提高直流操作電源系統可靠性的技術措施

摘要：為保證直流操作電源微機控制系統可靠運行,對電源、輸入輸出通道、中央控制單元軟硬件

等采取相應措施。

關鍵詞：可靠性瞬態抑制器濾波器看門狗軟件陷阱可編程邏輯器件

Technical Measures to Realize High－ reliability of MPU Controller for

the DC Operating Power Supply

Abstract: The method taken on the power supply, input and output channel, software and hardware of the central controller unit, to ensure the reliable operation of the microcomputer control system for the DC operating power supply

Keywords: Rreliability TSV Filter Watchdog Software trap ISP

　　直流操作電源（直流屏）設備是發電廠和變電站的二次電源，用于斷路器分合閘及二次回路的儀器儀表、繼電保護、控制、應急燈照明等。

　　隨著科技的發展及用戶要求的提高，近年來電力操作電源的主電路已逐步由原來的晶閘管相控型發展為高頻開關型，而控制部分則由原來的模擬控制方式發展為由微機控制的數字控制方式，微機控制的應用使電力操作電源的運行自動化程度大大提高，并可實現四遙聯網功能以滿足電站無人值守的需要。但電力系統首要的要求是安全性、可靠性，因此微機控制器的可靠性及抗干擾能力就顯得十分重要，筆者近年來一直從事電力操作電源微機控制器及其它微機系統的開發研究工作，現就這一問題作一闡述。

1微機電源

　　電源是微機控制系統的能量供給源泉，電源的優劣直接影響著整個系統的穩定性與可靠性，同時電源也是外部干擾引入系統的主要途徑，所以對電源處理的好壞是系統可靠運行的前提條件。控制器電源采用寬電壓輸入的直流進線開關電源，這樣可由蓄電池直接供電，保證系統供電的不間斷性。為抑制外部各類干擾由電源引入系統采取了如下多項措施。

　　(1)TVP器件主要用于吸收電源網絡中的瞬時浪涌電壓，該器件在承受一個高能量的浪涌電壓時，其阻抗立即降至很低，允許大電流通過，同時把電壓鉗位到預定水平，其承受瞬時浪涌電流的峰值可達數百安培，能吸收高達數千瓦的浪涌功率。

　　(2)EMI濾波器主要用于抑制系統中的高頻干擾，對于共模噪聲，濾波器在電源線與地線間構成通路，可以把噪聲電流引入大地。對于常模噪聲，濾波器在線間構成通路，把噪聲電流在線間短路，使其不影響電路工作。

　　(3)鐵氧體磁珠濾波器鐵氧體對低頻電流幾乎沒有什么阻抗，而對于較高頻率的電流會產生較高的衰減作用。高頻電流在其中以熱量形式散發。

　　(4)自恢復保險自恢復保險與常規保險的區別在于當線路電流過大時，自恢復保險的阻抗會大大提高，從而實現線路保護功能，而當線路電流正常時，又會恢復正常阻抗值，從而對瞬時干擾造成的線路過流具有很好的保護效果。

2模擬量通道

　　(1)現場模擬量輸入對于電力操作電源，現場模擬量主要包括：交流進線和充電器的電壓、電流，直流母線電壓、電流，電池電壓，各點溫度以及對地絕緣等參數，由于工業現場環境的復雜性，這些信號往往疊加有各種干擾成分，如將這些信號直接引入系統，將對系統帶來嚴重影響，甚至導致系統無法運行，故這些信號在輸入系統前均通過隔離變送器，隔離變送器一方面將各種干擾成分隔離于系統之外，另一方面將這些信號調理成A/D轉換輸入的標準信號。另外為防止變送器對系統電源的影響，變送器均選擇為前端無源型變送器。

　　(2)模擬量輸出直接控制充電器的工作參數，一旦出現故障，系統將無法正常運行，為保證其可靠性，采用隔離放大器輸出，同時對于D/A轉換寫入端加有硬件保護措施，保證只有當CPU正常運行時方可對D/A進行改寫，當CPU出現故障時不會對輸出造成影響，保證裝置輸出不至于出現混亂。

3開關量通道

　　現場開關量輸入、輸出與模擬量相似，也疊加有各種干擾成分，為消除這些干擾對系統的影響，必須采取隔離措施，開關量輸入輸出隔離一般采用光電隔離器件就可以取得很好的隔離效果。

4通訊口

　　通訊口為裝置與上位機聯絡的通道，是保證信息上傳與上位機控制的關鍵，是實現無人值守的保證。一般工作現場裝置與上位機都有一定的距離，為保證信息正確，硬件采用隔離防靜電的標準接口（接口硬件協議RS－485/RS－422），通訊軟件協議采用目前國內電力系統常用的標準站控協議，具有完備的校驗措施及明確的信息格式。

5中央控制器

　　中央控制器是整個控制系統的核心，系統的所有功能都通過中央控制器及相關外圍電路完成，一旦出現故障整個控制器將無法工作，其可靠性是保證系統可靠性的決定因素，為此采取了如下多項技術措施。

　　(1)硬件看門狗技術：為防止CPU因外界強干擾的影響，造成程序跑飛導致系統死鎖。系統中為CPU專門設計有硬件看門狗電路，當程序正常運行時，看門狗電路進行周期性復位，當出現程序跑飛而軟件陷阱未能及時捕捉并處理而造成系統死鎖，則看門狗電路無法得到復位信號，看門狗電路會產生CPU硬件復位信號，使系統復位重新起動，恢復運行。

　　(2)采用PSD、ISP器件：中央系統的基本構成是由CPU、地址鎖存器、譯碼器、程序存儲器、數據存儲器等構成。常規硬件電路往往由多片TTL電路及EPROM、RAM構成，器件數量較多，增加了系統的故障點。而PSD器件將地址鎖存器、譯碼器、程序存儲器、數據存儲器集成于一個芯片中，使器件數量成倍減少，增加了系統的可靠性。因直流操作電源控制相應輸入輸出通道較多，如采用常規TTL或其它常規接口器件（如8155、8255），則使器件數量增多，為此采用了大規模可編程邏輯器件（ISP），可大大降低器件數量，一片ISP（如ISP2064）可包含2000個門電路、64個寄存器。原用4片8D鎖存器（74LS373）、4片8位緩沖器完成32路輸入、輸出功能，現在只用一片ISP2064即可。另外ISP為可編程邏輯器件，也便于線路的修改、調試。

　　(3)軟件陷阱：當CPU因外界強干擾的影響，造成程序跑飛時，在程序區中各地址區域設有軟件陷阱，當程序未按正常順序執行，軟件陷阱將錯誤程序指令捕捉并自動恢復正常運行。

　　(4)重要數據多地址備份：程序運行出現錯誤時有可能使數據存儲器誤寫，為防止程序重新起動運行時的錯誤，對于系統運行至關重要的數據均在數據存儲器不同區域有多個數據備份，當程序運行時會自動比較各數據的同一性，如有錯誤可自動取出正確數據使用。

　　(5)系統自恢復：對于操作電源控制器而言，其設備運行必須保證其連續性，要求當中央控制器非正常復位（如硬件看門狗動作、人為誤操作、軟件陷阱重新起動程序等）時，系統重新起動后應保持原有運行狀態。針對這一要求在程序起動時通過判斷數據存儲器內特定的特征碼，可判斷是正常復位還是非正常復位，如為非正常復位可通過數據備份恢復系統運行，保證工作的連續性。

　　(6)系統自診斷：對于中央控制器的關鍵器件，如程序存儲器、數據存儲器、CPU等，程序運行中均定時對其狀態進行檢查，可及時發現故障，并作出相應處理。

　　以上所述各項提高可靠性的措施，已成功運用于我所MC－3型直流操作電源微機控制器中，均已在工業現場長期運行，取得了良好的效果。