电力通信设备实时监控系统中的隔离与抗干扰方案-

1、电力通信设备实时监控系统中的隔离与抗干扰方案Iso lati on and A n ti2in terference M ethod in R eal2ti m e M on ito ring of E lectrical Pow er Comm un icati on Equ i pm en t广东肇庆学院电子工程系(广东肇庆526061刘超英中国电信集团内蒙古电信公司网络部(内蒙古呼和浩特010020巴特儿内蒙古超高压供电局(内蒙古呼和浩特010030赵煜摘要:隔离和抗干扰是电力设备和以计算机为中心的监测系统可靠工作的保证。磁隔离和光隔离是目前可用的两种隔离技术,光隔离技术的频带宽、电磁干

2、扰小,但是不能传送能量类信号,磁隔离可以传送能量信号。文中把电力通信设备的待检测信号分成3类,设计和研制了针对不同信号的隔离变送电路。还给出了一个多输出前馈式直流直流隔离电源的设计方法。关键词:隔离;抗干扰;信号变送;实时监控中图分类号:TN915文献标识码:B文章编号:100329171(20040920031203电力通信设备完成变电站之间各类继电保护信号、设备运行状态等信号的传输,由于电力变电站大都座落在发电厂附近或城市远郊,当这些用于传输继电保护信号的电力通信设备发生短时性、突发性故障时,一般不容易被记录和发现。许多故障在发生前会有明显的现象,例如电源电压的波动、收发电平的波动和频率偏

3、移等,因此有必要实现对电力通信进行实时监测。通过实时监测可提前了解设备的运行状态,从而避免一些故障的发生;通过实时监测还可提高事故排查及设备年检的针对性。本文结合我国电力系统使用较广泛的ETL281类的电力载波机以及N S40A、NN45音频接口等讨论电力通信设备实时监控系统中的隔离问题和抗干扰问题。一般来说,计算机是现代实时监控系统的核心。对于电网来说,安全运行是它的首位要求,也就是说所有信号的采集过程都不应影响原有设备的安全运行。反过来,电力系统的一些电噪声等干扰也不应影响计算机的正常运行。由于载波机工作在强电一侧,而计算机一侧的工作电压相对较低,除了采用工控机等措施外,设计出既能正确传输

4、信号又不影响系统安全性的隔离电路是系统安全运行的保障。1待监测信号的分类按照电特性进行分类,电力通信设备待监测的信号主要可以分为下面3类:(1线性电压信号这类信号包括电平范围在118210V的收发信压控电平(R xV CO,T xV CO,标称值为5 V、+12V、-12V的直流工作电源,标称值为48 V的直流后备逆变电源和标称值为220V的交流电源等。对这些电压信号要求变送电路能按线性规律把它们转换成可供计算机进行A D变换的电平,以便监测这些电源电压是否发生波动。(2开关信号这类信号只有高低两个电平,包括各种告警信号如COMM ONALA RM、R xALA RM、CAB I N ETAL

5、A RM等;各种命令如T x COMM ANDA、T x COMM ANDB、AU X BOO ST 等。(3频率信号包括10004000H z之间的导频信号和音频信号;频率为10kH z量级的载波;包括收和发两种不同频率(R xFc,T xFc。对不同信号应采用不同隔离和变送方案。以下分别介绍针对各种信号所采用的隔离技术。2隔离电路的选择与设计目前可用于电气设备间的隔离方法主要有磁13N o.92004华北电力技术NOR TH CH I NA EL ECTR I C POW ER,2000029隔离和光隔离两种。磁隔离(或称变压器隔离是过去常用的隔离方法。光隔离方法有许多磁隔离方法不可比拟的

6、优点:(1体积小;(2抗电磁干扰性能好;(3频带宽,低端可以传输直流。它的缺点是不能传输能量类信号1,2。下面分别详细讨论各种信号的光隔离方法。211开关类信号的隔离开关类信号只有高低两个电平,一般用1和0分别表示高电平和低电平。但是在原电力设备一侧的高低电平与计算机一侧的高低电平并不一致,所以对开关信号的变送除了要考虑隔离问题外,还要考虑电平的变换和对光电耦合器的保护。开关信号采用光隔离技术比较方便,工作原理也比较简单。由一个光电耦合器件和一个三极管构成,在电路设计时使这两个器件都工作在开关状态,或者导通或者截止,组成串联的两级反相器。当电力设备一侧为高(低电平时,计算机一侧也为高(低电平。

7、设电力设备一侧的参考电位是A GND ,计算机一侧的参考电位是D GND ,由于第一级是光电耦合器,信号以光的形式耦合过来,A GND 和D GND 之间没有任何电的通路,因此输入和输出两侧是电隔离的。212电压类信号的隔离与变送电力设备中的大部分待测电压信号都是变化较慢的直流信号,而且动态范围大,最低的收发信压控电压(R xV CO ,T xV CO 仅为2V 左右,而后备逆变电源的电压标称值为48V ,即使是5%的动态范围就达214V 。设计隔离变送电路时应该充分考虑这个特点,图1 是电压类信号的隔离变送电路框图。首先把待测信号输入到分压器进行降压,然后把分压后的待测电压V in 与参考电

8、压Vrefl的差值送入光隔离差分放大器3,4,这样就解决了差分放大器动态范围小的问题。输入与输出电压之间的关系是:V o =kV i +Ck 是整个电路的电压传输系数,由分压器分压系数、放大器放大倍数决定。C 是由参考电压V ref2决定的一个常数。对于不同的待侧电压信号应选择不同的k 值和C 值。对于220V 交流电则先进行降压,然后经整流和滤波后送入隔离放大器。下表是实际测试到的48V 逆变后备电源一路输入输出的变送关系,从测试的数据可以看出在输入电压标称值附近变送关系的线性度良好。其它各路的结果也雷同。表1输出与输入电压关系VVin51213频率信号的隔离光耦合差动式放大器的特点是低端频

9、率可达直流,在实验室用正弦波实际测试高端可达1M H z ,无失真,无明显延时。对于第三类频率信号,包括1955H z ,2125H z ,2610H z 和3750H z 的导频信号和音频信号,以及两个分别对应于接收和发送的高频载波信号(项目实施站点的收信频率为48125kH z ,发信频率为44125kH z 。首先用差分式光电耦合器对其进行隔离变送,再进行频率分离、滤波等必要处理,之后输入计算机。214多路隔离电源原电力设备一侧输入信号源的参考电位情况比较复杂,如果把所有的参考电位连接在一起,可能造成信号之间的相互干扰。因此上述光隔离措施在电力设备一侧需要多组不共地的电源供电,计算机一侧

10、则选择一个公共参考点。由于本测试系统电源的需求功率比较小,所以选用前馈型(flyback ,从隔离的角度看属于磁隔离。基本的flyback DC 2DC 变换器是单输入2单输出式的5,在基本flyback DC 2DC 变换器的次级增加绕组就可以得到相互隔离的单输入2多输出隔离电源,各组电源的理论输出电压为5:V 2=ED1-D N iN 1式中,E 为初级电源电压,V 2为输出电压,D 是开关的占空比,N l 、N i 分别代表初级和各个次级绕组。调整次级匝数或占空比可得到不同的输出电压。为了使输出电压稳定,实际应用中让flyback DC 2DC 变换器的输出略高些,在后级用三端稳压器再次

11、稳压。负电源则让高电位端接地即可。3抗干扰措施由于采用光隔离技术,各部分间的电磁干扰23华北电力技术NOR TH CH I NA EL ECTR I C POW ER N o .92004(E M l相对小一些。但是通过地环路耦合的共模干扰是不能用光隔离措施解决的。目前可以采用的抗干扰措施主要有屏蔽、滤波和接地等几种6。在电力通信设备实时监控系统主要采用接地和滤波方法提高系统的抗干扰能力:(1在计算机一侧每个信号回路、电源回路保持各自独立的接地点,最后接到公共参考点上;(2每个电源在A C端都让电源线穿过小的磁环以滤除电源线耦合过来的杂波,在DC端则采用电容滤波方案。一般电力通信设备的工作频率

12、不是很高,因此在PCB布线时基本可以不考虑分布电容和分布电感的影响。屏蔽措施则主要解决高频下的电磁辐射干扰。4应用与结论按信号的不同,设计了实际的开关类信号、电压类信号和频率类信号变送电路。各种PCB板都设计成11c m×1815c m,由23路双列标准插接接口连接在母板上。母板也设计成PCB板,完成各功能板的电源输送和板与板之间的连接。整个变送器与后面的计算机及相应软件构成完整的用于电力通信设备的自动故障分析记录系统。该系统已应用在丰(镇达(拉特高压输电线路丰镇变电站一端的以ETL281载波机为核心的电力通信设备的自动监测中,经过近2年的运行,状态良好。参考文献1程开富1光电耦合器

13、的发展和应用1国外电子元器件,2002,(1:64662汪廷世,熊正明1W BV T121高速宽带跟踪型电量隔离传感器原理及其应用1传感器研究与开发,2002,21 (3:18203杨素行1模拟电子技术基础简明教程(第二版1北京:高等教育出版社,19984成红英,刘超英1差动式光隔离放大器的研制与应用1内蒙古大学学报(自然科学版,2002,33(5:572575 5H art D1In troducti on to pow er electron ics1N ew Yo rk:P ren tice2H all Inc1,19976王洪岩,王滨,智文虎1压力传感器的电磁干扰及其解决方案1传感器技

14、术,2000,19(5:4446收稿日期:2004204229作者简介:刘超英(1960,男,广东肇庆学院电子工程系副教授,华南理工大学博士生,主要研究方向为电力电子技术。(上接第11页1%时,可引起供电煤耗上升0132401387g k W h。锅炉蒸发量变化较大时(例如机组深度调峰时,会对锅炉散热损失产生一定影响,因而供电煤耗会有一定的变化(当然由于机组负荷变化影响机组循环效率,从而影响供电煤耗的变化需要另外计算,在此不做论述。当煤质变化较大,导致折算灰分变化较大时,还应考虑由灰渣物理热损失变化引起的供电煤耗变化。在实际应用中,可根据各个小指标的变化值计算出各自对供电煤耗影响的量值,进而分

15、析确定影响供电煤耗变化的主要因素,为节能措施的制定提供依据。3上述分析方法的适用范围(1由于式(2是在只有锅炉热效率变化的前提下推导出的,因而当机组其它设备效率(汽机效率、管道效率和厂用电率同时变化时,用此法分析供电煤耗变化会有一定误差,但经计算当机组各项效率同时变化分别不超过2%时,由此而引起的供电煤耗变化的计算误差不会超过4%,这对一般工程分析还是允许的。当机组的各项效率均有较大变化时,可用更精确的方法计算。(2在推导b1,、b2、b3、b5计算公式的过程中,均是以锅炉效率为某一定值来代入进行推导的。经计算,在锅炉效率为87%92%的范围内,由于锅炉效率变化而导致的煤耗变化的计算误差不会超过5175%,即如果煤耗变化为1g k W h,其计算误差不会超过010575g k W h,这样的精度对于指标的分析来说还是允许的。(3本计算方法中煤耗变化计算公式的推导过程中所引用的一些经验数据均取自燃煤锅炉的试验数据,因此所推出的公式只适用于燃煤锅炉。对燃油锅炉应重新