300MW 火电机组分散控制系统抗干扰能力分析

严晓玲

（三门峡华阳发电有限责任公司，河南 三门峡 472100）

前言

根据有关规定，电气设备得接地应该接到公用的接地网上。而对于分散控制体系DCS 的接地，这个既可以接连所有设备的接地网，还要根据有关要求设立独立地接地网。由于之前产生过太多不明原因的信号干扰情况，所以就要根据抗干扰原则，设计独立地接地网，将DCS 的接地点从公共接地网中分隔开来。为了更好地提高分散控制系统的抗干扰能力，就要运用科学合理的防护手段，也为了工作的安全提供保障。

一、MACSV 的电源及接地

MSCSV 是以控制站为中间节点的组织架构，每一个控制站都有一个控制的柜子和端子柜，所有的控制站的设置都有其相似性，根据传统的方式，将变压器铁芯与零线和设备保护线共同使用一个接地点。由于分散控制系统的接地点要接到电压比较高的接地网上去，和变压器的铁芯，外壳和零线相连接，所以这种方式，在遇到雷雨天气或者频繁接地的时候，就会因为冲击电流过大，接地网的电位会受到很大幅度的波动，严重的还可能会使得二次体系的电位响应波动。为了防止这个问题出现，最好的办法就是对接地网进行完全分离，简言之就是使得设施的外壳就近接地。DCS有一个安全的方式就是用TT 的接地方式使得两个体系分离开来。

二、TN 方式时接地网冲击对DCS 的影响

（一）接地网冲击对模拟回路的影响

模拟输入信号电缆大多数都是用的屏蔽电缆，这就得在电脑端接地。因为所有的信号线与屏蔽层之间存在分布电容，两点接地的时候，会使得高频干扰通过分布电容与信号线之间形成通路。

（二）接地网冲击对开关量输入通道的影响

开关量输入信号这就包含了开关位置和设备的状态，通常都是来自继电器的辅助接点，并且还会使得光与电分离。对于DI 检测电路，尽管接点是开路的，也会因为对地分布电容的出现，导致GI 点的高频干扰需要在DI 回路中形成瞬间导通，出现信号出错。DI 导线的回路很长的话，这个问题也会变得很严重。

（三）接地网冲击对逻辑电路及网络的影响

在MACSV 中，每一个DPU 中控制网中的小交换机用的都是二十四伏的电源，内部的电源是浮地的，换言之就是小交换机的逻辑地势悬空的。MACSV 的控制网会有掉线的现象，也就是脱网，脱网故障会直接导致接地网受到干扰。当逻辑电路与接地距离比较近的时候就会受到电容的影响，两者之间的形成的通道会导致信号电压波动的厉害。

三、电磁干扰的主要来源

干扰都是来源于干扰源的，在发电厂中干扰源又分为系统内干扰源和系统外干扰源。系统内干扰源指的是DCS 装置里面的部件所引起的干扰，包括固定元件干扰和过渡元件干扰。而固定元件干扰指的是接触面的电导率不一致而产生的干扰。过渡干扰是指电路在动态工作时产生的干扰。系统外干扰是指与DCS 硬件系统无关，由使用条件和环境因素所产生的干扰。电厂系统外干扰主要有以下几个方面：

（一）从电源线传导来的电磁干扰

火电厂中DCS 系统的供电一般都是由厂里直接供电的。通常情况下在厂用电母线上会有很强的动力设备，就比如说引风机和水泵的能够。这些设备的功率都比较大，产生的电流也比较大，大电流输出线周围容易产生交变磁场，这些情况出现在DCS 电缆周围会产生很大的干扰，而且设备的突然启动和突然关闭都会使得用电厂电压的波动，从而导致低频干扰。

（二）从信号线、控制线传导来的干扰

与DCS 控制系统连接的很多信号传输线，除了传输必要的信号之外，还会产生干扰信号。这个干扰一般分为两种，一种是通过变送器供电电源或者公用仪表的电源串入干扰，另一种是信号线受空间磁场的辐射所引起的干扰。通过信号引入引起的干扰会导致发电厂信号工作发生异常和测量的精度大大降低，严重的时候还会引起电厂内设备出现故障。对于隔离信号比较差的系统还会使得信号之间互相干扰，造成逻辑数据变化和出错的可能。

（三）接地系统混乱时引起的干扰

电厂DCS 正确接地，不仅可以减少电磁干扰的影响，还能防范设备向外发出干扰信号。反之，错误地接地，会出现严重的干扰信号，导致DCS 系统无法正常的运转。电厂的DCS 控制系统的接地由保护地和工作地组成。保护地是为了防止设备外壳的静电积累导致人接触到设备外层而发生事故，最常见的就是DCS机柜的金属外壳接地。工作地就包含逻辑地，信号地，系统地和屏蔽地了。逻辑地是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是电源输出地。信号的通常由电厂现场变送器被DCS 提供的电源产生的信号，此时信号的也可以称之为系统地。屏蔽地是为了避免电磁场对仪表和信号的干扰而采用的屏蔽网接地。

如果接地系统混乱就是导致各个接地点的电位分布不均，会使得接地点之间有电位差，进而产生环路电流，直接影响系统的正常工作。所以电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端都接地了，就会出现电位差，有电流流过屏蔽层时，大声了异常状况，就比如雷击是，地线电流就会变大。系统地与其他接地处理混乱了，产生的地环流就会使得地线上产生不等位电流分布，直接影响着逻辑电路和模拟电路的正常工作。

四、DCS 的抗干扰设计

（一）TN 接地方式

TN 接地方式就是将变压器铁芯，外壳与零线及设备保护线共用一个接地点由于DOS 的接地点接到了接地网上，与变压器的铁芯，零线，还有外壳连在了一起，所以在遇到雷雨天气的时候，会由于冲击电流过大，导致接地网的电位波动频繁。要想解决这种问题就需要将接地网彻底的隔离，让电气系统或者设备就近接地。DCS 使用的是TN 方式的时候，电气一次体系有雷击的情况出现时，就会对二次体系产生影响，情况糟糕的时候，还会影响其他的装置。因此二次体系也该使用独立的接地方式，最好就是使用TT 接地方式，在电源处使用隔离变压器。二次体系的特有属性就是不会直接受到雷击，供电容量相对来说也比较小，不会存在很大的电流。关于DCS 独立接地网，正常情况之下不会直接被雷击中，而且二次系统的供电容量比较小，不会有大容量的接地电流，所以接地网可以不用太考虑冲击电阻等的影响。主要还是要减小直流电阻，更好的保证接地效果。有的时候为了阻断干扰传播的通道，应该设置专门的针对性措施。

（二）模拟回路的设计

使用的TT 接地方式，整个模拟信号回路需要使用严格的分离和屏蔽措施，要在电脑的侧边接地。通俗地讲，就是二次回路电缆的屏蔽层和现场的绝缘体，在控制室内要接在专用的接地网上。

（三）开关量回路设计

线路中的回路电缆必须使用屏蔽电缆，屏蔽层和直流工作电源需要接到DCS 独立接地网上。为了更好地提升效果，需要取样本在两端的分压，并且选用充电信号时间大于五米每秒的区域。

（四）输出控制回路设计

输出控制一般包含三个电源，分别是数字电路电源，出口继电器电源和直流马达电源。这三个电源必须分隔开来。直流马达控制电流的负端接DCS 接地网。遇到马达绕组击穿时也不会产生回路电流，就不会发生事故了。

（五）电缆选型

为了使得DCS 体系的信号能够更加稳定可靠的传递，在进行设计电路的时候就要对电缆进行挑选。在选择的时候尽量选择铜导体作为控制电缆，还要使用阻燃电缆，为了防止火灾出现还能继续工作，这时就需要选择耐火电缆了。电缆电线的横截面积要按照回路中的信号，进行降压。也要通过仪表允许的最大电阻量来挑选电缆。一根电缆只能传送相同的信号，交流供电的电源是不能使用同一根多芯电缆的。

五、DCS 独立接地网的设计

（一）独立接地网的结构

接地是抗干扰系统的一种技术，是DCS 体系能否安全运行的关键。如果接地系统能够运行得非常好的话，就能够防止受到其他因素的影响，使得系统更加的可靠。保护接地的作用是使得正常的仪表能够在带电通过的情况下更好地接地，也就是在线路短路的时候，将那些短路电流接到地里去。这种接地方式有的时候会干扰系统，但是为了工作人员的安全还是应该使用的。屏蔽接电的作用是控制电容性耦合噪音，减少电磁波的干扰。

（二）接地电阻的测量

接地电阻测量也是有专门的测量仪器的，通常按照三线制的原理进行测量。用这个方法的时候，测量仪中心桩和小接地网之间的路程要达到五倍等小接地网的半径。从测量的原理来看，这是要使用栓平衡电桥测量。也就是在中心桩和接地体和中心桩与远桩之间的土壤电阻，也就是因为中心桩与这两个地方的距离是相同的，所以两地的电阻也相同，这就是等效替代的方法。

（三）设备的选型和隔离

首先要选择抗干扰能力比较好的产品.尤其是外部抗干扰能力强和隔离性能好的DCS 系统，这就需要在进行DCS 挑选的时候提前了解每种DCS 的抗干扰指标，还有耐压能力以及能承受多大的电场强度和高频率的频场强度。在电厂中为了使DCS 控制系统到各个设备的电缆用量尽可能地小，一般情况下要将DCS 硬件装置安装在主厂房之间的电子设备间，地面尽可能使用防静电的地板，建筑物上用土建钢筋作接地引下线，强电路和强电设备应该远离电子设备间，用来隔离电磁干扰。

（四）DCS 电源的隔离

DCS 是以大规模的集成电路为基础的计算机设备，要把电源中可能出现的干扰尽可能消除，才能保证DCS 系统安全稳定的运行。电厂内的大功率电器的启停都会造成电源电压波动。为了保证DCS 系统的稳定运行，要用交流电源稳压器稳压，同时还要采用隔离变压器。通常情况下没有屏蔽的电源变压器的初次级间的耦合电容比较大，通过这个电容传递的干扰也是比较大的，为了减少这个干扰就需要在电源变压器的初次级之间设置屏蔽层

（五）线缆敷设

电厂中进入DCS 系统的电缆一般通过电子设备间正下方的电缆夹层引至DCS 机柜，电缆夹层内根据工程电缆量的大小设置相应层数的电缆桥架，由于电子设备间内有DCS 机柜和大量的动力电缆。为了减少动力电缆对DCS 信号的干扰，通常要在电缆桥架上采用分层布置电缆。按照电压等级由高到低的顺序排列，由强电流到弱电流的控制和信号电缆的顺序排列。如果受到其他条件的限制，必须在同一桥架上排列时，也要按照动力电缆，控制电缆和计算机电缆依次排列，并且三者之间要用金属隔板隔离。防止他们之间产生电磁干扰，同时，还要将模拟信号和开关量信号分开来，减少不同类型信号间的干扰。

提升整个DCS 系统的抗干扰能力。

六、结语

各项设备的分散控制系统经过独立的地网改造以后，还是要进行各种实验的，实验中没有发生信号波动异常的才可以。这样才能说明DCS 设置独立接地网是有效果的。为了提升二次体系的抗影响能力，可以对二次体系的电源和控制回路等分别进行一些相关的处理，使得二次体系能够有一个独立的，能够全程屏蔽，不怕干扰的传播路径。