微機(jī)保護(hù)裝置抗干擾性措施的一點(diǎn)研究

范軍太，王 晉

（晉城供電分公司，山西 晉城 048000）

1 引言

隨著微機(jī)技術(shù)的大量應(yīng)用，繼電保護(hù)也逐漸邁向微機(jī)時(shí)代，微機(jī)保護(hù)具有動(dòng)作速度快、校驗(yàn)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、體積小等諸多特點(diǎn)，使其在繼電保護(hù)行業(yè)中的地位十分重要，但同時(shí)微機(jī)保護(hù)裝置的工作環(huán)境有時(shí)較惡劣和復(fù)雜，其應(yīng)用的可靠性、安全性成為非常突出的問(wèn)題。

2 電氣干擾造成的后果

影響微機(jī)系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素是來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。這些因數(shù)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）干擾侵入微機(jī)系統(tǒng)測(cè)量單元模擬信號(hào)的輸入通道，疊加在有用信號(hào)上，會(huì)使數(shù)據(jù)采集誤差加大，特別是當(dāng)傳感器輸出微弱信號(hào)時(shí)，干擾更加嚴(yán)重。

（2）一般微機(jī)輸出的控制信號(hào)較大，不易受外界的干擾。但微機(jī)輸出的控制信號(hào)常依據(jù)某些條件的狀態(tài)輸入信號(hào)和這些信號(hào)的邏輯處理結(jié)果。若這些輸入的狀態(tài)信號(hào)受到干擾，引入虛假狀態(tài)信號(hào)，將導(dǎo)致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。

（3）微機(jī)中程序計(jì)數(shù)器PC的正常工作，是系統(tǒng)維持程序正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。但若外界干擾導(dǎo)致 PC值改變，破壞了程序的正常運(yùn)行。由于 PC值被干擾后的數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，因此可引起程序執(zhí)行混亂。通常的情況是程序?qū)?zhí)行一系列毫無(wú)意義的指令，最后進(jìn)入“死循環(huán)”，這將使輸出嚴(yán)重混亂或系統(tǒng)失靈不利情況下保護(hù)將拒動(dòng)。

（4）電氣干擾嚴(yán)重時(shí)將引起元器件及芯片損壞，造成裝置短期內(nèi)停止工作，其可靠性受到威脅。

3 微機(jī)保護(hù)硬件可靠性措施

應(yīng)用硬件抗干擾措施是采用的一種有效方法。實(shí)踐證明，通過(guò)合理的硬件電路設(shè)計(jì)可以削弱或抑制絕大部分干擾。微機(jī)保護(hù)硬件抗干擾技術(shù)主要包括：

3.1 直流電源抗干擾措施

直流電源貫穿所有部件，是裝置的重要干擾源。目前通常采用由蓄電池或UPS電源供電、經(jīng)逆變后的開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓并通過(guò)濾波器得到各種穩(wěn)恒直流電壓作為裝置的電源，由于經(jīng)過(guò)多級(jí)變壓器和穩(wěn)壓濾波環(huán)節(jié)，其穩(wěn)壓能力與抗干擾效果都較理想。

3.2 濾波技術(shù)

在輸入電路外接端子前（與地之間）并聯(lián)接入濾波電容，為浪涌電壓和高頻振蕩提供低阻抗入的通道，可抑制共模干擾與差模干擾。對(duì)模擬量輸入回路中的前置有源濾波器，調(diào)整運(yùn)放器零點(diǎn)則可消除差模干擾。

3.3 合理配線和布置插件

對(duì)裝置內(nèi)部輸入大電流的通道和電源線等對(duì)其他弱電線路干擾的影響，應(yīng)采取將微機(jī)保護(hù)的核心部分如CPU、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器和有關(guān)地址譯碼電路集中在1～2個(gè)插件上，并在布置上遠(yuǎn)離上述干擾源。從優(yōu)化輸入量方面來(lái)看，要盡量使輸入量遠(yuǎn)離干擾源。

3.4 對(duì)裝置接地的處理

正確合理地接地是抑制干擾的主要方法。微機(jī)保護(hù)裝置的接地包括兩類(lèi)：一類(lèi)是金屬機(jī)箱和各種隔離變壓（流）器屏蔽層需與大地聯(lián)接，接地電阻應(yīng)小于 10 Ω；另一類(lèi)是指裝置內(nèi)部的數(shù)字地（或稱(chēng)邏輯地，即數(shù)字器件的零電位點(diǎn)），模擬地（即采樣保持器）和A/D轉(zhuǎn)換器模擬部件等的零電位。通常應(yīng)將數(shù)字地和模擬地僅有一點(diǎn)相連，且兩者都與內(nèi)部直流電源零電位連接，內(nèi)部零電位應(yīng)全懸空，即不與機(jī)箱連接，以便有效地抑制共模干擾。

3.5 數(shù)字電路干擾的抑制

數(shù)字電路的快速開(kāi)斷，伴隨著電流的高速變化，由于存在電感而產(chǎn)生高頻干擾電壓。因此在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)在靠近集成塊的地方需裝設(shè)高頻去耦電容。每塊印刷電路板上的電源引線兩端也應(yīng)裝設(shè)10 μF～1 000 pF的去耦電容。微機(jī)保護(hù)的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，軟件抗干擾設(shè)計(jì)也是防止和清除整個(gè)微機(jī)保護(hù)受干擾的重要途徑，并以此作為微機(jī)保護(hù)抗干擾能力的重要技術(shù)要求。軟件抗干擾的設(shè)計(jì)可以較靈活地根據(jù)實(shí)際情況加以適當(dāng)選擇，防止干擾可能導(dǎo)致裝置誤動(dòng)和拒動(dòng)。

3.6 在單片機(jī)與外圍設(shè)備的接口處，采用光電隔離

由于外圍設(shè)備可能在作用時(shí)向單片機(jī)輸入一個(gè)較大的電流，從而導(dǎo)致單片機(jī)損壞，因此在兩者之間加光電隔離。另外，在數(shù)字部分與模擬部分之間使用光電隔離，可以實(shí)現(xiàn)兩者在電氣上的完全隔離，這樣即使數(shù)字地與模擬地不連接，也不會(huì)造成串模或共模干擾。

4 微機(jī)保護(hù)軟件可靠性措施

微機(jī)保護(hù)軟件可靠性措施從數(shù)據(jù)采集的處理和軟件程序兩個(gè)方面來(lái)敘述。

4.1 數(shù)據(jù)采集方面

4.1.1 數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對(duì)策

對(duì)于輸入通道中沒(méi)有被硬件完全消除的干擾，在信號(hào)數(shù)據(jù)被使用之前，采用數(shù)字濾波技術(shù)往往能取得較好的效果，隨著微機(jī)運(yùn)算速度的提高，數(shù)字濾波在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用將愈來(lái)愈廣泛，下面介紹幾種常用的方法：

4.1.2 一階滯后濾波法

在模擬量輸入通道中，常用一階滯后 RC模擬濾波器來(lái)抑制干擾。當(dāng)用這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻干擾濾波時(shí)，要求有濾波器具有大的時(shí)間常數(shù)和高精度的RC網(wǎng)絡(luò)。時(shí)間常數(shù)T越大，要求R、C越大，其漏電流也必然加大，從而使RC網(wǎng)絡(luò)的精度加大了。采用一階滯后的數(shù)字濾波程序，能很好的克服上述這種模擬量濾波器的特點(diǎn)，在濾波常數(shù)要求大的場(chǎng)合，此法更合適。其公式為：

式中：X（n）：第n次采樣時(shí)濾波器輸入值；

Y（n）：第n次采樣時(shí)的濾波器輸出值；

Y（n－1）：第n－1次采樣時(shí)濾波器輸出值；

Q：數(shù)字濾波器時(shí)間常數(shù)。

4.1.3 程序判斷濾波法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷確定兩次采樣允許的最大偏差ΔY，若先后兩次采樣值的差值大于ΔY，則表明輸入的是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉，而且上次采樣值作為本次采樣值；若小于ΔY，則本次采樣值有效。

4.1.4 算術(shù)平均值法

對(duì)一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計(jì)算其平均值，以平均值作為該點(diǎn)的采樣結(jié)果。這種方法可以減少系統(tǒng)隨機(jī)干擾對(duì)采樣結(jié)果的影響。

4.1.5 遞推平均濾波法

算術(shù)平均濾波法每計(jì)算一次數(shù)據(jù)需測(cè)量N次。對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，無(wú)法使用。遞推平均濾波法是把N個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)看成是一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度是 N，每進(jìn)行一次新的測(cè)量，就把測(cè)量結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有N個(gè)最新數(shù)據(jù)。計(jì)算濾波值時(shí)，只要把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，就可以得到新的濾波值。這種方法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，靈敏性低，適用于高頻震蕩系統(tǒng)。

4.1.6 中位值法

對(duì)一個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣m次（m≥3），然后把m次采樣值按大小排列，取中值作為該點(diǎn)的采樣結(jié)果。這種方法可以消除偶然脈沖的干擾。

4.2 程序處理方面

4.2.1 程序運(yùn)行失常的軟件對(duì)策

竄入微機(jī)保護(hù)裝置的干擾通常使程序運(yùn)行失常，可在軟件上采取一些措施減小干擾造成的損失。

4.2.2 設(shè)置監(jiān)視定時(shí)器

使用監(jiān)視定時(shí)器的溢出中斷使運(yùn)行失常的程序復(fù)位。監(jiān)視定時(shí)器可以是CPU外部的硬件定時(shí)器，也可以是CPU內(nèi)部的軟定時(shí)器。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間稍大于主程序正常運(yùn)行一個(gè)循環(huán)時(shí)間，主程序每循環(huán)一次將定時(shí)器時(shí)間常數(shù)刷新一次。這樣，只要程序正常運(yùn)行，定時(shí)器不會(huì)產(chǎn)生溢出。而當(dāng)程序失常，不能刷新定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)而導(dǎo)致定時(shí)器溢出時(shí)，可利用溢出信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位（外部定時(shí)器），或利用溢出中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)復(fù)位（內(nèi)部定時(shí)器）。

4.2.3 失控程序的攔截

失控的程序可能把程序中的一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼執(zhí)行。對(duì)此，可采用指令冗余方法防止指令被拆散，即在程序適當(dāng)位置，尤其是在調(diào)轉(zhuǎn)指令之前加入兩條NOP指令，將失控的程序納入正軌。失控的程序也可能落在沒(méi)有編程的 ROM 區(qū)，此時(shí)可在該 ROM 區(qū)設(shè)置軟件陷阱，即將該區(qū)全部設(shè)置成復(fù)位指令或指向程序入口的調(diào)轉(zhuǎn)指令。

4.2.4 控制狀態(tài)失常的軟件對(duì)策

在條件控制系統(tǒng)中，人們關(guān)注的問(wèn)題是能否確保正常的控制狀態(tài)。如果干擾進(jìn)入系統(tǒng)，會(huì)影響各種控制條件、造成控制輸出失誤。為了確保系統(tǒng)安全，可以采取下述軟件抗干擾措施。

4.2.5 軟件冗余

對(duì)于條件控制系統(tǒng)，將控制條件的一次采樣、處理控制輸出，改為循環(huán)采樣、處理控制輸出，這種方法對(duì)于慣性較大的控制系統(tǒng)具有良好的抗偶然因素干擾作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要從微機(jī)保護(hù)的硬件和軟件等幾個(gè)方面，探討了提高微機(jī)保護(hù)可靠性的方法。為提高微機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還需要精心選擇集成化程度高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小的電子器件。另外，元器件的精度是保證系統(tǒng)完成功能的重要保證。因此在使用前或經(jīng)過(guò)一段運(yùn)行時(shí)間后，都應(yīng)對(duì)元器件及部件進(jìn)行精密校正，如A/D芯片的調(diào)零及滿(mǎn)程調(diào)整等。實(shí)踐證明，這些方法是行之有效的，取得了良好的效果，基本能解決在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中對(duì)微機(jī)保護(hù)的干擾問(wèn)題。

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