電能信息采集終端的抗電快速瞬變脈沖群干擾

0引言
近年來(lái)，南方電網(wǎng)公司和廣東電網(wǎng)公司非常重視線(xiàn)損“四分”分析系統以及計量自動(dòng)化系統的建設工作，電能信息數據的準確采集就成為了最為關(guān)鍵的一環(huán)，電能信息采集終端是現場(chǎng)數據采集和處理的終端設備裝置，廣東電網(wǎng)公司目前建設的主要有大客戶(hù)負荷管理終端、配變監測計量終端、廠(chǎng)站電能遙測計量終端以及低壓集中抄表終端等。
采集終端是集成電子、通信、計算機、自動(dòng)化技術(shù)為一體的電力自動(dòng)化裝置，主要工作在變電站、配電變壓器附近或配電柜環(huán)境中，且相當一部分安裝在室外，環(huán)境非常惡劣，存在較強的電磁干擾和輻射的影響，主要干擾輻射有浪涌、振蕩波、靜電放電、電快速脈沖群、射頻磁場(chǎng)輻射等。終端電磁兼容性(EMC)設計優(yōu)劣直接決定設備工作可靠性和壽命，脈沖群信號是導致終端設備的故障的重要原因之一，電快速脈沖群防護是采集終端設備電磁兼容性設計中最大的難題，故其合理的設計就顯得尤為重要。
1電能信息采集終端的電快速脈沖群干擾
1．1電磁兼容性(EMC)與電快速脈沖群(EFT／B)【1】電磁兼容性是指設備或系統在電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力，電子設備的電磁兼容性設計是開(kāi)發(fā)工程師必須考慮的問(wèn)題。電快速瞬變脈沖群指快速瞬變的一串數量有限的清晰脈沖或一個(gè)持續時(shí)間有限的振蕩。

1．2電能信息采集終端的電快速脈沖群干擾來(lái)源電能采集終端脈沖群干擾產(chǎn)生原因比較復雜，經(jīng)研究分析，主要原因為：終端設備掛裝在變電站及配電網(wǎng)二次回路上，與相應一次回路和二次回路的其他設備處于同一電磁空間，回路系統中電感性負載(如繼電器、接觸器等)斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)間隙的絕緣擊穿或觸點(diǎn)彈跳，導致在斷開(kāi)處產(chǎn)生暫態(tài)騷擾信號，即電快速脈沖干擾信號，干擾信號可以通過(guò)變壓器、互感器及空間耦合傳遞。
1．3電快速脈沖群信號傳播途徑
電快速脈沖群對終端的傳播途徑有終端設備電源線(xiàn)、接地線(xiàn)、信號線(xiàn)等，除傳導干擾外還含有輻射干擾的成分，大大增加了快速脈沖群防護的難度。
2電能信息采集終端的抗電快速脈沖群干擾的要求
2．1電能信息采集終端的構成
電能信息采集終端設備主要完成數據采集存儲、數據處理上傳、事件告警等功能，根據廣東電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)規范的功能要求，我們在硬件設計中主要分成電源單元、主控單元、通信模塊單元、遙控遙信單元、計量單元、人機接口模塊、檢測單元等‘
2．2電快速脈沖群干擾對電能信息采集終端的影響前面已經(jīng)提及電快速脈沖群信號通過(guò)電源線(xiàn)(強電)、狀態(tài)信號線(xiàn)或RS485通信線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)模塊天線(xiàn)等對終端傳導或輻射干擾，從理論和試驗經(jīng)驗來(lái)講脈沖群干擾信號可能導致終端出現的故障現象有：終端CPU工作異常、電能計量不準確、RS485數據采集異常、 GPRS／CDMA無(wú)線(xiàn)通信異常、電源部分損壞、液晶顯示異常等。即對終端的硬件和軟件均可能造成影響。
2．3電能信息采集終端的抗電快速脈沖群干擾的要求

根據廣東電網(wǎng)公司的相關(guān)標準，要求在電快速脈沖群試驗(試驗條件如表1)中電能信息采集終端不能損壞，數據采集、信息顯示不能出現異常，已存儲信息量不能發(fā)生變化，不發(fā)生錯誤遙控動(dòng)作等‘2劃。
3電能信息采集終端的抗電快速脈沖群千擾的設計【5～引
3．1電源回路感性濾波設計
電源回路中脈沖干擾分為共模干擾和差模干擾兩種，針對不同的干擾源應采取不同的處理措施。解決電源回路抗干擾問(wèn)題，在設計中采取共模濾波器(圖1)和磁珠 (圖2)實(shí)現濾波，阻止干擾信號進(jìn)入設備。

3．2電路容性濾波抗干擾設計
設計中采取在電源整流后加上1 000 u F以上電解電容可實(shí)現工頻和低頻濾波，在開(kāi)關(guān)穩壓管后增上1 000 u F、0．1 Il F、100 pF的小電容實(shí)現低
頻和高頻濾波。如果電源回路使用共模濾波電容，其容量可參考EFT耦合裝置使用的容量，效果非常理想。當要濾除的噪聲頻率確定時(shí)，可以通過(guò)調整
電容的容量，使諧振點(diǎn)剛好落在騷擾頻率上。
脈沖干擾的頻率往往很高，采用三端電容利用其一個(gè)電極上的兩根引線(xiàn)電感構成了T型低通濾波器，來(lái)消除了傳統電容器中引線(xiàn)電感的不良影響，提高了高頻濾波特性。
3．3交流采樣電路抗干擾設計
對大客戶(hù)電力負荷管理終端、配變監測計量終端等設備來(lái)講，交流采樣是非常重要的功能。終端設備對電流、電壓采樣的準確性和精度要求很高，這樣就對交流采樣電路的抗脈沖干擾設計提出了嚴格的要求。
(1)電流采樣回路
如圖3所示，在電流回路上串聯(lián)貼片磁珠L(cháng)204、L205實(shí)現高頻信號的干擾抑制，電阻R230和電容C210來(lái)實(shí)現阻容濾波，U202為三端濾波器，有效提高電流小信號抗干擾性。

3．4信號線(xiàn)抑制電快速瞬變脈沖群干擾設計
快速脈沖通過(guò)控制／信號線(xiàn)注入干擾，一般為容性耦合，屬共模注入方式。在設計時(shí)采取以下措施。
(1)信號電纜屏蔽
終端設備抄讀電能表的RS485通信線(xiàn)采用帶屏蔽的通信電纜線(xiàn)，達到抑制干擾的效果。
(2)信號線(xiàn)路上設計共模扼流圈
在信號線(xiàn)上增加共模扼流圈來(lái)抑制各種電磁干擾，保證信號可靠。另外還可以增加共模濾波電容，尤其是PCB板之間的插針、插座相接位置的信號線(xiàn)上增加小容量的pF級的電容。
(3)瞬變二極管(TVS)抑制脈沖干擾
TVS管是一種限壓保護器件，利用器件的非線(xiàn)性特性將過(guò)電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值對后級電路的保護，在瞬態(tài)騷擾時(shí)能有效抑制干擾。
3．5 PCB板設計
結合經(jīng)驗，為了抑制電快速瞬變脈沖群干擾，在終端印刷電路板(PCB)電子線(xiàn)路設計和走線(xiàn)中應做好以下幾點(diǎn)。
(1)避免高頻干擾：盡量降低高頻信號電磁場(chǎng)的干擾，也就是所謂的串擾。拉大高速信號線(xiàn)和模擬信號線(xiàn)之間的距離，同時(shí)注意數字地對模擬地的噪聲干擾。
(2)避免高速布線(xiàn)與EMI的沖突：因抗EMI所加的電阻電容，能造成信號的一些電氣特性不符合要求。所以，設計中最好通過(guò)走線(xiàn)和PCB疊層的技巧來(lái)解決或減弱影響，如高速信號走電路內層。
在此基礎上再用電阻電容的方式，以降低對正常信號的影響。
(3)信號地的設計：微弱的數字信號(如無(wú)線(xiàn)通信SIM卡信號)極易受到高頻信號的干擾，設計中數字信號地、高頻信號地與其他信號地盡量采用單點(diǎn)接地方式，來(lái)避免高頻信號通過(guò)地傳播于擾其他信號。
(4)良好的鋪銅設計。
4試驗與測試結果
采用先進(jìn)的HAEFEL，Y公司電快速瞬變脈沖群試驗儀(PEFT4010發(fā)生器、FP．EFT32．1去耦網(wǎng)絡(luò )、測試專(zhuān)用電容耦合夾)，按照3．3章節要求，對上述設計方案的電能信息采集終端進(jìn)行試驗(如圖5所示)，終端未出現任何工作異常。
用示波器對終端設備的電源進(jìn)行波形監測，圖6、圖7分別是單個(gè)脈沖干擾和脈沖群干擾波形圖，通過(guò)傳導方式經(jīng)交流電源輸入端對終端設備進(jìn)行干擾。經(jīng)過(guò)上述抗脈沖群干擾設計，圖8是監測到的終端設備主電源的波形圖，可見(jiàn)脈沖群干擾已基本上得到抑制，波形所示只是小幅度瞬時(shí)的變化，不

5結論
本文從電力系統中電快速脈沖群信號分析出發(fā)，結合筆者多年對電能采集終端研究以及其抗脈沖群干擾測試的經(jīng)驗與理解，重點(diǎn)介紹了電能采集終端抗干擾的具體設計方法。經(jīng)測試證明，終端具有很強的抗電快速脈沖群干擾能力，運行穩定可靠。其完全滿(mǎn)足技術(shù)規范和現場(chǎng)運行要求，為供電部門(mén)電能數據監測、線(xiàn)損分析、電能質(zhì)量分析等提供了數據保障。