基于TMS320F240專用定點(diǎn)可編程芯片實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

　　作者：?jiǎn)蝸喚?鄭建勇,曹曉華

1 引言

數(shù)字信號(hào)處理（DigitalSignalProcessing）是利用專門或通用的數(shù)字信號(hào)芯片，以數(shù)字計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，包括對(duì)信號(hào)的采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到人們需要的信號(hào)形式。 DSP處理器的一個(gè)重要特征是采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和地址總線，從而使得處理器指令和數(shù)據(jù)并行，大大提高了處理效率。

在微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品中采用DSP處理器取代傳統(tǒng)的8位或16位單片機(jī)，可以在硬件資源、開發(fā)平臺(tái)等方面取得很多優(yōu)越性，并通過(guò)與CPLD、FLASH等的配合，完成一些復(fù)雜的算法，所以基于DSP平臺(tái)電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置除完成電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)功能外，還能夠完成電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子籠條斷條故障診斷等一些比較復(fù)雜的功能，從而大大提高保護(hù)裝置的性能。

2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理

電動(dòng)機(jī)常見的故障類型有對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩大類。對(duì)稱故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是由于電流增大引起的熱效應(yīng)，不對(duì)稱故障多半不出現(xiàn)明顯的電流幅值變化，它對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是不對(duì)稱引起的負(fù)序效應(yīng)。根據(jù)對(duì)稱分量法分析，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流可以分解為正序、負(fù)序和零序分量，且負(fù)序、零序電流會(huì)以較大幅值出現(xiàn)。根據(jù)上述分析，可以將高壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)分解成過(guò)流保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)、零序電流保護(hù)三個(gè)部分。

（1）過(guò)流保護(hù)，分為電流速斷、定時(shí)限過(guò)流、熱過(guò)載反時(shí)限過(guò)流保護(hù)三段式。

1）電流速斷保護(hù)：速斷保護(hù)動(dòng)作電流Ids整定值按下列兩條計(jì)算原則中所得的最大值選定。

a．要求電流速斷保護(hù)的動(dòng)作電流Ids必須不大于電動(dòng)機(jī)滿載啟動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流Iq。

Ids＝KcIeq＝KkKqIe（1）

式中：Ie——電動(dòng)機(jī)的額定電流歸算到機(jī)端電流互感器二次側(cè)的值；

Kq——電動(dòng)機(jī)起動(dòng)系數(shù)，一般取4～7；

Kk——可靠系數(shù)，取1．2～1．3。

b．在電動(dòng)機(jī)附近速斷保護(hù)范圍之外短路時(shí)，要求Ids大于次暫態(tài)短路電流。

式中：同步電動(dòng)機(jī)

＝5．5Ie；同步補(bǔ)償機(jī)

＝6Ie；對(duì)異步電動(dòng)機(jī)附近外部相間短路式，

只需按式（1）計(jì)算即可。

2）定時(shí)限過(guò)流保護(hù)：延時(shí)定值需躲過(guò)電機(jī)自啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在T＜Tstart時(shí)，啟動(dòng)電流小于保護(hù)定值，保護(hù)不動(dòng)作；當(dāng)T≥Tstart時(shí)，時(shí)間元件動(dòng)作，保護(hù)的電流定值自動(dòng)減小一半，若此時(shí)啟動(dòng)電流仍超過(guò)保護(hù)新定值（為原定值一半），保護(hù)動(dòng)作跳閘。

3）熱負(fù)載反時(shí)限過(guò)流保護(hù)：熱過(guò)載反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作方程如下：

式中：Ieq——電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中三相電流中的最大值；

Is——可整定的保護(hù)動(dòng)作電流；

τ——可整定的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)（一般由制造廠提供）。

（2）負(fù)序保護(hù)

發(fā)生嚴(yán)重的不對(duì)稱故障時(shí)，負(fù)序電流I2很大，這時(shí)要求根據(jù)I2設(shè)置單獨(dú)的快速保護(hù)。

一段：高定值I′2d，短延時(shí)t1：t1為固定值。

式中，為系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下，電動(dòng)機(jī)機(jī)端兩相短路時(shí)，最小的短路電流負(fù)序分量。

二段：低定值，長(zhǎng)延時(shí)t2：t2由用戶整定，一般可整定為3 s。

＝（0．3～0．4）Ie（5）

按式（4）計(jì)算后，還必須檢驗(yàn)的值大于。

（3）零序保護(hù)

當(dāng)3I0大于保護(hù)的動(dòng)作電流I′0d時(shí)，經(jīng)短延時(shí)t保護(hù)出口動(dòng)作，發(fā)出接地信號(hào)或跳閘。

對(duì)3 kV、6 kV、10 kV電網(wǎng)中的大多數(shù)變壓器中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，保護(hù)通常只需發(fā)接地信號(hào)，不跳閘。保護(hù)的短延時(shí)可整定為0．1～0．5 s。對(duì)3 kV、6 kV、10 kV電網(wǎng)中的少數(shù)變壓器中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地的電網(wǎng)，保護(hù)動(dòng)作于跳閘，其動(dòng)作電流I′0d應(yīng)躲過(guò)啟動(dòng)過(guò)程中由于三相電流不完全對(duì)稱而出現(xiàn)的三倍不平衡零序電流，延時(shí)整定為0．5 s。

3 TMS320F240電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由處理器模塊、鍵盤顯示模塊、模擬量采集模塊、出口模塊、電源模塊和通信模塊六個(gè)部分組成。其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 處理器模塊的設(shè)計(jì)

處理器模塊是整個(gè)裝置的核心，負(fù)責(zé)模擬信號(hào)的調(diào)理濾波、采樣、模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換、頻率和相位的測(cè)量、開關(guān)量信號(hào)的輸入／輸出、通信、系統(tǒng)計(jì)時(shí)、數(shù)據(jù)計(jì)算、邏輯判斷等功能。處理器模塊采用DSP處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以充分利用其數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的能力，其軟硬件開發(fā)平臺(tái)不僅可以進(jìn)行復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)如交流采樣的FFT算法、自校正功能等，而且可以對(duì)電動(dòng)機(jī)早期故障（如轉(zhuǎn)子籠條斷條）及一些非正常運(yùn)行狀態(tài)作出診斷，從而大大提高電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的性能。

本裝置的處理器模塊由TMS320F240微處理系統(tǒng)構(gòu)成。TMS320F240是TI公司于1997年在TMS320C2xx的基礎(chǔ)上推出的一種專用定點(diǎn)可編程芯片，它在單一芯片上集成一個(gè)DSP內(nèi)核和各種外設(shè)器件，可以解決各種工程應(yīng)用方案。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以把系統(tǒng)的一些外圍控制電路由 CPLD（Complex Programmable Logic Device）來(lái)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)中選用XILINX公司生產(chǎn)的CPLD，其中XC9500系列產(chǎn)品采用了系統(tǒng)內(nèi)5 V可編程FASTFLASH技術(shù)，并且含有內(nèi)部JTAG雙向掃描測(cè)試邏輯。本系統(tǒng)采用電路原理圖方式對(duì)CPLD進(jìn)行邏輯編輯。

F240芯片可以工作在微處理器或微控制器兩種狀態(tài)，通過(guò)MP／MC引腳上的電平?jīng)Q定，其主要區(qū)別在于選用片內(nèi)或片外的存儲(chǔ)空間作為程序存放地址?？紤]到系統(tǒng)調(diào)試階段需要外部的存儲(chǔ)空間，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)添加了高速靜態(tài)RAM作為外部程序空間。另外，由于F240使用的是16位數(shù)據(jù)和地址總線，所以選用兩片8位的SDRAM構(gòu)成外部程序空間。

F240的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是程序、數(shù)據(jù)和I／O地址空間分離，每部分空間為64 K字。由于F240的數(shù)據(jù)地址和I／O地址是分開的，由DS＼信號(hào)作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的片選信號(hào)，而IS＼信號(hào)表示對(duì)外部I／O地址進(jìn)行訪問，所以只需要對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行地址譯碼，由CPLD完成。

另外，TMS320F240通過(guò)邊沿掃描的方法實(shí)現(xiàn)仿真器對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的仿真，由仿真器接出的仿真頭和芯片的JTAG口相連可以進(jìn)行仿真和調(diào)試。

5 其它各單元電路

裝置其它各組成單元電路主要有：模擬量測(cè)量電路、開關(guān)量輸入／輸出電路、鍵盤顯示電路、通信電路等。

F240片內(nèi)集成了采樣保持電路和模擬多路轉(zhuǎn)換器的雙十位AD轉(zhuǎn)換，鑒于對(duì)于電動(dòng)機(jī)測(cè)量和保護(hù)精度而言，若電流采樣值范圍在0～10 mA，采用10位AD可以達(dá)到精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，大致可以滿足多數(shù)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)的要求，為了盡量充分的利用芯片資源，采用了片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是考慮到保護(hù)尤其是監(jiān)控精度要求的嚴(yán)格性，現(xiàn)已在本裝置中外擴(kuò)了14位A／D轉(zhuǎn)換芯片AD7863，這樣可以更好的符合精度要求。對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行調(diào)理的電路由精密電位器構(gòu)成，濾波器則采用二階低通濾波器。此外，模擬量測(cè)量電路中還包括過(guò)零檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)模擬量頻率和相位的測(cè)量。

開關(guān)量輸入／輸出電路主要完成狀態(tài)信號(hào)的輸入和動(dòng)作信號(hào)的輸出。繼電保護(hù)裝置CPU的擴(kuò)展口一般較少，不能滿足輸入輸出的需要，因此在讀入開入量及輸出量時(shí)，往往需要進(jìn)行口的擴(kuò)展。本裝置中此部分功能集成在CPLD中，并掛在其內(nèi)部的地址／數(shù)據(jù)總線上。

裝置采用薄膜鍵盤，一共有9個(gè)按鍵，只需要通過(guò)上、下、左、右、取消、確認(rèn)六個(gè)按鍵結(jié)合菜單便可直觀地在線、離線整定定值、修改實(shí)際時(shí)間、就地操作開關(guān)等。采用中斷方式相應(yīng)鍵盤，以減少其對(duì)CPU的占用。F240的中斷信號(hào)是低電平有效，所以鍵盤的中斷信號(hào)通過(guò)一個(gè)與門產(chǎn)生。

通信電路主要由CAN通信模塊電路構(gòu)成，采用Philips的SJA1000作為CAN控制器，驅(qū)動(dòng)器采用CAN控制器接口芯片PCA82C250。 PCA82C50是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口，對(duì)總線提供不同的發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器提供不同的接收能力，完全和ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容，并具有對(duì)電池和地的短路保護(hù)功能。

此外，為了裝置的能夠可靠的工作，一般需要加上WATCHDOG電路，本系統(tǒng)采用X5043看門保護(hù)功能。

6 軟件設(shè)計(jì)

在微機(jī)保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)中，主要考慮的是交流采樣算法、保護(hù)算法，通過(guò)采樣得到的數(shù)據(jù)按照一定的保護(hù)算法來(lái)進(jìn)行判斷保護(hù)是否動(dòng)作。傳統(tǒng)的一點(diǎn)、兩點(diǎn)、三點(diǎn)以及均方根采樣算法都是基于電壓、電流為純正弦變化的情況考慮，而在實(shí)際電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，往往是在基波基礎(chǔ)上疊加有衰減的非周期分量和各種高頻分量，因此要求微機(jī)保護(hù)裝置對(duì)輸入的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，盡可能地濾掉非周期和高頻分量?？紤]到富士算法的很強(qiáng)的濾除高次諧波的功能，但是全波富士算法需要一個(gè)周波的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)，響應(yīng)速度較慢，為了提高保護(hù)的速動(dòng)性，在比較現(xiàn)有的各種改進(jìn)半波富氏算法的基礎(chǔ)上，決定采用半波傅氏算法與Mann－Morrison算法相結(jié)合的快速算法，用半波富氏算法計(jì)算基波實(shí)部，而用Mann－Morrison算法計(jì)算基波幅值，既可以保留半波富士算法響應(yīng)速度的優(yōu)點(diǎn)，又可以克服其濾波功能較弱的不足。

電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的軟件采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，由主程序模塊、中斷服務(wù)子程序模塊和各個(gè)功能子程序模塊三大部分組成。實(shí)際編程采用C語(yǔ)言和匯編混合編寫，提高了數(shù)據(jù)處理的能力，也保證了程序的可靠性。

7 結(jié)束語(yǔ)

在模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開發(fā)的TMS210F240處理器為硬件核心的微機(jī)繼電保護(hù)裝置，是一個(gè)通用的硬件平臺(tái)，能夠滿足電動(dòng)機(jī)保護(hù)可靠性、選擇性、速動(dòng)性以及靈敏性的要求。在此平臺(tái)上不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，通過(guò)對(duì)軟件的適當(dāng)修改還可以實(shí)現(xiàn)變壓器保護(hù)、電容器保護(hù)等其它功能。

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