基于FPGA的電動機微機保護實現方法

??????? 0　引　言
??????? 電動機內部故障的診斷與檢測是電動機保護 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;另一方面是在實現手段上的發展,逐步由常規保護方式向基于先進信號處理方法 和微機保護技術的現代保護方式進化。本文基于 對電動機保護原理的分析和研究,利用FPGA系統 設計實現了最小二乘法數字保護算法。以FPGA 芯片為核心所設計的電動機微機保護裝置,不僅克 服了傳統的繼電器式電動機裝置的缺點,而且比普 通微機保護裝置響應速度快,截斷誤差小。
??????? 1　電動機繼電保護的原理
??????? 電動機的內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、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。根據對稱分量原理,當電動機發 生對稱故障時,會出現明顯的過流[ 1 ] 。因此,可 以利用過電流檢測來實現對稱故障的診斷與保 護。當電動機發生不對稱故障時,其定子電流可 以分解為正序、負序和零序分量,其中負序和零序 電流在電動機正常運行時沒有或很小,一旦出現 必然表示出現了故障。因此利用電流中的負序和 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。 電動機的微機保護主要通過測量電量(電 流、電壓及開關狀態等)來監測電動機的運行狀 態CONTROL ENGINEERING China版權所有,根據以上分析,電動機發生對稱故障的主要特 征是出現電流幅值增大,而發生不對稱故障時的 主要特征是出現負序和零序電流分量[ 2 ] 。根據 這一結論,可將電動機的保護分解成過流保護、負 序電流保護和零序電流保護三個部分。由此可基 本覆蓋電動機的所有常見故障類型,并可以針對 電動機的以上三種主要保護提出電動機的綜合保 護方案。
??????? 2　基于FPGA的微機保護系統硬件
??????? 根據電動機保護基本工作原理,首先必須測 出所保護元件上的電氣參數,再與給定的正常標 準值進行比較,以判斷元件是否發生故障或是否 運行在不正常狀態CONTROL ENGINEERING China版權所有,從而確定保護裝置是否應該 動作跳閘或發信號。因此,完整的保護裝置應包 括三大部分:測量比較部分、邏輯判斷部分、執行 部分。其各部分的邏輯關系可用圖1表示。
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??????? 電動機微機保護裝置的硬件系統采用模塊化 結構,如圖2所示。
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??????? FPGA芯片代替傳統單片機(MCU)成為整個 裝置的核心,完成模擬信號的調理濾波、采樣、模 擬/數字轉換、頻率和相位測量、開關量信號輸入/ 輸出、通信、系統計時、數據計算、邏輯判斷等功能。 鍵盤顯示模塊負責人機會話。通過發光二極 管可以實時顯示被保護電動機的電流、電壓、頻率 和斷路器的狀態等外部信號及裝置的工作狀態、 動作類型等詳細信息。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 轉換器 MAX197組成,其作用是將來自現場的交流量轉 換為處理器模塊可以處理的數字量信號。

??? 出口模塊主要負責裝置內外的電氣隔離,一 方面將來自處理器模塊的動作、報警等信號隔離 后,送到裝置外部;另一方面將來自裝置外部的斷 路器狀態等信號進行隔離后,送到處理器模塊。 根據功能控制工程網版權所有, FPGA芯片內部被劃分為兩部分: 算法實現模塊和軟核CPU (Nios)模塊。前者由 VHDL模塊化編寫算法的實現過程,由于采用并 行結構,可以實現多路信號同時濾波;后者為軟件 編寫人機界面、通信協議等構建平臺,并且同時根 據算法實現模塊的結果,執行保護動作。在只考 慮一路信號的情況下,本系統由以下各部分組成。 (1) 碼制轉換器:將AD采樣的輸出數據轉 換成準確的16進制數。
??????? (2) 乘法器:采用陣列乘法器結構,為確保系 數精度控制工程網版權所有,系數以15位二進制數逼近,故乘法器采 用11 ×14位的結構。
??????? (3) 累加器:由于乘法器的輸出有正有負,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版權所有,自動判斷加減。
??????? (4) 時序發生器:這是整個系統的心臟,由它 來調度什么時候什么模塊做什么事。本系統采用 一個正相分頻器和一個反相分頻器作為時序控制 模塊。
??????? 系統結構如圖3所示。

??????? 3　保護算法模塊
??????? 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,當預設的信號模型能充分描述被 采樣信號時,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 算精度。其原理是:為被采樣信號預設一個盡可 能逼近的信號模型函數,并按最小二乘擬合原理對其進行擬合。
??????? 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點采樣進行MATLAB仿真,得到 如圖4所示的波形。可以看到濾波后的正弦波 振幅等于10,所以11點采樣能滿足要求。
??????? 　　在采樣頻率為1 000 Hz,采樣點數N = 11的 情況下,系統雖然收斂,但采樣系數的離散度很 大,勢必造成乘數的位寬很寬,乘法器需要耗費很 多的資源。所以可適當增加采樣點數來降低離散 度。但是如果單純增加采樣點數,最小二乘法濾 波的高速特性就無法體現。因此將采樣頻率提升 到2 000 Hz,采樣點數增加到26點(即1 000 Hz 下, 13點采樣的時間) ,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 形和系數矩陣分別如圖5和表1、2、3所示。