基于FPGA的电动机微机保护实现方法

只看该作者 · 2013-3-8 21:59

电动机内部故障的诊断与检测是电动机保护的主要研究方向。近年来,其研究主要集中在两方面:一方面是追寻保护理论上的突破,逐步由定性说明到定量分析;另一方面是在实现手段上的发展,逐步由常规保护方式向基于先进信号处理方法和微机保护技术的现代保护方式进化。本文基于对电动机保护原理的分析和研究,利用FPGA系统设计实现了最小二乘法数字保护算法。以FPGA 芯片为核心所设计的电动机微机保护装置,不仅克服了传统的继电器式电动机装置的缺点,而且比普通微机保护装置响应速度快,截断误差小。

1　电动机继电保护的原理

电动机的内部故障可以分为对称故障和不对称故障两种。对称故障包括过载、堵转、短路等; 不对称故障包括断相、逆相、相间短路、接地故障、三相不平衡等。根据对称分量原理,当电动机发生对称故障时,会出现明显的过流[ 1 ] 。因此,可以利用过电流检测来实现对称故障的诊断与保护。当电动机发生不对称故障时,其定子电流可以分解为正序、负序和零序分量,其中负序和零序电流在电动机正常运行时没有或很小,一旦出现必然表示出现了故障。因此利用电流中的负序和零序分量来鉴别各类不对称故障具有很高的灵敏度和可靠性。电动机的微机保护主要通过测量电量(电流、电压及开关状态等)来监测电动机的运行状态CONTROL ENGINEERING China版权所有,根据以上分析,电动机发生对称故障的主要特征是出现电流幅值增大,而发生不对称故障时的主要特征是出现负序和零序电流分量[ 2 ] 。根据这一结论,可将电动机的保护分解成过流保护、负序电流保护和零序电流保护三个部分。由此可基本覆盖电动机的所有常见故障类型,并可以针对电动机的以上三种主要保护提出电动机的综合保护方案。

2　基于FPGA的微机保护系统硬件

电动机微机保护装置的硬件系统采用模块化结构,如图2所示。

FPGA芯片代替传统单片机(MCU)成为整个装置的核心,完成模拟信号的调理滤波、采样、模拟/数字转换、频率和相位测量、开关量信号输入/ 输出、通信、系统计时、数据计算、逻辑判断等功能。键盘显示模块负责人机会话。通过发光二极管可以实时显示被保护电动机的电流、电压、频率和断路器的状态等外部信号及装置的工作状态、动作类型等详细信息。通过键盘可以修改整定值、查询动作记录,并可以就地操作断路器。摸拟量采集模块由电压形成回路、采样保持 ( S/H) 电路、模拟低通滤波器和A /D 转换器 MAX197组成,其作用是将来自现场的交流量转换为处理器模块可以处理的数字量信号。

出口模块主要负责装置内外的电气隔离,一方面将来自处理器模块的动作、报警等信号隔离后,送到装置外部;另一方面将来自装置外部的断路器状态等信号进行隔离后,送到处理器模块。根据功能控制工程网版权所有, FPGA芯片内部被划分为两部分: 算法实现模块和软核CPU (Nios)模块。前者由 VHDL模块化编写算法的实现过程,由于采用并行结构,可以实现多路信号同时滤波;后者为软件编写人机界面、通信协议等构建平台,并且同时根据算法实现模块的结果,执行保护动作。在只考虑一路信号的情况下,本系统由以下各部分组成。 (1) 码制转换器:将AD采样的输出数据转换成准确的16进制数。

(4) 时序发生器:这是整个系统的心脏,由它来调度什么时候什么模块做什么事。本系统采用一个正相分频器和一个反相分频器作为时序控制模块。

系统结构如图3所示。

3　保护算法模块

3. 1　信号处理模块

采样信号的滤波采用最小二乘法,这是一种波形拟合方法,当预设的信号模型能充分描述被采样信号时,该算法可以滤除信号中任意需要滤除的分量,因此具有很好的滤波性能和很高的运算精度。其原理是:为被采样信号预设一个尽可能逼近的信号模型函数,并按最小二乘拟合原理对其进行拟合。

假定采样频率为1 000 Hz,被采样信号为: 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) 可见,信号有直流分量,而且谐波分量最高为 5次。以N = 11点采样进行MATLAB仿真,得到如图4所示的波形。可以看到滤波后的正弦波振幅等于10,所以11点采样能满足要求。

在采样频率为1 000 Hz,采样点数N = 11的情况下,系统虽然收敛,但采样系数的离散度很大,势必造成乘数的位宽很宽,乘法器需要耗费很多的资源。所以可适当增加采样点数来降低离散度。但是如果单纯增加采样点数,最小二乘法滤波的高速特性就无法体现。因此将采样频率提升到2 000 Hz,采样点数增加到26点(即1 000 Hz 下, 13点采样的时间) ,可以将离散度降到可接受的程度,而且滤波速度也不会降低太多。仿真波形和系数矩阵分别如图5和表1、2、3所示。