船舶電站自動化系統(tǒng)的抗干擾分析

崔守娟+欒榮華+張萍華

摘要：船舶電站的自動化系統(tǒng)應(yīng)用過程中，易受到多種因素干擾。結(jié)合電站自動化系統(tǒng)存在的干擾項，重點分析電磁干擾和諧波干擾，有針對性地提出抗干擾措施，為提高船舶電站的可靠性和穩(wěn)定性提供參考。

關(guān)鍵詞：船舶；電站自動化；電磁干擾；諧波干擾

中圖分類號：U664.82 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）12-0082-03

近年來我國船舶化水平不斷提高，自動化系統(tǒng)在船舶電站中發(fā)揮著重要的作用。但在實際應(yīng)用過程中，船舶電站的環(huán)境一般比較惡劣，不可避免存在著各種各樣的電磁干擾，以及溫度和濕度變化對設(shè)備的干擾、機械振動干擾等，嚴(yán)重影響電站自動化系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。人們在分析船舶電網(wǎng)的性能時，往往關(guān)心電網(wǎng)電壓、頻率的穩(wěn)定性和工作環(huán)境的影響，對電網(wǎng)中干擾不是很重視。事實上，在船舶電網(wǎng)的運行過程中存在干擾信號影響，對船舶電站自動化系統(tǒng)的影響不可忽視。

1 系統(tǒng)電磁干擾

電磁兼容性描述電子設(shè)備在指定的電磁環(huán)境中無錯運行的能力，不受外部影響的制約且無論如何都不會影響外部設(shè)備。電站自動化系統(tǒng)中的PLC及其組件是按照工業(yè)環(huán)境和高電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的，但仍存在干擾源，電磁干擾可在多個方面影響PLC。

1.1 系統(tǒng)電磁干擾的主要來源

1.1.1 空間的輻射干擾 空間的輻射電磁場（EMI）主要由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生，通常稱為輻射干擾，分布極為復(fù)雜。其影響主要有2條路徑：一是直接對PLC內(nèi)部輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對PLC通信網(wǎng)絡(luò)輻射，由通信線路感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小特別是頻率有關(guān)。

1.1.2 電源干擾 因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障較多，需要更換隔離性能好的PLC電源。PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。電網(wǎng)覆蓋范圍廣，受所有空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓和電流，并通過輸電線傳到電源原邊。

1.1.3 信號線引入干擾 與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線，除傳輸有效的各類信息外，也會有外部干擾信號侵入。由信號引入的干擾會引起I/0信號工作異常，大大降低測量精度，嚴(yán)重時引起元器件損傷。隔離性能差的系統(tǒng)還會導(dǎo)致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機。

1.1.4 接地系統(tǒng)混亂的干擾 PLC控制系統(tǒng)正確接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；錯誤的接地方式會引入嚴(yán)重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)無法正常工作。屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)出現(xiàn)感應(yīng)電流。

1.1.5 PLC系統(tǒng)內(nèi)部干擾 主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響、模擬地與邏輯地的相互影響及元器件不匹配使用等。要選擇具有較多應(yīng)用實例或經(jīng)過考驗的系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)抗電磁干擾的方法和措施

在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，從硬件設(shè)計入手，通過合理配置供電電源、正確選擇接地點、接地方式及輸入輸出配線等措施，有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

1） 采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾供電。PLC自身具有很強的抗干擾能力，將PLC電源與系統(tǒng)動力設(shè)備分開配線，可有效抑制來自電源的干擾。遇到電源干擾特別嚴(yán)重的情況，可采用帶屏蔽層的隔離變壓器供電，甚至加接線路濾波器，以抑制從交直流電源侵入的常模和共模瞬變干擾。另外，在有較強干擾源的環(huán)境中使用PLC或?qū)LC工作可靠性要求特別高時，可將屏蔽層和PLC浮動的端子接地。

2） 正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)中具有多種形式的“接地”，主要有：①信號地。輸入端信號元件的地。②交流地。交流供電電源的N線；③屏蔽地。為防止靜電和磁場感應(yīng)而設(shè)置的外殼或金屬絲網(wǎng)，通過專門的銅導(dǎo)線將其接入地下。④保護地。將機器設(shè)備的外殼或設(shè)備內(nèi)獨立器件的外殼接地，用于保護人身安全和防止設(shè)備漏電。

3） 正確選擇電纜的和實施敷設(shè)（輸入輸出配線）。PLC電源線、I/O電源線、輸入信號線、輸出信號線、交流線及直流線均應(yīng)盡量分開布線。開關(guān)量信號線與模擬量信號線也應(yīng)分開布線，后者應(yīng)采用屏蔽線，且將屏蔽層接地。數(shù)字傳輸線也要用屏蔽線，且要將屏蔽層接地。信號線多采用雙絞線或屏蔽線。當(dāng)輸入信號源為晶體管或是光電開關(guān)輸出類型時，關(guān)斷時仍有較大漏電流，而PLC的輸入繼電器靈敏度較高，當(dāng)漏電流的干擾超過一定值時，就會形成錯誤信號。同樣，當(dāng)輸出元件為雙向晶閘管或晶體管，且外部負(fù)載又很小時，會因為關(guān)斷時有較大的漏電流而引起微小電流負(fù)載誤動，導(dǎo)致輸入與輸出信號錯誤，給設(shè)備和工作人員帶來不良影響。為解決這種干擾，在輸入、輸出端并聯(lián)旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負(fù)載上的電流。也可在PLC輸入端加RC濾波環(huán)節(jié)，利用RC的延遲作用來抑制竄入脈沖所引起的干擾，減小漏電流的干擾。

2 系統(tǒng)諧波干擾

產(chǎn)生高次諧波的主要原因是船舶電力系統(tǒng)中存在各種非線性元件，特別是大功率變流設(shè)備易產(chǎn)生大量高次諧波。船舶上的變頻調(diào)速和串級調(diào)速兩種調(diào)速方式的交流電機調(diào)速系統(tǒng)、采用晶閘管變流的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)等大型變流裝置，是造成船舶電力系統(tǒng)高次諧波的主要因素。船帕電力系統(tǒng)中的諧波會對整個系統(tǒng)中的電氣設(shè)備造成不良影響，影響電氣設(shè)備的工作性能、使用壽命；嚴(yán)重干擾信號傳輸，影響數(shù)據(jù)傳輸效果。

2.1 系統(tǒng)諧波干擾的主要來源

2.1.1 含有電磁設(shè)備的系統(tǒng) 采集系統(tǒng)中的船用電壓、電流互感器，以及各種模擬電站裝置中的電磁式繼電器、接觸器和控制電磁鐵等，都有鐵芯和勵磁線圈。鐵芯飽和時磁化曲線呈非線性，鐵芯愈飽和，線圈勵磁電流畸變愈大。互感變壓器屬穩(wěn)態(tài)諧波源，為使電磁系統(tǒng)設(shè)計較為經(jīng)濟，勵磁呈尖頂波，諧波數(shù)為奇次，主要是3次諧波。另外，電站中一些電磁裝置投入運行時或在外部故障排除后突然恢復(fù)運行時，會產(chǎn)生浪涌電流，有時高達額定電流的8～10倍，含有數(shù)量很大的諧波，且衰減緩慢。

2.1.2 變流裝置 船舶電力系統(tǒng)中由于大功率調(diào)速設(shè)備采用的調(diào)速方式不同，整流電流一般為非正弦波，它含有大量的諧波成分，會對自動化系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

2.1.3 模擬開關(guān) 船舶電力系統(tǒng)中，負(fù)載隨船舶運行工況頻繁變化。相對整個電力系統(tǒng)而言，負(fù)載變化對電網(wǎng)的影響很大。用模擬開關(guān)完成負(fù)載切換，其波形為開關(guān)信號，會對電網(wǎng)和自動化系統(tǒng)產(chǎn)生諧波干擾。

2.1.4 非特征諧波的產(chǎn)生 在一定的假設(shè)條件下，交流換流器可以產(chǎn)生特征諧波。但實際上，一般換流器系統(tǒng)的3個主要組成部分不可避免地存在偏差。首先，交流系統(tǒng)供電電壓不是完全平衡的，波形存在一定的畸變。系統(tǒng)阻抗特別是換流變壓器阻抗不會完全相等；其次，在整流一逆變禍連的情況下，直流電流可能受另一換流器調(diào)制；再次，觸發(fā)角控制系統(tǒng)在進行控制時，往往產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。

2.2 系統(tǒng)諧波抑制的方法和措施

電站最大的諧波干擾來自系統(tǒng)使用的變頻設(shè)備，如側(cè)推起動器功率較大，接近單臺柴油發(fā)電機功率，故采用變頻起動來減少起動對電網(wǎng)的沖擊。其它電源直接取自配電板的配套泵組也使用變頻起動方式。變頻驅(qū)動不可避免要產(chǎn)生諧波污染。為抑制諧波，采用基于瞬時無功理論的有源電力濾波器。有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功功率的新型電力電子裝置，能對大小和頻率都變化的諧波及無功功率進行補償。電力濾波器的作用主要有2個：降低和減少系統(tǒng)中的諧波電流和電壓，并使之降到一個合適的水平；提供濾波器接入點系統(tǒng)所需要的全部或部分無功功率。

在電站實際方案中，實時檢測變頻設(shè)備的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算單元計算出補償電流指令信號。該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，并產(chǎn)生補償電流。負(fù)載電流中需用補償?shù)闹C波及無功等電流與補償電流抵消，最終得到所需的電源電流。需要補償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時，有源電力濾波器檢測出補償對象負(fù)載電流中的諧波分量后，將其反極性作為補償電流的指令信號，再由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補償電流。其中，補償電流與負(fù)載電流中的諧波分量大小相等，方向相反，因而兩者相互抵消，使得電源中電流中只含基波，達到消除電源電流中諧波的目的。

3 結(jié)語

電站自動化控制系統(tǒng)干擾是一個十分復(fù)雜的問題，因此在抗干擾設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾。結(jié)合電站自動化系統(tǒng)存在的干擾項，重點分析電磁干擾和諧波干擾，有針對性地采取抗干擾措施，從而提高船舶電站的可靠性和穩(wěn)定性。

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