包涌泉,袁鐸寧,李世學(xué),鄒偉華,涂 煜
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基于DSP和FPGA的故障電流相控分?jǐn)嘌b置
包涌泉,袁鐸寧,李世學(xué),鄒偉華,涂 煜
(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢430064)
文章介紹了故障電流相控分?jǐn)嗟幕驹砗头桨?;詳?xì)介紹了基于這種方案的相控分?jǐn)嘌b置的軟硬件設(shè)計(jì)。裝置以高性能DSP芯片TMS320F28335和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA為核心,其中DSP作為主控芯片,F(xiàn)PGA為協(xié)處理器和執(zhí)行單元,同時(shí)采用高精度ADC芯片AD7606來(lái)滿足硬件設(shè)計(jì)要求;裝置使用改進(jìn)半波傅氏算法和自適應(yīng)算法相結(jié)合的策略進(jìn)行電流零點(diǎn)預(yù)測(cè),提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和快速性。實(shí)驗(yàn)證明裝置具有良好的精確度、實(shí)時(shí)性和可靠性。
故障電流相控開(kāi)斷 零點(diǎn)預(yù)測(cè) DSP FPGA AD7606
開(kāi)關(guān)電器設(shè)備的智能化是船舶中壓電力系統(tǒng)電站綜合自動(dòng)化、配電系統(tǒng)自動(dòng)化的基礎(chǔ)。在船舶的發(fā)供電電力系統(tǒng)中,由于采用大容量發(fā)電機(jī)組、變電設(shè)備、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和電子系統(tǒng)導(dǎo)致負(fù)載急劇增大,且船舶電力系統(tǒng)固有的供電線路較短,使電力系統(tǒng)故障情況下的短路電流水平也急劇增大,普通船舶電器無(wú)法滿足其高分?jǐn)嗄芰σ蠛涂箾_擊振動(dòng)的要求,采用相控技術(shù)分?jǐn)喙收想娏髂軠p小斷路器觸頭燒蝕,提高斷路器開(kāi)斷能力[1]。
斷路器滅弧室的極限開(kāi)斷電流主要受輸入觸頭間隙電弧能量和觸頭電磨損的影響,燃弧期間,電弧消耗能量的表達(dá)式為:
式中,t為觸頭分離,電弧開(kāi)始燃燒的時(shí)刻,t為電弧熄滅的時(shí)刻,u(t)為弧壓,(t)為電弧電流。
從上式可以看出,通過(guò)控制斷路器燃弧時(shí)間t-t,可以有效地提高斷路器的極限開(kāi)斷電流和使用壽命[2]。
故障電流相控開(kāi)斷的原理如圖1所示。相控分?jǐn)嗟倪^(guò)程是在短路故障t0發(fā)生后,找到一個(gè)目標(biāo)電流零點(diǎn)T,在特定的時(shí)刻t2而不是直接在t1時(shí)刻發(fā)出斷路器分閘命令,使得斷路器觸頭在t3時(shí)刻分離,經(jīng)過(guò)最佳燃弧時(shí)間tTAGET_ARC,在目標(biāo)電流零點(diǎn)處熄弧,完成開(kāi)斷過(guò)程。圖中陰影部分可看成相控開(kāi)斷相對(duì)于直接開(kāi)斷情況下電弧消耗能量的減少。
故障電流相控分?jǐn)嘌b置的總體方案如圖2,裝置采用了背插式機(jī)箱結(jié)構(gòu),包含交流板、電源板、CPU板、輸入板、輸出板、通信板和人機(jī)界面。裝置對(duì)系統(tǒng)電流進(jìn)行采集,通過(guò)估計(jì)故障電流的相關(guān)參數(shù)預(yù)測(cè)電流波形,計(jì)算電流零點(diǎn)和等待延時(shí),由此適時(shí)向斷路器發(fā)出跳變命令,驅(qū)動(dòng)斷路器永磁機(jī)構(gòu)分?jǐn)喙收想娏?,完成相控分?jǐn)嗳蝿?wù)。
圖1 故障電流相控開(kāi)斷原理圖
圖2同步開(kāi)關(guān)控制裝置方案圖
故障電流相控分?jǐn)嘌b置的硬件結(jié)構(gòu)如圖3??紤]到相控分?jǐn)喙收想娏魈厥庑院蛯?shí)時(shí)性的要求,使用DSP和FPG為核心器件實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的功能。DSP運(yùn)算能力強(qiáng)、控制靈活,使用它完成主要控制工作;采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA作為DSP的協(xié)處理器,利用它硬件實(shí)現(xiàn)處理算法的優(yōu)勢(shì)完成底層的數(shù)據(jù)采集及濾波等耗費(fèi)大量時(shí)間的任務(wù)。
3.1 DSP模塊設(shè)計(jì)
綜合考慮運(yùn)算速度、精度、片內(nèi)硬件資源等因素,選用TI公司的 TMS320F28335型DSP。TMS320F28335型數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司的一款32位浮點(diǎn)型DSP控制器,它主頻可達(dá)150 MHz,內(nèi)嵌256K×16位的flashROM、34K×16位的SRAM和8K×16位的BootROM;還配置有CAN控制器、異步串行通訊口(SCI)、同步外設(shè)接口(SPI)、2×8路12位的A/D轉(zhuǎn)換通道、硬件看門(mén)狗電路、以及大量的數(shù)字I/O端口。該器件具有速度快,性能高,信號(hào)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能較好地滿足電力參數(shù)處理和相控分?jǐn)嗟募夹g(shù)要求。
裝置使用人機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)多種信息的顯示和設(shè)定等功能。裝置擁有RS485接口和CAN接口,可與PC機(jī)構(gòu)成分布式通信系統(tǒng)。
裝置使用I2C總線的溫度傳感器DS1624實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度;使用SPI總線EZPROM存儲(chǔ)芯片X5043作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)出廠參數(shù),記錄電壓、電流、以及開(kāi)關(guān)操作歷史等內(nèi)容。
3.2數(shù)據(jù)采集與處理模塊
由于相控分?jǐn)鄬?duì)電流零點(diǎn)檢測(cè)精度的要求較高,本文選用ADI公司的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606進(jìn)行三相電流電壓采集。AD7606器件每通道的采樣率能達(dá)到200 ksps,器件具有同步采樣功能可在較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)采樣電壓和電流[3]。圖3中的可編程門(mén)陣列FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7606邏輯控制。FPGA選用altera公司的EP2C8Q208。FPGA的功能是:a)控制AD7606轉(zhuǎn)換,然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入片內(nèi)FIFO和SRAM;b)響應(yīng)DSP指令,進(jìn)行濾波,并將結(jié)果回送DSP。
三相電流電壓信號(hào)和儲(chǔ)能電容電壓經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離調(diào)理模塊輸入給AD7606進(jìn)行采樣。
開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)FPGA數(shù)字濾波后輸出給DSP;同時(shí)為了防止外部干擾復(fù)位DSP影響執(zhí)行后果,裝置用FPGA來(lái)做執(zhí)行單元,增強(qiáng)了設(shè)備的可靠性。
3.3永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊
永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈來(lái)完成分閘動(dòng)作。圖4為永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖。圖中,為分閘線圈;C為分閘儲(chǔ)能電容; K1是MOS管,K2是可控硅;D是保護(hù)二極管,R1是限流電阻。
每次動(dòng)作前,AC220 V進(jìn)入AC-DC,通過(guò)限流電阻R1與保護(hù)二極管D對(duì)電容C進(jìn)行充電。正常狀態(tài)下,DSP的引腳I01控制MOS管K1導(dǎo)通。當(dāng)分閘信號(hào)到來(lái)時(shí),DSP先關(guān)斷K1,再由引腳I02觸發(fā)可控硅K2,使其導(dǎo)通,電容C對(duì)勵(lì)磁線圈L放電,產(chǎn)生電磁力驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行分?jǐn)?;操作完成后使能K1,重新對(duì)電容器充電,為下次操作做好儲(chǔ)能準(zhǔn)備。
圖4 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)分閘原理圖
裝置軟件包括主程序和定時(shí)中斷程序兩部分。
主程序工作流程如圖5所示。
裝置上電啟動(dòng)時(shí)先進(jìn)行自檢,自檢通過(guò)后,程序進(jìn)行DSP初始化工作。裝置沒(méi)有收到分閘指令時(shí),進(jìn)行電網(wǎng)參數(shù)采集、傳送、顯示。當(dāng)接收到外部操作指令后,置位相關(guān)標(biāo)志字,在主程序中查詢判斷并確定為分閘指令后,檢測(cè)控制電壓、開(kāi)關(guān)觸頭位置等信息,通過(guò)對(duì)控制回路電壓和機(jī)構(gòu)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償,預(yù)測(cè)開(kāi)關(guān)操作時(shí)間,然后調(diào)用分閘子程序,控制開(kāi)關(guān)分閘。如果設(shè)備出現(xiàn)故障,則調(diào)用故障處理子程序,切除故障源,并進(jìn)行相應(yīng)事件記錄。
裝置同時(shí)可以與上位機(jī)進(jìn)行通訊,當(dāng)接收到通訊指令后,程序先解釋指令含義再執(zhí)行相應(yīng)命令,操作完成后記錄操作的結(jié)果。
圖5 主程序流程圖
裝置包括定時(shí)器中斷和外部中斷,在定時(shí)中斷中控制FPGA啟動(dòng)AD7606進(jìn)行電網(wǎng)電流電壓的采集。當(dāng)模擬量采樣完成后FPGA觸發(fā)DSP的外部中斷XINT2,在XINT2中斷程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和運(yùn)算。外部中斷服務(wù)程序的流程框圖如圖6 (a)所示,在該程序中DSP主要計(jì)算電力參數(shù);當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí),對(duì)故障電流性質(zhì)進(jìn)行辨別,含有諧波時(shí)采用改進(jìn)半波傅氏算法進(jìn)行電流零點(diǎn)預(yù)測(cè),否則采用自適宜算法進(jìn)行電流零點(diǎn)預(yù)測(cè),根據(jù)預(yù)測(cè)的電流零點(diǎn)計(jì)算延遲等待時(shí)間。
定時(shí)器中斷操作子程序流程如圖6(b)所示。程序主要進(jìn)行延遲計(jì)數(shù)、標(biāo)志位清除和發(fā)送觸發(fā)信號(hào)等工作。當(dāng)裝置接收到分閘操作指令后,如果裝置沒(méi)有故障,則會(huì)根據(jù)預(yù)測(cè)的開(kāi)關(guān)操作時(shí)間計(jì)算出需要的動(dòng)作延遲時(shí)間,賦給相應(yīng)延遲變量。判斷操作標(biāo)志位,當(dāng)其置位時(shí)則在定時(shí)器中斷程序中將延遲變量減1,直到延遲變量為0時(shí)發(fā)送觸發(fā)信號(hào),控制開(kāi)關(guān)在預(yù)期的目標(biāo)相位分閘。同時(shí),從延遲時(shí)間遞減到0開(kāi)始,操作時(shí)間變量開(kāi)始按1累加,當(dāng)檢測(cè)到觸頭輔助觸點(diǎn)信號(hào)跳變電平后停止計(jì)數(shù),計(jì)算相應(yīng)分閘時(shí)間,進(jìn)行操作標(biāo)志位清除。
(a)外部中斷 (b)定時(shí)中斷
目前船舶綜合電力系統(tǒng)向高功率密度方向發(fā)展,其主要技術(shù)途徑之一是采用電壓等級(jí)為AC10 kV的中壓交流發(fā)供電系統(tǒng),其中涉及安全技術(shù)的開(kāi)關(guān)電器設(shè)備擔(dān)負(fù)著能量分配、系統(tǒng)保護(hù)、故障隔離和系統(tǒng)功能性重組的重要任務(wù);本文研制的相控分?jǐn)嘌b置就是在該背景下展開(kāi)的,在船舶電力系統(tǒng)短路容量日益增大的情形下尤為適用。
圖7是裝置的實(shí)驗(yàn)波形圖,其中-曲線是原始故障電流波形、*曲線是裝置根據(jù)估計(jì)故障電流的相關(guān)參數(shù)恢復(fù)出的故障電流波形;從圖中可以看出,恢復(fù)波形與實(shí)際波形有較好的一致性。其中故障波形的第三個(gè)實(shí)際過(guò)零點(diǎn)(0.03 s附近)為0.0336 s,裝置預(yù)測(cè)過(guò)零點(diǎn)為0.0337 s,兩者誤差為0.1 ms,裝置數(shù)據(jù)處理結(jié)果與實(shí)際值較吻合,裝置精度較高。
圖7 實(shí)驗(yàn)波形圖
本文設(shè)計(jì)的故障電流相控分?jǐn)嘌b置采用DSP和FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障電流相控分?jǐn)?,它以高性?2位浮點(diǎn)DSP芯片TMS320F28335為核心實(shí)現(xiàn)故障電流零點(diǎn)預(yù)測(cè)算法,利用FPGA完成數(shù)據(jù)采集及濾波等耗時(shí)的任務(wù)。裝置實(shí)時(shí)性好,精度高,功能強(qiáng)。
本文研制的相控分?jǐn)嘌b置不僅適用于船舶電力系統(tǒng)的保護(hù),同樣對(duì)于其它中高壓電力系統(tǒng)的保護(hù)也有借鑒作用。
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Device of Controlled Fault Interruption Based on DSP and FPGA
Bao Yongquan, Yuan Duoning, Li Shixue, Zou Weihua, Tu Yu
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)
TM714
A
1003-4862(2017)08-0006-04
2017-01-13
包涌泉(1977-),男,碩士,高級(jí)工程師。研究方向:智能電器和自動(dòng)控制。E-mail:byqliuyan@163.com
袁鐸寧(1970-),女,博士,研究員,從事智能電器方面研究。