微機保護測控裝置的抗干擾防護措施設計

陳瑤 王小進

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

微機保護測控裝置以其先進的原理及結構，安裝調試簡單，運行維護方便，保護動作迅速、靈敏度高，可靠性強且能自動記錄故障信息等顯著優點在電力系統應用廣泛。

作為變電站綜合自動化系統的底層終端設備，通常安裝在現場開關柜上，這就對設備的整體綜合可靠性提出了特殊的要求，特別是裝置在抗強電磁干擾能力、考高低溫、防塵抗腐蝕、防潮濕和抗振動等多方面有著嚴格的要求，要求設備整體水平達到免維護，這些方面也是多年來國內裝置與國外同類裝置的主要差距所在，它不僅受到裝置本身軟硬件水平的影響，而且是涉及到有關工藝水平、結構設計和元器件質量等多方面因素的綜合技術難題。

1 干擾分析及后果

干擾就是除有用信號以外的所有可能對微機保護測控裝置的正常工作造成不利影響的裝置內部或外部的電磁信號。干擾的傳播途徑如圖1所示，干擾源產生的干擾通過耦合途徑對接收電路形成干擾。干擾源、耦合途徑、接收電路被稱為干擾的三要素。

圖1 干擾的三要素

干擾產生于干擾源，國內外大量研究表明，干擾主要是由端子排從外界引入的浪涌電壓和裝置內部繼電器切換等原因造成的。前者稱為外部干擾，后者稱為內部干擾。外部干擾是指那些與系統結構無關而由使用條件和外部環境因素所決定的干擾，主要有由其它物體或設備輻射的電磁波、產生的強電場或磁場以及來自電源的工頻干擾等；內部干擾是指由系統結構、元件布局和生產工藝等決定的干擾，主要有雜散電感和電容結合引起的不同信號感應、長線傳輸造成的電磁波反射以及多點接地造成的電位差干擾等。干擾從型式上又可分為橫模干擾和共模干擾，一般情況下，上述兩種干擾同時存在。干擾通過耦合途徑對正常電路起作用，表現為場干擾和路干擾，具體有靜電耦合、互感耦合、公共阻抗耦合和電磁場輻射耦合等四種耦合方式。對微機保護來說，整個微機保護測控裝置就是干擾的接收電路。

干擾對微機保護的后果主要表現為由于數據或地址的傳遞出錯而導致計算出錯或程序出格。在程序出格后 CPU將執行一系列非預期的指令，其最終結果不是碰到一條 CPU不認識的指令操作碼而停止工作，就是進入某一種非預期的死循環。程序出格后 CPU停止了執行保護的任務，如不能做到及時發現并采取措施，則在被保護對象發生故障時就將拒絕動作。

干擾的另一種可能后果是導致保護誤動作，例如從電流互感器或電壓互感器二次引入的浪涌造成錯誤的數據而使保護誤動。嚴重的干擾還可能造成元件損壞。

對微機保護測控裝置來說，要提高系統的可靠性，就是采取相應的抗干擾防護措施消除或降低干擾帶來的危害。下面從硬件和軟件兩方面列出微機保護測控裝置抗干擾所采取的防護措施。

2 裝置硬件方面的抗干擾措施

硬件通常抑制干擾的措施包括三方面的內容：一方面是積極地防范電磁干擾的措施，即抑制干擾源；另一方面是消極防電磁干擾措施，即阻斷干擾途徑；再一方面是預防性抑制電磁干擾的措施，即降低受干擾裝置的噪聲敏感度。微機保護研究的重點是“阻斷干擾途徑”及提高微機保護測控裝置的抗干擾水平。

通常，微機保護測控裝置在硬件設計上采用以下抗干擾措施：

a) 阻塞耦合通道

電源濾波、旁路/退耦電容、輔助變流器/變壓器電屏蔽、光電隔離、弱電系統浮地、強弱電信號走線分離、磁屏蔽、單點接地、雙絞線、PCB板內合理分塊布線等措施；

b) 提高敏感設備的電磁敏感度

去耦電容、多層印制板、電磁波屏蔽、邏輯與5 V系統總線不外引，各CPU間通訊采用雙絞線等措施；

下面給出了本裝置機箱及對外引線端子所采取的屏蔽及隔離措施：

1）機箱：用防銹鋁板，采用 2.5 mm 的薄板，成形后再作導電氧化處理。機箱前后兩面開口，其余各面用型材料螺釘安裝而成，組裝容易，接縫嚴密，可防止孔縫泄漏，接地良好，裝置就能順利通過靜電放電干擾試驗和工頻磁場干擾試驗。

2）電源：從干擾源入手－－抑制開關電源內部噪聲；從干擾傳輸途徑入手－－在開關電源輸入端口的濾波；從敏感設備入手－－在弱電回路設置濾波；從減少5 V，5 VGND的長度及其環路面積入手－－采用分布電源。

3）開關量輸入、輸出回路：

① 慎重選取光耦器件；設計印制板時，一定要樹立“光耦器件是一個比較敏感的器件”的概念；電路中設置 EMI器件，以提高共?；芈返淖杩箒硪种聘蓴_；

② 依靠軟件延時、連續多次讀取開關量輸入來確認開關量狀態。

4）交流回路：減小輔助變流器/變壓器原、副邊的耦合電容；增加共模騷擾回路的阻抗。

5）各電路印制板與主板之間安裝和取出方便，印制板的屏蔽和間距良好地解決了電磁干擾問題。

3 裝置軟件方面的抗干擾措施

采用硬件抗干擾措施可大大提高裝置的可靠性。一旦干擾突破了由硬件組成的防線，可由軟件進行糾正，以防造成微機工作出錯，導致保護誤動作或拒動。微機保護測控裝置在軟件方面采取了以下抗干擾措施：

① 系統自檢程序可以有效提高系統的可靠性，自檢程序可對內部 RAM、FLASH ROM、I/O通道、傳感器等進行故障檢測和診斷，這樣就能了解系統各個器件的運行狀況，進行及時有效的維護，并可避免因器件原因使系統受干擾而不能工作的情況；

② 對開關量的采集采用多次采集進行表決，才確認開關變位；對故障采用連續多次的確認方法；

③ 采用數字濾波可以克服計量算法的分散性，如電壓、電流的計算采用了滑動平均濾波的方法，有效地消除了瞬時干擾的影響；

④ 程序每次上電初始化時，均對整定值進行校驗，如發現錯誤，則啟用備份數據；

⑤ 程序中設計了自檢程序，可通過人機接口測試繼電器、指示燈、校驗 RAM、校驗定值、A/D通道等；

⑥ 軟件采用數據冗余及看門狗等技術來提高系統的穩定性和抗干擾能力。

4 微機保護測控裝置的抗擾度要求

4.1 裝置各個端口電磁兼容要求

GB/T 7261-2000及IEC 60255-26提案規定了量度繼電器和保護裝置各個端口的電磁發射及抗擾度的試驗項目及水平。發射試驗規定了機箱外殼端口及電源端口產生的電磁騷擾不得超過影響到其它裝置正常工作的限值，抗擾度試驗考核了連續的瞬態傳導性騷擾、靜電放電及輻射騷擾對量度繼電器和保護裝置影響情況。具體的抗擾度試驗項目如表1所示。幾種瞬態干擾比較見表2。

表1 各個端口對應的抗擾度試驗

表2 幾種瞬態干擾比較

4.2 幾種瞬變騷擾分析、比較

裝置電磁兼容試驗包括：靜電放電(ESD)干擾試驗、輻射電磁場干擾試驗、1 MHz和100 kHz衰減振蕩波干擾試驗、浪涌(沖擊)干擾試驗、快速瞬變脈沖群干擾試驗。

GB/T 7261-2000和GB/T 17626.X (idt IEC 61000-4-X)抗擾度試驗中有相當數量是傳導性瞬變騷擾干擾。瞬變騷擾的起因是多種多樣，如開關動作、電網故障、自然現象等。由于電子設備發展趨向于數字系統，使得瞬變騷擾試驗顯得尤其重要。描述瞬變騷擾的重要特征：a)干擾是單方向的，還是振蕩的瞬變；b)干擾幅度及持續時間；c)振蕩瞬變的衰減系數；d)脈沖強度或能量；e)上升時間(或最大電壓梯度dv/dt)；f)干擾的重復率。

此外，瞬變騷擾對敏感設備的作用的方式：共模瞬變干擾、差模瞬變干擾。

表2給出了靜電放電ESD，1 MHz衰減振蕩波、電快速瞬變EFT、浪涌四種典型的瞬變騷擾信號的特性比較。

瞬變騷擾的快速上升沿是破壞電路工作的最主要因素，因為它們在傳輸過程中衰減最小，并在感性地線和信號線中產生較大的電壓。對數字電路影響較大。電源回路瞬態包括差模及共模兩種形式。差模尖峰電壓往往有較慢的上升時間和較高的能量，為了防止輸入電路損壞，需要采取抑制措施。而抑制共模瞬態更困難一些。

5 結束語

本文從干擾三要素的分析著手綜合采取各種軟硬件抗干擾措施消除或降低干擾帶來的危害，使微機保護運行更合理、更安全。相應的措施使微機保護測控裝置通過了國家繼電器質量監督檢驗中心型式試驗，取得了電磁兼容檢驗證書。

[1]楊奇遜. 微型機繼電保護基礎[M]. 北京：水利電力出版社，1988.

[2]羅士萍. 微機保護實現原理及裝置[M]. 北京：中國電力出版社，2001.

[3]李一峰. 提高微機保護系統抗干擾的措施[J]. 電力學報，2006(4):456-458.

[4]魏臻珠, 胡志廣. 微機保護中的抗干擾措施[J]. 東北電力技術，2003(6):44－46.