淺談安科瑞低壓智能電動(dòng)機綜合保護裝置的設計

安科瑞 徐浩竣

江蘇安科瑞電器制造有限公司

18706168062

摘 要：工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，系統外用戶(hù)對電動(dòng)機，饋線(xiàn)等裝置的保護功能提出了越來(lái)越高的要求。主要研究了一種以CPU＋DSP＋FPGA 的模塊化設計的高性能低壓綜合保護裝置的開(kāi)發(fā)，介紹了保護裝置的系統架構、硬件原理、軟件功能方面。 裝置集成了電動(dòng)機、饋線(xiàn)、電容器等保護功能，可以實(shí)現電流、電壓、電度等信息采集及斷路器遙控等功能。 根據應用對象，通過(guò)被保護裝置的類(lèi)型選擇，實(shí)現裝置保護功能的選擇。

關(guān)鍵詞:微機保護；低壓綜保； DSP ； FPGA

0 引言

伴隨著(zhù)工業(yè)用戶(hù)對供電可靠性的要求，數字式保護測控裝置在工業(yè)用戶(hù)中的應用也越來(lái)越廣泛。目前市場(chǎng)上的低壓綜保裝置是基于DSP和單片機的雙 CPU 架構，其中DSP負責邏輯功能計算，單片機負責界面顯示及鍵盤(pán)輸入。隨著(zhù)IT技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種架構相對來(lái)說(shuō)性能較低，液晶界面操作不夠流暢，DSP 采樣數據處理能力也相對較弱，對于集成保護測控一體化功能來(lái)說(shuō)性能已經(jīng)沒(méi)有優(yōu)勢。 CPU 和 DSP之間大多數采用串口通信方式，無(wú)數據總線(xiàn)，傳輸可靠性較低，且不利于插件和功能的擴展。 因此需要一種高性能的采樣平臺，解決高速數據傳輸、大容量數據采樣、保護算法和數據采樣同步等問(wèn)題 。

針對上述情況，本文提出一種FPGA＋DSP＋CPU 的架構，其中CPU和DSP之間通過(guò) FPGA 為橋梁傳遞數據，保證了數據傳輸的穩定和可靠。其中FPGA用于低壓綜保裝置的模擬量采集傳輸，將采集的數據送給 DSP 進(jìn)行保護的啟動(dòng)及邏輯運算；CAN總線(xiàn)用于開(kāi)關(guān)量采集、直流量采集和 CPU 管理數據通道。

1 裝置的整體架構

裝置的整體架構如圖1所示,系統采用了兩條高速數據總線(xiàn)和兩條 CAN 總線(xiàn)。高速數據總線(xiàn)用于傳輸模擬量采集等大數據量的，采用數據總線(xiàn)的方式，便于插件和系統的擴展，其采用LVDS 差分電路，能夠有效地共模干擾信號，提高裝置的抗干擾能力。CAN 總線(xiàn)用來(lái)傳輸開(kāi)入開(kāi)出、4～20mA直流信號、PT100 溫度等數據，用于DSP 和CPU之間的數據傳輸， 同時(shí)CPU 對其他智能插件的管理命令和報文交互也是通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現的。CPU負責處理人機接口功能，實(shí)現裝置的界面顯示、定值整定、事件查看、事件記錄、故障錄波、對時(shí)及網(wǎng)絡(luò )通信服務(wù)。 整個(gè)系統設計采用了高速數據總線(xiàn)和 CAN 總線(xiàn)的冗余結構，保證了系統的安全穩定和數據傳輸的可靠性。 FPGA 強大的數據處理能力，承擔了基礎數據交換和處理工作，為裝置的報文、事件等提供了精準的時(shí)標,同時(shí)降低了CPU 和 DSP的工作任務(wù)，DSP僅用于完成保護的采樣值計算和邏輯功能處理，保證了功能劃分的獨立性和保護邏輯處理的實(shí)時(shí)性；CPU 用于人機接口、界面顯示、通訊和時(shí)鐘處理等任務(wù)，同時(shí)用來(lái)管理其他擴展智能插件，保證了系統的可擴展性。

2 裝置的硬件設計

低壓綜保裝置集成了線(xiàn)路保護功能、電動(dòng)機保護功能、電容器保護功能；裝置需要完成電流電壓的模擬量信號的采集，用于參與邏輯運算的開(kāi)關(guān)量、直流信號及溫度傳感器溫度信號的采集，裝置需要通過(guò)開(kāi)出回路來(lái)完成斷路器的跳閘功能。

采樣通道一般是將電流和電壓信號，通過(guò)AC轉換成為小電壓信號，經(jīng)背板送給ADC ，通過(guò)低通濾波回路，濾掉高次諧波的干擾，再經(jīng)過(guò) AD 采樣，將模擬量轉換為數據量，送給 FPGA處理，FPGA 將從高速數據總線(xiàn)上獲得的采樣信號，進(jìn)行同步處理，然后傳輸給DSP芯片進(jìn)行采樣運算和邏輯處理，完成裝置保護邏輯的實(shí)現，同時(shí)通過(guò) FPGA將計算的結果送給CPU，用于事件記錄、錄波存儲、LCD顯示等功能。采樣回路需要考慮AC的二次斷線(xiàn)后，AD 芯片采樣有直流偏置的處理，裝置采用了下拉電阻的方式來(lái)減少直流偏置電壓，避免了裝置因為 AC二次斷線(xiàn)引起直流偏置過(guò)大，而產(chǎn)生采樣異常告警。

模擬量采集處理過(guò)程如圖 2 所示。

開(kāi)關(guān)量采集回路，在電路設計的過(guò)程中，兼容 DC/AC220V、DC110V、DC24V的采集 ，DC220V、DC110V 和DC24V的采集，一般的處理是通過(guò)分壓電阻的實(shí)現的，這種實(shí)現方式需要采用不同的 BOM 或者使用跳線(xiàn)帽選擇采集回路電阻。不同的BOM 需要訂貨的時(shí)候，進(jìn)行選擇說(shuō)明，跳線(xiàn)帽的方式需要拔插插件完成跳線(xiàn)選擇，均有一定的弊端。本裝置設計上采用了自適應原理，可以做到自適應，采用定值整定的方式，實(shí)現 DC/AC220V 和 DC110V 的采集，便于工程實(shí)施。

開(kāi)關(guān)量采集處理過(guò)程如圖 3 所示：

開(kāi)出回路設計，開(kāi)出回路輸出分為兩種，一種是邏輯計算輸出的跳閘信號，一種是通過(guò)應用后臺給出的分合閘命令，這兩種輸出的處理模式是不同的，應用后臺的遙控命令，經(jīng)過(guò) BSP 驅動(dòng)和系統管理模塊，驅動(dòng)智能開(kāi)出板卡的輸出回路，從而實(shí)現對刀閘斷路器等操作機構的控制。 保護邏輯輸出的跳閘信號，則經(jīng)過(guò) BSP 后經(jīng)過(guò)背板直接控制開(kāi)出板卡的輸出回路，以減少出口控制延時(shí)，開(kāi)出回路設計如圖 4 所示。

一鍵分/合閘功能設計，保護測控裝置對斷路器的控制一般都是采用后臺軟件或者裝置界面的主接線(xiàn)圖，對開(kāi)關(guān)進(jìn)行遙控，實(shí)現分合閘操作，本裝置除了支持上述功能外，考慮其低壓綜保的應用場(chǎng)景，在裝置上設計了一鍵分合閘的高級按鍵功能，通過(guò)裝置的面板按鈕實(shí)現一鍵分閘和一鍵合閘操作， 該功能相對后臺的遙控功能來(lái)說(shuō)更加的簡(jiǎn)潔方便， 為無(wú)后臺應用場(chǎng)景提供了快捷方式的遙控分合閘操作。

3 裝置軟件功能設計

低壓綜保裝置根據所以保護對象的不同，提供了不同了保護配置功能，不同對象其測控功能的作用是相同的，所以軟件功能設計的時(shí)候，將測控功能的三個(gè)子模塊，遙控功能，遙信功能和遙測功能作為了通用模塊。對于電動(dòng)機保護線(xiàn)路保護、電容器保護來(lái)說(shuō)，保護對象不同保護功能模塊也是不同的，裝置通過(guò)保護類(lèi)型定值可以選擇當前裝置是電動(dòng)機保護裝置、線(xiàn)路保護裝置還是電容器保護裝置，根據裝置選擇的類(lèi)型，會(huì )相對應配置不同保護功能模塊、定值清單、軟壓板、硬壓板及控制字，在集成了多種保護功能的同時(shí)，考慮工程實(shí)施的便利性，通過(guò)定值整定的方式，選擇保護裝置的保護功能。裝置的初始化過(guò)程如圖 5 所示：

其中平臺程序，包括實(shí)時(shí)模塊、LCD模塊、通訊模塊、對時(shí)模塊、打印模塊、裝置調試模塊等。應用程序是裝置保護測控功能的實(shí)現模塊，針對低壓綜保裝置，又根據裝置類(lèi)型的不同，有著(zhù)不用的應用功能。保護測控功能流程如圖 6 所示。

電動(dòng)機保護功能配置如下：差動(dòng)速斷保護、比率差動(dòng)保護、磁平衡保護、過(guò)流保護、堵轉保護、過(guò)熱保護、零序過(guò)流保護、零序過(guò)壓保護、過(guò)電壓保護、低電壓保護、非電量保護、過(guò)負荷、負序過(guò)電流保護、反時(shí)限過(guò)電流保護、過(guò)電流閉鎖、低電壓閉鎖啟動(dòng)和啟動(dòng)閉鎖開(kāi)入、啟動(dòng)間隔保護、禁止再啟動(dòng)、欠載保護。

線(xiàn)路保護功能配置如下：過(guò)電流保護、 PT 斷線(xiàn)相過(guò)流保護、零序過(guò)電流保護、三相一次重合閘、加速保護、過(guò)負荷、反時(shí)限、低頻/低壓減載、接地告警、充電保護。

電容器保護功能配置如下：定時(shí)限過(guò)電流保護、不平衡電壓保護、不平衡電流保護、相電壓差動(dòng)保護、三相不平衡電流保護、過(guò)電壓保護、低電壓保護、兩段零序過(guò)流保護、閉鎖 VQC 。

測控功能主要實(shí)現：遙測量包括電流、電壓、有功、無(wú)功、功率因素等模擬量的遙測； 通過(guò)積分計算得出有功電度、無(wú)功電度，所有這些量都在當地實(shí)時(shí)計算，實(shí)時(shí)累加。 電流、電壓采樣值在保護測控模塊完成基波分量、諧波分量和 RMS（均方根）值的計算，并根據預設的遙測死區判斷計算出的電壓、電流值是否需要上報。用戶(hù)查看到采集到的狀態(tài)量，可校正零漂、精度。支持主動(dòng)上傳或后臺召喚。 遙信支持 16 路自定義遙信開(kāi)入，遙控支持1 組遙控合、分閘操作。

4 安科瑞智能電動(dòng)機保護器介紹

4.1產(chǎn)品介紹

智能電動(dòng)機保護器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)保護器)，采用單片機技術(shù)，具有抗干擾能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化等特點(diǎn)。保護器能對電動(dòng)機運行過(guò)程中出現的過(guò)載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場(chǎng)維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網(wǎng)絡(luò )系統。實(shí)現電動(dòng)機運行的遠程監控。

4.2技術(shù)參數

4.2.1數字式電動(dòng)機保護器

5 結語(yǔ)

本文提出了一種低壓綜保的平臺架構， 這種架構的系統性能、可靠性和數據處理能力有所提高，對工業(yè)用戶(hù)提高用電可靠性有著(zhù)重要的意義。 基于平臺架構，有利于技術(shù)的積累和代碼的整體移植工作和技術(shù)的復用，可以縮短整裝置的開(kāi)發(fā)周期，能提高產(chǎn)品的經(jīng)濟性和市場(chǎng)競爭力。