楊春霞，王德寬，汪華強(qiáng)，魏海波

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京100038；2.羅克韋爾自動(dòng)化中國(guó)有限公司，重慶400010）

電磁干擾對(duì)巨型水電機(jī)組測(cè)溫系統(tǒng)的影響及對(duì)策

楊春霞1，王德寬1，汪華強(qiáng)1，魏海波2

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京100038；2.羅克韋爾自動(dòng)化中國(guó)有限公司，重慶400010）

國(guó)內(nèi)某水電站測(cè)溫系統(tǒng)投運(yùn)初期出現(xiàn)較為嚴(yán)重的電磁干擾問題，影響了電站及監(jiān)控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，將現(xiàn)場(chǎng)干擾歸納了持續(xù)工頻高電壓、持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間脈沖、快速尖脈沖等幾種典型的干擾現(xiàn)象，針對(duì)不同的干擾現(xiàn)象，采取了不同的處理措施，對(duì)電源接地、屏蔽接地等嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)進(jìn)行整改，并采取了齊納二級(jí)管保護(hù)、軟件濾波、三中取二等措施，取得了良好的效果。

巨型水電站；測(cè)溫系統(tǒng)；電磁干擾

0 引言

電磁干擾一直是困擾水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行的一個(gè)重要問題。隨著機(jī)組容量的不斷增加，電流電壓也隨之增加，巨型水電站的電磁干擾問題更為突出。三峽、龍灘于2007年初先后投產(chǎn)后，景洪、構(gòu)皮灘、拉西瓦等一批巨型水電站也相繼發(fā)電投產(chǎn)。據(jù)了解，在大中型電站似乎已經(jīng)解決的電磁干擾問題，對(duì)這些巨型電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行均不同程度地產(chǎn)生了一些不利影響。由于溫度信號(hào)是小信號(hào)，其信號(hào)采集與處理更容易受到各種干擾的影響，巨型電站測(cè)溫系統(tǒng)抗干擾應(yīng)引起足夠重視。

2009年底，我國(guó)某巨型水電站首批兩臺(tái)機(jī)組先后并網(wǎng)投入運(yùn)行，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體運(yùn)行情況良好穩(wěn)定，但出現(xiàn)了機(jī)組測(cè)溫屏和水機(jī)屏測(cè)溫模塊多次燒損現(xiàn)象，嚴(yán)重地影響了電站的安全運(yùn)行。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，相關(guān)技術(shù)人員按規(guī)范和設(shè)計(jì)要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)接地、屏蔽等進(jìn)行了嚴(yán)格的整改，并對(duì)已發(fā)電的3臺(tái)機(jī)組測(cè)溫回路增加必要的保護(hù)措施，現(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)均運(yùn)行穩(wěn)定可靠，取得了明顯的成效。

本文試圖從該水電站出現(xiàn)的電磁干擾現(xiàn)象出發(fā)，簡(jiǎn)要論述電磁干擾的產(chǎn)生與傳播，電子設(shè)備抗電磁干擾的主要措施，最后談?wù)勗谠撍娬静扇〉拇胧┮约靶Ч┙梃b和參考。

圖1 機(jī)組LCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)概況

該水電站機(jī)組LCU設(shè)置有控制、測(cè)溫和水機(jī)保護(hù)等三套PLC系統(tǒng)，分別簡(jiǎn)稱為主控屏、測(cè)溫屏和水機(jī)屏，三套PLC相互獨(dú)立。機(jī)組LCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

測(cè)溫系統(tǒng)采用冗余PLC配置，設(shè)有獨(dú)立的CPU電源和I/O電源，采集機(jī)組溫度量344點(diǎn)。它與機(jī)組控制PLC沒有關(guān)聯(lián)，在機(jī)組控制PLC退出時(shí)，溫度數(shù)據(jù)的采集不受影響，仍可將溫度信號(hào)送到上位機(jī)系統(tǒng)，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性。該測(cè)溫系統(tǒng)可以將溫度過(guò)高停機(jī)信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)傳遞給機(jī)組主控屏PLC，啟動(dòng)停機(jī)順控回路。

水機(jī)屏PLC獨(dú)立于機(jī)組主控屏PLC和測(cè)溫屏PLC，為單CPU配置，也設(shè)置獨(dú)立的CPU電源和I/O電源，主要完成引起機(jī)組事故停機(jī)和緊急事故停機(jī)的SOE信號(hào)和96點(diǎn)溫度量的采集，以及相關(guān)設(shè)備的控制功能。與測(cè)溫屏的溫度信號(hào)取自不同的溫度傳感器。水機(jī)屏將信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)獨(dú)立送到主控級(jí)用于事故記錄，同時(shí)將溫度過(guò)高停機(jī)信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)總線傳遞機(jī)組主控屏PLC，啟動(dòng)停機(jī)順控回路。

2 現(xiàn)場(chǎng)干擾檢測(cè)

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)RTD三線信號(hào)對(duì)地電壓的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)引起模塊損壞主要源于嚴(yán)重的共模干擾信號(hào)，干擾信號(hào)主要有以下幾種。

2.1 持續(xù)工頻高電壓

典型測(cè)點(diǎn)：6F測(cè)溫屏定子線圈34號(hào)測(cè)溫模塊通道經(jīng)常損壞。經(jīng)實(shí)測(cè)，該點(diǎn) 372V（峰值），145rms（有效值），波形如圖 2所示。而一直正常的測(cè)點(diǎn)6F測(cè)溫屏定子線圈33號(hào)的電壓約為4V。

圖2 6F定子線圈34號(hào)RTD干擾信號(hào)波形

2.2 持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間脈沖

典型測(cè)點(diǎn)：6F水機(jī)屏推力軸瓦20號(hào)，電壓800V/5ms，400V/25ms，200V/40ms。實(shí)測(cè)波形如圖3所示。

圖3 6F水機(jī)屏推力軸瓦20號(hào)RTD干擾信號(hào)波形

2.3 快速尖脈沖

典型測(cè)點(diǎn)：集中在6F水機(jī)屏和測(cè)溫屏推力瓦，電壓100～300V不等，典型時(shí)間寬度在500μs左右。實(shí)測(cè)波形如圖4和圖5所示。

圖4 6F水機(jī)屏推力瓦8號(hào)RTD干擾信號(hào)波形

圖5 6F測(cè)溫屏推力瓦8號(hào)RTD干擾信號(hào)波形

3 干擾信號(hào)的類型

電磁干擾源一般就是產(chǎn)生電流和電壓劇烈變化的部位。干擾信號(hào)通常按照干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式或噪聲波形性質(zhì)來(lái)劃分。按噪聲產(chǎn)生的原因可分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等。按噪聲的波形、性質(zhì)不同，可分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等。按噪聲干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾等。

電磁干擾源包括外部干擾和內(nèi)部干擾。設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的干擾通過(guò)硬件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)解決，這里不做討論。外部干擾對(duì)電子設(shè)備的影響主要是空間電磁輻射和外引線兩種途徑。空間電磁輻射主要對(duì)陰極射線管構(gòu)成的顯示器影響嚴(yán)重，現(xiàn)采用液晶技術(shù)后已基本克服，對(duì)其他設(shè)備的影響不十分明顯。外引線干擾主要通過(guò)電源和信號(hào)線等引入，又稱為傳導(dǎo)干擾，主要表現(xiàn)為分別來(lái)自電源線、信號(hào)線和地線的三類干擾。

由于水電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多，各種電纜縱橫交錯(cuò)，設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)稍有疏忽，便會(huì)形成相互之間耦合或傳導(dǎo)，引入干擾。良好的屏蔽、接地是提高電子設(shè)備抗干擾能力的重要措施。

4 現(xiàn)場(chǎng)抗干擾措施

針對(duì)上述三類干擾，我們對(duì)該水電站測(cè)溫系統(tǒng)分別采取了下列提高抗干擾能力的措施。

4.1 電源系統(tǒng)抗干擾處理

在PLC控制系統(tǒng)中，電源地位極重要。電源干擾串入PLC控制系統(tǒng)主要通過(guò)PLC系統(tǒng)的供電電源 （如CPU電源、I/O電源）、變送器供電電源和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入的?，F(xiàn)在對(duì)于PLC系統(tǒng)供電的電源，一般都采用了隔離性能較好的電源，而對(duì)于變送器供電電源以及和PLC系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表供電電源，有時(shí)沒有受到足夠的重視。

機(jī)組主控屏PLC設(shè)置專門的自動(dòng)化元件供電電源，并且對(duì)運(yùn)行環(huán)境潮濕容易引起短路的自動(dòng)化元件設(shè)置獨(dú)立的供電回路，以減少對(duì)其他自動(dòng)化元件供電回路的影響。電源的進(jìn)線側(cè)安裝電涌保護(hù)器，即最靠近電纜進(jìn)入點(diǎn)的導(dǎo)軌上。這樣外部的干擾電壓在進(jìn)入機(jī)柜處就被釋放掉，防止耦合入機(jī)柜。在電涌保護(hù)器前加裝空氣開關(guān)，形成更基礎(chǔ)的保護(hù)，同時(shí)要保證電涌保護(hù)器良好的接地，電涌保護(hù)器出線盡量短。

4.2 接地系統(tǒng)抗干擾處理

控制系統(tǒng)接地的目的有兩個(gè)，一是安全，二是抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地有浮地、直接接地和電容接地三種方式。對(duì)PLC控制系統(tǒng)接地線而言，應(yīng)采用一點(diǎn)接地或串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)該在信號(hào)側(cè)接地；不接地時(shí)，應(yīng)在PLC側(cè)接地，一定要避免多點(diǎn)接地。

在該水電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)接地混亂，存在以下現(xiàn)象：

（1）在控制柜和現(xiàn)場(chǎng)接線箱存在信號(hào)線浮地/單點(diǎn)/多點(diǎn)接地情況；

（2）工作地和保護(hù)地在控制柜和現(xiàn)場(chǎng)接線箱混在一起；

（3）控制柜內(nèi)的一些設(shè)備如電源和機(jī)架沒有連接工作地和保護(hù)地；

（4）所有測(cè)溫盤柜24VDC浮地。

4.3 信號(hào)抗干擾處理

在測(cè)溫信號(hào)接入PLC測(cè)溫模塊之前，如圖6所示加裝齊納二極管IN4732，進(jìn)行共模抑制。

圖6 測(cè)溫信號(hào)增加齊納二級(jí)管抑制尖峰電壓示意圖

溫度模塊24VDC負(fù)端和工作地連接在一起，RTD的H和L端外部干擾能量經(jīng)齊納二極管對(duì)地泄放。24VDC負(fù)端如果浮地，相當(dāng)于在24VDC負(fù)端和工作地之間有一個(gè)等效電阻，雖然H和C端以及L與C端通過(guò)齊納二極管進(jìn)行了線間尖峰抑制，但在該等效電阻上仍然會(huì)有電壓存在，會(huì)導(dǎo)致H和L對(duì)工作地有較高的共模電壓，經(jīng)監(jiān)測(cè)，此時(shí)共模尖峰電壓大約在40～70V之間。

在檢查RTD埋件、規(guī)范接地、增加齊納二極管尖峰抑制以及測(cè)溫屏的獨(dú)立供電電源24VDC負(fù)端接地等措施后，再次測(cè)試結(jié)果如下:

（1）持續(xù)工頻高電壓干擾信號(hào)

產(chǎn)生這類信號(hào)的原因主要是測(cè)溫電阻埋件安裝有問題，產(chǎn)生工頻感應(yīng)高電壓。在4F開機(jī)調(diào)試過(guò)程中，測(cè)出水機(jī)屏定子線圈23號(hào)電壓約145V（與圖2類似）?，F(xiàn)場(chǎng)更換備用測(cè)溫電阻埋件后，測(cè)得電壓約2V。所以處理這類信號(hào)的辦法是檢查溫度傳感器的安裝是否符合工藝要求，如有問題則只能更換該傳感器。

（2）持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間脈沖干擾信號(hào)

典型測(cè)點(diǎn)：6F水機(jī)屏推力軸瓦20號(hào)溫度加裝二極管前后對(duì)比情況，有保護(hù)后電壓基本在5V以下，如圖7所示。

圖7 6F水機(jī)屏推力瓦20號(hào)RTD信號(hào)波形

（3）快速尖脈沖干擾信號(hào)

典型測(cè)點(diǎn)：6F水機(jī)屏推力軸瓦11號(hào)溫度加裝二極管前后對(duì)比情況，有保護(hù)后電壓基本在6～10V之間（圖8）。

圖8 6F水機(jī)屏推力瓦11號(hào)RTD信號(hào)波形圖

4.4 軟件防干擾處理

由于電磁干擾的復(fù)雜性，要根本消除干擾影響是不可能的，因此在PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)時(shí)，還應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

該電站機(jī)組溫度保護(hù)的功能在軟件設(shè)計(jì)上考慮了以下抗干擾措施。

（1）溫度信號(hào)三選二原則

該水電站用于水機(jī)屏和測(cè)溫屏的溫度信號(hào)都來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)不同的溫度傳感器。參與水機(jī)屏事故停機(jī)和溫度屏的溫度量，按照三選二的原則，僅當(dāng)相鄰的3個(gè)瓦溫中至少2個(gè)瓦溫都過(guò)高，才作用于停機(jī)，并且該3點(diǎn)分別布置在不同的溫度輸入模塊上，避免由于某一點(diǎn)測(cè)溫信號(hào)受到干擾而誤停機(jī)。

（2）溫度信號(hào)有效性判斷

機(jī)組測(cè)溫信號(hào)的有效性判斷包括：通道越上限判斷、通道越下限判斷、通道初始化判斷、梯度計(jì)算等。只有經(jīng)過(guò)有效性判斷的信號(hào)才參與溫度信號(hào)三選二的判斷流程。

（3）溫度保護(hù)投退功能

針對(duì)機(jī)組不同部件的溫度保護(hù)，在水機(jī)屏和溫度屏上分別設(shè)有溫度保護(hù)投退軟壓板。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，運(yùn)行人員可以投退相應(yīng)的溫度保護(hù)功能，即也可以保證溫度信號(hào)的有效性篩選。

5 結(jié)束語(yǔ)

該巨型水電站運(yùn)行前期所暴露的問題充分證明了測(cè)溫系統(tǒng)抗干擾措施的重要性。這些問題的出現(xiàn)及處理表明，巨型電站機(jī)組測(cè)溫系統(tǒng)的抗干擾是個(gè)系統(tǒng)工程，不是不可解決的。要通過(guò)設(shè)計(jì)、集成、安裝施工等方面通力配合，在各個(gè)環(huán)節(jié)、不同階段予以全面考慮，注重屏蔽、接地等抗干擾措施的細(xì)節(jié)落實(shí)，確保施工質(zhì)量，才能夠保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行可靠性。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的檢驗(yàn)表明，該電站機(jī)組測(cè)溫系統(tǒng)的抗干擾處理措施是有效可靠的，為巨型機(jī)組計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有益的借鑒。

[1]圖爾克（天津）傳感器有限公司.如何解決PLC控制系統(tǒng)中的干擾問題[J].今日自動(dòng)化，2010.5.

[2]楊春霞.瀑布溝水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)[A].第二屆水力發(fā)電技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集（水電篇）[C].2009.

TM930.9

B

1672-5387（2011）03-0011-03

2011-04-11

楊春霞（1975-），女，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要從事水電廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及自動(dòng)化系統(tǒng)研制、開發(fā)等工作。