提高變電站自動(dòng)化系統(tǒng)抗干擾和可靠性的措施

張志琦 孔維娜

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266510）

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力部門的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出越來(lái)越高的要求，相應(yīng)的要提高變電站自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。安裝在變電站現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)和監(jiān)控裝置，必須可靠長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。但同時(shí)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(guò)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(cè)控裝置工作在強(qiáng)電磁場(chǎng)下，所以必須采用將裝置故障及時(shí)報(bào)告給工作人員并自動(dòng)采取隔離閉鎖措施的裝置故障自動(dòng)檢測(cè)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(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)。實(shí)際中，我們可以從兩個(gè)方面考慮：一是在設(shè)計(jì)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，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(jì)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(dòng)對(duì)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的影響；二是干擾信號(hào)有很強(qiáng)的隨機(jī)性，還要考慮萬(wàn)一出現(xiàn)干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)可能帶來(lái)的影響和對(duì)策。

2 硬件方面抗干擾措施

2.1 隔離和屏蔽

（1）開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出（包括跳閘出口、需要監(jiān)視的信號(hào)）觸點(diǎn)和數(shù)字量輸出的光電隔離。開(kāi)關(guān)量的輸入主要是斷路器、隔離開(kāi)關(guān)的輔助接點(diǎn)，輸出大多也是對(duì)斷路器、隔離開(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)量輸入的光電隔離原理圖

圖2 開(kāi)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(lái)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(guò)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(dòng)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(guò)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(jiǎn)化的UART通信方式，即單工通信方式，只需要發(fā)送線TXD，無(wú)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(shí)，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(hào)不能使用同一根電纜，信號(hào)電纜應(yīng)盡量避開(kāi)電力電纜；盡量增大與電力電纜的距離，并盡量減少平行長(zhǎng)度；注意各個(gè)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(kāi)關(guān)電源采用了靜電屏蔽來(lái)抑制共模干擾，但由于開(kāi)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(zhǎng)，而且電源要連接到各個(gè)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(shí)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(shí)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(lái)，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(gè)插件

接地、屏蔽和隔離并不能完全阻斷干擾信號(hào)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(gè)插件，可以放置于內(nèi)層屏蔽箱內(nèi)，在整個(gè)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(kāi)發(fā)的多CPU產(chǎn)品之間相互獨(dú)立，各個(gè)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(cè)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(lái)使干擾最小，以免影響系統(tǒng)的保護(hù)或者控制功能。

（1）對(duì)輸入值進(jìn)行檢查糾錯(cuò)。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(duì)各模擬量輸入通道，增加一定的冗余通道來(lái)排除由于干擾造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。例如在3個(gè)相電壓Ua、Ub、Uc之后再增加一個(gè)硬件通道接在3U0回路。對(duì)每一個(gè)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(méi)有上述關(guān)系的可以在每個(gè)信號(hào)設(shè)置兩個(gè)通道，只有兩個(gè)通道的讀數(shù)一致時(shí)才取用數(shù)據(jù)。

（2）對(duì)運(yùn)算結(jié)果的核對(duì)。為防止干擾可能造成的運(yùn)算出錯(cuò)，可以將運(yùn)算進(jìn)行兩次，將結(jié)果進(jìn)行核對(duì)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(jì)算一次，并同前一次的結(jié)果相比較。二是連續(xù)的兩次計(jì)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(gè)采樣值，正常時(shí)，兩次結(jié)果不完全一樣，但阻抗、電流或者電壓有效值的計(jì)算很接近，以此來(lái)判斷干擾的存在。

（3）出口的閉鎖。設(shè)計(jì)出口跳閘回路的硬件時(shí)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(duì)程序，用以檢查RAM區(qū)存放的各種標(biāo)志。保護(hù)裝置通過(guò)正當(dāng)途徑進(jìn)入跳閘程序時(shí)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(shí)遇到外部干擾可能會(huì)導(dǎo)致程序出軌，利用看門狗復(fù)位計(jì)數(shù)器原理，干擾引起系統(tǒng)出錯(cuò)和程序出軌，內(nèi)部定時(shí)器就會(huì)產(chǎn)生計(jì)時(shí)溢出脈沖，是系統(tǒng)自動(dòng)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(méi)有出軌時(shí)，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(gè)延時(shí)動(dòng)作瞬時(shí)返回的延時(shí)元件，延時(shí)元件輸出至或門的兩個(gè)輸入端。延時(shí)時(shí)間應(yīng)比A點(diǎn)電位變化的周期長(zhǎng)，因此在正常時(shí)兩個(gè)延時(shí)元件都不會(huì)動(dòng)作，或門輸出“0”。此時(shí)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(gè)狀態(tài)，兩個(gè)延時(shí)元件總有一個(gè)動(dòng)作，它通過(guò)或門起動(dòng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器D，發(fā)出一個(gè)低脈沖，使CPU重新初始化，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。這個(gè)裝置還可以用于主要原件損壞停止工作發(fā)出告警信號(hào)。

（5）對(duì)遙控回路采用保護(hù)碼。為提高遙控回路的抗干擾能力，對(duì)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(shí)現(xiàn)電路不復(fù)雜，不僅可以檢查錯(cuò)誤，還可以糾錯(cuò)，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(gè)方面分析闡述了常見(jiàn)的對(duì)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。

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