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，南方電網公司和廣東電網公司非常重視線損“四分”分析系統以及計量自動化系統的建設工作，電能信息數據的準確采集就成為了最為關鍵的一環(huán)，電能信息采集終端是現場數據采集和處理的終端設備裝置，廣東電網公司目前建設的主要有大客戶負荷管理終端、配變監(jiān)測計量終端、廠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、自動化技術為一體的電力自動化裝置，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發(fā)工程師必須考慮的問題。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持續(xù)時間有限的振蕩。

1．2電能信息采集終端的電快速脈沖群干擾來源電能采集終端脈沖群干擾產生原因比較復雜，經研究分析，主要原因為：終端設備掛裝在變電站及配電網二次回路上，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)斷開時，開關觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳，導致在斷開處產生暫態(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、接地線、信號線等，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，根據廣東電網相關技術規(guī)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提及電快速脈沖群信號通過電源線(強電)、狀態(tài)信號線或RS485通信線、無線模塊天線等對終端傳導或輻射干擾，從理論和試驗經驗來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無線通信異常、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

根據廣東電網公司的相關標準，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題，在設計中采取共模濾波器(圖1)和磁珠 (圖2)實現濾波，阻止干擾信號進入設備。

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以上電解電容可實現工頻和低頻濾波，在開關穩(wěn)壓管后增上1 000 u F、0．1 Il F、100 pF的小電容實現低
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，可以通過調整
電容的容量，使諧振點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電極上的兩根引線電感構成了T型低通濾波器，來消除了傳統電容器中引線電感的不良影響，提高了高頻濾波特性。
3．3交流采樣電路抗干擾設計
對大客戶電力負荷管理終端、配變監(jiān)測計量終端等設備來講，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，在電流回路上串聯貼片磁珠L204、L205實現高頻信號的干擾抑制，電阻R230和電容C210來實現阻容濾波，U202為三端濾波器，有效提高電流小信號抗干擾性。

3．4信號線抑制電快速瞬變脈沖群干擾設計
快速脈沖通過控制／信號線注入干擾，一般為容性耦合，屬共模注入方式。在設計時采取以下措施。
(1)信號電纜屏蔽
終端設備抄讀電能表的RS485通信線采用帶屏蔽的通信電纜線，達到抑制干擾的效果。
(2)信號線路上設計共模扼流圈
在信號線上增加共模扼流圈來抑制各種電磁干擾，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，利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個較低的電壓值對后級電路的保護，在瞬態(tài)騷擾時能有效抑制干擾。
3．5 PCB板設計
結合經驗，為了抑制電快速瞬變脈沖群干擾，在終端印刷電路板(PCB)電子線路設計和走線中應做好以下幾點。
(1)避免高頻干擾：盡量降低高頻信號電磁場的干擾，也就是所謂的串擾。拉大高速信號線和模擬信號線之間的距離，同時注意數字地對模擬地的噪聲干擾。
(2)避免高速布線與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，設計中最好通過走線和PCB疊層的技巧來解決或減弱影響，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(如無線通信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接地方式，來避免高頻信號通過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去耦網絡、測試專用電容耦合夾)，按照3．3章節(jié)要求，對上述設計方案的電能信息采集終端進行試驗(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行波形監(jiān)測，圖6、圖7分別是單個脈沖干擾和脈沖群干擾波形圖，通過傳導方式經交流電源輸入端對終端設備進行干擾。經過上述抗脈沖群干擾設計，圖8是監(jiān)測到的終端設備主電源的波形圖，可見脈沖群干擾已基本上得到抑制，波形所示只是小幅度瞬時的變化，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驗與理解，重點介紹了電能采集終端抗干擾的具體設計方法。經測試證明，終端具有很強的抗電快速脈沖群干擾能力，運行穩(wěn)定可靠。其完全滿足技術規(guī)范和現場運行要求，為供電部門電能數據監(jiān)測、線損分析、電能質量分析等提供了數據保障。