微機(jī)保護(hù)控制接口裝置的CPLD抗干擾設(shè)計(jì)

摘  要：介紹一種用VHDL在CPLD芯片上設(shè)計(jì)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)控制接口的方法來(lái)提高抗干擾性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：控制接口的抗干擾性能很高，完全實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的高可靠性控制。接口速度高，高集成度，能直接與高速DSP系統(tǒng)連接，具有較高推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：微機(jī)保護(hù)；抗干擾；冗余設(shè)計(jì)；VHDL；CPLD 

        引    言 

        微機(jī)保護(hù)裝置是指微機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)字式繼電保護(hù)裝置。在我國(guó)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(diǎn)絕緣運(yùn)行方式(三相三線制)，通過(guò)動(dòng)力電纜送電。煤礦井下環(huán)境惡劣，空間狹窄，動(dòng)力電纜長(zhǎng)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(shí)斷電，會(huì)造成多相短路，迫使供電中斷，并使電力故障進(jìn)一步擴(kuò)大。高壓防爆開(kāi)關(guān)微機(jī)保護(hù)裝置是安裝在高壓防爆開(kāi)關(guān)中，對(duì)井下電纜和用電設(shè)備的單相漏電或單相接地、短路、過(guò)流、絕緣監(jiān)視、過(guò)欠壓等故障進(jìn)行綜合保護(hù)的一種裝置，能快速切除故障回路，防止事故擴(kuò)大，通知維護(hù)人員及時(shí)排查故障源并排除。因此，對(duì)高壓防爆開(kāi)關(guān)微機(jī)保護(hù)裝置提出很高的可靠性要求： 在故障發(fā)生時(shí)能快速動(dòng)作；在未故障時(shí)，不能誤動(dòng)。然而，高壓開(kāi)關(guān)通斷感性負(fù)載(井下電器設(shè)備主要是電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載)時(shí)刻，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)拉弧會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)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(kāi)關(guān)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的頭號(hào)強(qiáng)干擾源，主要通過(guò)電源線和交流互感器摸入通道侵入微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在這種強(qiáng)電磁干擾中，抗干擾性能成為衡量微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。 

        提高微機(jī)保護(hù)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(jì)接地泄放回路等措施。電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從硬件上考慮抗干擾設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)科技人員在單片機(jī)系統(tǒng)、微機(jī)測(cè)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(hào)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(kāi)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(hào)于門外，是電磁兼容性設(shè)計(jì)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(jì)來(lái)抵消干擾的影響，只能起到輔助的抗干擾作用。關(guān)于微機(jī)保護(hù)裝置的控制出口可靠性設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)很少，歸納起來(lái)，防止控制出口失控的常用措施有兩種： 硬件冗余設(shè)計(jì)和軟件冗余設(shè)計(jì)。硬件冗余設(shè)計(jì)基本方法是采用雙或多CPU結(jié)構(gòu)，一個(gè)負(fù)責(zé)保護(hù)的啟動(dòng)，另一個(gè)CPU負(fù)責(zé)保護(hù)的執(zhí)行。兩個(gè)CPU相“與”才開(kāi)始控制出口。軟件冗余設(shè)計(jì)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(lái)執(zhí)行分閘，在每條指令之間執(zhí)行一段核對(duì)程序，設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位。CPU核對(duì)標(biāo)志位相符后才執(zhí)行下一條指令，否則初始化重來(lái)。 

        (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(yùn)行自檢程序循環(huán)查詢測(cè)試這些狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)干擾出錯(cuò)，及時(shí)糾正輸出通道的出錯(cuò)信息。 

        多CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是防止保護(hù)誤動(dòng)，提高微機(jī)保護(hù)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(shí)程序跑飛時(shí)，同樣造成控制出口失控，有可能引起誤動(dòng)。軟件冗余設(shè)計(jì)是在程序運(yùn)行正常情況下提出的(即假設(shè)CPU運(yùn)行程序正確，沒(méi)有出軌)，如果程序跑飛，已經(jīng)執(zhí)行不到軟件冗余設(shè)計(jì)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(shí)間最短也要幾毫秒。在這段時(shí)間內(nèi)，干擾信號(hào)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(hù)控制出口的可靠性和安全性。 

        對(duì)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最重要的一點(diǎn)就是當(dāng)強(qiáng)干擾引起程序跑飛后，不能引起繼電保護(hù)控制出口的誤動(dòng)作。筆者在研制KJ118型礦用變電所遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)配套的高壓防爆開(kāi)關(guān)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中，針對(duì)繼電保護(hù)控制出口的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出采用CPLD技術(shù)，加強(qiáng)微機(jī)保護(hù)控制出口的可靠性研究，成功設(shè)計(jì)出一種基于CPLD的抗干擾微機(jī)保護(hù)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(jì)的新方法，比多CPU結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，更經(jīng)濟(jì)，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(huì)產(chǎn)生誤跳閘電平，徹底解決繼電保護(hù)系統(tǒng)控制出口的可靠性問(wèn)題。 

        CPLD技術(shù)在微機(jī)保護(hù)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(chǎng)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(jìn)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(xiàng)，易于實(shí)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(shí)序邏輯用FPGA較合適。FPGA主要結(jié)構(gòu)是基于SRAM的查表項(xiàng)，雖然電路結(jié)構(gòu)配置靈活，但延時(shí)不可預(yù)測(cè)，實(shí)際傳輸延時(shí)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(kāi)關(guān)技術(shù)，上電通過(guò)在線可重配置方式對(duì)FPGA進(jìn)行功能配置，理論上可無(wú)限次配置，并可實(shí)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(jī)等進(jìn)行上電的重配置。對(duì)于I/O數(shù)量和觸發(fā)器數(shù)目不太大的應(yīng)用場(chǎng)合，CPLD在使用方便性和編程的保密性均優(yōu)于FPGA。 

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

        微機(jī)保護(hù)裝置控制接口設(shè)計(jì) 

        微機(jī)保護(hù)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(jí)，第1級(jí)控制第2級(jí)。第2級(jí)控制主回路的分合閘接觸器。原理框圖如圖1所示。 

        2級(jí)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?yàn)椋篛UT1→OUT2→OUT4。分閘指令執(zhí)行順序?yàn)椋篛UT1→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(shí)，繼電保護(hù)控制出口就不可避免地發(fā)生誤動(dòng)。 

        圖1　繼電保護(hù)控制出口原理 

        因此，繼電保護(hù)控制出口的閉鎖和冗余度設(shè)計(jì)是防止控制出口誤動(dòng)的關(guān)鍵所在。嚴(yán)格監(jiān)視分合閘多重命令的執(zhí)行順序，不允許無(wú)序分合閘命令通過(guò)，是防止控制出口誤動(dòng)的根本措施。分合閘多重命令的有序執(zhí)行，可以看作一個(gè)狀態(tài)變化序列，用CPLD狀態(tài)機(jī)對(duì)這個(gè)狀態(tài)序列進(jìn)行監(jiān)控，就能杜絕無(wú)序狀態(tài)的通過(guò)，實(shí)現(xiàn)控制出口的無(wú)干擾控制。 

        基于CPLD狀態(tài)機(jī)的抗干擾控制接口設(shè)計(jì)
　　 
        設(shè)計(jì)一個(gè)基于DSP的高壓開(kāi)關(guān)柜微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，用一片CPLD芯片實(shí)現(xiàn)圖1所示的I/O接口，并設(shè)計(jì)一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，對(duì)狀態(tài)輸入I1，I2，I3進(jìn)行監(jiān)控，狀態(tài)機(jī)輸出作為總分合閘命令的允許和禁止信號(hào)。基于CPLD的微機(jī)保護(hù)控制接口如圖2 所示。

        圖2　微機(jī)保護(hù)的CPLD控制接口 

        分合閘多重命令的狀態(tài)編碼 
        狀態(tài)機(jī)有3位二進(jìn)制輸入，共有2³=8種狀態(tài)。采用二進(jìn)制編碼方式(Binary coded)將控制接口的初始狀態(tài)S0到所有可能的狀態(tài)變遷，列成一張編碼表，如表1 所示。狀態(tài)編碼表是編寫VHDL程序的基礎(chǔ)。 

        表1　微機(jī)保護(hù)控制接口狀態(tài)機(jī)編碼表 


        狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì) 
        狀態(tài)機(jī)的時(shí)鐘頻率為5MHz。復(fù)位信號(hào)/Reset來(lái)自DSP微機(jī)保護(hù)裝置的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，對(duì)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)初始化。 

        狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)可采用單進(jìn)程，雙進(jìn)程，3進(jìn)程等進(jìn)行編寫，根據(jù)微機(jī)保護(hù)控制接口的應(yīng)用特點(diǎn)宜采用雙進(jìn)程來(lái)描述狀態(tài)機(jī)，即一個(gè)時(shí)序進(jìn)程和一個(gè)組合進(jìn)程。時(shí)序進(jìn)程負(fù)責(zé)舊次態(tài)到新現(xiàn)態(tài)的轉(zhuǎn)換，以及異步復(fù)位。組合進(jìn)程完成根據(jù)現(xiàn)態(tài)決定狀態(tài)機(jī)輸出的變化，根據(jù)狀態(tài)輸入來(lái)決定新的次態(tài)。雙進(jìn)程狀態(tài)機(jī)的邏輯框圖如圖3所示。 

        圖3　雙進(jìn)程狀態(tài)機(jī)邏輯圖 

        狀態(tài)機(jī)的行為及代碼是一種流程控制代碼，很容易用VHDL語(yǔ)言中的CASE語(yǔ)句和IF語(yǔ)句加以實(shí)現(xiàn)。時(shí)序進(jìn)程與組合進(jìn)程之間利用現(xiàn)態(tài)信號(hào)和次態(tài)信號(hào)進(jìn)行同步通信。 

        狀態(tài)機(jī)仿真波形 
        利用Altera公司的EDA工具軟件MAX+plus對(duì)用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行時(shí)序仿真，仿真波形如圖4所示。 

        圖4　狀態(tài)機(jī)仿真波形 

        CPLD狀態(tài)機(jī)抗干擾控制原理分析 
        基于CPU的微機(jī)系統(tǒng)是按指令周期順序執(zhí)行機(jī)器指令的，一旦受干擾程序出軌，則CPU不按事先編好的流程執(zhí)行程序，出現(xiàn)死機(jī)，通常的對(duì)策是設(shè)置看門狗使CPU硬件復(fù)位，使CPU重新運(yùn)行正常程序，但是從CPU死機(jī)到看門狗復(fù)位一般要經(jīng)歷幾毫秒到1～2s，這段失控時(shí)間，繼電保護(hù)控制出口的狀態(tài)是不可預(yù)測(cè)的，足以對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成危害，嚴(yán)重情況就是發(fā)生誤動(dòng)。而基于CPLD的狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)，狀態(tài)變換周期只有一個(gè)時(shí)鐘周期，若時(shí)鐘頻率為5MHz，時(shí)鐘周期為012Ls。若狀態(tài)機(jī)受干擾進(jìn)入非法狀態(tài)再轉(zhuǎn)入合法狀態(tài)，只需2個(gè)時(shí)鐘周期，即幾百納秒，不足以對(duì)狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行造成危害?？梢?jiàn)，用CPLD狀態(tài)機(jī)控制微機(jī)繼電保護(hù)的控制接口，就能實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾控制，獲得繼電保護(hù)系統(tǒng)的高可靠性控制。 

        就DSP芯片與CPLD芯片的可靠性比較而言，DSP的外圍接口繁多，輸入信號(hào)有模擬和數(shù)字，電壓有模擬電壓和數(shù)字電壓，CPLD只有數(shù)字接口，電壓?jiǎn)我?，受外界干擾損壞的可能性比DSP小的多。另外，CPLD狀態(tài)機(jī)含有多個(gè)進(jìn)程，就相當(dāng)于包含有并行運(yùn)算的“多CPU”功能，對(duì)不合格的輸入，裁決狀態(tài)機(jī)輸出0。因此，筆者認(rèn)為，雙CPU控制硬件冗余設(shè)計(jì)遠(yuǎn)不如CPLD狀態(tài)機(jī)的控制接口可靠性高。 

        結(jié)    論 

        用Altera公司的MAX7000系列的EMp7128SLC84-15實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)控制接口，與TMS320F240DSP芯片總線直接相連，DSP執(zhí)行合閘或分閘多重命令時(shí)，不需要插入等待周期，只需要連續(xù)執(zhí)行3條合閘或分閘指令，CPLD狀態(tài)機(jī)就能立即決定是否允許總執(zhí)行命令通過(guò)。試驗(yàn)表明： 用CPLD實(shí)現(xiàn)的繼電保護(hù)控制接口具有速度快，占用硬件體積小，接口簡(jiǎn)單，可靠性高等特點(diǎn)。 

        該接口應(yīng)用到基于TMS320F240的高壓開(kāi)關(guān)柜數(shù)字綜合保護(hù)裝置中，隨KJ118型礦用變電所遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)于2003年10月在徐州礦務(wù)局旗山煤礦井下采區(qū)變電所投運(yùn)，進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，正常運(yùn)行至今已超過(guò)半年以上。采區(qū)變電所現(xiàn)場(chǎng)高爆開(kāi)關(guān)就地人工分合閘操作、地面主機(jī)遙控命令分合閘以及故障保護(hù)跳閘試驗(yàn)表明，從未發(fā)生因高壓開(kāi)關(guān)分合閘操作等強(qiáng)電磁干擾引起CPU程序出軌而誤動(dòng)，表現(xiàn)出非常高的可靠性。 

        文中用全新的CPLD狀態(tài)機(jī)方法研究微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的控制可靠性問(wèn)題，對(duì)于瞬變干擾信號(hào)有很強(qiáng)的濾波性。雖然從防范微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)程序出軌采用一些軟件措施有一定效果，但是并不能真正解決程序出軌期間控制口的失控問(wèn)題，而文中提出的CPLD狀態(tài)機(jī)控制接口真正解決了這一問(wèn)題，可以推廣到各種微機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾控制接口設(shè)計(jì)中去。