廣播發射臺變電站自動化系統的抗干擾探討

劉克明

(國家新聞出版廣電總局七二四臺,陜西寶雞 722400)

廣播發射臺變電站自動化系統的抗干擾探討

劉克明

(國家新聞出版廣電總局七二四臺,陜西寶雞 722400)

本文對廣播電臺變電站自動化系統的主要干擾源進行了分析,介紹了干擾形成的原理和路徑,分析了這些干擾源對變電站自動化系統的影響和產生的后果,根據工作中成功應用的抗干擾技術和措施,從切斷電磁干擾源和受干擾后自恢復等多個方面進行了抗干擾措施的探討。

干擾 自動化 微機保護裝置 自恢復

1 引言

廣播發射臺尤其是大功率短波發射臺，其主要產生和發射5MHZ~20MHZ的大功率短波頻率，功率最高可達500kW，而發射臺內各種電子設備距離這些發射機距離都很近，電磁波會通過電磁輻射、電源傳導、電磁感應等多種方式進入電子設備內部，對各種電子設備造成電磁干擾，影響電子設備正常工作。在作者本人工作的短波發射臺，許多電子設備都會出現在其他地方沒有的異常工作狀態，經過分析排查和與設備在其他環境的運行比較，最終都確定是因為電磁干擾引起。廣播發射臺變電站自動化系統中的微機保護測控裝置、變電站自動化系統網絡設備、后臺監控工作站這些都是高度集成的電子設備，都可能受到電磁干擾，造成網絡通訊出現異常、微機保護裝置誤動或拒動等嚴重問題。因此分析廣播電臺變電站的干擾形成路徑，研究設計相應的抗干擾措施就非常必要。

2 產生電磁干擾的干擾源分析

廣播電臺的主要干擾源就是大功率電磁波，它們對變電站自動化系統中的電子設備干擾最為嚴重，但是除此之外還有以下這些電磁干擾源會對變電站自動化系統的電子設備形成干擾。

(1)操作過電壓。在進行高壓斷路器操作時，一次系統會瞬間產生高頻率的電磁脈沖，這些脈沖會通過電流、電壓互感器感應到微機保護裝置中，干擾微機保護裝置的正常工作，使裝置出現瞬間死機、失靈等故障，在實際運行中這種干擾非常顯著。(2)雷電。雷電是自然界發生的極為強烈的電磁暫態過程。一般雷擊不會直接作用于二次回路，更多的可能是線路遭受直擊雷或感應雷，進而傳導給二次系統。(3)一次設備發生短路故障。一次設備發生短路時，大電流經接地點泄入接地網，使整個接地網的電位升高，就可能在二次系統產生共模干擾電壓。(4)系統諧波。諧波對微機保護裝置的主要影響是干擾其正常的工作狀態、影響測量的標準度和動作的可靠性等。嚴重的諧波干擾，會造成微機保護裝置拒動或誤動。

3 干擾對變電站自動化系統的影響

微機保護裝置、自動控制裝置、串口服務器等、網絡設備是變電站自動化系統的重要環節，它們處于嚴重的電磁干擾環境中，極易受到電磁干擾導致工作出現異常。干擾對模擬電路和數字部件所造成的后果是不同的。模擬電路在干擾作用下往往使開關電路誤翻轉，將會導致誤操作；數字電路受干擾作用往往造成數據或地址傳送錯誤，導致微機運行故障或功能障礙，也可能引起保護的不正確動作。干擾對變電站自動化系統的影響主要表現在以下兩個方面：

(1)計算或邏輯錯誤：微機保護中的輸出信號、運算時暫時的中間結果和標志字都放在隨機存貯器(RAM)中，而干擾源可能會引起RAM內的數據發生改變。當CPU正在讀寫一個數據時，數據線或地址線受干擾發生改變，就會造成讀寫出一個壞數據或者是一個錯誤的地址，會造成計算錯誤；而如果這是一個關鍵的標志字，就會造成邏輯混亂，可能引起裝置誤動或拒動。

(2)程序運行出軌：這是由于隨機干擾破壞了程序執行的正常順序而造成程序執行卡死的現象。例如，當CPU正通過地址總線送出一個地址以便從EPROM獲取指令操作碼。如果由于干擾使傳送地址出錯，它將從一個錯誤的地址取得一個錯誤的操作碼。如果這個誤碼CPU不認識，程序運行將發生中斷。因此程序死機會造成CPU停止執行繼電保護的規定任務，當隨后系統真正發生故障時，保護裝置將拒動，嚴重危害系統運行。

4 變電站自動化系統抗電磁干擾的措施研究

通過上述對干擾產生的源頭、路徑、方式的分析，本人認為應該從兩個方面解決干擾問題，一是最大程度的切斷干擾源，避免電磁干擾進入變電站自動化系統內部，發生干擾后果；二是如果有干擾進入微機保護測控裝置等自動裝置，采取何種有效措施使裝置能夠避免發生誤動、拒動、死機等問題。

4.1 切斷干擾源的有效措施

(1)屏蔽是切斷干擾源的有力措施，一般常用于隔離和衰減輻射干擾。

1)微機保護裝置的屏蔽。為了防止電磁波直接耦合到微機保護裝置內部的元器件上，所有的微機保護裝置都采用全銅金屬外殼，顯示面板后面全部采用銅板屏蔽，以使外殼成一個完整的導電體，并將外殼與大地做良好的金屬連接。裝置外殼的接地起到了抑制電磁干擾和安全接地的雙重作用。2)所有一次設備與自動化系統輸入、輸出端連接的控制電纜全部采用帶有銅屏蔽層的控制電纜，電纜的屏蔽層兩端接地，目的是對電場和磁場耦合有阻斷的作用。當兩點接地時，干擾磁場在屏蔽層中感應電流，該電流產生的磁通與干擾磁通方向相反，互相抵消，明顯降低磁場耦合感應電壓。兩端接地可將感應電壓降到1%以下，這對抵抗大功率電磁干擾較為有效。

上述屏蔽措施都需要與大地做良好的連接，因此制作一個良好的接地體，盡量減少接地電阻，是保障系統免受干擾的重要措施。接地采用接地銅棒，將銅棒垂直砸入地面1米深度以下，并使用銅帶將接這些銅棒連接，形成一個良好的接地網，最后將所有需要屏蔽的設備接入這個接地網。這樣制作的接地網接地電阻應小于1，對降低二次系統的共模干擾，切斷干擾傳播途經十分有利。

(2)應用電子式互感器。電子式互感器是由連接到合并單元的一個或多個電流或電壓互感器組成的一種裝置，用以傳輸正比于被測模擬量的數字值，為微機保護測控裝置提供數字化的電流電壓值。它由傳感模塊和合并單元兩部分構成，傳感模塊安裝在高壓一次回路，負責采集變換一次側的電壓電流值。合并單元安裝在二次回路，負責對各個傳感模塊傳送來的信息做合并處理，然后按照地址要求送至不同的裝置。電子互感器的傳感元件和傳輸元件都是光纖，能提高抗干擾能力，安全可靠性高。以全光纖電流互感器為例，它主要由三相敏感環、電氣單元和傳輸光纖組成，采用特有的閉環控制技術，動態范圍大、精度高、抗干擾能力強，其結構如(圖1)所示。此外電子式互感器還能解決傳統鐵芯式電磁互感器帶有的鐵芯飽和鐵磁諧振等問題。

圖1 三相全光纖電流互感器結構圖

(3)對輸入采樣值的抗干擾糾錯。保護裝置的模擬輸入量之間存在著某些可以利用的規律。例如，三相電流和零序電流之間有：

上式提供了一個判別各采樣值是否可信的方便的依據。對每一次采樣值都進行一次分析，只有在滿足公式的前提下才允許這一組采樣值保存并提供給CPU作進一步的處理。如果由于干擾導致輸入采樣值出錯，可以取消不能通過檢查的采樣值，等干擾脈沖過去，數據恢復正常后再恢復工作。這相當于晶體管保護在第一級觸發器設置一個延時躲開干擾的方法，不同點是微機保護的延時不是固定的，更加靈活。

(4)在智能電子設備輸入輸出端口采取光電隔離措施。微機保護裝置中的開入回路主要用來采集設備的開關量、位置量、人工輸入量等信號，經過裝置邏輯運算后再由開出回路向斷路器發出動作信號、告警信號等，多數微機保護裝置開入開出回路全部采用普通電子線路實現，很容易受到電磁傳導干擾，因此在選擇微機保護裝置的輸入、輸出板時應選擇具有光電隔離功能的板卡。如(圖2)和(圖3)在開入開出回路分別增加光電隔離裝置，通過發光二極管和光敏元件實現光電隔離，避免電磁波對采樣信號產生干擾，切斷干擾進入裝置的途徑。

圖2 開入回路設計原理

圖3 開出回路設計原理

在開出回路經過光電隔離驅動板繼電器完成開出功能的同時，開出一路信號(DIF)作為開出的校驗回路接入開入回路，這樣就可以完成整個回路的自檢功能，如果DIF開入回路沒有收到DIF變位信號，則認為微機保護裝置在執行開出信號輸出時發生故障，會再次執行一次輸出運算，直到裝置可靠地發出跳閘信號，防止開出回路失效造成拒跳。

4.2 干擾造成裝置故障時的恢復措施

以上措施都是為了最大程度的切斷干擾源，避免干擾進入微機保護裝置，可是一旦干擾進入了微機保護裝置內部，造成了微機程序出格，除了上面提到的出口閉鎖措施以防止保護誤動外，我們只能希望盡快發現程序出錯，并能自動地使它重新恢復正常，以免發生裝置拒動問題。但此時任何軟件措施都無濟于事，因為CPU已不再按預定的程序工作，因此必須用專用的硬件電路來檢測程序出格，并實現自動恢復正常。這時就需要一個硬件自恢復電路來解決這個問題。

(圖4)表示了硬件自恢復電路。其中A點接至微機保護硬件電路的并行接口的輸出端口位，當程序沒有出格時，由軟件安排使該點電位按一定的周期T在1和0之間周期性地變化。A點分兩路，一路經反相器，另一路不經反相器，分別接至兩個瞬時返還而延時t1動作的元件。延時元件的輸出接至或門的兩個輸入端，在正常時兩個延時元件都不會動作，或門輸出為0。一旦程序出格，A點電位停止變化，不論它停在1態還是0態，兩個延時元件中總有一個動作，動作后通過或門啟動單穩觸發器，觸發器的輸出脈沖接至CPU復位端(RESET)，因而使保護裝置重新初始化，恢復正常工作。

圖4 程序出格的自恢復電路

5 結語

以上就是根據廣播發射臺變電站自動化設備的維護經驗，總結出解決變電站自動化系統各類干擾問題的抗干擾措施，通過現場比較和測試，效果明顯，取得了較好的應用效果。

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