江蘇安科瑞電器制造有限公司 范宏博

摘 要：工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)外用戶對(duì)電動(dòng)機(jī)，饋線等裝置的保護(hù)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(shè)計(jì)的高性能低壓綜合保護(hù)裝置的開(kāi)發(fā)，介紹了保護(hù)裝置的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件原理、軟件功能方面。 裝置集成了電動(dòng)機(jī)、饋線、電容器等保護(hù)功能，可以實(shí)現(xiàn)電流、電壓、電度等信息采集及斷路器遙控等功能。 根據(jù)應(yīng)用對(duì)象，通過(guò)被保護(hù)裝置的類型選擇，實(shí)現(xiàn)裝置保護(hù)功能的選擇。

關(guān)鍵詞:微機(jī)保護(hù)；低壓綜保； 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

0 引言

伴隨著工業(yè)用戶對(duì)供電可靠性的要求，數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置在工業(yè)用戶中的應(yīng)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(jī)的雙 CPU 架構(gòu)，其中DSP負(fù)責(zé)邏輯功能計(jì)算，單片機(jī)負(fù)責(zé)界面顯示及鍵盤(pán)輸入。隨著IT技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種架構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)性能較低，液晶界面操作不夠流暢，DSP 采樣數(shù)據(jù)處理能力也相對(duì)較弱，對(duì)于集成保護(hù)測(cè)控一體化功能來(lái)說(shuō)性能已經(jīng)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。 CPU 和 DSP之間大多數(shù)采用串口通信方式，無(wú)數(shù)據(jù)總線，傳輸可靠性較低，且不利于插件和功能的擴(kuò)展。 因此需要一種高性能的采樣平臺(tái)，解決高速數(shù)據(jù)傳輸、大容量數(shù)據(jù)采樣、保護(hù)算法和數(shù)據(jù)采樣同步等問(wèn)題 。

針對(duì)上述情況，本文提出一種FPGA＋DSP＋CPU 的架構(gòu)，其中CPU和DSP之間通過(guò) FPGA 為橋梁傳遞數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)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(shù)據(jù)送給 DSP 進(jìn)行保護(hù)的啟動(dòng)及邏輯運(yùn)算；CAN總線用于開(kāi)關(guān)量采集、直流量采集和 CPU 管理數(shù)據(jù)通道。

1 裝置的整體架構(gòu)

裝置的整體架構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)采用了兩條高速數(shù)據(jù)總線和兩條 CAN 總線。高速數(shù)據(jù)總線用于傳輸模擬量采集等大數(shù)據(jù)量的，采用數(shù)據(jù)總線的方式，便于插件和系統(tǒng)的擴(kuò)展，其采用LVDS 差分電路，能夠有效地共模干擾信號(hào)，提高裝置的抗干擾能力。CAN 總線用來(lái)傳輸開(kāi)入開(kāi)出、4～20mA直流信號(hào)、PT100 溫度等數(shù)據(jù)，用于DSP 和CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸， 同時(shí)CPU 對(duì)其他智能插件的管理命令和報(bào)文交互也是通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)的。CPU負(fù)責(zé)處理人機(jī)接口功能，實(shí)現(xiàn)裝置的界面顯示、定值整定、事件查看、事件記錄、故障錄波、對(duì)時(shí)及網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了高速數(shù)據(jù)總線和 CAN 總線的冗余結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?FPGA 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，承擔(dān)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)交換和處理工作，為裝置的報(bào)文、事件等提供了精準(zhǔn)的時(shí)標(biāo),同時(shí)降低了CPU 和 DSP的工作任務(wù)，DSP僅用于完成保護(hù)的采樣值計(jì)算和邏輯功能處理，保證了功能劃分的獨(dú)立性和保護(hù)邏輯處理的實(shí)時(shí)性；CPU 用于人機(jī)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(kuò)展智能插件，保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

2 裝置的硬件設(shè)計(jì)

低壓綜保裝置集成了線路保護(hù)功能、電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能、電容器保護(hù)功能；裝置需要完成電流電壓的模擬量信號(hào)的采集，用于參與邏輯運(yùn)算的開(kāi)關(guān)量、直流信號(hào)及溫度傳感器溫度信號(hào)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(hào)，通過(guò)AC轉(zhuǎn)換成為小電壓信號(hào)，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(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量，送給 FPGA處理，F(xiàn)PGA 將從高速數(shù)據(jù)總線上獲得的采樣信號(hào)，進(jìn)行同步處理，然后傳輸給DSP芯片進(jìn)行采樣運(yùn)算和邏輯處理，完成裝置保護(hù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過(guò) FPGA將計(jì)算的結(jié)果送給CPU，用于事件記錄、錄波存儲(chǔ)、LCD顯示等功能。采樣回路需要考慮AC的二次斷線后，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?yàn)?AC二次斷線引起直流偏置過(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(shè)計(jì)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(xiàn)的，這種實(shí)現(xiàn)方式需要采用不同的 BOM 或者使用跳線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，跳線帽的方式需要拔插插件完成跳線選擇，均有一定的弊端。本裝置設(shè)計(jì)上采用了自適應(yīng)原理，可以做到自適應(yīng)，采用定值整定的方式，實(shí)現(xiàn) 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(shè)計(jì)，開(kāi)出回路輸出分為兩種，一種是邏輯計(jì)算輸出的跳閘信號(hào)，一種是通過(guò)應(yīng)用后臺(tái)給出的分合閘命令，這兩種輸出的處理模式是不同的，應(yīng)用后臺(tái)的遙控命令，經(jīng)過(guò) BSP 驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)管理模塊，驅(qū)動(dòng)智能開(kāi)出板卡的輸出回路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀閘斷路器等操作機(jī)構(gòu)的控制。 保護(hù)邏輯輸出的跳閘信號(hào)，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(shè)計(jì)如圖 4 所示。

一鍵分/合閘功能設(shè)計(jì)，保護(hù)測(cè)控裝置對(duì)斷路器的控制一般都是采用后臺(tái)軟件或者裝置界面的主接線圖，對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行遙控，實(shí)現(xiàn)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(yīng)用場(chǎng)景，在裝置上設(shè)計(jì)了一鍵分合閘的高級(jí)按鍵功能，通過(guò)裝置的面板按鈕實(shí)現(xiàn)一鍵分閘和一鍵合閘操作， 該功能相對(duì)后臺(tái)的遙控功能來(lái)說(shuō)更加的簡(jiǎn)潔方便， 為無(wú)后臺(tái)應(yīng)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(shè)計(jì)

低壓綜保裝置根據(jù)所以保護(hù)對(duì)象的不同，提供了不同了保護(hù)配置功能，不同對(duì)象其測(cè)控功能的作用是相同的，所以軟件功能設(shè)計(jì)的時(shí)候，將測(cè)控功能的三個(gè)子模塊，遙控功能，遙信功能和遙測(cè)功能作為了通用模塊。對(duì)于電動(dòng)機(jī)保護(hù)線路保護(hù)、電容器保護(hù)來(lái)說(shuō)，保護(hù)對(duì)象不同保護(hù)功能模塊也是不同的，裝置通過(guò)保護(hù)類型定值可以選擇當(dāng)前裝置是電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置、線路保護(hù)裝置還是電容器保護(hù)裝置，根據(jù)裝置選擇的類型，會(huì)相對(duì)應(yīng)配置不同保護(hù)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(hù)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(hù)裝置的保護(hù)功能。裝置的初始化過(guò)程如圖 5 所示：

其中平臺(tái)程序，包括實(shí)時(shí)模塊、LCD模塊、通訊模塊、對(duì)時(shí)模塊、打印模塊、裝置調(diào)試模塊等。應(yīng)用程序是裝置保護(hù)測(cè)控功能的實(shí)現(xiàn)模塊，針對(duì)低壓綜保裝置，又根據(jù)裝置類型的不同，有著不用的應(yīng)用功能。保護(hù)測(cè)控功能流程如圖 6 所示。

電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能配置如下：差動(dòng)速斷保護(hù)、比率差動(dòng)保護(hù)、磁平衡保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、零序過(guò)流保護(hù)、零序過(guò)壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、低電壓保護(hù)、非電量保護(hù)、過(guò)負(fù)荷、負(fù)序過(guò)電流保護(hù)、反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)、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(hù)、禁止再啟動(dòng)、欠載保護(hù)。

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

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

測(cè)控功能主要實(shí)現(xiàn)：遙測(cè)量包括電流、電壓、有功、無(wú)功、功率因素等模擬量的遙測(cè)； 通過(guò)積分計(jì)算得出有功電度、無(wú)功電度，所有這些量都在當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)計(jì)算，實(shí)時(shí)累加。 電流、電壓采樣值在保護(hù)測(cè)控模塊完成基波分量、諧波分量和 RMS（均方根）值的計(jì)算，并根據(jù)預(yù)設(shè)的遙測(cè)死區(qū)判斷計(jì)算出的電壓、電流值是否需要上報(bào)。用戶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(tái)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(jī)保護(hù)器介紹

4.1產(chǎn)品介紹

智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器(以下簡(jiǎn)稱保護(hù)器)，采用單片機(jī)技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。保護(hù)器能對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護(hù)，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)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(hù)器具有RS485遠(yuǎn)程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.2技術(shù)參數(shù)

4.2.1數(shù)字式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種低壓綜保的平臺(tái)架構(gòu)， 這種架構(gòu)的系統(tǒng)性能、可靠性和數(shù)據(jù)處理能力有所提高，對(duì)工業(yè)用戶提高用電可靠性有著重要的意義。 基于平臺(tái)架構(gòu)，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(fù)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(jì)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。