FTU的层次化抗电磁干扰解决方案

的层次化抗电磁干扰解决方案FTU

任晓妮1,黄国兵1,杜峰2,王凯1

(西安工程大学计算机科学学院,西安7国网陕西省电力公司)1.10048;2.

摘要:针对F为了提高其现场运行的稳定可靠性,需要进行专门的抗干扰设计。构思产品解TU所处的恶劣运行环境,

决方案时,先依据抗电磁干扰的原理和电磁兼容性检测的范式模型,提出了一个层次化的抗电磁干扰解决方案。在这一/方案中,电源、信号、通信、机壳和功能地等端口都经过隔离后与C再根据信号的特点,在IPU核心电路连接,O过程通道中采用吸收、泄放、过滤等措施对干扰信号进行衰减,防止干扰信号对核心电路产生影响。然后以此为指导,完成了装置电路设计、所设计的FPCB工艺图设计和机箱布线设计。试验结果表明,TU能满足抗4级严苛等级电磁干扰的目标。关键词:电磁兼容性;抗干扰体系;电快速瞬变脉冲群;层次化解决方案中图分类号:TM933 文献标识码:A

HierarchicalSolutionofAnti-electromaneticInterferenceforFTUg

(,’,’;1.ColleeofComuterScienceXianPoltechnicUniversitXian710048,Chinagpyy

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RenXiaoni,HuanuobinDuFenWanaigGg,g,gK

1

terferenceisproosedaccordinotheprincileofantielectromaneticinterferenceandthemodelofelectromaneticcomatibilites-pgtpggpyt

,rovethestabilitndreliabilitfitson-siteoeration.Whenconceivinroductsolutionahierarchicalsolutiontoelectromaneticin-pyayopgpg

:A,AbstractiminttheharshoeratinnvironmentinwhichFTUislocatedseciallnti-amminesinisneededinordertoim-gapgepyajgdg

)2.StateGridShaanxiProvinceElectricPowerCo.

theCPUcorecircuitwhentheproductsolutionisconceivedinordertoimrovethestabilitndreliabilitfitsoerationinthefield.pyayop

,,,,tintfirst.Inthissolutiontheportsofpowersinalcommunicationchassisandfunctiongrounduseisolationelementstoconnecttogag,,/AccordinothecharacteristicsoftheinterfacesinalabsortiondischareandfilterinreadotedtoattenuatethesinalintheIOgtgpggapg

anti-electromaneticinterferenceperformance.g

desinandchassiswirinesinhavebeencomleted.ThetestresultsshowthatthedesinedFTUcouldmeetthereuirementoftheggdgpgq:;;;Keordselectromaneticcomatibilitanti-interferencearchitectureelectricalfasttransienthierarchicalsolutiongpyyw

,’rocesschanneltoimrovetheabilitfanti-electromaneticinterference.ThentakinhisasaguidetheunitscircuitandPCBchartppyoggt

引 言

标;而馈线开关②FTU大多直接安装在馈线开关的下面,是一次设备,在分合动作时会产生震荡衰减波,此外户外设备还易受到雷击涌浪电流的冲击,因此必须进行专门的电磁兼容性设计,提高产品抗电磁干扰的能力;③配网终端分布范围非常广,有线通信技术实施困难大,需要采用无线通信技术实现;但④馈线终端使用220V交流电源,

随着电力系统信息化、智能化技术的快速发展,配电

网自动化系统也在不断成熟和实用化。目前电力企业配网调技术发展比较快,配网调监控的覆盖面也在不断扩大。但是,配网馈线终端(在产品设计、安装、运行FTU)维护等方面都存在诸多问题,影响了此类设备的工程化和商业化,国内外研究机构和配网自动化设备厂商都在投入较大力量进行相关技术攻关和产品研发。具体而言,FTU在设计实现方面面临的主要问题包括:①在户外恶

劣环境中运行,所设计的产品必须达到温湿度工业级指

项目编号:*基金项目:西安市2018年科技创新引导项目(

是受控电网为1不能直接使用该电源。此外,0kV电网,配网故障时,受控电网失电,而馈线终端需要在受控电网失电状态下实施安全监控,FTU必须支持后备电源的充电管理。结合所开展的研究项目,这里就FTU抗电磁干扰解决方案进行具体陈述。

1 FTU所面临的抗电磁干扰环境

根据参考文献的研究,FTU的运行现场干扰源非常

())。201805030YD8CG1410

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1-2]

:复杂,主要包括[①电快速瞬变脉冲群;②电磁暂态现

;象;③工频电场和磁场;④静电放电(ESD)⑤瞬态电磁干扰等。为了F必须进行专门的抗TU产品稳定可靠运行,干扰设计。

3]

:素[即释放电磁干扰的组件;即①干扰源,②耦合通道,

管、滤波元件等进行干扰衰减,整体性降低干扰耦合特图中,所有外部信号都通过电气隔离后接入核心部件。为了防止干扰信号耦合进入核心部件,在PCB布线设计还6mm。

7-9]

。F征[TU抗电磁干扰的总体解决方案如图2所示。

根据抗电磁干扰的理论,其形成应具备如下三个要必须在内外信号之间预留隔离栅,确保爬电距离不小于

将干扰信号传播到F即受到TU的过程通道;③敏感设备,FTU。电磁干扰的数据模型为:

))G(ωC(ω

)N(ω=()Iω

电磁干扰不能正常运行的设备,也就是本文研究的对象

()1

属于不可抗因素;为电磁干扰信号耦合函数,降低C(ω)

),可以降低N(是抗干扰设计要解决的主要问题,C(ωω)即阻隔干扰信号的传播途径,吸收、泄放和过滤可以不同(也是产品抗干扰的能力,提升I也是降低N(的重要ω)ω)手段。

()程度地降低干扰信号的耦合度;为FIωTU抗干扰阈值,

))中,为F抗电磁干扰 式(1N(ωTU受干扰的影响量,

))就是如何降低N(的值;为现场干扰,是客观存在,ωG(ω

2 FTU抗干扰总体方案

产品抗电磁干扰性能是技术规范书的刚性要求,表征产品抗电磁干扰能力的指标参数由国家标准定义

[1,4-6]

图2 FTU抗电磁干扰总体解决方案

由第三方检测机构按标准检测得出结论,根据参考文献研产品抗电磁干5个端口对其抗电磁干扰的能力进行测试,

扰解决方案也从这5个端口着手进行设计,已达到满足技术规范书要求的目的。

究,产品检测的模型如图1所示。图中,产品检测主要从

,并

/源模块和D确保内外信号各自使用CDC电源模块,的电源,保证内外信号不通过电源信号传递。

/电源端口未在图2中展示,其使用了ACDC开关电

3 FTU抗电磁干扰的实现技术

图时,其5类端口都考虑了抗干扰要求,这里以其中人机、交互(机壳端口)交流信号采样(信号端口)和RS485接口(通信端口)为例,说明抗电磁干扰方案的实现技术。

基于上节所提出的解决方案,在设计FTU电路原理

3.1 人机交互

人机交互、维护通信口都属于机壳端口。根据以往工程经验,机壳干扰主要源自静电干扰,也是抗干扰设计不太注重的地方,但是静电干扰会造成装置中的电路莫名其

图1 电磁兼容性检测模型

妙地损坏,型式试验时静电对机壳放电时,装置极易出现运行不稳定的现象。针对这一问题,装置面板上的按其中LCPU,ED信号指示灯实现电路如图3所示。图中

实现了4个指示灯信号的隔离ISO7240为总线隔离器件,传递。

键、指示灯、显示器等组件的信号都通过隔离后接入

部件自然是抗干扰设计要保护的关键部件,因为FTU运行时,如果能保证核心部件正常,即使装置受到干扰,核心部件的容错能力也能进行自愈处理,从而保证装置整体运行正常。FTU的处理单元选用总线不出CPU的

与外部信号连接采用G从而提高其ARM实现,PIO实现,自身抗干扰阈值。

其次,所有外部端口都经过电气隔离后接入GPIO和

首先,确定F核心TU核心部件为CPU及周边电路,

3.2 交流信号采样

变压器隔离。

如图4所示,交流信号采样直接使用精密互感器进行

电源引脚,以阻隔干扰信号向C同时针对干扰信PU传播,号特征在过程通道中采用压敏电阻、磁珠、瞬态吸收二极

了压敏电阻对其泄放处理,并使用磁珠吸收高频成分,变

在图4上半部分,为了防止电压回路过压干扰,使用

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高电路板抗干扰的能力。

3.5 装置内部组件之间的连接布置

机箱内部电路板之间的连接、内部连接线的布置也必须遵循抗电磁干扰的规则。电路板之间采用扁平电缆连接时,其长度、电缆与机箱壁接触都能耦合箱体上的电磁信号,从而将干扰传递到电路板上。为此,箱体内部电路板之间采用接插件硬连接方式实现,降低信号传输距离,

图3 指示灯信号(部分)电路

也避免与箱体和电路板随意接触。FTU电路板之间的连接如图7所示。

有些信号的连接不得已需要采用软连

接方式实现,如F指示灯TU面板上的按键、等信号与电路板的连接。这里采用了带橡胶护套的多芯电缆实现连接,布置时将其固定在箱壁上的绝缘柱上,使其与箱壁保持5mm以上的距离。

4 抗电磁干扰试验

扰解决方案和措施,装置抗干扰能力较强。根据技术规范书的要求,在第三方专门的检测机构对装置的抗干扰性能进行了检测,检

由于FTU在设计时考虑了严格的抗干

5]

/测依据[为《国家标准GBT72612008继

,电保护和安全自动装置基本实验方法》检

图4 交流信号采样的过程通道

测项目包括震荡波抗扰度、静电放电抗扰度、

射频电磁场辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群

抗扰度、涌浪抗扰度、射频场感应的传导骚扰抗扰度、工频磁场抗扰度、脉冲磁场抗扰度、阻尼振荡磁场抗扰度等,检测项目都按I装置V级严苛等级要求进行。检测结果表明,能承受标准规定I达到了预期目标。V级电磁干扰指标,

压器副边继续使用RC滤波电路吸收高频干扰。为了防止交流信号过压损坏C使用二极管钳PU的GPIO引脚,压,使交流模拟量输入信号匹配C图4下PU接入的要求;半部分为电流信号接入回路,电流信号采用穿心微型精密互感器进行信号隔离变换,在副边使用磁珠和RC滤波回路吸收、过滤高频信号。

3.3 RS485接口

RS485电路ISO3082实现TTL信号和差分信号

的变换。对RS485信道上的过压信号采用TVS

其采用带隔离功能的RS485接口电路如图5所示,

结 语

抗4级严苛等级电磁干扰的目标,在分析研究FTU运行

结合项目技术规范书的要求,为了达到所设计FTU

元件进行泄放处理,对高频信号则使用磁珠吸收。

要保证F在PTU装置的抗干扰性能,CB电

3.4 隔离栅布置

路板布线时必须遵循抗电磁干扰的规则,也就是布线设计时要做到隔离电路的分区布线,保证区域间足够的爬电距离,避免干扰信号通过线路耦合传递。如图6所示,模板在布线时,根据信号隔离的要求,将信号按功能、内部和外部进行划区分割布置,并在区域之间布置隔离栅,从而提

图5 RS485接口电路

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计,达到了项目研究中产品设计的目标。在产品交付用户使用后,将进一步跟踪研究其在现场运行中抗电磁干扰能力的表现,并就发现的问题进行分析研究,掌握有效的技术和方法,提升FTU抗电磁干扰的能力。

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环境电磁干扰源、抗电磁干扰的理论依据、抗电磁干扰检测方法的基础上,提出了F并TU抗电磁干扰的解决方案,在装置电路原理设计、电路板连接和机箱内部PCB布线、连接线布置等方面都按抗电磁干扰的原则进行了详细设

,任晓妮(硕士研究生)主要从事嵌入式系统应用领域项目研究工,作;黄国兵(高级工程师)主要从事嵌入式系统应用、电力系统自动化等领域产品设计与实现技术研究。

()责任编辑:薛士然 收稿日期:2018-09-19

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[]A,2lteraInc.CcloneDeviceHandbook2005.y

结 语

简化了FUSB下载新程序重新动态配置硬件功能,PGA的配置和再配置过程,同时可寻址的数据通信方式增强了指令控制的安全性和可靠性。因此,系统整体集成度高、扩展性强,且易于升级,适用于(远程)测试系统和指令控制系统。

该方案整合了F通过PGA与高性能USB2.0功能,

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,刘敏(工程师)主要从事软件测试系统集成工作,主持多款测试系

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()责任编辑:薛士然 收稿日期:2018-09-21

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