电能信息采集终端的抗电快速瞬变脉冲群干扰

0引言
近年来，南方电网公司和广东电网公司非常重视线损“四分”分析系统以及计量自动化系统的建设工作，电能信息数据的准确采集就成为了最为关键的一环，电能信息采集终端是现场数据采集和处理的终端设备装置，广东电网公司目前建设的主要有大客户负荷管理终端、配变监测计量终端、厂站电能遥测计量终端以及低压集中抄表终端等。
采集终端是集成电子、通信、计算机、自动化技术为一体的电力自动化装置，主要工作在变电站、配电变压器附近或配电柜环境中，且相当一部分安装在室外，环境非常恶劣，存在较强的电磁干扰和辐射的影响，主要干扰辐射有浪涌、振荡波、静电放电、电快速脉冲群、射频磁场辐射等。终端电磁兼容性(EMC)设计优劣直接决定设备工作可靠性和寿命，脉冲群信号是导致终端设备的故障的重要原因之一，电快速脉冲群防护是采集终端设备电磁兼容性设计中最大的难题，故其合理的设计就显得尤为重要。
1电能信息采集终端的电快速脉冲群干扰
1．1电磁兼容性(EMC)与电快速脉冲群(EFT／B)【1】电磁兼容性是指设备或系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力，电子设备的电磁兼容性设计是开发工程师必须考虑的问题。电快速瞬变脉冲群指快速瞬变的一串数量有限的清晰脉冲或一个持续时间有限的振荡。
1．2电能信息采集终端的电快速脉冲群干扰来源电能采集终端脉冲群干扰产生原因比较复杂，经研究分析，主要原因为：终端设备挂装在变电站及配电网二次回路上，与相应一次回路和二次回路的其他设备处于同一电磁空间，回路系统中电感性负载(如继电器、接触器等)断开时，开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳，导致在断开处产生暂态骚扰信号，即电快速脉冲干扰信号，干扰信号可以通过变压器、互感器及空间耦合传递。
1．3电快速脉冲群信号传播途径
电快速脉冲群对终端的传播途径有终端设备电源线、接地线、信号线等，除传导干扰外还含有辐射干扰的成分，大大增加了快速脉冲群防护的难度。
2电能信息采集终端的抗电快速脉冲群干扰的要求
2．1电能信息采集终端的构成
电能信息采集终端设备主要完成数据采集存储、数据处理上传、事件告警等功能，根据广东电网相关技术规范的功能要求，我们在硬件设计中主要分成电源单元、主控单元、通信模块单元、遥控遥信单元、计量单元、人机接口模块、检测单元等‘
2．2电快速脉冲群干扰对电能信息采集终端的影响前面已经提及电快速脉冲群信号通过电源线(强电)、状态信号线或RS485通信线、无线模块天线等对终端传导或辐射干扰，从理论和试验经验来讲脉冲群干扰信号可能导致终端出现的故障现象有：终端CPU工作异常、电能计量不准确、RS485数据采集异常、 GPRS／CDMA无线通信异常、电源部分损坏、液晶显示异常等。即对终端的硬件和软件均可能造成影响。
2．3电能信息采集终端的抗电快速脉冲群干扰的要求

根据广东电网公司的相关标准，要求在电快速脉冲群试验(试验条件如表1)中电能信息采集终端不能损坏，数据采集、信息显示不能出现异常，已存储信息量不能发生变化，不发生错误遥控动作等‘2划。
3电能信息采集终端的抗电快速脉冲群千扰的设计【5～引
3．1电源回路感性滤波设计
电源回路中脉冲干扰分为共模干扰和差模干扰两种，针对不同的干扰源应采取不同的处理措施。解决电源回路抗干扰问题，在设计中采取共模滤波器(图1)和磁珠 (图2)实现滤波，阻止干扰信号进入设备。

3．2电路容性滤波抗干扰设计
设计中采取在电源整流后加上1 000 u F以上电解电容可实现工频和低频滤波，在开关稳压管后增上1 000 u F、0．1 Il F、100 pF的小电容实现低
频和高频滤波。如果电源回路使用共模滤波电容，其容量可参考EFT耦合装置使用的容量，效果非常理想。当要滤除的噪声频率确定时，可以通过调整
电容的容量，使谐振点刚好落在骚扰频率上。
脉冲干扰的频率往往很高，采用三端电容利用其一个电极上的两根引线电感构成了T型低通滤波器，来消除了传统电容器中引线电感的不良影响，提高了高频滤波特性。
3．3交流采样电路抗干扰设计
对大客户电力负荷管理终端、配变监测计量终端等设备来讲，交流采样是非常重要的功能。终端设备对电流、电压采样的准确性和精度要求很高，这样就对交流采样电路的抗脉冲干扰设计提出了严格的要求。
(1)电流采样回路
如图3所示，在电流回路上串联贴片磁珠L204、L205实现高频信号的干扰抑制，电阻R230和电容C210来实现阻容滤波，U202为三端滤波器，有效提高电流小信号抗干扰性。

3．4信号线抑制电快速瞬变脉冲群干扰设计
快速脉冲通过控制／信号线注入干扰，一般为容性耦合，属共模注入方式。在设计时采取以下措施。
(1)信号电缆屏蔽
终端设备抄读电能表的RS485通信线采用带屏蔽的通信电缆线，达到抑制干扰的效果。
(2)信号线路上设计共模扼流圈
在信号线上增加共模扼流圈来抑制各种电磁干扰，保证信号可靠。另外还可以增加共模滤波电容，尤其是PCB板之间的插针、插座相接位置的信号线上增加小容量的pF级的电容。
(3)瞬变二极管(TVS)抑制脉冲干扰
TVS管是一种限压保护器件，利用器件的非线性特性将过电压钳位到一个较低的电压值对后级电路的保护，在瞬态骚扰时能有效抑制干扰。
3．5 PCB板设计
结合经验，为了抑制电快速瞬变脉冲群干扰，在终端印刷电路板(PCB)电子线路设计和走线中应做好以下几点。
(1)避免高频干扰：尽量降低高频信号电磁场的干扰，也就是所谓的串扰。拉大高速信号线和模拟信号线之间的距离，同时注意数字地对模拟地的噪声干扰。
(2)避免高速布线与EMI的冲突：因抗EMI所加的电阻电容，能造成信号的一些电气特性不符合要求。所以，设计中最好通过走线和PCB叠层的技巧来解决或减弱影响，如高速信号走电路内层。
在此基础上再用电阻电容的方式，以降低对正常信号的影响。
(3)信号地的设计：微弱的数字信号(如无线通信SIM卡信号)极易受到高频信号的干扰，设计中数字信号地、高频信号地与其他信号地尽量采用单点接地方式，来避免高频信号通过地传播于扰其他信号。
(4)良好的铺铜设计。
4试验与测试结果
采用先进的HAEFEL，Y公司电快速瞬变脉冲群试验仪(PEFT4010发生器、FP．EFT32．1去耦网络、测试专用电容耦合夹)，按照3．3章节要求，对上述设计方案的电能信息采集终端进行试验(如图5所示)，终端未出现任何工作异常。
用示波器对终端设备的电源进行波形监测，图6、图7分别是单个脉冲干扰和脉冲群干扰波形图，通过传导方式经交流电源输入端对终端设备进行干扰。经过上述抗脉冲群干扰设计，图8是监测到的终端设备主电源的波形图，可见脉冲群干扰已基本上得到抑制，波形所示只是小幅度瞬时的变化，不

5结论
本文从电力系统中电快速脉冲群信号分析出发，结合笔者多年对电能采集终端研究以及其抗脉冲群干扰测试的经验与理解，重点介绍了电能采集终端抗干扰的具体设计方法。经测试证明，终端具有很强的抗电快速脉冲群干扰能力，运行稳定可靠。其完全满足技术规范和现场运行要求，为供电部门电能数据监测、线损分析、电能质量分析等提供了数据保障。