信號電纜應(yīng)盡量避開電力電纜；盡量增大與電力電纜的距離，并盡量減少平行長度；注意各個回路的相互感應(yīng)；電路板上的布線也要避免互感。

2.2 電源的抗干擾

雖然開關(guān)電源采用了靜電屏蔽來抑制共模干擾，但由于開關(guān)電源內(nèi)部元件布置緊密，電源和輸出導(dǎo)線之間距離較近，接地線較長，而且電源要連接到各個部分，所以抗干擾能力較差。一般在電源入口處加上電源濾波器，同時電源零線采取浮空的方式，不與機(jī)殼相連，并盡量減少電源線與機(jī)殼之間的分布電容，同時減少微機(jī)弱點(diǎn)回路中非電源線的其他部分與機(jī)殼之間的分布電容，可以將電路板周圍用電源零線或者+5V線環(huán)閉起來，這樣可以完全隔斷電路板其他部分同機(jī)殼間的耦合。

2.3 合理分配布置各個插件

接地、屏蔽和隔離并不能完全阻斷干擾信號的進(jìn)入，為防止浪涌電壓引起的后果，可以合理的將保護(hù)和控制電路分成若干個插件，可以放置于內(nèi)層屏蔽箱內(nèi)，在整個電路的布局上要合理，使微機(jī)工作的核心部分遠(yuǎn)離干擾源或與干擾有聯(lián)系的部件。

2.4 微機(jī)采用多CPU及逆變電源

現(xiàn)在開發(fā)的多CPU產(chǎn)品之間相互獨(dú)立，各個CPU帶有自檢功能，任何部分的器件出現(xiàn)故障，都能方便的檢測出故障所在的插件；微機(jī)的電源采用逆變電源，由蓄電池直流220V逆變成高頻電壓后經(jīng)高頻變壓器隔離，再變換成弱點(diǎn)直流電壓供微機(jī)系統(tǒng)，這樣可以大大減小電源回路引起的干擾。

2.5 系統(tǒng)內(nèi)部及軟件方面的抗干擾

上述幾種方式是硬件組成的防線，一旦干擾進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，可以在系統(tǒng)內(nèi)部采取相應(yīng)措施來使干擾最小，以免影響系統(tǒng)的保護(hù)或者控制功能。

（1）對輸入值進(jìn)行檢查糾錯。由于外部干擾的存在，采樣輸入值不一定是正確的，因此可以對各模擬量輸入通道，增加一定的冗余通道來排除由于干擾造成的錯誤數(shù)據(jù)。例如在3個相電壓Ua、Ub、Uc之后再增加一個硬件通道接在3U0回路。對每一個采樣點(diǎn)n，檢查以下關(guān)系：

滿足以上關(guān)系才保留數(shù)據(jù)。

沒有上述關(guān)系的可以在每個信號設(shè)置兩個通道，只有兩個通道的讀數(shù)一致時才取用數(shù)據(jù)。

（2）對運(yùn)算結(jié)果的核對。為防止干擾可能造成的運(yùn)算出錯，可以將運(yùn)算進(jìn)行兩次，將結(jié)果進(jìn)行核對以確定干擾是否存在。一是在運(yùn)算結(jié)束后把結(jié)果暫存，利用原始數(shù)據(jù)再計算一次，并同前一次的結(jié)果相比較。二是連續(xù)的兩次計算不利用完全相同的原始數(shù)據(jù)，第二次將算法所依據(jù)的數(shù)據(jù)窗順移一個采樣值，正常時，兩次結(jié)果不完全一樣，但阻抗、電流或者電壓有效值的計算很接近，以此來判斷干擾的存在。

（3）出口的閉鎖。設(shè)計出口跳閘回路的硬件時應(yīng)當(dāng)使該回路執(zhí)行幾條指令后才能輸出；在構(gòu)成跳閘條件的指令中間插入一段校對程序，用以檢查RAM區(qū)存放的各種標(biāo)志。保護(hù)裝置通過正當(dāng)途徑進(jìn)入跳閘程序時應(yīng)在這些標(biāo)志字留下相應(yīng)的標(biāo)志。

圖4 跳閘出口的閉鎖

（4）看門狗的抗干擾功能。系統(tǒng)程序運(yùn)行時遇到外部干擾可能會導(dǎo)致程序出軌，利用看門狗復(fù)位計數(shù)器原理，干擾引起系統(tǒng)出錯和程序出軌，內(nèi)部定時器就會產(chǎn)生計時溢出脈沖，是系統(tǒng)自動復(fù)位，重新裝入應(yīng)用程序。

圖5 硬件看門狗電路復(fù)歸的原理

圖5中A點(diǎn)接至微機(jī)并行接口的某一輸出位。當(dāng)CPU沒有出軌時，由軟件安排使其按一定的周期在“1”和“0”之間變化。A點(diǎn)分兩路，一路經(jīng)反相器，另一路不經(jīng)反相器，分別接至兩個延時動作瞬時返回的延時元件，延時元件輸出至或門的兩個輸入端。延時時間應(yīng)比A點(diǎn)電位變化的周期長，因此在正常時兩個延時元件都不會動作，或門輸出“0”。此時運(yùn)行正常。一旦程序出軌，A點(diǎn)電位將停止變化，不論在哪一個狀態(tài)，兩個延時元件總有一個動作，它通過或門起動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器D，發(fā)出一個低脈沖，使CPU重新初始化，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。這個裝置還可以用于主要原件損壞停止工作發(fā)出告警信號。

（5）對遙控回路采用保護(hù)碼。為提高遙控回路的抗干擾能力，對遙控的碼制采用BCH保護(hù)碼，BCH碼檢查的碼位不多，編碼效率高，實現(xiàn)電路不復(fù)雜，不僅可以檢查錯誤，還可以糾錯，是一種抗干擾能力強(qiáng)，靈活性大的保護(hù)碼。遙控應(yīng)采用異步工作方式較慢的速率傳輸信息。

3 結(jié)論

本文主要從硬件和軟件兩個方面分析闡述了常見的對變電站系統(tǒng)造成干擾的情況，并提出相應(yīng)的提高變電站抗干擾和可靠性的措施。

[1]程明,金明,李建英.無人值班變電站監(jiān)控技術(shù)[M].北京:國電力出版社,2004.

[2]丁書文.變電站綜合自動化技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2005.

[3]張惠剛.變電站綜合自動化原理與系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社,2006.

[4]孟祥忠,王博.電力系統(tǒng)自動化[M].北京:北京大學(xué)出版社,2006.

[5]李正軍.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.