基于FPGA的電動機(jī)微機(jī)保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法

        0　引　言
        電動機(jī)內(nèi)部故障的診斷與檢測是電動機(jī)保護(hù) 的主要研究方向。近年來,其研究主要集中在兩方 面:一方面是追尋保護(hù)理論上的突破,逐步由定性 說明到定量分析;另一方面是在實(shí)現(xiàn)手段上的發(fā)展,逐步由常規(guī)保護(hù)方式向基于先進(jìn)信號處理方法 和微機(jī)保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)代保護(hù)方式進(jìn)化。本文基于 對電動機(jī)保護(hù)原理的分析和研究,利用FPGA系統(tǒng) 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最小二乘法數(shù)字保護(hù)算法。以FPGA 芯片為核心所設(shè)計(jì)的電動機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置,不僅克 服了傳統(tǒng)的繼電器式電動機(jī)裝置的缺點(diǎn),而且比普 通微機(jī)保護(hù)裝置響應(yīng)速度快,截?cái)嗾`差小。
        1　電動機(jī)繼電保護(hù)的原理
        電動機(jī)的內(nèi)部故障可以分為對稱故障和不對 稱故障兩種。對稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)、短路等; 不對稱故障包括斷相、逆相、相間短路、接地故障、 三相不平衡等。根據(jù)對稱分量原理,當(dāng)電動機(jī)發(fā) 生對稱故障時(shí),會出現(xiàn)明顯的過流[ 1 ] 。因此,可 以利用過電流檢測來實(shí)現(xiàn)對稱故障的診斷與保 護(hù)。當(dāng)電動機(jī)發(fā)生不對稱故障時(shí),其定子電流可 以分解為正序、負(fù)序和零序分量,其中負(fù)序和零序 電流在電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)沒有或很小,一旦出現(xiàn) 必然表示出現(xiàn)了故障。因此利用電流中的負(fù)序和 零序分量來鑒別各類不對稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。 電動機(jī)的微機(jī)保護(hù)主要通過測量電量(電 流、電壓及開關(guān)狀態(tài)等)來監(jiān)測電動機(jī)的運(yùn)行狀 態(tài)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有,根據(jù)以上分析,電動機(jī)發(fā)生對稱故障的主要特 征是出現(xiàn)電流幅值增大,而發(fā)生不對稱故障時(shí)的 主要特征是出現(xiàn)負(fù)序和零序電流分量[ 2 ] 。根據(jù) 這一結(jié)論,可將電動機(jī)的保護(hù)分解成過流保護(hù)、負(fù) 序電流保護(hù)和零序電流保護(hù)三個(gè)部分。由此可基 本覆蓋電動機(jī)的所有常見故障類型,并可以針對 電動機(jī)的以上三種主要保護(hù)提出電動機(jī)的綜合保 護(hù)方案。
        2　基于FPGA的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件
        根據(jù)電動機(jī)保護(hù)基本工作原理,首先必須測 出所保護(hù)元件上的電氣參數(shù),再與給定的正常標(biāo) 準(zhǔn)值進(jìn)行比較,以判斷元件是否發(fā)生故障或是否 運(yùn)行在不正常狀態(tài)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有,從而確定保護(hù)裝置是否應(yīng)該 動作跳閘或發(fā)信號。因此,完整的保護(hù)裝置應(yīng)包 括三大部分:測量比較部分、邏輯判斷部分、執(zhí)行 部分。其各部分的邏輯關(guān)系可用圖1表示。
        

        電動機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)采用模塊化 結(jié)構(gòu),如圖2所示。
       

        FPGA芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)單片機(jī)(MCU)成為整個(gè) 裝置的核心,完成模擬信號的調(diào)理濾波、采樣、模 擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、頻率和相位測量、開關(guān)量信號輸入/ 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。 鍵盤顯示模塊負(fù)責(zé)人機(jī)會話。通過發(fā)光二極 管可以實(shí)時(shí)顯示被保護(hù)電動機(jī)的電流、電壓、頻率 和斷路器的狀態(tài)等外部信號及裝置的工作狀態(tài)、 動作類型等詳細(xì)信息。通過鍵盤可以修改整定 值、查詢動作記錄,并可以就地操作斷路器。 摸擬量采集模塊由電壓形成回路、采樣保持 ( S/H) 電路、模擬低通濾波器和A /D 轉(zhuǎn)換器 MAX197組成,其作用是將來自現(xiàn)場的交流量轉(zhuǎn) 換為處理器模塊可以處理的數(shù)字量信號。
        出口模塊主要負(fù)責(zé)裝置內(nèi)外的電氣隔離,一 方面將來自處理器模塊的動作、報(bào)警等信號隔離 后,送到裝置外部;另一方面將來自裝置外部的斷 路器狀態(tài)等信號進(jìn)行隔離后,送到處理器模塊。 根據(jù)功能控制工程網(wǎng)版權(quán)所有, FPGA芯片內(nèi)部被劃分為兩部分: 算法實(shí)現(xiàn)模塊和軟核CPU (Nios)模塊。前者由 VHDL模塊化編寫算法的實(shí)現(xiàn)過程,由于采用并 行結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)多路信號同時(shí)濾波;后者為軟件 編寫人機(jī)界面、通信協(xié)議等構(gòu)建平臺,并且同時(shí)根 據(jù)算法實(shí)現(xiàn)模塊的結(jié)果,執(zhí)行保護(hù)動作。在只考 慮一路信號的情況下,本系統(tǒng)由以下各部分組成。 (1) 碼制轉(zhuǎn)換器:將AD采樣的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成準(zhǔn)確的16進(jìn)制數(shù)。
        (2) 乘法器:采用陣列乘法器結(jié)構(gòu),為確保系 數(shù)精度控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,系數(shù)以15位二進(jìn)制數(shù)逼近,故乘法器采 用11 ×14位的結(jié)構(gòu)。
        (3) 累加器:由于乘法器的輸出有正有負(fù),所 以累加器也必須有加有減。通過對乘法器輸出符 號的判斷CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有,自動判斷加減。
        (4) 時(shí)序發(fā)生器:這是整個(gè)系統(tǒng)的心臟,由它 來調(diào)度什么時(shí)候什么模塊做什么事。本系統(tǒng)采用 一個(gè)正相分頻器和一個(gè)反相分頻器作為時(shí)序控制 模塊。
        系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        3　保護(hù)算法模塊
        3. 1　信號處理模塊
        采樣信號的濾波采用最小二乘法,這是一種 波形擬合方法,當(dāng)預(yù)設(shè)的信號模型能充分描述被 采樣信號時(shí),該算法可以濾除信號中任意需要濾 除的分量,因此具有很好的濾波性能和很高的運(yùn) 算精度。其原理是:為被采樣信號預(yù)設(shè)一個(gè)盡可 能逼近的信號模型函數(shù),并按最小二乘擬合原理對其進(jìn)行擬合。
        假定采樣頻率為1 000 Hz,被采樣信號為: Ia = 10 - 10cos (2 ×pi ×f ×t) + 2cos ( 2 ×2 ×pi × f ×t) + 5 sin (3 ×2 ×pi ×f ×t) + sin ( 4 ×2 ×pi × f ×t) + 0. 5 sin (5 ×2 ×pi ×f ×t) 可見,信號有直流分量,而且諧波分量最高為 5次。以N = 11點(diǎn)采樣進(jìn)行MATLAB仿真,得到 如圖4所示的波形?？梢钥吹綖V波后的正弦波 振幅等于10,所以11點(diǎn)采樣能滿足要求。
        　　在采樣頻率為1 000 Hz,采樣點(diǎn)數(shù)N = 11的 情況下,系統(tǒng)雖然收斂,但采樣系數(shù)的離散度很 大,勢必造成乘數(shù)的位寬很寬,乘法器需要耗費(fèi)很 多的資源。所以可適當(dāng)增加采樣點(diǎn)數(shù)來降低離散 度。但是如果單純增加采樣點(diǎn)數(shù),最小二乘法濾 波的高速特性就無法體現(xiàn)。因此將采樣頻率提升 到2 000 Hz,采樣點(diǎn)數(shù)增加到26點(diǎn)(即1 000 Hz 下, 13點(diǎn)采樣的時(shí)間) ,可以將離散度降到可接受 的程度,而且濾波速度也不會降低太多。仿真波 形和系數(shù)矩陣分別如圖5和表1、2、3所示。