三相多功能諧波電能表的EMI分析與EMC設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)電力系統(tǒng)需求，研制了一種具有RFID接口與GPRS通信模塊的三相多功能諧波電能表，介紹了電能表的構(gòu)成與工作原理，分析了電能表的空間電磁干擾、傳導(dǎo)耦合干擾和公共阻抗耦合干擾，探討了電能表的電磁干擾傳輸途徑，提出了三相多功能諧波電能表的電磁兼容可靠性設(shè)計(jì)方案，論述了電能表開關(guān)電源電磁兼容、PCB布線、通信接口抗干擾、防靜電設(shè)計(jì)、軟件抗干擾設(shè)計(jì)等電能表的EMC設(shè)計(jì)方法，給出了電能表的EMC測(cè)試結(jié)果.試驗(yàn)和運(yùn)行表明三相多功能諧波電能表設(shè)計(jì)具有良好的電磁兼容性.

關(guān)鍵詞：三相多功能諧波電能表；電磁兼容；干擾源；靜電放電；傳輸線長(zhǎng)度

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

EMI Analysis and EMC Design of Threephase

Multifunctional Harmonic Energy Meter

TENG Zhaosheng1， LUO Zhikun1， TANG Qiu1， ZHOU Liangzhang2， LI Xiaoqing2

(1. College of Electrical and Information Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China;

2. Hangzhou Hexing Electrical Co; LTD， Hangzhou， Zhejiang 310011， China)

Abstract:According to power system requirements， a kind of threephase multifunctional harmonic energy meter with radio frequency identification (RFID) interface and general packet radio service (GPRS) communication module was developed. The structure and the working principle of the energy meter were described， and its space electromagnetic interference (EMI)， conducted coupling interference， and common impedance coupling interference were analyzed. The EMI propagation paths of energy meter were discussed， and the reliability design scheme of energy meter was proposed. The electromagnetic compatibility (EMC) design method of energy meter such as EMC of switch power， PCB routing， communication interface antiinterference design， the antistatic design and software antiinterference design， were analyzed. The EMC test results of the energy meter were given. The experiment and operating results have shown that the threephase multifunctional harmonic energy meter has better EMC.

Key words: threephase multifunctional harmonic energy meter; electromagnetic compatibility (EMC); noise source; electrostatic discharge; length of transmission line

隨著社會(huì)的發(fā)展，供電、用電部門對(duì)電能表的計(jì)量性能及其自動(dòng)抄表技術(shù)提出了更高的要求^［1］.三相電能表不僅要具有電能參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量和電能準(zhǔn)確計(jì)量功能，還要具有諧波電能計(jì)量功能和USB，RS485，吸附式紅外與遠(yuǎn)紅外，電力線載波和GPRS等通信功能^［2-4］，以便于配合上位機(jī)軟件方便地生成電力系統(tǒng)日?qǐng)?bào)、月報(bào)和圖形曲線，直觀、準(zhǔn)確地顯示電能表的觀測(cè)與計(jì)量結(jié)果、運(yùn)行狀態(tài).為此，作者研制了一種具有RFID接口和GPRS通信模塊的三相多功能諧波電能表^［5］.由于電能表工作的電磁環(huán)境較復(fù)雜^［6］，電路所處空間狹小，來自電能表外部的空間輻射干擾、電源干擾、靜電干擾和來自電能表內(nèi)部的開關(guān)電源干擾、傳導(dǎo)耦合干擾、射頻輻射干擾、數(shù)字電路等引起的電磁干擾^{［7-8］}問題突出，通過合理的設(shè)計(jì)計(jì)算使三相多功能諧波電能表具備優(yōu)良的電磁兼容性能和抗干擾性能尤為重要.

三相多功能諧波電能表充分考慮了EMC設(shè)計(jì)，取得了良好的應(yīng)用效果.本文分析三相多功能諧波電能表的電磁干擾傳輸途徑，提出三相多功能諧波電能表的電磁兼容可靠性設(shè)計(jì)方案，論述電能表的EMC硬件、軟件設(shè)計(jì)方法，給出電能表的EMC測(cè)試結(jié)果.

1 電能表的電磁干擾分析

1.1 三相多功能諧波電能表的構(gòu)成

三相多功能諧波電能表采用DSP＋MCU的雙CPU結(jié)構(gòu)，如圖1所示.6路ADC對(duì)三相電網(wǎng)電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)同步采樣，通過并行接口將采樣數(shù)據(jù)送往DSP單元(ADSPBF533).DSP利用加窗插值FFT算法^［9］對(duì)電壓、電流波形進(jìn)行高精度頻譜分析，分離出基波分量及2~21次諧波分量，高速實(shí)現(xiàn)電參量測(cè)量、電能累計(jì)、諧波分析、諧波電能計(jì)量等功能.DSP的處理結(jié)果通過異步串口發(fā)送到MCU(M30624FGPFP)，完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、顯示、通信、電能表功能選擇等管理功能.為便于組網(wǎng)通信，設(shè)計(jì)了吸附式/遠(yuǎn)紅外，雙RS485， USB，RFID，GPRS等通信接口.

1.2 三相多功能諧波電能表的電磁干擾源

電能表的電磁干擾源主要有：1)閃電雷擊.閃電引起的沖擊電流可高達(dá)100 kA，產(chǎn)生的輻射波頻率范圍廣，無規(guī)律，其頻率從幾kHz到幾百M(fèi)Hz或更高頻域^［10］.2)高壓電力設(shè)備的干擾.高壓輸電線路及變壓器的磁泄漏都是很強(qiáng)的干擾源，其頻譜主要分布在30 MHz以下的中、短波頻段.3)電力開關(guān)操作.開關(guān)過程中引起強(qiáng)烈的電流脈沖及短時(shí)的電壓跌落.4)變頻器、調(diào)光開關(guān)等節(jié)能器件等以晶閘管或類似電子器件為核心的設(shè)備工作時(shí)在電網(wǎng)上產(chǎn)生高次諧波干擾.5)電網(wǎng)電壓波動(dòng).大容量負(fù)荷的起、停，引起電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)起落.6)數(shù)字電路裝置.7)高頻振蕩電路.發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及時(shí)鐘本振等振蕩電路的基頻及其諧波.8)氣體放電燈、熒光燈的整流器、啟動(dòng)器等對(duì)電網(wǎng)及周圍空間產(chǎn)生電磁騷擾.9)家用電器、辦公用電器.其中串激電機(jī)的換向器、電子控制器、定時(shí)器等均會(huì)對(duì)電網(wǎng)及周圍空間產(chǎn)生電磁干擾，干擾頻譜從幾十kHz到幾百M(fèi)Hz.10)電動(dòng)工具.電動(dòng)工具在運(yùn)行時(shí)，串激電機(jī)換向器產(chǎn)生電磁干擾.11)遠(yuǎn)距離無線電干擾源通過電磁輻射傳輸給RFID模塊、GPRS模塊，由天線接收后直接傳輸給電能表.12)RFID， GPRS等高頻通信模塊與電能表的其他電路安放在一個(gè)表箱里，電路有直接連接，RFID，GPRS模塊數(shù)據(jù)通信時(shí)，產(chǎn)生對(duì)電能表其他電路的干擾.圖2所示為三相多功能諧波電能表的干擾源和干擾途徑.

圖1 三相多功能諧波電能表結(jié)構(gòu)框圖

Fig. 1 Structure block of threephase

multifunctional harmonic energy meter

1.3 三相多功能諧波電能表的電磁干擾途徑

電磁干擾的產(chǎn)生須有三要素：干擾源、干擾傳播途徑和敏感設(shè)備.三相多功能諧波電能表的電磁干擾傳播途徑主要有：1)傳導(dǎo)耦合.干擾信號(hào)通過信號(hào)線、電源線、地線引入到電能表的敏感單元.2)公共阻抗耦合.傳遞信號(hào)經(jīng)公共基準(zhǔn)點(diǎn)(電位參考點(diǎn))形成了公共阻抗，干擾信號(hào)經(jīng)公共阻抗耦合到其他電路中.3)輻射耦合.載流導(dǎo)線、載流元件產(chǎn)生電磁輻射，通過分布電容、分布電感致使周圍導(dǎo)線、元件產(chǎn)生感應(yīng)電壓.

圖2 三相多功能諧波電能表干擾途徑

Fig. 2Interference propagation path of threephase multifunctional harmonic energy meter

2 電能表的PCB傳輸線效應(yīng)

2.1 傳輸線效應(yīng)分析

PCB的EMC是多功能電能表設(shè)計(jì)必須重視的問題.由于分布電容、傳輸線特性阻抗與負(fù)載等效電阻不匹配等原因，高次諧波、數(shù)字信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)在PCB上傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)，導(dǎo)致傳輸信號(hào)的延時(shí)、反射和變形，還會(huì)對(duì)間距很小的相鄰走線產(chǎn)生很難準(zhǔn)確量化的串?dāng)_.

利用全波時(shí)域分析方法、通過等效電路建立高頻電磁場(chǎng)的等效模型可以構(gòu)建電能表傳輸線模型.將PCB在空間域和時(shí)間域進(jìn)行離散化，設(shè)空間域、時(shí)間域的離散步長(zhǎng)分別為Δl，Δt，把求解空間劃分為網(wǎng)格，其節(jié)點(diǎn)之間用傳輸線來連接，從而實(shí)現(xiàn)空間域的離散.通過迭代運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)時(shí)間域的離散.設(shè)每次迭代時(shí)間為時(shí)間域的離散步長(zhǎng)Δt，信號(hào)傳輸距離為空間域的離散步長(zhǎng)Δl，則

Δt=Δlc.(1)

式中:c為光速.

利用麥克斯韋方程組可以建立網(wǎng)格中傳輸線上電壓、電流的電場(chǎng)、磁場(chǎng)等效關(guān)系，將場(chǎng)在空間域的傳播問題等效為離散時(shí)間域的電壓波、電流波在網(wǎng)格中的傳播問題^［11］.對(duì)時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行傅里葉變換后可得到頻域解，求解得到空間內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布^{［1213］}.例如，電壓波在各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生散射，散射后的電壓波在下一次迭代運(yùn)算則成為與其相鄰節(jié)點(diǎn)的入射電壓波，即

kVr=SkVi，

k+1Vi=CkVr.(2)

式中:kVi為k時(shí)刻各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入電壓脈沖矩陣；kVr為k時(shí)刻各個(gè)節(jié)點(diǎn)的反射電壓脈沖矩陣；k＋1Vi為k＋1時(shí)刻各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入電壓脈沖矩陣；S為k時(shí)刻的散射矩陣；C為k時(shí)刻的連接矩陣.

當(dāng)電能表的高頻信號(hào)、數(shù)字信號(hào)沿傳輸線傳送時(shí)，需要考慮傳輸線的傳輸阻抗和傳播延遲，如果傳輸線特性阻抗與傳輸線負(fù)載不匹配，電壓波將形成循環(huán)往復(fù)的反射信號(hào)并逐漸衰減.

2.2 傳輸線效應(yīng)仿真

電能表PCB橫截面為0.25 mm×1.25 mm的傳輸線的特性阻抗約為48.5

SymbolWA@ .設(shè)x，y，z方向的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為84，15，5，節(jié)點(diǎn)的三向長(zhǎng)度Δl=0.25 mm，?jiǎng)t根據(jù)式(1)可以計(jì)算得到迭代時(shí)間約為8×1013s.仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，以圖3(a)所示的梯形波為傳輸信號(hào)，在傳輸線終端接入阻值與傳輸線特性阻抗不一致的阻性負(fù)載，構(gòu)成圖3(b)所示的傳輸線等效電路.圖4(a)(b)分別為負(fù)載電阻Zl=28.5

SymbolWA@ 時(shí)信號(hào)反射與延時(shí)的仿真結(jié)果.可見，由于信號(hào)傳輸線長(zhǎng)度、橫截面積、負(fù)載阻抗的不同，傳輸線將造成信號(hào)不同的延時(shí)、變形和反射.另一方面，寄生電容將進(jìn)一步加大信號(hào)的傳輸延時(shí)與失真，對(duì)間距小的相鄰走線產(chǎn)生串?dāng)_.因此，設(shè)計(jì)PCB時(shí)應(yīng)盡量減少長(zhǎng)線傳輸.

3 電能表的EMC設(shè)計(jì)

電能表EMC設(shè)計(jì)的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能.

3.1 PCB的EMC設(shè)計(jì)

硬件EMC設(shè)計(jì)主要是PCB的抗干擾設(shè)計(jì).元器件的布局在很大程度上影響著電能表的性能.

(a) 傳輸信號(hào)波形

電能表的PCB以ADC，DSP，MCU等器件為中心，外圍器件圍繞它們進(jìn)行布局，布線盡可能短；電路的輸入與輸出分開在PCB兩端；數(shù)字信號(hào)電路和模擬

信號(hào)分開；IC器件的去耦電容盡可能靠近IC；元器件之間保持一定間距，各部分電路的濾波網(wǎng)絡(luò)就近連接；PCB的主要信號(hào)線匯集于板中央，充分靠近地線或用地線包圍；信號(hào)線、信號(hào)回路線所形成的環(huán)路面積盡量小；避免長(zhǎng)距離平行布線，電路中電氣互連點(diǎn)間布線力求最短；相鄰布線面導(dǎo)線采取相互垂直、斜交或彎曲走線的形式，以減小寄生耦合；高頻信號(hào)導(dǎo)線避免相互平行；電源線和地線盡量粗；避免90°折線，減少高頻噪聲發(fā)射；減少回路環(huán)面積，降低感應(yīng)噪聲；晶振與DSP，MCU的引腳盡量靠近，用地線對(duì)時(shí)鐘區(qū)隔離，晶振外殼接地并固定；電源線的走向與主流數(shù)據(jù)傳遞方向一致；為各電路模塊提供一個(gè)公共電位參考點(diǎn)，形成各模塊電路的專用地線；各模塊之間用地線進(jìn)行隔離，防止相互間的信號(hào)耦合效應(yīng)；數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)用地線隔離，數(shù)字地與模擬地分離，最后接于電源地；各部分電路內(nèi)部的地線單點(diǎn)接地，盡量減小信號(hào)環(huán)路面積，并與相應(yīng)的濾波電路的地線就近相接.這樣不僅減小了電能表電路板的電磁輻射，而且降低了被干擾的機(jī)率，提高了電路的抗干擾能力.

3.2 電能表開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)

電能表的開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)采取了如下措施：1)電源線濾波器.電源線濾波器安裝在電能表電源線入口處，避免來自電網(wǎng)的強(qiáng)干擾，同時(shí)抑制電能表開關(guān)電源、RFID模塊、GPRS模塊、數(shù)字電路產(chǎn)生的干擾影響供電網(wǎng)絡(luò).2)尖峰吸收.外接電源干擾主要有快速瞬變脈沖群干擾、電源瞬時(shí)跌落、電源瞬時(shí)掉電等，其中快速瞬變脈沖群干擾尤為嚴(yán)重^{［14-15］}，主要以差模和共模的方式作用于供電電源的入口，對(duì)電能表電路系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾.儀器開關(guān)電源的主要干擾是功率開關(guān)管通、斷時(shí)的du/dt，減小功率開關(guān)管通斷的du/dt是減小開關(guān)電源干擾的重要方面.在高頻變壓器的初級(jí)設(shè)置了由瞬變電壓抑制二極管(TVS)和超快恢復(fù)二極管(SRD)組成的抗干擾和保護(hù)電路，充分發(fā)揮TVS響應(yīng)速度極快、可承受高能量瞬態(tài)脈沖之優(yōu)點(diǎn)，吸收漏感引起的尖峰電壓，并確保MOSFET不被損壞.3)開關(guān)頻率調(diào)制.將開關(guān)電源頻率變?yōu)殡S機(jī)調(diào)制和變頻調(diào)制.頻率固定不變的調(diào)制脈沖產(chǎn)生的干擾在低頻段主要是調(diào)制頻率的諧波干擾，主要集中在各諧波點(diǎn)上.通過調(diào)制開關(guān)頻率fc，把集中在開關(guān)頻率fc及其諧波2fc，3fc…上的能量分散到它們周圍的頻帶上，由此降低各個(gè)頻點(diǎn)上的EMI幅值，以達(dá)到低于EMI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值.這種開關(guān)調(diào)頻PWM方法^［16］雖然不能降低總的干擾能量，但它把能量分散到頻點(diǎn)的基帶上，有效地降低了干擾影響，如圖5所示.

圖5 EMI的頻譜波形

Fig. 5Spectrum waveform of EMI

3.3 通信接口的EMC設(shè)計(jì)

通信接口EMC設(shè)計(jì)主要是利用元件組合把干擾信號(hào)旁路、吸收、隔離、濾除、去耦.以RFID接口為例，除遵循PCB的EMC設(shè)計(jì)原則外，還采用了如下設(shè)計(jì)方法：1)將RFID接口的元器件間距加大且雙面焊接元器件，一面為SMD，SMC元件，另一面為分立元件.2)對(duì)RFID接口電路進(jìn)行分塊處理，為高頻放大、混頻、解調(diào)、本振等電路模塊電路提供各自的地線，匯總于RFID接口電路PCB接入地線處.由于沒有公共阻抗耦合，因此沒有相互干擾；3)在IC的電源進(jìn)線端放置一個(gè)10 μF的低噪聲去耦鉭電容.4)RFID接口電源利用LC濾波網(wǎng)絡(luò)濾除干擾電壓.

3.4 防靜電設(shè)計(jì)

靜電放電分為接觸式和非接觸式，即電流注入放電和空氣擊穿放電，對(duì)電能表的影響包括：1)放電前的靜電場(chǎng)對(duì)電能表的影響；2)放電時(shí)的直接電荷注入對(duì)電能表的影響；3)靜電放電電流激發(fā)的電磁場(chǎng)對(duì)電能表的影響.其中，放電之前的靜電場(chǎng)和放電

電流激發(fā)的電磁場(chǎng)使電能表產(chǎn)生輻射噪聲，直接電流注入和電磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流使電能表產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲.

電能表若不進(jìn)行合理的防靜電設(shè)計(jì)，由靜電干擾引起的輻射噪聲和傳導(dǎo)噪聲將同時(shí)存在，嚴(yán)重影響可靠性.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空氣放電可直接從電能表按鍵

的縫隙進(jìn)入PCB板的按鍵走線，影響電能表的正常工作.因此，設(shè)計(jì)采取了下列防靜電措施：1)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少縫隙，并且使縫隙和固定開孔遠(yuǎn)離敏感電路；2)在電能表按鍵、上下機(jī)殼接合處加入塑膠墊，加長(zhǎng)靜電干擾路徑，削減靜電對(duì)電能表電路的影響；3)在鍵盤電路上加抑制電容或TVS進(jìn)行防護(hù)處理.

3.5 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)除采用看門狗、指令冗余、設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元、設(shè)計(jì)自檢程序等措施外，還采用了下列EMC設(shè)計(jì)方法：1)設(shè)置程序指針陷阱.在電能表的每個(gè)子程序后面或程序段后插入5條指令NOP，NOP，NOP，NOP，LJMP MAIN(初始化程序開始地址)，在DSP，MCU未用的空白R(shí)OM區(qū)域(特別是后面的空白處)，每32個(gè)字節(jié)放指令LJMP MAIN.一旦DSP，MCU受干擾，使程序指針混亂，執(zhí)行了一段程序后，就會(huì)落入陷阱中，執(zhí)行LJMP MAIN指令，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到初始化程序開始處，從而避免死機(jī)，使程序恢復(fù)正常.2)設(shè)置程序監(jiān)視跟蹤定時(shí)器.利用DSP，MCU片內(nèi)集成的程序監(jiān)視跟蹤定時(shí)器跟蹤程序的運(yùn)行，當(dāng)程序運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，計(jì)數(shù)器溢出，電能表復(fù)位，重新運(yùn)行程序，有效地“防飛”.

4 電能表的EMC試驗(yàn)

三相多功能諧波電能表屬Ⅱ類防護(hù)絕緣包封儀表，采用絕緣材料表殼，無保護(hù)接地措施，參考《GB/T 17215靜止式交流有功電能表》對(duì)絕緣性能的基本要求進(jìn)行EMC測(cè)試.儀器經(jīng)湖南省電力公司計(jì)量中心進(jìn)行EMC測(cè)試合格，表1為三相多功能諧波電能表EMC主要試驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果.

5 結(jié) 論

三相多功能諧波電能表工作在電磁輻射、電源干擾、環(huán)境影響復(fù)雜的場(chǎng)所，EMC設(shè)計(jì)是電能表成功的技術(shù)關(guān)鍵.本文分析了電能表的干擾因素與電磁干擾途徑，提出了電能表電磁兼容設(shè)計(jì)的完整方案，介紹了電能表的EMC硬件、軟件設(shè)計(jì)方法，取得了良好的電磁兼容設(shè)計(jì)效果.儀器的電壓、有功功率測(cè)量誤差均≤0.1%，基波電能計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)0.2 s級(jí)，諧波分析準(zhǔn)確度高于GB/T 14549—93的A類標(biāo)準(zhǔn)要求.現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明了儀器的可靠性.

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