基于CAN總線的電動機保護裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計與研究

朱山川

摘要：針對工程應(yīng)用中電動機存在的保護問題，對三相異步電動機保護裝置的軟件系統(tǒng)進行了設(shè)計與研究.該保護裝置采用嵌入式芯片進行硬件設(shè)計，基于can總線進行通信，配套的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上都采用了模塊化設(shè)計，主要的保護功能由中斷來實現(xiàn).經(jīng)過工程應(yīng)用檢測，該保護裝置軟件系統(tǒng)保護功能齊全，選擇性、可靠性、靈敏性和快速性較好.

關(guān)鍵詞：電動機保護;can總線;軟件系統(tǒng)

中圖分類號：TP273.5 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1673-260X（2019）12-0054-03

1 緒論

我國經(jīng)濟快速發(fā)展中，電力企業(yè)為各項生產(chǎn)生活提供電力支持，而電動機是電力系統(tǒng)中基礎(chǔ)性設(shè)備，其在電力能源中占有重要地位[1].由于實際使用中的電動機在設(shè)計時容量與電動機重量體積相比，比值差距越來越大，這導(dǎo)致電動機的耐熱能力下降，這對電動機的保護要求越來越高.在實際生產(chǎn)中，電機一旦出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致設(shè)備甚至整個生產(chǎn)線都不能正常運行，輕則造成停機、停產(chǎn)，重則出現(xiàn)人員傷亡[2].利用DSP技術(shù)實現(xiàn)電動機保護多功能和智能化已成為今后發(fā)展的方向[3].本項目針對電動機的保護問題設(shè)計了一套嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成保護裝置，并為保護裝置設(shè)計了配套的軟件系統(tǒng)，通過軟件系統(tǒng)通過中斷實現(xiàn)了主要的保護功能，充分保證了系統(tǒng)要求的實時性.

2 電動機保護裝置的總體設(shè)計

本項目將電動機保護裝置設(shè)計整體上分為保護、測量、控制、通信以及錄波模塊.核心部分采用Freescale系列數(shù)字信號處理器56F807以及附屬模塊來構(gòu)成裝置最重要的采集模塊，實現(xiàn)對電壓、電流以及頻率信號的采集、A/D轉(zhuǎn)換、處理、判斷以及信號量的開出，來控制繼電器的操作，進行跳閘或者合閘;以單片機W78E516為核心構(gòu)造LCD顯示模塊和傳輸模塊，傳輸模塊主要包括數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)胶笈_CPU以及后臺CPU對這些數(shù)據(jù)進行儲存、分析、結(jié)果顯示以及打印，如果需要的話，通過后臺CPU對參數(shù)進行設(shè)置，以達到控制的最優(yōu).裝置整體設(shè)計框圖如圖1所示.

3 電動機保護裝置的軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 算法選擇

在微機保護裝置的軟件設(shè)計中，主要考慮的是交流采樣算法、保護算法[4].

本項目的保護裝置軟件系統(tǒng)是根據(jù)保護工作原理和動作要求來編寫程序的，以繼電保護算法數(shù)學(xué)表達式來實現(xiàn).選用的算法包括電流、電壓幅值計算的傅里葉算法、相間短路電流算法、低電壓保護算法等.由于微機保護的動作由程序決定，易于實現(xiàn)某些復(fù)雜形狀的動作特性;同時利用計算機的記憶功能，能夠自適應(yīng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保留事件記錄，便于故障后保護動作行為的分析;除此之外，由于采取數(shù)字運算方式處理電氣量，避免了傳統(tǒng)電氣、機械元件引起的各種誤差，提高了保護精度.

3.1.1 各相電流、電壓幅值算法

采樣算法有很多種，考慮到精度和速度的因素，其中全波傅氏算法具有較高計算精度，且具有濾波作用，能夠濾除直流分量和高次諧波，非常適合本系統(tǒng)的實際情況，因此采用此算法[5].同時本設(shè)計充分利用硬件芯片56F807主頻較高，可保障復(fù)雜算法的時間要求，因此結(jié)合算法的復(fù)雜性和時間問題，最終確定采用傅里葉濾波算法.

同樣，電流基頻分量的傅里葉余弦系數(shù)、正弦系數(shù)和復(fù)數(shù)形式的算法與電壓基頻分量相關(guān)算法類似.

3.1.2 數(shù)據(jù)收發(fā)中算法的選擇

本項目數(shù)據(jù)收發(fā)過程中采用循環(huán)冗余碼（Cyclic Redundancy Check Code）CRC算法進行校驗，結(jié)合DSP56F807的實時快速的處理能力，可大大提高保護裝置通信系統(tǒng)的快速性和可靠性.

本設(shè)計中選用是CRC-16多項式G（x）=x16+ x15+x2+1，利用56F807中帶反饋的移位寄存器實現(xiàn)CRC多項式除法來實現(xiàn).

4 保護裝置的軟件設(shè)計

電動機保護裝置采集各節(jié)點的電壓、電流、頻率等現(xiàn)場信號，并計算幅值、相位、相序等參數(shù)，判斷工作現(xiàn)場的各個參數(shù)值是否超過保護定值，即判斷出是否發(fā)生短路、短路以及斷相等故障.并通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，上位機進行存儲、故障專家認定并提供打印.

4.1 主程序設(shè)計

進行模塊化設(shè)計是本保護裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計的特點，軟件系統(tǒng)主要分為三個部分：初始化模塊、系統(tǒng)控制模塊和通信模塊.在設(shè)計時采用主程序模塊和中斷子程序模塊相結(jié)合的方法，主程序流程圖以及保護模塊流程圖如圖2所示.

4.2 主程序與各個服務(wù)程序軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

主程序與采樣中斷服務(wù)程序以及保護邏輯、跳合閘程序之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示.

保護裝置的中斷采用定時采樣中斷，系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，進入采樣中斷程序入口地址，開始采樣、數(shù)據(jù)處理.如果沒有故障報警，在采樣中斷程序結(jié)束后自動轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷程序開始時被中斷的主程序，如果發(fā)現(xiàn)了被保護的線路或者裝置存在故障，則不返回到原主程序，而是修改中斷返回地址，強制性使中斷服務(wù)程序結(jié)束后進入故障處理程序.但是在執(zhí)行故障處理程序時，定時進入采樣中斷服務(wù)程序是不能停止的，而這時的標(biāo)識位KST=1，則不返回到主程序，而是繼續(xù)執(zhí)行故障處理程序，這樣是保證采樣得到的數(shù)據(jù)一直是最新的、實時的，也就是保證了保護的實時性、避免了誤動作.故障處理程序結(jié)束后，程序返回到主程序;保護邏輯部分不動作也將返回到主程序的自檢循環(huán)部分.

4.3 具體保護軟件程序設(shè)計

由于保護裝置的硬件各個基本模塊都大致相同，主要是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)以及開入開除模塊組成，主要是各個模塊的地址分配、接口的控制方式等不同，由此產(chǎn)生功能不同、原理不同的微機保護，因此，將算法與程序相結(jié)合，并安排合理的程序結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)保護功能的關(guān)鍵.在各種保護中，相間短路電流保護是非常普遍也是非常重要的一種保護，以相間短路電流保護軟件程序設(shè)計為例，具體保護程序流程圖以及中斷子程序如圖4所示.

4.4 數(shù)據(jù)開出軟件設(shè)計

在開關(guān)量輸出回路中，利用軟件通過串入/串出或者并出的八位移位寄存器74HC595接口來控制有接點繼電器，在移位過程中，輸出端的數(shù)據(jù)保持不變.具體實現(xiàn)程序如下所示：

5 總結(jié)

本項目的保護裝置軟件系統(tǒng)是根據(jù)保護工作原理和動作要求進行了計算程序的編寫，以繼電保護算法來實現(xiàn)功能.選用的算法包括電流、電壓幅值計算的傅里葉算法、相間短路電流算法、低電壓保護算法等.由于微機保護的動作由程序決定，易于實現(xiàn)某些復(fù)雜形狀的動作特性;同時利用計算機的記憶功能，能夠自適應(yīng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保留事件記錄，便于故障后保護動作行為的分析;除此之外，由于采取數(shù)字運算方式處理電氣量，避免了傳統(tǒng)電氣、機械元件引起的各種誤差，提高了保護精度.通過實踐操作，本項目所設(shè)計軟件系統(tǒng)處理速度快，課隨時處理中斷響應(yīng)，實時性功能良好.

參考文獻：

〔1〕張茜.電力系統(tǒng)中電動機智能保護系統(tǒng)探索[J].職大學(xué)報，2019（2）：87-90.

〔2〕蘇曉丹，記志成.感應(yīng)電機定子匝間短路故障建模與仿真研究[J].大電機技術(shù)，2007（6）：16-20.

〔3〕洪廣焦.基于共享RAM的電動機保護裝置的設(shè)計[J].電子測試，2019（21）：5-16.

〔4〕王旭彬.關(guān)于電動機微機保護設(shè)計中DSP處理器的應(yīng)用[J].科技信息，2013（19）：181-184.

〔5〕楊立生.基于DSP的電動機智能保護模塊的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015（5）：101-102.