关键词：井下用电设备 智能保护 抗干扰
Abstract：Proposed electric equipment under ground intelligence protection system antijamming design thought,from the suppression noise source, the cut-off disturbance dissemination way, enhanced the sensitive vitality resistance to interference three aspects to propose the system hardware antijamming design proposal, proposed the software antijamming design thought and the method.
Key words：electric equipment under ground , intelligent protection, antijamming.
0引言
智能保护装置承担着保护煤矿井下电机等电气设备的安全、可靠运行的重要任务，因而对其可靠性和稳定性的要求较高。由于智能保护中被控对象的功率较大，频率较高，而保护装置的元器件容量与阈值较低，加之电力电子器件广泛使用，给电力系统造成了大量“污染”，它们所产生的干扰信号给智能保护系统的可靠运行造成巨大威胁，不仅对各模拟电压和电流采样数据的准确性有影响，还将损坏装置中的一些元器件，引起装置功能障碍，程序出轨，若不能及时正确处理，可能使保护装置出现误动或拒动，甚至造成重大事故。因此，提高智能保护装置运行的可靠性和抗干扰性能，不容忽视。
1干扰对智能保护系统的影响
1. 1干扰的来源
由于煤矿井下工作环境恶劣，存在着强大的干扰源，干扰信号可能来自保护装置的外部（如连片、切换开关触点、操作继电器触点等），其会沿各种线路侵入保护装置，也会以场的形式从空间辐射到保护装置;供电线路是电网中各种浪涌电压入侵的主要途径;系统接地不良也是引入干扰的主要原因;电流、电压互感器、输入输出线路的绝缘不良等，均有可能引入干扰。以场的形式入侵的干扰主要发生在高电压、大电流、高频电磁场的附近，它们通过静电感应、电磁感应等方式耦合到保护装置中。也可能来自装置的内部（如微机高频时钟控制信号对装置中的其它回路产生的干扰信号），内部干扰主要由装置的结构设计、元器件和某些回路的布局、生产制造装置的工艺所决定的。干扰的主要耦合方式有电场耦合、磁场祸合、电磁耦合、传导耦合等。
1.2 干扰的危害
干扰信号对模拟量输出执行元件的影响可能导致保护装置的误动作;干扰信号对数字化的微机芯片的影响则造成运算数据传送的错误或出现微处理器操作码错误，从而导致微机系统出现故障或功能障碍。干扰对智能保护装置的影响，主要表现在采样值偏离实际值、程序运行出轨、损坏微机芯片、运算或逻辑错误等几个方面。
2干扰抑制技术的基本思想
系统的抗干扰的设计，可以综合采用硬件和软件相结合的方法。硬件抗干扰设计的基本思想是抑制干扰源、切断干扰传播路径、提高敏感器件的抗干扰性能;软件抗干扰设计就是采用数字滤波等软件方法实现对干扰信号的抑制。两者有机结合可构成效率高且廉价的抗干扰系统。
3硬件抗干扰设计
硬件措施是抗干扰的第一道防线，一般从防和抗两方面入手来抑制干扰。
3. 1抑制干扰源
抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt、di/dt。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现;减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。另外还可采取以下三种措施，继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰;电路板上每个IC并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小电源对IC的影响;布线尽量缩短印制线的长度、避免90度折线，减少高频干扰发射。
3. 2切断干扰传播路径
切断及阻碍干扰的耦合通道是抑制干扰的有效途径之一。对于以“路”形式耦合的干扰，可以采取切断传输通道的方法;对于以“场”的形式耦合的干扰，可增加干扰源与敏感器件的距离、用地线把它们隔离、在敏感器件上加屏蔽罩等方法。针对微机智能综合装置的结构如图1所示，具体采取的措施如下：
图1 单片机系统的外围电路
（1）模拟量输入通道
智能保护装置需要采集一次系统的电压、电流等模拟量，为防止交流回路的干扰信号进入逻辑部分，精密互感器的初级和次级线圈之间均用屏蔽层隔离，减少初、次级之间的分布电容，并且将初级屏蔽层接大地，给共模干扰提供通路，次级屏蔽层接系统地，因此有很高的共模抑制比，能有效地防止电网中干扰进入系统。
另外采用防频率混叠的二阶有源低通滤波器，吸收差模浪涌，使传输线上的不需要的高频成分干扰在送入模数转换器之前得到了消除或减弱。
（2） 开关量输入通道
采用整形、光电耦合器等方法限制或切断干扰途径。光电耦合器的原边和副边之间完全没有电的联系。但须注意，被隔离的通道两侧必须单独使用电源。
（3） 开关量输出通道
为了防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到保护系统，采用光电耦合器件隔离电信号;开关量输出通过两个与非门实现，以提高装置的抗干扰能力。开关量输出通道电路如图2所示。
图2 开关量输出的抗干扰电路
（4） 电源系统干扰的抑制
实际电源通过电源内阻将造成各元件和组件间的耦合形成干扰源，有时甚至造成低频振荡。在电源输入端并联较大的电解电容和0.01μF～0.047 pF的高频电容，从而可以使某个信号频谱的公共阻抗大大减少，避免耦合干扰;另外使用电源滤波器，以减小来自电网干扰。
（5） 通信端口抑制干扰的措施
采用双绞通信传输线抑制共模干扰进入保护装置中，并在通信端口串接适当铁氧体磁环抑制瞬变骚扰。
（6） 其他措施
晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定;尽可能把干扰源与敏感元件远离;单片机和大功率器件的地线单独接地;大功率器件尽可能放在电路板边缘，以减小相互干扰。
将整个智能保护装置主电路板用金属盒包围起来，再将金属盒接地进行屏蔽，这样能消除、减弱静电场与信号线之间的分布电容，抑制通过静电感应产生的干扰电压。
3.3提高敏感器件的抗干扰性能
布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应干扰;布线时电源线和地线要尽量粗，以减小压降、降低耦合噪声;对于单片机闲置的I/0空置的管脚不要悬空，应加上拉或下拉电阻。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源;尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路;IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。
4软件抗干扰的措施
智能保护装置应用于煤矿井下，由于环境恶劣，电压高，电流大，真空接触器频繁吸合，以致地线中的杂散电流会产生较强的干扰信号。当干扰信号通过三总线作用到CPU时，CPU将不能按照正常状态去执行程序，从而引起混乱。软件抗干扰措施就是要及时发现CPU受到的干扰，拦截失去控制的程序流向，恢复系统的正常工作状态。
4. 1 I /0通道上的软件抗干扰措施
（1） 开关量信号输入抗干扰
干扰信号一般都是很窄的脉冲，而开关量信号持续的有效时间较长。根据这一特点，可以对同一开关量连续多次采样，连续两次或两次以上采集的结果完全相同才认为有效。
（2） 开关量信号输出抗干扰
开关量输出电路控制的继电器、接触器等器件动作时，所产生的电弧会引发较强的干扰信号，可能改变输出寄存器的内容，造成误动作。最有效的软件解决方法是重复输出相同的数据给外部负载。重复周期尽可能的短，使外部设备受到干扰信号还来不及做出反应，正确的输出信息又送到了，这样就可以防止误动作。
（3） 模拟量信号输入抗干扰
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，对一点数据连续采样多次，以平均值作为该点的采样结果。可以减少系统随机干扰对采样结果的影响。
4. 2单片机RST指令抗干扰的应用
在单片机的RST指令操作码为FF，程序在执行到这条指令时，将使PSW初始化为0，PC初始化为2080， I/0寄存器置为初始值，在复位引脚上产生一个负脉冲。在软件抗干扰设计中在不用的存储空间中送上FF操作码，当程序“走飞”到不用的程序存储器单元时，就会自动执行RST指令，从而转到2080开始执行程序，有助于修复软件故障。
4. 3系统复位措施
（1） 人工复位
在单片机的RESET端接复位电路，上电复位电路和人工复位电路均能为RESET端提供大于1ms的高电平复位信号，使失控的CPU复位，程序自动从0000H开始执行，
（2） 程序运行监视系统
在系统中设置运行监视程序，通过芯片X5045的看门狗定时器和Vcc电压监视器对CPU提供独立的保护。当系统故障时，当看门狗定时器计时达到其可编程的超时极限，当电源电压Vcc降至最小值以下时，该芯片在系统电源上电或掉电时也芯片的RESET引脚都会立即自动产生复位信号。这样，在电源的接通和关断、瞬时的电源电压不稳时就不会造成系统死机、数据误写及误动作等现象。
4. 4设置软件陷阱
在程序设计中设置软件陷阱，用于捕捉“跑飞”的指令指针，是监测程序运行是否异常的一种设计手段。通常安排在系统中空的ROM区、数据表格的头尾处、程序中未用的中断向量处、程序内如跳转指令等语句后等位置，能够截获一定的程序异常。对于因受干扰而混乱的程序，单字节指令则可使混乱的PC指针重新理顺，使混乱现象得到控制。其中NOP指令加得越多，捕捉能力越强。
本文作者创新点：基于煤矿下电机保护装置干扰的来源、传播途径及干扰的接收方式的研究，提出了系统抗干扰设计的思想，从抑制干扰源、切断干扰传播途径、提高敏感元气件抗干扰性能三个方面提出了系统的硬件抗干扰设计方案，提出了软件抗干扰设计的思想及方法。经过实践验证，系统设计中采用的软硬件抗干扰设计方案很大程度上提高了系统的抗干扰性能，更加便于系统的维护。
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