電力儀表可靠性分析及抗干擾方法研究

張興超，王 陸

（昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院電氣與信息工程學(xué)院，云南昆明 650106）

0 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的進步，電子工業(yè)得到了飛速發(fā)展，各種自動化儀表被廣泛應(yīng)用于電力、化工、石油、交通、建筑、通信和國防等領(lǐng)域。電力儀表是電力系統(tǒng)中一類具有控制電氣設(shè)備、測量電力參數(shù)、監(jiān)視和分析電能質(zhì)量等功能的電力測量及控制設(shè)備。作為電力網(wǎng)絡(luò)前端的一種信息采集元件，電力儀表的可靠性是智能電表的一項重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對整個電力系統(tǒng)的自動化控制和測量發(fā)揮著重要作用。為使電力儀表能更好的應(yīng)用到電力工業(yè)中，應(yīng)結(jié)合設(shè)備運行性質(zhì)和特征，加強其可靠性分析、提升抗干擾能力、防止出現(xiàn)故障，以確保電力系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運行。鑒于此，闡述電力儀表可靠性研究的意義，對其影響因素進行詳細(xì)分析，并提出一套提高電力儀表可靠性的抗干擾方法。以減小各種干擾因素對電力儀表產(chǎn)生的影響，優(yōu)化其實際應(yīng)用效果，推動電力儀表行業(yè)的健康發(fā)展。

1 電力儀表可靠性研究的意義

電力儀表具有信息測量、數(shù)據(jù)記錄以及現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和控制功能，被廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)和電能的計量管理中。作為電力參數(shù)的重要監(jiān)測工具，電力儀表的精準(zhǔn)測量功能及其可靠性要求對于反映產(chǎn)品質(zhì)量是否符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。其可靠性要求主要體現(xiàn)在2個方面：一是性能需滿足電力工業(yè)生產(chǎn)的基本監(jiān)測功能；二是滿足電能生產(chǎn)過程中的持續(xù)應(yīng)用功能。電力儀表的技術(shù)性能和可靠性之間關(guān)系密切，相互影響。工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展使得電能需求迅速增加，推動了電力行業(yè)的發(fā)展；同時要求電力系統(tǒng)擁有更高的安全性和可靠性。電力生產(chǎn)過程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，需要在運行過程中的各個環(huán)節(jié)加裝電力儀表進行相關(guān)信息的監(jiān)測，以保證安全性。而較低的故障率是保證龐大數(shù)量的電力儀表可靠性和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提條件。因此，需要不斷的完善電力儀表可靠性，以確保電力系統(tǒng)安全運行和電能的穩(wěn)定供應(yīng)。

2 電力儀表可靠性的影響因素

為了增強各個環(huán)節(jié)電力儀表的可靠性，使整個電力系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行，還應(yīng)當(dāng)加強分析控制特點和相關(guān)影響因素。在電力系統(tǒng)的電能生產(chǎn)及運行過程中影響電力儀表可靠性的因素很多，而起關(guān)鍵作用的有3點。

（1）施工人員的綜合素質(zhì)因素。電力儀表施工人員作為儀表工程項目的主體，其工作態(tài)度、責(zé)任心、技能水平和對圖紙的熟悉程度等，都與儀表可靠性有著直接的聯(lián)系。不能嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)定、施工過程不細(xì)心以及圖紙分析不清楚等，最終都會造成電力儀表的安裝錯誤、顯示精度低等問題。

（2）監(jiān)管因素。電力儀表在正常運行時，只有體現(xiàn)了科學(xué)性、專業(yè)性與合理性，才能保證可靠性符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)在使用過程中，加強管理力度，提高監(jiān)管水平，從而保證可靠性滿足實際應(yīng)用需求。

（3）環(huán)境與應(yīng)用因素。受外界條件的影響，電力儀表在使用過程中應(yīng)科學(xué)規(guī)范操作，以充分發(fā)揮實際作用。影響可靠性的外界因素主要有3點：一是環(huán)境條件，包括生物、化學(xué)、氣候、電磁和機械等對電力儀表運行造成的干擾；二是動力因素，包括流體源（氣體、液體）和電源等影響電力儀表性能的動力源穩(wěn)定性；三是負(fù)載因素，系統(tǒng)負(fù)載與電力儀表特性不符等，也會影響性能的發(fā)揮。

3 電力儀表抗干擾方法研究

通過對影響因素的分析發(fā)現(xiàn)，可以通過提升施工人員的綜合素質(zhì)、加強監(jiān)管力度、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計及提高抗干擾能力等方法，保證電力儀表可靠性。為此從電力儀表抗干擾方法研究入手，來實現(xiàn)可靠性的有效提升。

3.1 硬件抗干擾設(shè)計

電力儀表的硬件電路多采用微控制器等數(shù)字器件進行設(shè)計，容易受到外界干擾的影響。針對電源輸入端口產(chǎn)生的諧波和浪涌等干擾，可采用圖1的電源保護電路進行設(shè)計，該電路具有濾波、抑制浪涌和脈沖干擾的作用。另外，還可以利用模塊化的設(shè)計思想對硬件電路進行分模塊供電，從而避免系統(tǒng)各模塊之間互相干擾。

為了有效抑制耦合噪聲，可以對電力儀表的硬件電路進行接地設(shè)計，以阻斷外界環(huán)境造成的干擾。根據(jù)信號的不同形式，接地可劃分為模擬地和數(shù)字地。兩種接地形式應(yīng)分開設(shè)計，以避免數(shù)字電路中的脈沖信號進入模擬電路。另外，還可以采用單點和多點接地相結(jié)合的方式對不同的電路進行設(shè)計，以提高接地系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖1 電源保護電路

通過隔離設(shè)計將噪聲源與硬件電路進行隔離，可有效防止噪聲信號進入電力儀表的硬件系統(tǒng)。常用的隔離措施包括變壓器隔離、繼電器隔離、光電耦合隔離、放大器隔離和布線隔離等。

3.2 軟件可靠性設(shè)計

智能電力儀表通常采用微控制器與微計量芯片相結(jié)合的方式進行設(shè)計。為避免總線在通信過程中受到干擾，可在軟件系統(tǒng)中加入濾波程序。常用的數(shù)字濾波方法包括一階遞歸濾波、限幅濾波、算數(shù)平均值濾波、遞推平均值濾波、中位值濾波法以及符合數(shù)字濾波等。

微處理器受到外界干擾時可能發(fā)生程序“跑飛”，造成操作系統(tǒng)的混亂?？衫密浖葳逶O(shè)計引導(dǎo)程序進入一個特定地址，并進行錯誤處理，以穩(wěn)定“跑飛”程序。為保證這一過程的信息安全，可采用分散分布存儲的數(shù)據(jù)冗余設(shè)計方法，以提高數(shù)據(jù)的生存概率。為防止程序發(fā)生死循環(huán)，可采用軟件“看門狗”設(shè)計產(chǎn)生復(fù)位信號，以擺脫干擾。另外，微處理器在向存儲器寫存儲數(shù)據(jù)時，外界干擾也會造成數(shù)據(jù)的錯誤存儲；可采用數(shù)據(jù)校驗的方法，以確保數(shù)據(jù)的正確寫入。

3.3 其他抗干擾方法

除以上軟硬件抗干擾方法和可靠性設(shè)計外，在電力儀表生產(chǎn)使用過程中，還可通過一些其他抗干擾注意事項提高可靠性。例如，依據(jù)可靠性指標(biāo)合理選擇元器件、嚴(yán)格進行出廠校驗、儀表參數(shù)的裕量設(shè)計、可靠的生產(chǎn)工藝以及焊接裝配過程中提前進行高溫老化處理等。

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)水平的提升，電力儀表在電力系統(tǒng)及工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。電力儀表可靠性是其實現(xiàn)優(yōu)良性能的關(guān)鍵因素，結(jié)合使用環(huán)境加強可靠性分析和抗干擾設(shè)計，能夠保證具有良好的應(yīng)用效果，且對于提高整個系統(tǒng)的運行能力具有重要意義。