微机保护装置抗干扰性措施的一点研究

范军太，王 晋

（晋城供电分公司，山西 晋城 048000）

1 引言

随着微机技术的大量应用，继电保护也逐渐迈向微机时代，微机保护具有动作速度快、校验简单、维护方便、体积小等诸多特点，使其在继电保护行业中的地位十分重要，但同时微机保护装置的工作环境有时较恶劣和复杂，其应用的可靠性、安全性成为非常突出的问题。

2 电气干扰造成的后果

影响微机系统可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等。这些因数对测控系统造成的干扰后果主要表现在以下几方面：

（1）干扰侵入微机系统测量单元模拟信号的输入通道，叠加在有用信号上，会使数据采集误差加大，特别是当传感器输出微弱信号时，干扰更加严重。

（2）一般微机输出的控制信号较大，不易受外界的干扰。但微机输出的控制信号常依据某些条件的状态输入信号和这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信号，将导致输出控制误差加大，甚至控制失常。

（3）微机中程序计数器PC的正常工作，是系统维持程序正常运行的关键所在。但若外界干扰导致 PC值改变，破坏了程序的正常运行。由于 PC值被干扰后的数据是随机的，因此可引起程序执行混乱。通常的情况是程序将执行一系列毫无意义的指令，最后进入“死循环”，这将使输出严重混乱或系统失灵不利情况下保护将拒动。

（4）电气干扰严重时将引起元器件及芯片损坏，造成装置短期内停止工作，其可靠性受到威胁。

3 微机保护硬件可靠性措施

应用硬件抗干扰措施是采用的一种有效方法。实践证明，通过合理的硬件电路设计可以削弱或抑制绝大部分干扰。微机保护硬件抗干扰技术主要包括：

3.1 直流电源抗干扰措施

直流电源贯穿所有部件，是装置的重要干扰源。目前通常采用由蓄电池或UPS电源供电、经逆变后的开关电源稳压并通过滤波器得到各种稳恒直流电压作为装置的电源，由于经过多级变压器和稳压滤波环节，其稳压能力与抗干扰效果都较理想。

3.2 滤波技术

在输入电路外接端子前（与地之间）并联接入滤波电容，为浪涌电压和高频振荡提供低阻抗入的通道，可抑制共模干扰与差模干扰。对模拟量输入回路中的前置有源滤波器，调整运放器零点则可消除差模干扰。

3.3 合理配线和布置插件

对装置内部输入大电流的通道和电源线等对其他弱电线路干扰的影响，应采取将微机保护的核心部分如CPU、存储器、A/D转换器和有关地址译码电路集中在1～2个插件上，并在布置上远离上述干扰源。从优化输入量方面来看，要尽量使输入量远离干扰源。

3.4 对装置接地的处理

正确合理地接地是抑制干扰的主要方法。微机保护装置的接地包括两类：一类是金属机箱和各种隔离变压（流）器屏蔽层需与大地联接，接地电阻应小于 10 Ω；另一类是指装置内部的数字地（或称逻辑地，即数字器件的零电位点），模拟地（即采样保持器）和A/D转换器模拟部件等的零电位。通常应将数字地和模拟地仅有一点相连，且两者都与内部直流电源零电位连接，内部零电位应全悬空，即不与机箱连接，以便有效地抑制共模干扰。

3.5 数字电路干扰的抑制

数字电路的快速开断，伴随着电流的高速变化，由于存在电感而产生高频干扰电压。因此在设计印刷电路板时在靠近集成块的地方需装设高频去耦电容。每块印刷电路板上的电源引线两端也应装设10 μF～1 000 pF的去耦电容。微机保护的抗干扰不可能完全依靠硬件解决，软件抗干扰设计也是防止和清除整个微机保护受干扰的重要途径，并以此作为微机保护抗干扰能力的重要技术要求。软件抗干扰的设计可以较灵活地根据实际情况加以适当选择，防止干扰可能导致装置误动和拒动。

3.6 在单片机与外围设备的接口处，采用光电隔离

由于外围设备可能在作用时向单片机输入一个较大的电流，从而导致单片机损坏，因此在两者之间加光电隔离。另外，在数字部分与模拟部分之间使用光电隔离，可以实现两者在电气上的完全隔离，这样即使数字地与模拟地不连接，也不会造成串模或共模干扰。

4 微机保护软件可靠性措施

微机保护软件可靠性措施从数据采集的处理和软件程序两个方面来叙述。

4.1 数据采集方面

4.1.1 数据采集误差的软件对策

对于输入通道中没有被硬件完全消除的干扰，在信号数据被使用之前，采用数字滤波技术往往能取得较好的效果，随着微机运算速度的提高，数字滤波在实时数据采集系统中的应用将愈来愈广泛，下面介绍几种常用的方法：

4.1.2 一阶滞后滤波法

在模拟量输入通道中，常用一阶滞后 RC模拟滤波器来抑制干扰。当用这种方法来实现对低频干扰滤波时，要求有滤波器具有大的时间常数和高精度的RC网络。时间常数T越大，要求R、C越大，其漏电流也必然加大，从而使RC网络的精度加大了。采用一阶滞后的数字滤波程序，能很好的克服上述这种模拟量滤波器的特点，在滤波常数要求大的场合，此法更合适。其公式为：

式中：X（n）：第n次采样时滤波器输入值；

Y（n）：第n次采样时的滤波器输出值；

Y（n－1）：第n－1次采样时滤波器输出值；

Q：数字滤波器时间常数。

4.1.3 程序判断滤波法

根据经验判断确定两次采样允许的最大偏差ΔY，若先后两次采样值的差值大于ΔY，则表明输入的是干扰信号，应该去掉，而且上次采样值作为本次采样值；若小于ΔY，则本次采样值有效。

4.1.4 算术平均值法

对一点数据连续采样多次，计算其平均值，以平均值作为该点的采样结果。这种方法可以减少系统随机干扰对采样结果的影响。

4.1.5 递推平均滤波法

算术平均滤波法每计算一次数据需测量N次。对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制系统，无法使用。递推平均滤波法是把N个测量数据看成是一个队列，队列的长度是 N，每进行一次新的测量，就把测量结果放入队尾，而扔掉原来队首的一次数据，这样在队列中始终有N个最新数据。计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行平均，就可以得到新的滤波值。这种方法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏性低，适用于高频震荡系统。

4.1.6 中位值法

对一个采样点连续采样m次（m≥3），然后把m次采样值按大小排列，取中值作为该点的采样结果。这种方法可以消除偶然脉冲的干扰。

4.2 程序处理方面

4.2.1 程序运行失常的软件对策

窜入微机保护装置的干扰通常使程序运行失常，可在软件上采取一些措施减小干扰造成的损失。

4.2.2 设置监视定时器

使用监视定时器的溢出中断使运行失常的程序复位。监视定时器可以是CPU外部的硬件定时器，也可以是CPU内部的软定时器。定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环时间，主程序每循环一次将定时器时间常数刷新一次。这样，只要程序正常运行，定时器不会产生溢出。而当程序失常，不能刷新定时器的时间常数而导致定时器溢出时，可利用溢出信号使系统复位（外部定时器），或利用溢出中断服务程序将系统复位（内部定时器）。

4.2.3 失控程序的拦截

失控的程序可能把程序中的一些操作数当作指令码执行。对此，可采用指令冗余方法防止指令被拆散，即在程序适当位置，尤其是在调转指令之前加入两条NOP指令，将失控的程序纳入正轨。失控的程序也可能落在没有编程的 ROM 区，此时可在该 ROM 区设置软件陷阱，即将该区全部设置成复位指令或指向程序入口的调转指令。

4.2.4 控制状态失常的软件对策

在条件控制系统中，人们关注的问题是能否确保正常的控制状态。如果干扰进入系统，会影响各种控制条件、造成控制输出失误。为了确保系统安全，可以采取下述软件抗干扰措施。

4.2.5 软件冗余

对于条件控制系统，将控制条件的一次采样、处理控制输出，改为循环采样、处理控制输出，这种方法对于惯性较大的控制系统具有良好的抗偶然因素干扰作用。

5 结束语

本文主要从微机保护的硬件和软件等几个方面，探讨了提高微机保护可靠性的方法。为提高微机系统的稳定性，还需要精心选择集成化程度高，抗干扰能力强，功耗小的电子器件。另外，元器件的精度是保证系统完成功能的重要保证。因此在使用前或经过一段运行时间后，都应对元器件及部件进行精密校正，如A/D芯片的调零及满程调整等。实践证明，这些方法是行之有效的，取得了良好的效果，基本能解决在现场运行中对微机保护的干扰问题。

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