计算机应用
Computer Applications
1999年 第19卷 第7期  Vol.19 No.7 1999



开关量采集的抗干扰问题及解决方法

唐广瑜

　　开关量采集是计算机应用中常见的问题。在变电站综合自动化系统中，对于信号采集的准确性与实时性都有较高要求，如微机保护装置、监控系统、以及自动化装置都要求开关量采集及时、准确，否则会造成遥信误判，甚至导致保护误动作。在某些特定情况下，准确性与实时性可能产生冲突。如果只顾及准确性，就要以较长的时间为代价，无法满足电力系统对开关量变位时间分辨率的要求。但只顾及实时性，就可能判断不准，造成开关量的频繁变位，影响装置的正常工作。所以，妥善地解决开关量采集的实时性和准确性问题对实现变电站综合自动化有相当重要的意义。
　　我们在一套变电站监控系统的调试工作中，装置由于抗干扰能力差，经常误报遥信变位。变电站均采用220V直流电源作为断路器操作电源及各装置工作电源。如遇短时间大电流工作过程（如合断路器），可能引起直流电压波动，产生操作回路对信号回路的干扰,还有一些闭合接点的抖动等，都可能导致误报遥信变位。本文针对该装置中开关量采集电路存在的问题进行了定性和定量分析，提出了改进建议。　　
1　分析方法
　　用电路解析法和计算机仿真手段分析原设计及改进设计电路在正常状态，脉冲干扰，交流干扰条件下的工作性能。仿真使用MicroSim Eval 7.1软件。　　
2　原设计存在的问题
2.1　电路原理及定性分析
　　原设计电路如图1所示。　　


图1　原设计电路图
　　从图中可见，在V10输入端有干扰脉冲时，抗干扰电容C50在初始时刻将与光电耦合器件Dout分担流过的电流，而光耦的导通电流仅需约1mA，即光电耦合器件Dout将立刻导通，C50被旁路，充电过程被终止。可见，C50未能达到抗干扰目的。
2.2　直流干扰脉冲的影响
　　稳压管D45电压U3=U10*R30/(R23+R30)>18V，即干扰脉冲U10 >67.2V时，D45将立即导通。
　　流过Idt=1.5mA电流时，光耦将可靠导通，此时脉冲电压为：
U10=((Idt*R34+UD45)/R30+Idt)*R23=197V 
　　可见，当干扰电压大于197V时，Dout导通，监控系统会误报遥信变位信号。
　　以下波形是用MicroSim Eval 7.1软件仿真模拟原设计电路的结果。从图中可以看出，即使V10仅有1mS的220V干扰脉冲，Dout也将流过1.54mA电流，足以引起一次误遥信。　　


图2　干扰脉冲对原设计的影响

2.3　低电压状态时的可靠性分析
　　若变电站直流系统电压较低为200V，则电路分析如下：(I1+I2)*R23+1.7+R30*I2=UIN
((I1* R34+UD45+1.7)/R30+I1)*R23+1.7+I1*R34+UD45+1.7=200
((I1* 6.2+18+1.7)/30+I1)*82+1.7+I1*6.2+18+1.7=200
　　在此情况下，流过光电耦合器件的电流只有I1=1.32mA。如果此时有变位信号发生，监控系统将无法检测到该变位信号，或发生信号抖动，这是无法容忍的。(仿真图略)　　
3　改进后的电路及其分析
3.1　改进后的电路原理及定性分析
　　针对原设计的不合理处，在不影响正常导通的前提下，增加了一只稳压管，提高了击穿电压，去掉了R34，并将抗干扰电容前移，使C30有了合理的充放电回路。干扰脉冲加入时，稳压管不导通，C30充电过程有效地吸收了脉冲；干扰脉冲过后，C30经R30放电。从而避免了光电耦合器件Dout受干扰而导通。这一改进在现场实践中已取得了令人满意的结果，以下将作定量分析。


图3　改进后的电路

3.2　抗直流干扰脉冲能力分析
　　充电时间常数为：
　　τ=R23*C30=82K*0.1u=8.2ms 
　　要使Dout导通，电容C30的电压必须高于 UD50+UD34=42V。 
　　C30的零状态响应为： UC=UIN（1-e-t/τ）
　　所以 42<UIN（1-e-t/τ）=220(1-e-0.12t) 
　　1-42/220 < e-0.12t ，得出 t < 1.8ms 
　　所以外界干扰小于2ms时，改进后电路不会受到影响。
　　改进后电路抗直流干扰仿真结果如下。从仿真结果可以看到，抗干扰电容的充放电过程平缓，流过光耦初级的电流极小，抗干扰能力显著提高。　　


图4　改进后电路抗直流干扰仿真波形

3.3　接点正常导通状态的可靠性分析
　　流过Dout的电流大于1.5mA，光耦能可靠启动。若变电站直流电压偏低为200V，修改后的电路可以保证流过光耦的电流为I(Dout)=(UIN-UD34-UD50-1.7*2)/R23=1.88mA >1.5mA，能保证可靠性。
3.4　抗交流干扰信号能力
　　除直流系统外，变电站还有50Hz交流系统，交直流电缆交错排列，所以直流系统中可能会出现50HZ及其倍频的干扰信号，开关量输入电路必须保证不受其干扰。原设计电路在交流干扰下处于导通的边界状态，抗干扰能力很不理想，修改后的电路对于幅值40V以下50Hz频率干扰，效果很理想，仿真结果如图6所示。
　　当干扰信号幅值达到100V时，0.5个周波后稳压管将导通。但后半个周波中，稳压管截止，电容放电。放电时间常数为：R30*C30=100K*0.1u=10ms。此时出现频繁变位，但这是交直流击穿的极端情况，已超出了正常的抗干扰范畴。　　


图5　改进后正常导通状态分析


图6　改进后抗工频50Hz干扰仿真波形

4　讨论
　　本文侧重于硬件抗干扰电路的分析。事实上，绝大多数监控系统及其它装置都有通过软件设延时消除干扰的方法，但往往以实时性为代价。如上例中，若软件中设计了3ms的滤波时间，只要Iout保持时间小于3ms监控系统就可将该抖动干扰滤出。但软件延时的设定容易出现随意性，而电力系统对于开关量变位信号要求达毫秒级，不宜采取此类软件延时措施。以下是一种软件抗干扰构思：在开关量跃变时，记录其时刻而不确认，在延时期间内，频繁检测开关量状态，如状态有变则重新计时，若直到延时期满仍为跃变后状态，则确认并以记录时刻为变位时间。这种方法显然易于实现而不会误识变位。　
唐广瑜 工程师．主要从事电力系统继电保护及远动调动自动化工作．
作者单位：唐广瑜（成都电业局继电保护所　四川．成都(610061)
收稿日期：1998-12-26
