電力微機保護裝置抗干擾措施研究

羅維求

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

1 微機保護裝置介紹

隨著半導體技術的發展，傳統的繼電器搭接電力系統保護已被微機型保護全面替代。相比傳統型繼電器搭接保護，新的微機保護的優點是運行速度快、功能齊全、精度高、體積小。但由于微機保護處理芯片均為弱電電路，而其運行變電站環境電磁干擾嚴重，這對微機保護的抗電磁干擾能力提出了很高的要求。

新型微機保護裝置的主要由3 部分硬件組成。①開關量輸入、輸出模塊及顯示等外設模塊。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換、采樣通道數字濾波、采樣信號保持以及A/D 轉換。該部分硬件主要實現模擬量信號轉換數字量信號，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、復位等相關的外圍電路。微機處理器是整個系統的核心，所有數據轉換及處理、整個系統控制、裝置內部模塊之間數據傳輸調配均由其完成。以上3 個部分的任何一個環節抗干擾性出現問題，都會影響微機保護裝置的工作可靠性，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，在電壓輸入端串聯一個50 K 電阻，使其轉化為輸入電流2 mA，通過裝置內部的小型互感器，實現保護裝置與外部一次設備的初步隔離。

（2）電流-電壓轉換電路。由于A/D 轉換的為電壓信號，需將裝置配置的小互感器輸出的電流信號轉換為電壓信號，并對輸出信號進行放大處理。根據運放器的性質以及電流—電壓轉換電路，電流—電壓轉換電路輸入與輸出關系為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—電壓轉換電路實現信號放大，從而為后續濾波回路去除干擾信號創造條件。

（3）有源二階段濾波電路。由于現代各種電力電子負荷越來越多，電網污染比較嚴重，電力微機保護從電網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行諧波處理。電力微機保護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。通過選定適當的阻容參數，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一步實現干擾信號的濾除。

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化電路板布局與硬件設計，在設計電路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字電路產生干擾，特別在電網合閘上電瞬間會產生強沖擊脈沖信號，該脈沖信號會對數字電路造成干擾，很容易造成設備液晶顯示花屏、保護死機、系統時鐘變慢等一些列問題。因此在設計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字電路產生干擾。

（2）采用去藕電容對供電電源信號進行處理。電源干擾是微機保護設備的主要干擾源，因此微機保護設備供電電源質量極為重要。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）優化地線設計。由于很多干擾信號由地線傳入，因此電路板設計時地線應適當加粗，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。微處理器等重要設備的外接晶振地線應盡量縮短、增粗，晶振應盡量靠近微處理器。

（4）采用多層板設計。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，層數越多，抗干擾性越強。

（5）數字信號電路與模擬信號電路分開。由于微機數字信號一般都是高頻信號，特別是隨著芯片技術的發展，處理速度越來越高，數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，數字信號和模擬信號很容易出現高低頻串擾現象。可以在設計PCB 板時將數字電路與模擬電路分開，同時為了確保數字電路與模擬電路基準地相同，可以在模擬地與數字地之間串接一個小電感。由于電感可以阻高頻通低頻，從而實現模擬電路與數字電路互相隔離，避免互相干擾。

（6）電網大地與數字地、模擬地分開。根據微機保護芯片特點及工作性質，電路板一般分數字地、模擬地以及大地這幾個接地部分。其中大地線與電網地接在一起，信號比較強，受到地網影響大，而數字地與模擬地信號較弱。為了避免大地的強信號對數字地與模擬地弱信號產生干擾，在設計PCB 板時應將大地與模擬地、數字地分開布置。

（7）對輸入輸出電路進行光耦隔離。隨著光耦技術的發展，其速度越來越快，因此可以用光耦對輸入輸出的開關量進行信號隔離。通過將電信號轉換為光信號實現信號干擾去除，對于鍵盤等簡單輸入電路可采用普通光耦進行數字隔離。對于保護遠傳、遠跳、聯跳等重要開關量信號，可用快速光耦進行數字隔離。

2.3 開關量輸入輸出回路抗干擾措施

在變電站微機保護裝置中，有大量外部開關量需要輸入到微機中，作為微機保護的邏輯判據：如線路保護輸入斷路器開關量位置作為啟動位置啟動重合閘判據，主變保護輸入母差保護聯跳信號作為聯調各側判據等，也包含大量的開關量輸出信號器去跳閘、報警等。因此需設計開關量輸入輸出電路。而開關量輸入輸出電路必然引入干擾，因此需對輸入輸出電路進行抗干擾措施。

（1）開關量輸入電路。開關量輸入可按圖2 所示設計，該電路主要通過光耦實現開關量信號隔離，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，進一步濾除輸入端產生的沖擊電壓。對于重要回路，可采用雙光耦方式設計，只有2 個光耦都翻轉才判定輸入有效，從而有效避免外部信號干擾。

圖2 開關量輸入電路

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

圖3 開關量輸出電路

3 結語

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

本文根據微機保護裝置的三個主要組成環節，分別針對性的提出相應的硬件抗干擾措施，通過現場實際驗證，效果顯著。