廣播發(fā)射臺(tái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的抗干擾探討

劉克明

(國(guó)家新聞出版廣電總局七二四臺(tái),陜西寶雞 722400)

廣播發(fā)射臺(tái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的抗干擾探討

劉克明

(國(guó)家新聞出版廣電總局七二四臺(tái),陜西寶雞 722400)

本文對(duì)廣播電臺(tái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的主要干擾源進(jìn)行了分析,介紹了干擾形成的原理和路徑,分析了這些干擾源對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的影響和產(chǎn)生的后果,根據(jù)工作中成功應(yīng)用的抗干擾技術(shù)和措施,從切斷電磁干擾源和受干擾后自恢復(fù)等多個(gè)方面進(jìn)行了抗干擾措施的探討。

干擾 自動(dòng)化 微機(jī)保護(hù)裝置 自恢復(fù)

1 引言

廣播發(fā)射臺(tái)尤其是大功率短波發(fā)射臺(tái)，其主要產(chǎn)生和發(fā)射5MHZ~20MHZ的大功率短波頻率，功率最高可達(dá)500kW，而發(fā)射臺(tái)內(nèi)各種電子設(shè)備距離這些發(fā)射機(jī)距離都很近，電磁波會(huì)通過(guò)電磁輻射、電源傳導(dǎo)、電磁感應(yīng)等多種方式進(jìn)入電子設(shè)備內(nèi)部，對(duì)各種電子設(shè)備造成電磁干擾，影響電子設(shè)備正常工作。在作者本人工作的短波發(fā)射臺(tái)，許多電子設(shè)備都會(huì)出現(xiàn)在其他地方?jīng)]有的異常工作狀態(tài)，經(jīng)過(guò)分析排查和與設(shè)備在其他環(huán)境的運(yùn)行比較，最終都確定是因?yàn)殡姶鸥蓴_引起。廣播發(fā)射臺(tái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、后臺(tái)監(jiān)控工作站這些都是高度集成的電子設(shè)備，都可能受到電磁干擾，造成網(wǎng)絡(luò)通訊出現(xiàn)異常、微機(jī)保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)等嚴(yán)重問(wèn)題。因此分析廣播電臺(tái)變電站的干擾形成路徑，研究設(shè)計(jì)相應(yīng)的抗干擾措施就非常必要。

2 產(chǎn)生電磁干擾的干擾源分析

廣播電臺(tái)的主要干擾源就是大功率電磁波，它們對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的電子設(shè)備干擾最為嚴(yán)重，但是除此之外還有以下這些電磁干擾源會(huì)對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的電子設(shè)備形成干擾。

(1)操作過(guò)電壓。在進(jìn)行高壓斷路器操作時(shí)，一次系統(tǒng)會(huì)瞬間產(chǎn)生高頻率的電磁脈沖，這些脈沖會(huì)通過(guò)電流、電壓互感器感應(yīng)到微機(jī)保護(hù)裝置中，干擾微機(jī)保護(hù)裝置的正常工作，使裝置出現(xiàn)瞬間死機(jī)、失靈等故障，在實(shí)際運(yùn)行中這種干擾非常顯著。(2)雷電。雷電是自然界發(fā)生的極為強(qiáng)烈的電磁暫態(tài)過(guò)程。一般雷擊不會(huì)直接作用于二次回路，更多的可能是線路遭受直擊雷或感應(yīng)雷，進(jìn)而傳導(dǎo)給二次系統(tǒng)。(3)一次設(shè)備發(fā)生短路故障。一次設(shè)備發(fā)生短路時(shí)，大電流經(jīng)接地點(diǎn)泄入接地網(wǎng)，使整個(gè)接地網(wǎng)的電位升高，就可能在二次系統(tǒng)產(chǎn)生共模干擾電壓。(4)系統(tǒng)諧波。諧波對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的主要影響是干擾其正常的工作狀態(tài)、影響測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)度和動(dòng)作的可靠性等。嚴(yán)重的諧波干擾，會(huì)造成微機(jī)保護(hù)裝置拒動(dòng)或誤動(dòng)。

3 干擾對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的影響

微機(jī)保護(hù)裝置、自動(dòng)控制裝置、串口服務(wù)器等、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它們處于嚴(yán)重的電磁干擾環(huán)境中，極易受到電磁干擾導(dǎo)致工作出現(xiàn)異常。干擾對(duì)模擬電路和數(shù)字部件所造成的后果是不同的。模擬電路在干擾作用下往往使開(kāi)關(guān)電路誤翻轉(zhuǎn)，將會(huì)導(dǎo)致誤操作；數(shù)字電路受干擾作用往往造成數(shù)據(jù)或地址傳送錯(cuò)誤，導(dǎo)致微機(jī)運(yùn)行故障或功能障礙，也可能引起保護(hù)的不正確動(dòng)作。干擾對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1)計(jì)算或邏輯錯(cuò)誤：微機(jī)保護(hù)中的輸出信號(hào)、運(yùn)算時(shí)暫時(shí)的中間結(jié)果和標(biāo)志字都放在隨機(jī)存貯器(RAM)中，而干擾源可能會(huì)引起RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生改變。當(dāng)CPU正在讀寫(xiě)一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)線或地址線受干擾發(fā)生改變，就會(huì)造成讀寫(xiě)出一個(gè)壞數(shù)據(jù)或者是一個(gè)錯(cuò)誤的地址，會(huì)造成計(jì)算錯(cuò)誤；而如果這是一個(gè)關(guān)鍵的標(biāo)志字，就會(huì)造成邏輯混亂，可能引起裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)。

(2)程序運(yùn)行出軌：這是由于隨機(jī)干擾破壞了程序執(zhí)行的正常順序而造成程序執(zhí)行卡死的現(xiàn)象。例如，當(dāng)CPU正通過(guò)地址總線送出一個(gè)地址以便從EPROM獲取指令操作碼。如果由于干擾使傳送地址出錯(cuò)，它將從一個(gè)錯(cuò)誤的地址取得一個(gè)錯(cuò)誤的操作碼。如果這個(gè)誤碼CPU不認(rèn)識(shí)，程序運(yùn)行將發(fā)生中斷。因此程序死機(jī)會(huì)造成CPU停止執(zhí)行繼電保護(hù)的規(guī)定任務(wù)，當(dāng)隨后系統(tǒng)真正發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置將拒動(dòng)，嚴(yán)重危害系統(tǒng)運(yùn)行。

4 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)抗電磁干擾的措施研究

通過(guò)上述對(duì)干擾產(chǎn)生的源頭、路徑、方式的分析，本人認(rèn)為應(yīng)該從兩個(gè)方面解決干擾問(wèn)題，一是最大程度的切斷干擾源，避免電磁干擾進(jìn)入變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部，發(fā)生干擾后果；二是如果有干擾進(jìn)入微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置等自動(dòng)裝置，采取何種有效措施使裝置能夠避免發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)、死機(jī)等問(wèn)題。

4.1 切斷干擾源的有效措施

(1)屏蔽是切斷干擾源的有力措施，一般常用于隔離和衰減輻射干擾。

1)微機(jī)保護(hù)裝置的屏蔽。為了防止電磁波直接耦合到微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部的元器件上，所有的微機(jī)保護(hù)裝置都采用全銅金屬外殼，顯示面板后面全部采用銅板屏蔽，以使外殼成一個(gè)完整的導(dǎo)電體，并將外殼與大地做良好的金屬連接。裝置外殼的接地起到了抑制電磁干擾和安全接地的雙重作用。2)所有一次設(shè)備與自動(dòng)化系統(tǒng)輸入、輸出端連接的控制電纜全部采用帶有銅屏蔽層的控制電纜，電纜的屏蔽層兩端接地，目的是對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合有阻斷的作用。當(dāng)兩點(diǎn)接地時(shí)，干擾磁場(chǎng)在屏蔽層中感應(yīng)電流，該電流產(chǎn)生的磁通與干擾磁通方向相反，互相抵消，明顯降低磁場(chǎng)耦合感應(yīng)電壓。兩端接地可將感應(yīng)電壓降到1%以下，這對(duì)抵抗大功率電磁干擾較為有效。

上述屏蔽措施都需要與大地做良好的連接，因此制作一個(gè)良好的接地體，盡量減少接地電阻，是保障系統(tǒng)免受干擾的重要措施。接地采用接地銅棒，將銅棒垂直砸入地面1米深度以下，并使用銅帶將接這些銅棒連接，形成一個(gè)良好的接地網(wǎng)，最后將所有需要屏蔽的設(shè)備接入這個(gè)接地網(wǎng)。這樣制作的接地網(wǎng)接地電阻應(yīng)小于1，對(duì)降低二次系統(tǒng)的共模干擾，切斷干擾傳播途經(jīng)十分有利。

(2)應(yīng)用電子式互感器。電子式互感器是由連接到合并單元的一個(gè)或多個(gè)電流或電壓互感器組成的一種裝置，用以傳輸正比于被測(cè)模擬量的數(shù)字值，為微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置提供數(shù)字化的電流電壓值。它由傳感模塊和合并單元兩部分構(gòu)成，傳感模塊安裝在高壓一次回路，負(fù)責(zé)采集變換一次側(cè)的電壓電流值。合并單元安裝在二次回路，負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)傳感模塊傳送來(lái)的信息做合并處理，然后按照地址要求送至不同的裝置。電子互感器的傳感元件和傳輸元件都是光纖，能提高抗干擾能力，安全可靠性高。以全光纖電流互感器為例，它主要由三相敏感環(huán)、電氣單元和傳輸光纖組成，采用特有的閉環(huán)控制技術(shù)，動(dòng)態(tài)范圍大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如(圖1)所示。此外電子式互感器還能解決傳統(tǒng)鐵芯式電磁互感器帶有的鐵芯飽和鐵磁諧振等問(wèn)題。

圖1 三相全光纖電流互感器結(jié)構(gòu)圖

(3)對(duì)輸入采樣值的抗干擾糾錯(cuò)。保護(hù)裝置的模擬輸入量之間存在著某些可以利用的規(guī)律。例如，三相電流和零序電流之間有：

上式提供了一個(gè)判別各采樣值是否可信的方便的依據(jù)。對(duì)每一次采樣值都進(jìn)行一次分析，只有在滿足公式的前提下才允許這一組采樣值保存并提供給CPU作進(jìn)一步的處理。如果由于干擾導(dǎo)致輸入采樣值出錯(cuò)，可以取消不能通過(guò)檢查的采樣值，等干擾脈沖過(guò)去，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常后再恢復(fù)工作。這相當(dāng)于晶體管保護(hù)在第一級(jí)觸發(fā)器設(shè)置一個(gè)延時(shí)躲開(kāi)干擾的方法，不同點(diǎn)是微機(jī)保護(hù)的延時(shí)不是固定的，更加靈活。

(4)在智能電子設(shè)備輸入輸出端口采取光電隔離措施。微機(jī)保護(hù)裝置中的開(kāi)入回路主要用來(lái)采集設(shè)備的開(kāi)關(guān)量、位置量、人工輸入量等信號(hào)，經(jīng)過(guò)裝置邏輯運(yùn)算后再由開(kāi)出回路向斷路器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)、告警信號(hào)等，多數(shù)微機(jī)保護(hù)裝置開(kāi)入開(kāi)出回路全部采用普通電子線路實(shí)現(xiàn)，很容易受到電磁傳導(dǎo)干擾，因此在選擇微機(jī)保護(hù)裝置的輸入、輸出板時(shí)應(yīng)選擇具有光電隔離功能的板卡。如(圖2)和(圖3)在開(kāi)入開(kāi)出回路分別增加光電隔離裝置，通過(guò)發(fā)光二極管和光敏元件實(shí)現(xiàn)光電隔離，避免電磁波對(duì)采樣信號(hào)產(chǎn)生干擾，切斷干擾進(jìn)入裝置的途徑。

圖2 開(kāi)入回路設(shè)計(jì)原理

圖3 開(kāi)出回路設(shè)計(jì)原理

在開(kāi)出回路經(jīng)過(guò)光電隔離驅(qū)動(dòng)板繼電器完成開(kāi)出功能的同時(shí)，開(kāi)出一路信號(hào)(DIF)作為開(kāi)出的校驗(yàn)回路接入開(kāi)入回路，這樣就可以完成整個(gè)回路的自檢功能，如果DIF開(kāi)入回路沒(méi)有收到DIF變位信號(hào)，則認(rèn)為微機(jī)保護(hù)裝置在執(zhí)行開(kāi)出信號(hào)輸出時(shí)發(fā)生故障，會(huì)再次執(zhí)行一次輸出運(yùn)算，直到裝置可靠地發(fā)出跳閘信號(hào)，防止開(kāi)出回路失效造成拒跳。

4.2 干擾造成裝置故障時(shí)的恢復(fù)措施

以上措施都是為了最大程度的切斷干擾源，避免干擾進(jìn)入微機(jī)保護(hù)裝置，可是一旦干擾進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部，造成了微機(jī)程序出格，除了上面提到的出口閉鎖措施以防止保護(hù)誤動(dòng)外，我們只能希望盡快發(fā)現(xiàn)程序出錯(cuò)，并能自動(dòng)地使它重新恢復(fù)正常，以免發(fā)生裝置拒動(dòng)問(wèn)題。但此時(shí)任何軟件措施都無(wú)濟(jì)于事，因?yàn)镃PU已不再按預(yù)定的程序工作，因此必須用專(zhuān)用的硬件電路來(lái)檢測(cè)程序出格，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)正常。這時(shí)就需要一個(gè)硬件自恢復(fù)電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

(圖4)表示了硬件自恢復(fù)電路。其中A點(diǎn)接至微機(jī)保護(hù)硬件電路的并行接口的輸出端口位，當(dāng)程序沒(méi)有出格時(shí)，由軟件安排使該點(diǎn)電位按一定的周期T在1和0之間周期性地變化。A點(diǎn)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(gè)瞬時(shí)返還而延時(shí)t1動(dòng)作的元件。延時(shí)元件的輸出接至或門(mén)的兩個(gè)輸入端，在正常時(shí)兩個(gè)延時(shí)元件都不會(huì)動(dòng)作，或門(mén)輸出為0。一旦程序出格，A點(diǎn)電位停止變化，不論它停在1態(tài)還是0態(tài)，兩個(gè)延時(shí)元件中總有一個(gè)動(dòng)作，動(dòng)作后通過(guò)或門(mén)啟動(dòng)單穩(wěn)觸發(fā)器，觸發(fā)器的輸出脈沖接至CPU復(fù)位端(RESET)，因而使保護(hù)裝置重新初始化，恢復(fù)正常工作。

圖4 程序出格的自恢復(fù)電路

5 結(jié)語(yǔ)

以上就是根據(jù)廣播發(fā)射臺(tái)變電站自動(dòng)化設(shè)備的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出解決變電站自動(dòng)化系統(tǒng)各類(lèi)干擾問(wèn)題的抗干擾措施，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)比較和測(cè)試，效果明顯，取得了較好的應(yīng)用效果。

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