微機保護裝置抗干擾性措施的一點研究

范軍太，王 晉

（晉城供電分公司，山西 晉城 048000）

1 引言

隨著微機技術的大量應用，繼電保護也逐漸邁向微機時代，微機保護具有動作速度快、校驗簡單、維護方便、體積小等諸多特點，使其在繼電保護行業中的地位十分重要，但同時微機保護裝置的工作環境有時較惡劣和復雜，其應用的可靠性、安全性成為非常突出的問題。

2 電氣干擾造成的后果

影響微機系統可靠、安全運行的主要因素是來自系統內部和外部的各種電氣干擾，以及系統結構設計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環境條件等。這些因數對測控系統造成的干擾后果主要表現在以下幾方面：

（1）干擾侵入微機系統測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號上，會使數據采集誤差加大，特別是當傳感器輸出微弱信號時，干擾更加嚴重。

（2）一般微機輸出的控制信號較大，不易受外界的干擾。但微機輸出的控制信號常依據某些條件的狀態輸入信號和這些信號的邏輯處理結果。若這些輸入的狀態信號受到干擾，引入虛假狀態信號，將導致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。

（3）微機中程序計數器PC的正常工作，是系統維持程序正常運行的關鍵所在。但若外界干擾導致 PC值改變，破壞了程序的正常運行。由于 PC值被干擾后的數據是隨機的，因此可引起程序執行混亂。通常的情況是程序將執行一系列毫無意義的指令，最后進入“死循環”，這將使輸出嚴重混亂或系統失靈不利情況下保護將拒動。

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

3 微機保護硬件可靠性措施

應用硬件抗干擾措施是采用的一種有效方法。實踐證明，通過合理的硬件電路設計可以削弱或抑制絕大部分干擾。微機保護硬件抗干擾技術主要包括：

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、經逆變后的開關電源穩壓并通過濾波器得到各種穩恒直流電壓作為裝置的電源，由于經過多級變壓器和穩壓濾波環節，其穩壓能力與抗干擾效果都較理想。

3.2 濾波技術

在輸入電路外接端子前（與地之間）并聯接入濾波電容，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。對模擬量輸入回路中的前置有源濾波器，調整運放器零點則可消除差模干擾。

3.3 合理配線和布置插件

對裝置內部輸入大電流的通道和電源線等對其他弱電線路干擾的影響，應采取將微機保護的核心部分如CPU、存儲器、A/D轉換器和有關地址譯碼電路集中在1～2個插件上，并在布置上遠離上述干擾源。從優化輸入量方面來看，要盡量使輸入量遠離干擾源。

3.4 對裝置接地的處理

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

3.5 數字電路干擾的抑制

數字電路的快速開斷，伴隨著電流的高速變化，由于存在電感而產生高頻干擾電壓。因此在設計印刷電路板時在靠近集成塊的地方需裝設高頻去耦電容。每塊印刷電路板上的電源引線兩端也應裝設10 μF～1 000 pF的去耦電容。微機保護的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，軟件抗干擾設計也是防止和清除整個微機保護受干擾的重要途徑，并以此作為微機保護抗干擾能力的重要技術要求。軟件抗干擾的設計可以較靈活地根據實際情況加以適當選擇，防止干擾可能導致裝置誤動和拒動。

3.6 在單片機與外圍設備的接口處，采用光電隔離

由于外圍設備可能在作用時向單片機輸入一個較大的電流，從而導致單片機損壞，因此在兩者之間加光電隔離。另外，在數字部分與模擬部分之間使用光電隔離，可以實現兩者在電氣上的完全隔離，這樣即使數字地與模擬地不連接，也不會造成串模或共模干擾。

4 微機保護軟件可靠性措施

微機保護軟件可靠性措施從數據采集的處理和軟件程序兩個方面來敘述。

4.1 數據采集方面

4.1.1 數據采集誤差的軟件對策

對于輸入通道中沒有被硬件完全消除的干擾，在信號數據被使用之前，采用數字濾波技術往往能取得較好的效果，隨著微機運算速度的提高，數字濾波在實時數據采集系統中的應用將愈來愈廣泛，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模擬濾波器來抑制干擾。當用這種方法來實現對低頻干擾濾波時，要求有濾波器具有大的時間常數和高精度的RC網絡。時間常數T越大，要求R、C越大，其漏電流也必然加大，從而使RC網絡的精度加大了。采用一階滯后的數字濾波程序，能很好的克服上述這種模擬量濾波器的特點，在濾波常數要求大的場合，此法更合適。其公式為：

式中：X（n）：第n次采樣時濾波器輸入值；

Y（n）：第n次采樣時的濾波器輸出值；

Y（n－1）：第n－1次采樣時濾波器輸出值；

Q：數字濾波器時間常數。

4.1.3 程序判斷濾波法

根據經驗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，應該去掉，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 算術平均值法

對一點數據連續采樣多次，計算其平均值，以平均值作為該點的采樣結果。這種方法可以減少系統隨機干擾對采樣結果的影響。

4.1.5 遞推平均濾波法

算術平均濾波法每計算一次數據需測量N次。對于測量速度較慢或要求數據計算速度較快的實時控制系統，無法使用。遞推平均濾波法是把N個測量數據看成是一個隊列，隊列的長度是 N，每進行一次新的測量，就把測量結果放入隊尾，而扔掉原來隊首的一次數據，這樣在隊列中始終有N個最新數據。計算濾波值時，只要把隊列中的N個數據進行平均，就可以得到新的濾波值。這種方法對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。

4.1.6 中位值法

對一個采樣點連續采樣m次（m≥3），然后把m次采樣值按大小排列，取中值作為該點的采樣結果。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 程序運行失常的軟件對策

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

4.2.2 設置監視定時器

使用監視定時器的溢出中斷使運行失常的程序復位。監視定時器可以是CPU外部的硬件定時器，也可以是CPU內部的軟定時器。定時器的定時時間稍大于主程序正常運行一個循環時間，主程序每循環一次將定時器時間常數刷新一次。這樣，只要程序正常運行，定時器不會產生溢出。而當程序失常，不能刷新定時器的時間常數而導致定時器溢出時，可利用溢出信號使系統復位（外部定時器），或利用溢出中斷服務程序將系統復位（內部定時器）。

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當作指令碼執行。對此，可采用指令冗余方法防止指令被拆散，即在程序適當位置，尤其是在調轉指令之前加入兩條NOP指令，將失控的程序納入正軌。失控的程序也可能落在沒有編程的 ROM 區，此時可在該 ROM 區設置軟件陷阱，即將該區全部設置成復位指令或指向程序入口的調轉指令。

4.2.4 控制狀態失常的軟件對策

在條件控制系統中，人們關注的問題是能否確保正常的控制狀態。如果干擾進入系統，會影響各種控制條件、造成控制輸出失誤。為了確保系統安全，可以采取下述軟件抗干擾措施。

4.2.5 軟件冗余

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

5 結束語

本文主要從微機保護的硬件和軟件等幾個方面，探討了提高微機保護可靠性的方法。為提高微機系統的穩定性，還需要精心選擇集成化程度高，抗干擾能力強，功耗小的電子器件。另外，元器件的精度是保證系統完成功能的重要保證。因此在使用前或經過一段運行時間后，都應對元器件及部件進行精密校正，如A/D芯片的調零及滿程調整等。實踐證明，這些方法是行之有效的，取得了良好的效果，基本能解決在現場運行中對微機保護的干擾問題。

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