简议变电站二次设备抗干扰的问题

姚进慧

摘要: 本文阐述了变电站现场中各种干扰问题对二次设备的影响,分析了干扰产生的原因, 并从硬件设计和系统软件上提出增强系统抗干扰能力的措施,对二次设备的安全稳定运行起到非常重要的作用。

关键词: 变电站; 二次设备; 抗干扰; 屏蔽; 接地;措施

大多变电站采用综合自动化的方式, 变电站二次设备多数是微机型自动装置和微机保护, 其以通信网络技术为基础, 把各种继电保护装置及远动装置与自动装置和调度端连接起来, 让其达到高速度、高质量、高灵活性和低成本的生产管理。但由于变电站所处的特殊环境, 使其内部的二次设备受到各种各样的干扰。为了提升变电站运行的安全性和工作的可靠性, 去除干扰引起的故障问题, 应在变电站设计时全面考虑, 根据干扰源采取抗干扰措施。对不可避免的干扰问题应采取相关措施削弱或消除干扰。通过以下分析干扰的来源, 从硬件和软件两方面采取措施，探讨怎样提高二次设备抗干扰的有效方法。

一、干扰源的种类

变电站的干扰原因主要有以下几种: a)地电位差干扰; b)交变磁场干扰; c) 自然干扰; d) 导线相互耦合干扰; e) 电源系统引入的干扰。

在变电站二次设备中所受到的干扰,其干扰原因有各种各样的, 而且不断变化, 如各种通讯器材、产生高频信号的仪器等。采取相应的软硬件措施, 可以消除或削弱这些干扰。

二、硬件抗干扰措施

1．在硬件上将干扰源尽可能屏蔽掉

二次设备的外壳应屏蔽接地, 装置的活动部分也要可靠连接, 比如柜门、机箱盖板等应与接地点可靠导通,保证有良好的电气连接。对变电站的墙壁,有需要时可安装金属网，地板可装防静电地板。

2．装置的接地点应正确、可靠

装置接地点的选择关系到系统运行的稳定性和可靠性。在实践中由于接地不良或方法错误造成设备异常运行甚至损坏的事例很多。 因此，接地必须慎重处理。变电站一般需要设四套独立的接地系统:

a) 电气接地系统：用于不间断电源(UPS) 和隔离变压器屏蔽层接地, 以防止电网杂波窜入二次系统;

b) 变电站室内屏蔽和防静电接地系统：主要是站内屏蔽接地、防静电系统接地和设备机箱外壳接地;

c) 变电站防雷接地系统：用于防止自然的雷击等危害;

d) 控制系统专用接地系统：为二次设备专用的设施, 不允许与其它任何设备相连, 以免造成干扰。上述四套接地系统绝对不允许相互混用,在接地位置上要保证有一定的安全距离。

3．对电源系统采取的抗干扰措施

为了保证二次设备可靠运行, 对装置的电源可采取以下的抗干扰措施:

a) 要保证供电电压波形稳定, 可使用 UPS来稳定工作电源, 并尽可能使用变电站的直流电源。

b) 应采用隔离变压器, 隔离共模干扰, 防止电网噪声干扰窜入控制系统以及强雷电压对装置的损坏。

c) 使输出回路尽可能短, 使用的电缆芯不能过小, 以减小压降。

4．二次回路的抗干扰措施

a) 正确安装电缆的屏蔽层, 采用带屏蔽层的控制电缆, 并将屏蔽层在开关场和控制室两端同时接地, 通讯电缆的屏蔽层也应正确可靠相连接地。

b) 弱信号导线不得与强电导线共用一根电缆, 尽可能将它们分开排放。

c) 交直流回路禁止共用同 —根电缆, 防止造成相互干扰, 或因电缆芯绝缘下降造成短路, 使交流电压传入直流回路, 烧坏设备的电源模块或输入部件等。

d) 规范控制电缆的敷设, 变电站设计时应考虑好电缆沟的走向, 避免与电力电缆距离过近,尽可能远离变压器中性点及避雷针、避雷器等,并尽量不要与高压线平行。

e) 为二次设备和二次电缆敷设专用接地铜排, 构造等电位面, 消除地电位差干扰。

f) 电流互感器、电压互感器的二次回路应保证一点接地。

g) 电压互感器二次回路和三次回路应相互独立。对于电压互感器, 过去传统的接线是电压互感器(TV)二次回路和三次回路的中性线公用一根电缆芯接到 N600 小母线上, 对于常规保护而言也未发现不足之处, 且一直在系统内应用。随着微机保护的广泛使用, 其应用自产开口三角电压(3U0 ) 来实现接地方向保护的特点使 TV 公用中性线可能造成零序方向保护误动的危害也暴露出来。由于二次和三次回路中性线共用一根电缆使得微机保护自产3U0受到了三次回路 3U0的影响, 其影响主要由三次回路的负载电阻及共用电缆芯的电阻所决定。公用中性线, 则可能使微机保护自产3U0和三次回路的 3U0反向, 从而造成接地零序方向保护正方向拒动、反方向误动的后果。

h) 可在信号输入端加装无源滤波器, 削弱窜入的干扰信号。无源滤波器可分为“Γ”型和双T”型无源滤波器。其中“Γ”型滤波器滤波范围较宽, “T”型滤波器的特性近似于工频谐振特性。它们对工频干扰都有较强的削弱作用。

i) 变电站所有开关量的输入和输出触点 (跳闸和监视信号) 以及数字量输出 (如串口) 都应采用光电隔离。

三、二次设备的软件抗干扰措施

二次设备采取的软件抗干扰措施就是通过各种数字滤波把采集到的干扰信号消除或削弱。数字滤波是通过程序实现的, 所以在设备选型时就应该考虑, 它无需增加硬件设备, 只需修改一下软件, 增加一些对输入信号进行处理的程序即可其功能在一定程度上可以代替模拟滤波器, 甚至可以完成其不能完成的功能。滤波程序有几种,不同的滤波方法可达到改变滤波参数的目的, 但对设备的判断和处理速度会产生不同的影响。现对以下几种常用的软件滤波技术作简单介绍:

1．算术平均值滤波

算术平均值滤波就是将本次实际采样值 Xn和前几个周期的采集值进行算术平均得到的值作为本次采样值。其特点是: 对采样信号进行算术平均, 得到平滑的数据。可以抵制周期性的干扰信号, 所取的采样值越多, 数据的平滑程度越高但这种算法使灵敏度降低, 对那些灵敏度很高的设备不适用。

算术平均值公式为

Yn =( X1 + X2 + X3 + …Xn)/ n.

2．加权平均值滤波算法

为提高灵敏度, 可以采用加权平均值滤波算法, 也就是将最近的采样值 Xn的比重在算术中加大, 来提高设备对干扰的灵敏度。

加权平均值公式为

Yn=A1 X1 +A2 X2 +A3 X3 + …+An Xn .

式中: 0 < A1 < A2 < A3 < …< An ;

A1 +A2 +A3 + …+An =1.

3．一階低通滤波算法

在模拟数字技术中可以用一阶低通滤波 RC电路来削弱干扰信号。但是 RC 滤波器的时间常数受到电容器大小的影响, 而使用一阶数字低通滤波就可不受硬件的影响, 其效果是一样的。算法的公式表示为:

式中: Ts ———采样周期;

τ———一阶滤波器的时间常数;

Yn- 1———滤波器的上次输出;

Yn ———滤波器本次输出;

Xn ———滤波器本次输入。

4．中值滤波算法

中值滤波算法就是把 3 个采样数据, 按数值从小到大排列, 取中间一个作为本次采样数据,这种算法能够有效地消除由于偶然因素引起的波动或由于采样元件不稳定造成的误码等脉冲干扰。对于缓慢变化的过程比较有效。

5．复合滤波算法

复合滤波算法就是把中值滤波和算术平均值滤波两种方法结合使用。即把采样数据按数值从小到大排列, 去掉最大值和最小值, 将余下的采样数据求平均值。这种方法集中两种算法的优点, 提高了滤波的效果。

6．程序判断滤波算法

程序判断滤波算法就是将最近的几个数据比较, 求出差值, 再与设定的允许值比较, 判断是否为干扰信号。可分为限幅滤波算法和限速滤波算法两种。

四、结束语

本文以上各种软硬件抗干扰方案措施, 在某公司所辖变电站已得到了广泛应用, 取得良好的效果。由于该地区有较多的陶瓷厂,干扰很严重, 导致该装备采样变化性大, 所以该公司请求厂、商家通过软件采用复合滤波算法,提高了该装备采样值的稳定性, 这是一个典型的采用软件抗干扰的成功案例。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。