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

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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砗头桨福辉敿?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)場可編程門陣列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，提高了預(yù)測的準(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。

故障電流相控開斷 零點(diǎn)預(yù)測 DSP FPGA AD7606

0 引言

開關(guān)電器設(shè)備的智能化是船舶中壓電力系統(tǒng)電站綜合自動化、配電系統(tǒng)自動化的基礎(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，普通船舶電器無法滿足其高分?jǐn)嗄芰σ蠛涂箾_擊振動的要求，采用相控技術(shù)分?jǐn)喙收想娏髂軠p小斷路器觸頭燒蝕，提高斷路器開斷能力[1]。

1 故障電流相控分?jǐn)嗟幕驹?/h2>

斷路器滅弧室的極限開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斷電流和使用壽命[2]。

故障電流相控開斷的原理如圖1所示。相控分?jǐn)嗟倪^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)過最佳燃弧時(shí)間tTAGET_ARC，在目標(biāo)電流零點(diǎn)處熄弧，完成開斷過程。圖中陰影部分可看成相控開斷相對于直接開斷情況下電弧消耗能量的減少。

2 故障電流相控分?jǐn)嘌b置方案

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。裝置對系統(tǒng)電流進(jìn)行采集，通過估計(jì)故障電流的相關(guān)參數(shù)預(yù)測電流波形，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 故障電流相控開斷原理圖

圖2同步開關(guān)控制裝置方案圖

3 硬件設(shè)計(jì)

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)場可編程門陣列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)檢測環(huán)境溫度；使用SPI總線EZPROM存儲芯片X5043作為數(shù)據(jù)存儲器存儲開關(guān)出廠參數(shù)，記錄電壓、電流、以及開關(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﹄娏髁泓c(diǎn)檢測精度的要求較高，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態(tài)范圍內(nèi)采樣電壓和電流[3]。圖3中的可編程門陣列FPGA實(shí)現(xiàn)對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。

三相電流電壓信號和儲能電容電壓經(jīng)過信號隔離調(diào)理模塊輸入給AD7606進(jìn)行采樣。

開關(guān)量輸入信號經(jīng)過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)動模塊

永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動模塊通過驅(qū)動線圈來完成分閘動作。圖4為永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動模塊原理圖。圖中，為分閘線圈；C為分閘儲能電容； K1是MOS管，K2是可控硅；D是保護(hù)二極管，R1是限流電阻。

每次動作前，AC220 V進(jìn)入AC-DC,通過限流電阻R1與保護(hù)二極管D對電容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)分閘信號到來時(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對勵(lì)磁線圈L放電，產(chǎn)生電磁力驅(qū)動開關(guān)進(jìn)行分?jǐn)啵徊僮魍瓿珊笫鼓躃1，重新對電容器充電，為下次操作做好儲能準(zhǔn)備。

圖4 永磁操動機(jī)構(gòu)分閘原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

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。

裝置上電啟動時(shí)先進(jìn)行自檢，自檢通過后，程序進(jìn)行DSP初始化工作。裝置沒有收到分閘指令時(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，檢測控制電壓、開關(guān)觸頭位置等信息，通過對控制回路電壓和機(jī)構(gòu)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償，預(yù)測開關(guān)操作時(shí)間，然后調(diào)用分閘子程序，控制開關(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，否則采用自適宜算法進(jìn)行電流零點(diǎn)預(yù)測，根據(jù)預(yù)測的電流零點(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)信號等工作。當(dāng)裝置接收到分閘操作指令后，如果裝置沒有故障，則會根據(jù)預(yù)測的開關(guān)操作時(shí)間計(jì)算出需要的動作延遲時(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，控制開關(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開始，操作時(shí)間變量開始按1累加，當(dāng)檢測到觸頭輔助觸點(diǎn)信號跳變電平后停止計(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

5 裝置應(yīng)用對象和實(shí)驗(yàn)

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)際過零點(diǎn)（0.03 s附近）為0.0336 s，裝置預(yù)測過零點(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

6 結(jié)論

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)，同樣對于其它中高壓電力系統(tǒng)的保護(hù)也有借鑒作用。

[1] 李蕊. 故障電流相控分?jǐn)嚯娏髁泓c(diǎn)預(yù)測算法的研究[M]. 大連: 大連理工大學(xué), 2009.

[2] 方春恩, 段雄英, 鄒積巖. 基于自適應(yīng)神經(jīng)元的短路電流參數(shù)提取[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23(8): 115-118.

[3] 于克泳, 孫建軍. 新一代16位8通道同步采樣ADC-AD7606在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 電子產(chǎn)品世界, 2010, 17（10）.

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，高級工程師。研究方向：智能電器和自動控制。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。