提高變電站自動化系統(tǒng)抗干擾和可靠性的措施

張志琦 孔維娜

（山東科技大學，山東 青島 266510）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展對電力部門的安全穩(wěn)定運行提出越來越高的要求，相應的要提高變電站自動化系統(tǒng)運行可靠性。安裝在變電站現(xiàn)場的保護和監(jiān)控裝置，必須可靠長期無故障運行。但同時變電站內(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，電磁干擾嚴重，這些干擾很容易通過電磁耦合進入微機弱電系統(tǒng)。

由于系統(tǒng)的保護和測控裝置工作在強電磁場下，所以必須采用將裝置故障及時報告給工作人員并自動采取隔離閉鎖措施的裝置故障自動檢測和使局部故障不降低整套裝置性能并不中斷保護和監(jiān)控裝置運行的容錯設計技術(shù)。實際中，我們可以從兩個方面考慮：一是在設計綜合自動化系統(tǒng)時，選用優(yōu)質(zhì)的微型機芯片和其他半導體元件，設計合理的線路布局，切斷各種電磁耦合的途徑，盡可能減少擾動對綜合自動化系統(tǒng)的影響；二是干擾信號有很強的隨機性，還要考慮萬一出現(xiàn)干擾信號對系統(tǒng)可能帶來的影響和對策。

2 硬件方面抗干擾措施

2.1 隔離和屏蔽

（1）開關(guān)量的輸入和輸出（包括跳閘出口、需要監(jiān)視的信號）觸點和數(shù)字量輸出的光電隔離。開關(guān)量的輸入主要是斷路器、隔離開關(guān)的輔助接點，輸出大多也是對斷路器、隔離開關(guān)和主變壓器分接頭的控制。它們都處于強電回路，所以要通過光電耦合隔離才能避免強的電磁干擾。光電隔離原理如圖1和圖2所示。

圖1 開關(guān)量輸入的光電隔離原理圖

圖2 開關(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)中微機保護裝置和其他監(jiān)控裝置所采集的模擬量，大多來自一次系統(tǒng)的電壓互感器和電流互感器，它們都處于強電回路中，必須經(jīng)過設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)過光電隔離單元隔離后再送入主機，從而使微機內(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AT-tiny13進行模擬量隔離采集，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化的UART通信方式，即單工通信方式，只需要發(fā)送線TXD，無需接收線RXD。這樣，單根數(shù)據(jù)線就能承擔發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換值任務，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，也要充分考慮隔離，減少互感耦合，避免干擾由互感耦合進入系統(tǒng)。強弱信號不能使用同一根電纜，信號電纜應盡量避開電力電纜；盡量增大與電力電纜的距離，并盡量減少平行長度；注意各個回路的相互感應；電路板上的布線也要避免互感。

2.2 電源的抗干擾

雖然開關(guān)電源采用了靜電屏蔽來抑制共模干擾，但由于開關(guān)電源內(nèi)部元件布置緊密，電源和輸出導線之間距離較近，接地線較長，而且電源要連接到各個部分，所以抗干擾能力較差。一般在電源入口處加上電源濾波器，同時電源零線采取浮空的方式，不與機殼相連，并盡量減少電源線與機殼之間的分布電容，同時減少微機弱點回路中非電源線的其他部分與機殼之間的分布電容，可以將電路板周圍用電源零線或者+5V線環(huán)閉起來，這樣可以完全隔斷電路板其他部分同機殼間的耦合。

2.3 合理分配布置各個插件

接地、屏蔽和隔離并不能完全阻斷干擾信號的進入，為防止浪涌電壓引起的后果，可以合理的將保護和控制電路分成若干個插件，可以放置于內(nèi)層屏蔽箱內(nèi)，在整個電路的布局上要合理，使微機工作的核心部分遠離干擾源或與干擾有聯(lián)系的部件。

2.4 微機采用多CPU及逆變電源

現(xiàn)在開發(fā)的多CPU產(chǎn)品之間相互獨立，各個CPU帶有自檢功能，任何部分的器件出現(xiàn)故障，都能方便的檢測出故障所在的插件；微機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，再變換成弱點直流電壓供微機系統(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，一旦干擾進入系統(tǒng)內(nèi)部，可以在系統(tǒng)內(nèi)部采取相應措施來使干擾最小，以免影響系統(tǒng)的保護或者控制功能。

（1）對輸入值進行檢查糾錯。由于外部干擾的存在，采樣輸入值不一定是正確的，因此可以對各模擬量輸入通道，增加一定的冗余通道來排除由于干擾造成的錯誤數(shù)據(jù)。例如在3個相電壓Ua、Ub、Uc之后再增加一個硬件通道接在3U0回路。對每一個采樣點n，檢查以下關(guān)系：

滿足以上關(guān)系才保留數(shù)據(jù)。

沒有上述關(guān)系的可以在每個信號設置兩個通道，只有兩個通道的讀數(shù)一致時才取用數(shù)據(jù)。

（2）對運算結(jié)果的核對。為防止干擾可能造成的運算出錯，可以將運算進行兩次，將結(jié)果進行核對以確定干擾是否存在。一是在運算結(jié)束后把結(jié)果暫存，利用原始數(shù)據(jù)再計算一次，并同前一次的結(jié)果相比較。二是連續(xù)的兩次計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)窗順移一個采樣值，正常時，兩次結(jié)果不完全一樣，但阻抗、電流或者電壓有效值的計算很接近，以此來判斷干擾的存在。

（3）出口的閉鎖。設計出口跳閘回路的硬件時應當使該回路執(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程序，用以檢查RAM區(qū)存放的各種標志。保護裝置通過正當途徑進入跳閘程序時應在這些標志字留下相應的標志。

圖4 跳閘出口的閉鎖

（4）看門狗的抗干擾功能。系統(tǒng)程序運行時遇到外部干擾可能會導致程序出軌，利用看門狗復位計數(shù)器原理，干擾引起系統(tǒng)出錯和程序出軌，內(nèi)部定時器就會產(chǎn)生計時溢出脈沖，是系統(tǒng)自動復位，重新裝入應用程序。

圖5 硬件看門狗電路復歸的原理

圖5中A點接至微機并行接口的某一輸出位。當CPU沒有出軌時，由軟件安排使其按一定的周期在“1”和“0”之間變化。A點分兩路，一路經(jīng)反相器，另一路不經(jīng)反相器，分別接至兩個延時動作瞬時返回的延時元件，延時元件輸出至或門的兩個輸入端。延時時間應比A點電位變化的周期長，因此在正常時兩個延時元件都不會動作，或門輸出“0”。此時運行正常。一旦程序出軌，A點電位將停止變化，不論在哪一個狀態(tài)，兩個延時元件總有一個動作，它通過或門起動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器D，發(fā)出一個低脈沖，使CPU重新初始化，恢復正常工作狀態(tài)。這個裝置還可以用于主要原件損壞停止工作發(fā)出告警信號。

（5）對遙控回路采用保護碼。為提高遙控回路的抗干擾能力，對遙控的碼制采用BCH保護碼，BCH碼檢查的碼位不多，編碼效率高，實現(xiàn)電路不復雜，不僅可以檢查錯誤，還可以糾錯，是一種抗干擾能力強，靈活性大的保護碼。遙控應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方面分析闡述了常見的對變電站系統(tǒng)造成干擾的情況，并提出相應的提高變電站抗干擾和可靠性的措施。

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