簡議變電站二次設備抗干擾的問題

姚進慧

摘要: 本文闡述了變電站現場中各種干擾問題對二次設備的影響,分析了干擾產生的原因, 并從硬件設計和系統軟件上提出增強系統抗干擾能力的措施,對二次設備的安全穩定運行起到非常重要的作用。

關鍵詞: 變電站; 二次設備; 抗干擾; 屏蔽; 接地;措施

大多變電站采用綜合自動化的方式, 變電站二次設備多數是微機型自動裝置和微機保護, 其以通信網絡技術為基礎, 把各種繼電保護裝置及遠動裝置與自動裝置和調度端連接起來, 讓其達到高速度、高質量、高靈活性和低成本的生產管理。但由于變電站所處的特殊環境, 使其內部的二次設備受到各種各樣的干擾。為了提升變電站運行的安全性和工作的可靠性, 去除干擾引起的故障問題, 應在變電站設計時全面考慮, 根據干擾源采取抗干擾措施。對不可避免的干擾問題應采取相關措施削弱或消除干擾。通過以下分析干擾的來源, 從硬件和軟件兩方面采取措施，探討怎樣提高二次設備抗干擾的有效方法。

一、干擾源的種類

變電站的干擾原因主要有以下幾種: a)地電位差干擾; b)交變磁場干擾; c) 自然干擾; d) 導線相互耦合干擾; e) 電源系統引入的干擾。

在變電站二次設備中所受到的干擾,其干擾原因有各種各樣的, 而且不斷變化, 如各種通訊器材、產生高頻信號的儀器等。采取相應的軟硬件措施, 可以消除或削弱這些干擾。

二、硬件抗干擾措施

1．在硬件上將干擾源盡可能屏蔽掉

二次設備的外殼應屏蔽接地, 裝置的活動部分也要可靠連接, 比如柜門、機箱蓋板等應與接地點可靠導通,保證有良好的電氣連接。對變電站的墻壁,有需要時可安裝金屬網，地板可裝防靜電地板。

2．裝置的接地點應正確、可靠

裝置接地點的選擇關系到系統運行的穩定性和可靠性。在實踐中由于接地不良或方法錯誤造成設備異常運行甚至損壞的事例很多。 因此，接地必須慎重處理。變電站一般需要設四套獨立的接地系統:

a) 電氣接地系統：用于不間斷電源(UPS) 和隔離變壓器屏蔽層接地, 以防止電網雜波竄入二次系統;

b) 變電站室內屏蔽和防靜電接地系統：主要是站內屏蔽接地、防靜電系統接地和設備機箱外殼接地;

c) 變電站防雷接地系統：用于防止自然的雷擊等危害;

d) 控制系統專用接地系統：為二次設備專用的設施, 不允許與其它任何設備相連, 以免造成干擾。上述四套接地系統絕對不允許相互混用,在接地位置上要保證有一定的安全距離。

3．對電源系統采取的抗干擾措施

為了保證二次設備可靠運行, 對裝置的電源可采取以下的抗干擾措施:

a) 要保證供電電壓波形穩定, 可使用 UPS來穩定工作電源, 并盡可能使用變電站的直流電源。

b) 應采用隔離變壓器, 隔離共模干擾, 防止電網噪聲干擾竄入控制系統以及強雷電壓對裝置的損壞。

c) 使輸出回路盡可能短, 使用的電纜芯不能過小, 以減小壓降。

4．二次回路的抗干擾措施

a) 正確安裝電纜的屏蔽層, 采用帶屏蔽層的控制電纜, 并將屏蔽層在開關場和控制室兩端同時接地, 通訊電纜的屏蔽層也應正確可靠相連接地。

b) 弱信號導線不得與強電導線共用一根電纜, 盡可能將它們分開排放。

c) 交直流回路禁止共用同 —根電纜, 防止造成相互干擾, 或因電纜芯絕緣下降造成短路, 使交流電壓傳入直流回路, 燒壞設備的電源模塊或輸入部件等。

d) 規范控制電纜的敷設, 變電站設計時應考慮好電纜溝的走向, 避免與電力電纜距離過近,盡可能遠離變壓器中性點及避雷針、避雷器等,并盡量不要與高壓線平行。

e) 為二次設備和二次電纜敷設專用接地銅排, 構造等電位面, 消除地電位差干擾。

f) 電流互感器、電壓互感器的二次回路應保證一點接地。

g) 電壓互感器二次回路和三次回路應相互獨立。對于電壓互感器, 過去傳統的接線是電壓互感器(TV)二次回路和三次回路的中性線公用一根電纜芯接到 N600 小母線上, 對于常規保護而言也未發現不足之處, 且一直在系統內應用。隨著微機保護的廣泛使用, 其應用自產開口三角電壓(3U0 ) 來實現接地方向保護的特點使 TV 公用中性線可能造成零序方向保護誤動的危害也暴露出來。由于二次和三次回路中性線共用一根電纜使得微機保護自產3U0受到了三次回路 3U0的影響, 其影響主要由三次回路的負載電阻及共用電纜芯的電阻所決定。公用中性線, 則可能使微機保護自產3U0和三次回路的 3U0反向, 從而造成接地零序方向保護正方向拒動、反方向誤動的后果。

h) 可在信號輸入端加裝無源濾波器, 削弱竄入的干擾信號。無源濾波器可分為“Γ”型和雙T”型無源濾波器。其中“Γ”型濾波器濾波范圍較寬, “T”型濾波器的特性近似于工頻諧振特性。它們對工頻干擾都有較強的削弱作用。

i) 變電站所有開關量的輸入和輸出觸點 (跳閘和監視信號) 以及數字量輸出 (如串口) 都應采用光電隔離。

三、二次設備的軟件抗干擾措施

二次設備采取的軟件抗干擾措施就是通過各種數字濾波把采集到的干擾信號消除或削弱。數字濾波是通過程序實現的, 所以在設備選型時就應該考慮, 它無需增加硬件設備, 只需修改一下軟件, 增加一些對輸入信號進行處理的程序即可其功能在一定程度上可以代替模擬濾波器, 甚至可以完成其不能完成的功能。濾波程序有幾種,不同的濾波方法可達到改變濾波參數的目的, 但對設備的判斷和處理速度會產生不同的影響。現對以下幾種常用的軟件濾波技術作簡單介紹:

1．算術平均值濾波

算術平均值濾波就是將本次實際采樣值 Xn和前幾個周期的采集值進行算術平均得到的值作為本次采樣值。其特點是: 對采樣信號進行算術平均, 得到平滑的數據。可以抵制周期性的干擾信號, 所取的采樣值越多, 數據的平滑程度越高但這種算法使靈敏度降低, 對那些靈敏度很高的設備不適用。

算術平均值公式為

Yn =( X1 + X2 + X3 + …Xn)/ n.

2．加權平均值濾波算法

為提高靈敏度, 可以采用加權平均值濾波算法, 也就是將最近的采樣值 Xn的比重在算術中加大, 來提高設備對干擾的靈敏度。

加權平均值公式為

Yn=A1 X1 +A2 X2 +A3 X3 + …+An Xn .

式中: 0 < A1 < A2 < A3 < …< An ;

A1 +A2 +A3 + …+An =1.

3．一階低通濾波算法

在模擬數字技術中可以用一階低通濾波 RC電路來削弱干擾信號。但是 RC 濾波器的時間常數受到電容器大小的影響, 而使用一階數字低通濾波就可不受硬件的影響, 其效果是一樣的。算法的公式表示為:

式中: Ts ———采樣周期;

τ———一階濾波器的時間常數;

Yn- 1———濾波器的上次輸出;

Yn ———濾波器本次輸出;

Xn ———濾波器本次輸入。

4．中值濾波算法

中值濾波算法就是把 3 個采樣數據, 按數值從小到大排列, 取中間一個作為本次采樣數據,這種算法能夠有效地消除由于偶然因素引起的波動或由于采樣元件不穩定造成的誤碼等脈沖干擾。對于緩慢變化的過程比較有效。

5．復合濾波算法

復合濾波算法就是把中值濾波和算術平均值濾波兩種方法結合使用。即把采樣數據按數值從小到大排列, 去掉最大值和最小值, 將余下的采樣數據求平均值。這種方法集中兩種算法的優點, 提高了濾波的效果。

6．程序判斷濾波算法

程序判斷濾波算法就是將最近的幾個數據比較, 求出差值, 再與設定的允許值比較, 判斷是否為干擾信號。可分為限幅濾波算法和限速濾波算法兩種。

四、結束語

本文以上各種軟硬件抗干擾方案措施, 在某公司所轄變電站已得到了廣泛應用, 取得良好的效果。由于該地區有較多的陶瓷廠,干擾很嚴重, 導致該裝備采樣變化性大, 所以該公司請求廠、商家通過軟件采用復合濾波算法,提高了該裝備采樣值的穩定性, 這是一個典型的采用軟件抗干擾的成功案例。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。