微機保護控制接口的CPLD抗干擾設(shè)計

引言

微機保護裝置是指微機系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)字式繼電保護裝置。在我國煤礦井下高壓(6kV)供電系統(tǒng)中，絕大多數(shù)屬于變壓器中性點絕緣運行方式(三相三線制)，通過動力電纜送電。煤礦井下環(huán)境惡劣，空間狹窄，動力電纜長期處在潮濕、淋水、腐蝕的環(huán)境中，散熱條件差，絕緣性能易下降，經(jīng)常發(fā)生單相漏電或單相接地故障。這種故障引起正常相電壓升高，若不及時斷電，會造成多相短路，迫使供電中斷，并使電力故障進一步擴大。高壓防爆開關(guān)微機保護裝置是安裝在高壓防爆開關(guān)中，對井下電纜和用電設(shè)備的單相漏電或單相接地、短路、過流、絕緣監(jiān)視、過欠壓等故障進行綜合保護的一種裝置，能快速切除故障回路，防止事故擴大，通知維護人員及時排查故障源并排除。因此，對高壓防爆開關(guān)微機保護裝置提出很高的可靠性要求： 在故障發(fā)生時能快速動作；在未故障時，不能誤動。然而，高壓開關(guān)通斷感性負載(井下電器設(shè)備主要是電動機等感性負載)時刻，開關(guān)觸點拉弧會產(chǎn)生很強的電磁干擾和浪涌干擾，嚴(yán)重程度可造成CPU的程序跑飛。這種電磁干擾是高壓防爆開關(guān)微機保護系統(tǒng)的頭號強干擾源，主要通過電源線和交流互感器摸入通道侵入微機保護系統(tǒng)。微機保護系統(tǒng)長期工作在這種強電磁干擾中，抗干擾性能成為衡量微機保護系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。

提高微機保護裝置的抗干擾性能的根本途徑是阻塞共模干擾的耦合通道，提高敏感回路的抗干擾能力，合理設(shè)計接地泄放回路等措施。電磁兼容性(EMC)設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從硬件上考慮抗干擾設(shè)計是非常必要的，但想從硬件上完全消除干擾是不可能的。還要從軟件上考慮數(shù)字濾波等，很難做到盡善盡美。國內(nèi)科技人員在單片機系統(tǒng)、微機測控系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)等方面做了很多研究工作，發(fā)表大量的抗干擾技術(shù)論文，可分為兩大類。一類是從硬件電路阻塞干擾信號的入侵通道，如模擬通道加前置濾波器、電源輸入加電源濾波器、開關(guān)入與出加光耦隔離、pCB布局和布線的抗干擾技術(shù)、接地技術(shù)和屏蔽技術(shù)等等；另一類是軟件抗干擾措施，包括數(shù)字濾波、指令冗余、軟件陷阱、軟硬件看門狗等。硬件措施抗干擾是拒干擾信號于門外，是電磁兼容性設(shè)計的主攻方向。軟件抗干擾是在硬件尚未失效前提下，利用軟件的靈活性設(shè)計來抵消干擾的影響，只能起到輔助的抗干擾作用。關(guān)于微機保護裝置的控制出口可靠性設(shè)計的文獻很少，歸納起來，防止控制出口失控的常用措施有兩種： 硬件冗余設(shè)計和軟件冗余設(shè)計。硬件冗余設(shè)計基本方法是采用雙或多CPU結(jié)構(gòu)，一個負責(zé)保護的啟動，另一個CPU負責(zé)保護的執(zhí)行。兩個CPU相“與”才開始控制出口。軟件冗余設(shè)計主要采用以下措施：

(1)設(shè)置多重跳閘命令，分多條控制指令來執(zhí)行分閘，在每條指令之間執(zhí)行一段核對程序，設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位。CPU核對標(biāo)志位相符后才執(zhí)行下一條指令，否則初始化重來。

(2)設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)信息，系統(tǒng)運行自檢程序循環(huán)查詢測試這些狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)干擾出錯，及時糾正輸出通道的出錯信息。

多CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計是防止保護誤動，提高微機保護系統(tǒng)可靠性的一種有效措施，但采用多CPU結(jié)構(gòu)使硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試繁瑣，成本高，而且當(dāng)多CPU同時程序跑飛時，同樣造成控制出口失控，有可能引起誤動。軟件冗余設(shè)計是在程序運行正常情況下提出的(即假設(shè)CPU運行程序正確，沒有出軌)，如果程序跑飛，已經(jīng)執(zhí)行不到軟件冗余設(shè)計程序，則控制出口處于失控狀態(tài)，既使看門狗電路起作用，使CPU復(fù)位重新回到正常程序，經(jīng)歷的時間最短也要幾毫秒。在這段時間內(nèi)，干擾信號足以引起控制出口的誤跳閘。顯然，上述兩種方法并不能完全確保繼電保護控制出口的可靠性和安全性。

對微機保護系統(tǒng)來說，最重要的一點就是當(dāng)強干擾引起程序跑飛后，不能引起繼電保護控制出口的誤動作。筆者在研制KJ118型礦用變電所遠程監(jiān)控系統(tǒng)配套的高壓防爆開關(guān)微機保護系統(tǒng)中，針對繼電保護控制出口的特點，創(chuàng)造性地提出采用CPLD技術(shù)，加強微機保護控制出口的可靠性研究，成功設(shè)計出一種基于CPLD的抗干擾微機保護控制出口硬件電路。文中介紹的這種基于CPLD控制接口抗干擾設(shè)計的新方法，比多CPU結(jié)構(gòu)更簡單，更經(jīng)濟，可靠性更高，不依賴于CPU本身的抗干擾性能，即使CPU程序跑飛，控制接口仍有很高抗干擾性能，不會產(chǎn)生誤跳閘電平，徹底解決繼電保護系統(tǒng)控制出口的可靠性問題。

CPLD技術(shù)在微機保護裝置中應(yīng)用的優(yōu)越性
　　
CPLD(complex programmable logic device，復(fù)雜可編程邏輯器件)與FPGA(field programmable gate array，現(xiàn)場可編程門陣列)是兩大可編程ASIC(application specific intergrate dcircuit)芯片，都可用VHDL(very high speed intergrate dcircuit hardware description language)進行描述和編程下載。CPLD門陣列規(guī)模較FPGA小，CPLD主要結(jié)構(gòu)是基于乘積項，易于實現(xiàn)較復(fù)雜的組合邏輯。CPLD的邏輯宏單元較FPGA少，較多的觸發(fā)器時序邏輯用FPGA較合適。FPGA主要結(jié)構(gòu)是基于SRAM的查表項，雖然電路結(jié)構(gòu)配置靈活，但延時不可預(yù)測，實際傳輸延時要大于CPLD。CPLD采用EEpROM編程技術(shù)，掉電配置信息不丟失。FPGA采用SRAM工藝開關(guān)技術(shù)，上電通過在線可重配置方式對FPGA進行功能配置，理論上可無限次配置，并可實現(xiàn)真正意義上的在線可配置，但掉電配置信息丟失，必須借助串行EEpROM、單片機等進行上電的重配置。對于I/O數(shù)量和觸發(fā)器數(shù)目不太大的應(yīng)用場合，CPLD在使用方便性和編程的保密性均優(yōu)于FPGA。

微機保護系統(tǒng)中的數(shù)字組合邏輯電路和時序邏輯電路規(guī)模均不大，宜采用CPLD芯片實現(xiàn)，有利于微機保護系統(tǒng)的微型化和智能化設(shè)計。

微機保護裝置控制接口設(shè)計

微機保護系統(tǒng)的控制接口由I/O接口和微型繼電器組成，典型電路是將分合閘繼電器分成2級，第1級控制第2級。第2級控制主回路的分合閘接觸器。原理框圖如圖1所示。

2級繼電器有利于隔離主回路的分合閘接觸器通斷產(chǎn)生的干擾。

合閘指令執(zhí)行順序為：OUT1→OUT2→OUT4。分閘指令執(zhí)行順序為：OUT1→OUT3→OUT4。如果I/O接口直接由CPU控制，當(dāng)CPU受干擾程序跑飛或CPU芯片出故障使I/O接口失控，正巧產(chǎn)生分合閘所需的電平時，繼電保護控制出口就不可避免地發(fā)生誤動。