羅維求

（中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 福建福州 350003）

1 微機保護(hù)裝置介紹

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的繼電器搭接電力系統(tǒng)保護(hù)已被微機型保護(hù)全面替代。相比傳統(tǒng)型繼電器搭接保護(hù)，新的微機保護(hù)的優(yōu)點是運行速度快、功能齊全、精度高、體積小。但由于微機保護(hù)處理芯片均為弱電電路，而其運行變電站環(huán)境電磁干擾嚴(yán)重，這對微機保護(hù)的抗電磁干擾能力提出了很高的要求。

新型微機保護(hù)裝置的主要由3 部分硬件組成。①開關(guān)量輸入、輸出模塊及顯示等外設(shè)模塊。主要包括中間繼電器、光耦、液晶顯示、鍵盤等輸入輸出電路，實現(xiàn)出口、報警、邏輯接點的輸入、人機界面及鍵盤輸入等功能。②模擬量采樣部分。主要包括電壓、電流等模擬量采樣與轉(zhuǎn)換、采樣通道數(shù)字濾波、采樣信號保持以及A/D 轉(zhuǎn)換。該部分硬件主要實現(xiàn)模擬量信號轉(zhuǎn)換數(shù)字量信號，便于微機處理器處理。③微處理器部件。包括微機處理CPU、時鐘、復(fù)位等相關(guān)的外圍電路。微機處理器是整個系統(tǒng)的核心，所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理、整個系統(tǒng)控制、裝置內(nèi)部模塊之間數(shù)據(jù)傳輸調(diào)配均由其完成。以上3 個部分的任何一個環(huán)節(jié)抗干擾性出現(xiàn)問題，都會影響微機保護(hù)裝置的工作可靠性，因此需針對以上3 個部分分別采取抗干擾措施［1-3］。

2 微機保護(hù)裝置硬件抗干擾措施

2.1 模擬量輸入電路硬件抗干擾措施

模擬量輸入硬件回路可采用如圖1 所示抗干擾設(shè)計：

圖1 模擬量輸入模塊電路圖

（1）互感器隔離電路。以SPT204 型電壓互感器為例，其轉(zhuǎn)換變比為2 mA/2 mA。由于變電站電壓互感器二次電壓輸出電壓一般為100 V，在電壓輸入端串聯(lián)一個50 K 電阻，使其轉(zhuǎn)化為輸入電流2 mA，通過裝置內(nèi)部的小型互感器，實現(xiàn)保護(hù)裝置與外部一次設(shè)備的初步隔離。

（2）電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。由于A/D 轉(zhuǎn)換的為電壓信號，需將裝置配置的小互感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并對輸出信號進(jìn)行放大處理。根據(jù)運放器的性質(zhì)以及電流—電壓轉(zhuǎn)換電路，電流—電壓轉(zhuǎn)換電路輸入與輸出關(guān)系為u0=iinR1，因此在額定輸入電流情況下，輸出電壓將為6 V。

通過電流—電壓轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)信號放大，從而為后續(xù)濾波回路去除干擾信號創(chuàng)造條件。

（3）有源二階段濾波電路。由于現(xiàn)代各種電力電子負(fù)荷越來越多，電網(wǎng)污染比較嚴(yán)重，電力微機保護(hù)從電網(wǎng)采集信號一般不是純正弦波，而是含有各次諧波的畸形波，因此必須對輸入信號進(jìn)行諧波處理。電力微機保護(hù)裝置一般只要用到基波分量，因次必須把二次以上的高次諧波濾除，這就需要采用有源二階濾波電路。通過選定適當(dāng)?shù)淖枞輩?shù)，使有源二階濾波器的截止頻率介于50 Hz～100 Hz 之間，通過二階濾波電路進(jìn)一步實現(xiàn)干擾信號的濾除。

2.2 微處理器核心部件硬件抗干擾措施

提高微處理器核心部件抗干擾措施的主要辦法是優(yōu)化電路板布局與硬件設(shè)計，在設(shè)計電路PCB 板時，可以采取以下7個措施［4-5］：

（1）強電電路與弱電電路分開。由于強電電路很容易對弱電數(shù)字電路產(chǎn)生干擾，特別在電網(wǎng)合閘上電瞬間會產(chǎn)生強沖擊脈沖信號，該脈沖信號會對數(shù)字電路造成干擾，很容易造成設(shè)備液晶顯示花屏、保護(hù)死機、系統(tǒng)時鐘變慢等一些列問題。因此在設(shè)計PCB 板時要特別注意把強電電路與弱電電路分開，避免強電電路對弱電數(shù)字電路產(chǎn)生干擾。

（2）采用去藕電容對供電電源信號進(jìn)行處理。電源干擾是微機保護(hù)設(shè)備的主要干擾源，因此微機保護(hù)設(shè)備供電電源質(zhì)量極為重要。通過在電源的輸入端并接不同容值的去耦電容，從而將電源上的高頻干擾信號濾除，增強芯片抗干擾能力。

（3）優(yōu)化地線設(shè)計。由于很多干擾信號由地線傳入，因此電路板設(shè)計時地線應(yīng)適當(dāng)加粗，減小地線電阻，同時盡量減少地線長度，從而減少信號電壓下降。微處理器等重要設(shè)備的外接晶振地線應(yīng)盡量縮短、增粗，晶振應(yīng)盡量靠近微處理器。

（4）采用多層板設(shè)計。由于電路板干擾信號主要來自電源線與地線，因此可以將電源線布置在一個專用的電路層上，實現(xiàn)電源的單獨隔離；把地線布置在另外一個專用電路層上，并采用專門的覆銅處理，盡量減少地線的信號干擾。通過多層板把電源線與地線與微機處理的數(shù)字電路分開，可以明顯提高電路抗干擾能力。實踐證明，使用多層板能解決70%以上的抗干擾問題，層數(shù)越多，抗干擾性越強。

（5）數(shù)字信號電路與模擬信號電路分開。由于微機數(shù)字信號一般都是高頻信號，特別是隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，處理速度越來越高，數(shù)字信號頻率也越來越高，而電流電壓等模擬信號為低頻信號，數(shù)字信號和模擬信號很容易出現(xiàn)高低頻串?dāng)_現(xiàn)象。可以在設(shè)計PCB 板時將數(shù)字電路與模擬電路分開，同時為了確保數(shù)字電路與模擬電路基準(zhǔn)地相同，可以在模擬地與數(shù)字地之間串接一個小電感。由于電感可以阻高頻通低頻，從而實現(xiàn)模擬電路與數(shù)字電路互相隔離，避免互相干擾。

（6）電網(wǎng)大地與數(shù)字地、模擬地分開。根據(jù)微機保護(hù)芯片特點及工作性質(zhì)，電路板一般分?jǐn)?shù)字地、模擬地以及大地這幾個接地部分。其中大地線與電網(wǎng)地接在一起，信號比較強，受到地網(wǎng)影響大，而數(shù)字地與模擬地信號較弱。為了避免大地的強信號對數(shù)字地與模擬地弱信號產(chǎn)生干擾，在設(shè)計PCB 板時應(yīng)將大地與模擬地、數(shù)字地分開布置。

（7）對輸入輸出電路進(jìn)行光耦隔離。隨著光耦技術(shù)的發(fā)展，其速度越來越快，因此可以用光耦對輸入輸出的開關(guān)量進(jìn)行信號隔離。通過將電信號轉(zhuǎn)換為光信號實現(xiàn)信號干擾去除，對于鍵盤等簡單輸入電路可采用普通光耦進(jìn)行數(shù)字隔離。對于保護(hù)遠(yuǎn)傳、遠(yuǎn)跳、聯(lián)跳等重要開關(guān)量信號，可用快速光耦進(jìn)行數(shù)字隔離。

2.3 開關(guān)量輸入輸出回路抗干擾措施

在變電站微機保護(hù)裝置中，有大量外部開關(guān)量需要輸入到微機中，作為微機保護(hù)的邏輯判據(jù)：如線路保護(hù)輸入斷路器開關(guān)量位置作為啟動位置啟動重合閘判據(jù)，主變保護(hù)輸入母差保護(hù)聯(lián)跳信號作為聯(lián)調(diào)各側(cè)判據(jù)等，也包含大量的開關(guān)量輸出信號器去跳閘、報警等。因此需設(shè)計開關(guān)量輸入輸出電路。而開關(guān)量輸入輸出電路必然引入干擾，因此需對輸入輸出電路進(jìn)行抗干擾措施。

（1）開關(guān)量輸入電路。開關(guān)量輸入可按圖2 所示設(shè)計，該電路主要通過光耦實現(xiàn)開關(guān)量信號隔離，通過提高輸入電壓及配套電阻，從而減少外部電纜帶來的信號干擾，并在輸入端增加濾波電容，進(jìn)一步濾除輸入端產(chǎn)生的沖擊電壓。對于重要回路，可采用雙光耦方式設(shè)計，只有2 個光耦都翻轉(zhuǎn)才判定輸入有效，從而有效避免外部信號干擾。

圖2 開關(guān)量輸入電路

（2）開關(guān)量輸出電路。開關(guān)量輸出可圖3 所示設(shè)計。由于光耦輸入口的驅(qū)動能力有限，為了使光電耦合器處于深度飽和狀態(tài)，輸出驅(qū)動電路采用2 個與非門組成的復(fù)合輸出結(jié)構(gòu)；通過采用2 個與非門設(shè)計，只有在2 個與非門邏輯正確是才有效，光耦才翻轉(zhuǎn)，出口繼電器動作，大大的提高了硬件抗干擾能力，避免保護(hù)誤動作。同時在輸出端增加三級驅(qū)動電路提高光耦輸出驅(qū)動能力。

圖3 開關(guān)量輸出電路

3 結(jié)語

隨著新一代智能變電站的發(fā)展，變電站微機保護(hù)裝置就地化布置已經(jīng)是未來智能變電站發(fā)展的一個趨勢。由于保護(hù)裝置直接布置在一次設(shè)備附近，電磁干擾嚴(yán)重，其工作環(huán)境已較傳統(tǒng)變電站的二次設(shè)備室布置更加惡劣。因此，對變電站微機保護(hù)裝置抗干擾設(shè)計提出了更高的要求。

本文根據(jù)微機保護(hù)裝置的三個主要組成環(huán)節(jié)，分別針對性的提出相應(yīng)的硬件抗干擾措施，通過現(xiàn)場實際驗證，效果顯著。