船舶电站自动化系统的抗干扰分析

崔守娟+栾荣华+张萍华

摘要：船舶电站的自动化系统应用过程中，易受到多种因素干扰。结合电站自动化系统存在的干扰项，重点分析电磁干扰和谐波干扰，有针对性地提出抗干扰措施，为提高船舶电站的可靠性和稳定性提供参考。

关键词：船舶；电站自动化；电磁干扰；谐波干扰

中图分类号：U664.82 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）12-0082-03

近年来我国船舶化水平不断提高，自动化系统在船舶电站中发挥着重要的作用。但在实际应用过程中，船舶电站的环境一般比较恶劣，不可避免存在着各种各样的电磁干扰，以及温度和湿度变化对设备的干扰、机械振动干扰等，严重影响电站自动化系统的安全、稳定运行。人们在分析船舶电网的性能时，往往关心电网电压、频率的稳定性和工作环境的影响，对电网中干扰不是很重视。事实上，在船舶电网的运行过程中存在干扰信号影响，对船舶电站自动化系统的影响不可忽视。

1 系统电磁干扰

电磁兼容性描述电子设备在指定的电磁环境中无错运行的能力，不受外部影响的制约且无论如何都不会影响外部设备。电站自动化系统中的PLC及其组件是按照工业环境和高电磁兼容性标准开发的，但仍存在干扰源，电磁干扰可在多个方面影响PLC。

1.1 系统电磁干扰的主要来源

1.1.1 空间的辐射干扰 空间的辐射电磁场（EMI）主要由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生，通常称为辐射干扰，分布极为复杂。其影响主要有2条路径：一是直接对PLC内部辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信网络辐射，由通信线路感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关。

1.1.2 电源干扰 因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障较多，需要更换隔离性能好的PLC电源。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。电网覆盖范围广，受所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流，并通过输电线传到电源原边。

1.1.3 信号线引入干扰 与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除传输有效的各类信息外，也会有外部干扰信号侵入。由信号引入的干扰会引起I/0信号工作异常，大大降低测量精度，严重时引起元器件损伤。隔离性能差的系统还会导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。

1.1.4 接地系统混乱的干扰 PLC控制系统正确接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；错误的接地方式会引入严重的干扰信号，使PLC系统无法正常工作。屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内出现感应电流。

1.1.5 PLC系统内部干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件不匹配使用等。要选择具有较多应用实例或经过考验的系统。

1.2 系统抗电磁干扰的方法和措施

在设计PLC控制系统时，从硬件设计入手，通过合理配置供电电源、正确选择接地点、接地方式及输入输出配线等措施，有效提高系统的抗干扰能力。

1） 采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰供电。PLC自身具有很强的抗干扰能力，将PLC电源与系统动力设备分开配线，可有效抑制来自电源的干扰。遇到电源干扰特别严重的情况，可采用带屏蔽层的隔离变压器供电，甚至加接线路滤波器，以抑制从交直流电源侵入的常模和共模瞬变干扰。另外，在有较强干扰源的环境中使用PLC或对PLC工作可靠性要求特别高时，可将屏蔽层和PLC浮动的端子接地。

2） 正确选择接地点，完善接地系统。PLC控制系统中具有多种形式的“接地”，主要有：①信号地。输入端信号元件的地。②交流地。交流供电电源的N线；③屏蔽地。为防止静电和磁场感应而设置的外壳或金属丝网，通过专门的铜导线将其接入地下。④保护地。将机器设备的外壳或设备内独立器件的外壳接地，用于保护人身安全和防止设备漏电。

3） 正确选择电缆的和实施敷设（输入输出配线）。PLC电源线、I/O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线及直流线均应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线，后者应采用屏蔽线，且将屏蔽层接地。数字传输线也要用屏蔽线，且要将屏蔽层接地。信号线多采用双绞线或屏蔽线。当输入信号源为晶体管或是光电开关输出类型时，关断时仍有较大漏电流，而PLC的输入继电器灵敏度较高，当漏电流的干擾超过一定值时，就会形成错误信号。同样，当输出元件为双向晶闸管或晶体管，且外部负载又很小时，会因为关断时有较大的漏电流而引起微小电流负载误动，导致输入与输出信号错误，给设备和工作人员带来不良影响。为解决这种干扰，在输入、输出端并联旁路电阻，以减小PLC输入电流和外部负载上的电流。也可在PLC输入端加RC滤波环节，利用RC的延迟作用来抑制窜入脉冲所引起的干扰，减小漏电流的干扰。

2 系统谐波干扰

产生高次谐波的主要原因是船舶电力系统中存在各种非线性元件，特别是大功率变流设备易产生大量高次谐波。船舶上的变频调速和串级调速两种调速方式的交流电机调速系统、采用晶闸管变流的直流电动机调速系统等大型变流装置，是造成船舶电力系统高次谐波的主要因素。船帕电力系统中的谐波会对整个系统中的电气设备造成不良影响，影响电气设备的工作性能、使用寿命；严重干扰信号传输，影响数据传输效果。

2.1 系统谐波干扰的主要来源

2.1.1 含有电磁设备的系统 采集系统中的船用电压、电流互感器，以及各种模拟电站装置中的电磁式继电器、接触器和控制电磁铁等，都有铁芯和励磁线圈。铁芯饱和时磁化曲线呈非线性，铁芯愈饱和，线圈励磁电流畸变愈大。互感变压器属稳态谐波源，为使电磁系统设计较为经济，励磁呈尖顶波，谐波数为奇次，主要是3次谐波。另外，电站中一些电磁装置投入运行时或在外部故障排除后突然恢复运行时，会产生浪涌电流，有时高达额定电流的8～10倍，含有数量很大的谐波，且衰减缓慢。

2.1.2 变流装置 船舶电力系统中由于大功率调速设备采用的调速方式不同，整流电流一般为非正弦波，它含有大量的谐波成分，会对自动化系统产生干扰。

2.1.3 模拟开关 船舶电力系统中，负载随船舶运行工况频繁变化。相对整个电力系统而言，负载变化对电网的影响很大。用模拟开关完成负载切换，其波形为开关信号，会对电网和自动化系统产生谐波干扰。

2.1.4 非特征谐波的产生 在一定的假设条件下，交流换流器可以产生特征谐波。但实际上，一般换流器系统的3个主要组成部分不可避免地存在偏差。首先，交流系统供电电压不是完全平衡的，波形存在一定的畸变。系统阻抗特别是换流变压器阻抗不会完全相等；其次，在整流一逆变祸连的情况下，直流电流可能受另一换流器调制；再次，触发角控制系统在进行控制时，往往产生相当大的误差。

2.2 系统谐波抑制的方法和措施

电站最大的谐波干扰来自系统使用的变频设备，如侧推起动器功率较大，接近单台柴油发电机功率，故采用变频起动来减少起动对电网的冲击。其它电源直接取自配电板的配套泵组也使用变频起动方式。变频驱动不可避免要产生諧波污染。为抑制谐波，采用基于瞬时无功理论的有源电力滤波器。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置，能对大小和频率都变化的谐波及无功功率进行补偿。电力滤波器的作用主要有2个：降低和减少系统中的谐波电流和电压，并使之降到一个合适的水平；提供滤波器接入点系统所需要的全部或部分无功功率。

在电站实际方案中，实时检测变频设备的电压和电流，经指令电流运算单元计算出补偿电流指令信号。该信号经补偿电流发生电路放大，并产生补偿电流。负载电流中需用补偿的谐波及无功等电流与补偿电流抵消，最终得到所需的电源电流。需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流中的谐波分量后，将其反极性作为补偿电流的指令信号，再由补偿电流发生电路产生补偿电流。其中，补偿电流与负载电流中的谐波分量大小相等，方向相反，因而两者相互抵消，使得电源中电流中只含基波，达到消除电源电流中谐波的目的。

3 结语

电站自动化控制系统干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中，应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰。结合电站自动化系统存在的干扰项，重点分析电磁干扰和谐波干扰，有针对性地采取抗干扰措施，从而提高船舶电站的可靠性和稳定性。

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