（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的异步电动机综合保护装置的研究.pdf

摘要 本文提出了一种基于d s p 通用微机保护硬件平台的对电动机进行综合保护的 解决方案，利用d s p 的强大数字信号处理能力保证装置的一体化实现。装置采用 对称分量法对电动机各种形式的电气故障进行保护；采用电动机电流频谱分析法 ( m c s a ) 从定子电流信号中提取出故障特征频率分量，对转子断条故障进行检测。 通过m a t l a b 软件对两点乘积采样算法、半周积分算法、伞波傅氏算法的特性进 行仿真比较，本文确定了具有滤波功能的全波傅氏算法为装置的电气采样算法。 硬件没计采用模块化的通用平台设计思想。选自t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作 为中央处理器来实时地完成数据处理和逻辑判断任务，利用芯片所具有的丰富外 设资源，使整套装置在降低了硬件复杂程度的同时，整体性能得到大大提高，经 过相应的修改很容易实现向其他微机保护装置的硬件平台过渡。软件设计引入t i 公司为t m s 3 2 0 c 2 8 x t m 系列d s p 所设计开发的实时多任务操作系统内核 d s p b i o s ，将各功能模块作为任务线程来看待，通过可配置的内核服务使各线程 在系统调度下按照优先级的高低分时复用c p u 资源，各个任务线程之间通过同步、 通信、数据交换等方式进行协调，对于提高装置的可靠性、扩展性，减少开发周 期和降低开发成本等方面有着重要的意义。 模块化的通用软硬件平台设计方案提高了微机保护装置丌发速度，降低了开 发和维护成本，提高了保护装置的运行安全性和可靠性。 关键词：d s p ；对称分量法；傅氏算法；模块化；d s p b i o s 基1 二d s i ，的异步i 乜动机综合你护? 毖筲的研究 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ep r o p o s e sas o l u t i o no fm o t o ri n t e g r a t e dp r o t e c t i o nb a s e do nd s p u n i v e r s a lm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nh a r d w a r ep l a t f o r m ，w h i c hm a k e sag o o du s e o ft h es t r o n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga b i l i t yo fd s pt oe n s u r et h er e a l i z a t i o no f i n t e g r a t ep r o t e c t i o no ft h ed e v i c e i ta d o p t sam e t h o do fs y m m e t r i c a lc o m p o n e n tt o r e a c tv a r i o u so fe l e c t r i cf a u l t so fm o t o r ；a n di no r d e rt od e t e c tm o t o rb r e a k a g eb a r f a u l t ，i ta l s oa d o p t sam e t h o do fm o t o rc u r r e n ts i g n a t u r ea n a l y s i s ( m c s a ) t od e t e c tt h e f a l s ef r e q u e n c yc o m p o n e n to fr o t o rf r o ms t a t o r c u r r e n ts i g n a l b yu s eo fm a t l a b s o f t w a r e ，w ee m u l a t ea n dc o m p a r et h ec h a r a c t e r sa m o n gt w o p o i n ti n t e g r a la l g o r i t h m ， h a l f p e r i o di n t e g r a la l g o r i t h ma n df u l l w a v ef o u r i e ri n t e g r a la l g o r i t h m f i n a l l y ， w e d e c i d et oa d o p tt h ef o u r i e ri n t e g r a la l g o r i t h mw i t hf i l t e r i n gf u n c t i o na st h ee l e c t r i c a l s a m p l i n ga l g o r i t h mo ft h i sd e v i c e t h eh a r d w a r ed e s i g na d o p t st h em o d u l a rn o t i o nt od e s i g nau n i v e r s a lp l a t f o r m ， s e l e c tt h et ic h i po ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2a st h ec p ut oc o m p l e t et h et a s ko fd a t ap r o c e s s i n g a n dl o g i cd e c i s i o ni nr e a lt i m e ，u t i l i z et h ea b u n d a n tp e r i p h e r a lr e s o u r c e so ft h i sc h i p ， s i m p l i f yt h eh a r d w a r ed e s i g na sw e l la se l e v a t et h ei n t e g r a t e do ft h i sd e v i c e ， i tc a n e a s i l yt r a n s p l a n tt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fo t h e rm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nd e v i c eb y a m e n d i n gr e l e v a n tp a r t s t h es o f t w a r ed e s i g na d o p t st ir e a l t i m em u l t i p l et a s ko s k e r n e ld s p b i o sw h i c hi s d e v e l o p e d f o r c h i p t m s 3 2 0 f 2 8 x t m s e r i e s e v e r y f u n c t i o n a lm o d u l ei sr e g a r d sa sat a s kt h r e a d ， b yd i n to ft h ek e r n e ls e r v i c ew h i c hi s c o n f i g u r a b l e ， i tc a nb es e q u e n c e db yp r i o r i t yt ou s et h ec p ur e s o u r c et i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g e v e r yt a s k t h r e a da s s o r tw i t h e a c ho t h e r b ys y n c h r o n i z a t i o n ， c o m m u n i c a t e ，d a t ae x c h a n g ea n ds oo n i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t y a n de x p a n s i b i l i t y ， r e d u c i n gd e v e l o p m e n tc y c l ea n dc u t t i n g d o w n d e v e l o p i n gc o s t so ft h i sd e v i c e t h ea d v a n t a g e so fm o d u l a r i z a t i o nd e s i g nt h eu n i v e r s a ls o f t w a r ea n dh a r d w a r e p l a t f o r ms c h e m ea r ea c c e l e r a t i n gd e v e l o p m e n to ft h em i c r o p r o c e s s o r b a s e dp r o t e c t i o n d e v i c e ，r e d u c i n gd e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c ec o s t ，i m p r o v i n gs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y o ft h ep r o t e c t i o nd e v i c e k e y w o r d s ：d s p ； s y m m e t r i c a lc o m p o n e n t sm e t h o d ； f o u r i e ra l g o r i t h m ； m o d u l a rd e s i g n ；d s p b i o s l l 硕十。传论文 插图索引 第二章插图索引 图2 1 鼠笼电动机结构图7 图2 2 对称分量法仿真图1 0 图2 3 电动机正常启动电流变化曲线1 2 图2 4 启动时f n j 过长保护逻辑图1 3 图2 5 过载保护逻辑图1 4 图2 6 堵转保护逻辑图14 图2 7 短路保护逻辑图1 5 图2 8 两段式负序过流保护逻辑图1 5 图2 9 零序保护逻辑图1 6 图2 1 0 低电压保护逻辑图一1 6 图2 1 1 转子断条频谱图一1 7 第三章插图索引 图3 1 两采样乘积算法仿真图2 l 图3 2k ( a ) 随相角a 变化图一2 2 图3 3 半周积分法计算幅值仿真图2 3 图3 4 傅里叶f 弦和余弦系数的频率特性2 5 图3 5 全波傅氏算法的相对幅频特性曲线2 6 第四章插图索引 图4 1 微机保护通用硬件平台的结构图2 8 图4 2 电动机综合保护装置的结构框图2 9 图4 3t m s 3 2 0 f 2 812 内核结构图一3 0 图4 4 保护单元c p u 外设分配图一3 1 图4 5r t c 电路原理图3 2 图4 6 存储器电路原理图3 2 图4 7 信号采集电路原理图3 3 图4 8 测频电路原理图3 4 图4 - 9 保护单元与管理单元的连线图3 5 图4 1 0r s 4 8 5 总线通信电路原理图3 6 图4 1 1c a n 总线通信电路原理图3 7 图4 1 2 模拟量输出电路原理框图一3 8 图4 1 3 开关量输入电路原理图一3 8 图4 1 4 开关量输出电路原理图一3 9 i i i 墓丁d s p 的异步l u 动机综合保护装鬣的研究 第五章插图索引 图5 1 传统串行结构示意图4 1 图5 2 模块化并行结构示意图4 2 图5 3 集成丌发环境c c s 的模块图4 3 图5 。4d s p b i o s 配置图4 4 图5 5d s p b i o s 中任务状态转换4 6 图5 - 6 基于d s p b 1 0 s 的任务划分。4 7 图5 7a d 中断流稗图51 i v 硕p 付论文 图表索引 表2 1 电动机故障分布表8 表2 2 电动机的故障类型及其特征表11 表5 1b i o s 的线程特性表4 5 表5 2 任务优先级与堆栈划分表4 8 v 硕上学位论文 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：勿。匆歌 日期：) 。年乡月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：弓长毒眵霉丈 导师签名： 日期：d o 年岁月 m 日期：o 年厂月哆日 硕十学何沦艾 第一章绪论 1 1 本课题的目的和意义 电动机因其结构简单、孥固耐用、控制简单、使用方便以及能适用于各种复 杂的工作环境而广泛应用于人类社会的生产和生活中【lj 。其中应用最多的是异步电 动机，在电网负荷中约有6 0 以上是异步电动机；以电力作为原动力的负荷中， 有9 0 左右是异步电动机。使用中的电动机( 以下均指异步电动机) 多处于高温、 高湿、多灰尘等恶劣的工作环境，容易出现电动机短路、过载、堵转、接地、缺 相运行等故障。当电动机发生故障，轻者影响生产的i f 常进行，重者烧毁电动机 甚至造成人员伤亡。电动机故障带来的直接和间接损失是相当巨大的，就我们国 家而言，每年烧毁的电动机数量达2 0 万台次，总容量约4 0 0 0 万千瓦；直接损失 达1 6 亿元左右，间接损失则高达百亿元。此外，为了节省原材料，现代电动机的 制造i f 走向“极限设计”，这表现在与3 0 年代相比容量相同的电动机，重量减轻一 半以上，体积减少约为原来的1 3 ，这就使现代电动机的热容量和耐热限度急剧下 降，为确保电动机安全运行，更有必要改善继电保护的性能1 2 j 。随着我国经济的发 展，电动机将会更广泛地应用于石油、化工、冶金、纺织等部门，做好电动机保 护的研究和推广工作，研制性能良好、功能完善的电动机保护装置具有重要的现 实意义。 1 2 微机保护装置综述 1 2 1 微机保护装置的发展历程 继电保护装置是一种反应电力系统故障状态和不正常运行状态，并发出信号 动作于断路器跳闸的设备。继电保护装置发展至今共经历了电磁式、晶体管式、 集成电路式到现在的微机式等4 个阶段。2 0 世纪6 0 年代中后期，英国、澳大利亚 和美国的一些专家提出用小型计算机实现继电保护的设想；1 9 7 5 年初，英国g e c 公司开始应用微型计算机在变电所的控制和自动重合闸上。1 9 7 9 年，i e e e ( 1 n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 的教育委员会组织了第一次世界 性的微机保护研究班；在此之后，世界各大继电器制造商都先后推出了各种商业 性微机保护装置，此时的微机保护装置已经开始逐渐趋于实用。 我国对微机保护的研究始于8 0 年代初期。1 9 8 4 年初，华北电力学院杨奇逊教 授研制的第一套微机型线路保护样机试运行后通过鉴定，拉开了我国对微机保护 装置研究的序幕。1 9 8 4 年底，我国第一次计算机继电保护学术会议在华中工学院 召开，标志着我国微机保护工作进入了重要的发展阶段。在此之后，清华大学、 华中科技大学、东南大学、华北电力大学、西安交通大学、天津大学、上海交通 壁丁d s i ，的异j 多l l i 动综合保护装竹的研究 大学、重庆大学、南瑞继保、国电南自、四方继保、许继集团等高校及仓q p 先后 开发研制出了一大批小i 司原理、不同类型的微机型保护装置。这些微机型保护装 置在电力系统巾的种种优越性很快被大家所认可，在国内得到相当广泛的应用， 并取得了成功。现在新建变电站中9 0 以上采用的是微机保护系统，同时每年还 有相当数量的变电站改造工程。随着对微机保护的不断深入研究，在微机保护硬 件和软件算法等方面也取得了很多新理论成果，并且逐步应用于实践之中，我国 的微机保护技术已经趋于成熟1 3 】。 1 2 2 当前我国微机保护装置中存在的问题 近二十几年来，经过我国广大电力科技工作者的不懈努力，我国微机保护技 术及应用水甲有了很大的提高，但是目前国内j 下在运行使用的微机保护装置仍存 在需要改进的地方。主要表现在以下3 个方面： 硬件方而 作为保护核心的中央处理器的大多还采用8 位或1 6 位单片机。受结构、速度 以及总线宽度等方面的限制，单片机指令功能有限、寻址空间小、运算能力弱。 以单片机微核心的微机保护装置虽然控制性能较好，但是不善于数字信号的处理， 难以实现复杂的微机保护算法和数字滤波算法。随着电力系统自动化水平的不断 提高，新算法的涌现，以及保护装置智能化、网络化的发展，对中央处理器的处 理能力提出了更高要求。此外，新型微机保护装置还应当满足的灵敏性、可靠性 和扩展性等要求，传统基于单片机的微机保护装置实现起来已经鼹得捉襟见肘。 软件方面 传统微机保护装置的软件设计通常采用主循环加中断的线性结构，这种结构 也称为前后台结构。该结构的开发方式是先画好程序流程图，然后按照流程图来 编程。主程序通常为一个无限循环，循环中调用子程序的方式来完成柏应的操作， 这被称为后台行为级。采用中断来处理各种随机事件，这被称为前台行为或r f l 断 级。这种程序结构具有简单直观、易于控制的特点，但缺乏灵活性。随着电力系 统自动化水平的不断发展，对微机保护测控装置的功能的要求也越来越多，不仅 要完成继电保护功能，还要完成通信、自检和人机对话等功能。传统的线性程序 结构会导致软件复杂程度增高，无形中增加开发难度、开发成本及开发周期。此 外，受所采用硬件平台的限制，一些微机保护装置的软件平台仍采用汇编语言编 程。使用汇编语言具有代码精炼，在某些关键操作上执行效率高等优点，但由于 需要编程人员要全面规划内存安排、数据调度、资源分配等，进一步造成了软件 开发的开发周期长、难度大等问题。此外，由于编程人员思维习惯和方式的不同， 在软件的交流、移植及维护方面也存在一定的困难。 电动机的早期的机械故障保护方面 国内对电动机的保护功能是通过各种继电保护装置来实现的，当运行参数和 状态参数达到或超过继电保护装置的整定值时，保护动作报警；当发生短路等严 2 硕f j 掌何论文 重故障时，保护切断电源来使电动机停止运行，以防止发生事故或事故扩大。实 际使用过程中，当继电保护动作时故障可能已经发展到比较严重的程度，即常规 继电保护没有预报早期故障的功能。这点正如文献【4 】巾所描述的那样：“设备的保 护，并不意味着能够预防事故发生，它只能在事故发生后采取行动；它是在悬崖 绝壁下的救护车，而不是悬崖绝壁顶上保护行人的栅栏”。另外对于生产线上的重 要电动机，保护装置动作后电动机突然被切除，这时即使电动机没有严重损坏， 但生产流程被巾止，仍会导致很大的损失。因此，时电动机进行状态检测和故障 诊断，在故障产生的初期尽早发现，预测其发展趋势，合理安排生产和维修，避 免故障扩大到使设备严重受损或造成临时性的停产事故，具有十分重要的意义。 1 2 3 国外微机保护的最新技术发展情况 国外的微机保护装置在可靠性和智能性上略胜一筹。如g e 的2 3 9 电动机保 护器增加了机械故障诊断功能，用于防上上= 电动机在异常运行条件下受到损坏。其 基本原理是：当电动机过长的加速时问以及转子失速时，电动机的快速停机可以 减少对齿轮、轴承以及相关电动机驱动的其他机械部分损害；机械故障条件可以 引起电流涌流，而电流涌流可以激活机械故障功能。a b b 的电动机保护测控装置 r e m 6 1 5 集成了弧光保护功能进一步保障了设备和操作人员安全。弧光保护是对 开关柜的电缆隔室、母线和断路器进行监测，一旦监测对象产生故障弧光，弧光 保护即可在短时间内动作从而为人身安全提供了保障，并将电弧故障对开关设备 的损坏降到最小程度。s i e m e n s 的微机保护装置集保护、测量、在线监控一体， 并且推出了可用于多种设备保护的通用保护装置。 数字化变电站是由智能化一次设备( 电子式互感器、智能化开关等) 和网络 化二次设备分层( 过程层、间隔层、站控层) 构建，建立在i e c 6 1 8 5 0 通信规范基 础上，能够实现变电站内支持智能电子设备之间信息的共享和互操作性的现代化 变电站i 引，它是目前电力工业界的一个研究热点。在这个方面研究中，a b b 、 s i e m e n s 的最新电动机保护产品支持基于通用网络平台的变电站自动化系统的 唯一国际标准- - i e c 6 1 8 5 0 引，通过与中央控制系统进行双向通讯，形成监控、保 护与信息网络，同时监视电动机各种运行参数，对过去的运行参数及故障情况做 出统计，帮助操作人员做出决策以减少线路和设备的停机和维修时问，大大提高 了整个系统的可靠性。a l s t o n 、a b b 、s i m e n s 、三菱公司等已经采用电子式互 感器e i t ( e l e c t r o n i ci n s t r u m e n tt r a n s f o r m e r ) 作为电力系统测量和保护信号源， 输出的是经过d 模数转换后的数字信号，传输和处理过程中均不会产生附加误 差，从而提高了测量精度。相比于传统的电磁式互感器，电子式互感器还具有结 构紧凑、体积小、抗电磁干扰、不饱和及易于数字信号传输等显著特点，更能顺 3 五丁d s p 的芹步i 【l 动综介隙护装胃i t , j “j r 究 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! 曼皇! 曼曼曼曼鼍寰寰! 曼篡曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! i ii 曼! 曼皇曼曼! 曼! ! ! ! 曼! ! ! 曼! 曼! ! 量曼! ! ! 曼曼! ! 曼曼! 曼曼! ! ! ! ! ! ! ! 应未来电力系统保护发展的要求。以上简述了国外微机保护的最新技术发展情况， 由于国外产品价格昂贵，人机界面没有汉化，备品备件的购买手续繁琐，售后服 务不能及时跟上等因素制约了其在国内市场的推广。 1 3 电动机保护原理的发展现状与展望 1 3 1 基于电流幅值比较的保护理论 热继电器保护和电子式保护是我国电动机常规的保护方式，其保护原理是基 于电流幅值比较的保护理论。比如过流保护的基本原理是以电流幅值的增加作为 故障判据，从原理上只能反应对称故障，对断相、逆相、相问短路、单相接地和 不平衡运行等不对称故障很难进行有效的保护l _ 。主要有两方面原因：首先，电动 机出现各类不对称故障时不一定都会出现明显的过电流；其次，不对称故障对电 动机的危害不只表现在过流引起的热效应上，更主要的足不对称故障电流中负序 电流分量效应，负序电流效应会导致电动机端部发热、转子振动以及启动力矩减 少等l 、u j 题。仅以过电流作为异步电动机故障特征，是很难满足保护要求的。 1 3 2 基于对称分量法的保护理论 依据对称分量法，当电动机以及外部供电系统发生不对称故障时，故障电流 可以分解为i f 序、负序和零序电流分量；当电动机正常运行时，定子绕组中负序 和零序分量都很小或者为零，所以通过检测负序和零序电流分量可以判别各类不 对称故障。这一判别方法对各类不对称故障具有较高的可靠性和灵敏度。电动机 的电流分量及过流程度等故障信息的分布组合与电动机的故障类型之间具有对应 关系，根据这一关系可鉴别电动机的故障类型，分析故障原凶，对电动机进行更 为合理的保护。近年来国内外研制了一系列微机弛电机保护装置，基本原理大多 是基于对称分量法原理峰j 。 1 3 3 基于先进信号处理方法的保护理论 随着检测手段和耨型分析算法的发展，如何从电流和电压中提取有用的电参 量，已经成为学术界与工程界研究的热点。各种先进信号处理方法也越来越多的 应用到电动机故障特征量的提取上来。它们突破了上述两种保护理论的局限性， 对定予内部绕组故障和转子断条等故障的灵敏度大大提高，主要潮流有基于傅里 叶变换频谱分析、基于人工智能的保护理论、小波变换理论等。 1 3 3 1 基于傅里叶变换的频谱分析 利用傅罩叶变换的频谱分析技术可检测出含有电动机故障信息的特征谐波分 量，依据各种特定的震动频谱分量和它引起的电流谐波分量之i 日j 的对应关系，可 4 硕 1 ：何论文 以判定电动机的故障状态。因为当电动机出现不对称故障时，定子电流巾会出现 相应的谐波电流；转子断条或轴承磨损等原因引起的电动机震动会以相对应于故 障类型频率的谐波电流的形式反应到定了电流当中，并且电动机震动的幅值与此 谐波电流幅值也有对应关系。目前，频谱分析技术在针对有限的和孤立的故障类 型进行模拟或试验中具有很好的效果，但对整个电动机所有的故障类型及各种故 障组合情况进行频谱分析却比较团难。本文应用电流频谱分析理论来对电动机转 子断条故障进行检测。 1 3 3 2 基于人工智能的保护理论 随着人工智能技术的蓬勃发展，其已被广泛的应用到电动机的故障诊断和保 护中。基于人工智能的电动机保护分为4 个阶段：学习、检测、比较判断和动作。 在学习阶段主要收集和存储电动机在正常运行时的运行参数、特征量和相应的故 障特征量、保护动作阈值及故障类型等信息，这些信息是将同一类型电动机在正 常使用前模拟运行一段时间得到的；在检测阶段主要对电动机实时运行过程中的 某一个或几个检测量进行检测：在比较判断阶段主要将实时检测到的数据与学习 阶段得到的数据进行比较，判断偏差足否超过预定阈值，并且辨认出是否出现故 障及故障类型；在动作阶段根据比较判断阶段得到的结论采取相应于故障类型的 保护动作。人工智能的主要应用形式有：专家系统、神经网络以及模糊逻辑等。 人工智能的判别方法对保护系统的软硬件要求很高，数据存储量要求大，响应速 度要很快，还要包括所有可能的故障情况，所以目前很难做到完善。 1 3 3 3 小波变换理论 最新的频谱分析方法是小波分析理论。它是在2 0 世纪8 0 年代中期提出来的一 种新型的时一频域分析方法，小波变换作为一种先进的信号处理技术，能对不同 的频率成份采用逐渐精细的采样步长，从而可以聚焦到信号的任意细节，尤其是 对奇异信号很敏感，能很好地处理微弱信号或突变信号，因此适合处理电动机故 障特征信号，便于捕获异常状态以采取预防控制或保护措施。当把电动机电流信 号看作定子电流频率的调制信号，通过离散小波变换进行解调时，电动机故障产 生的电流幅值变动可以通过小波变换方便地榆测出来。然而，小波分析应用于电 动机的故障诊断才刚刚起步，有待作更深入的研究；而且由于电动机故障的复杂 性，仅仅依靠小波分析所获得的故障特征量还难以满足实际的故障检测准确度的 要求。 1 4 本文做的主要工作及章节安排 阅读和学习国内外微机保护相关的文献资料，分析研究当前市场上主流的微 机保护技术。通过对比国内外同类产品的优缺点，并结合异步电动机自身特点， 设计开发一种以d s p 为核心的电动机综合保护装置。具体章节安排如下： 第一章简要地概括了电动机保护的意义、发展历程及目前存在的问题；对当 5 荩rd s p 的异j 步i u 动综合保护装竹的f j 刀究 f j 订国外微机保护的最近技术进行分析归纳；最后简述了f i 前电动机保护的理论的 主流发展方向。 第二章分析了电动机各种故障的起因，说明传统基于电流幅值比较理论的不 足；采用了基于对称分量法的保护判据对电动机各种形式的电气故障进行保护， 并且应用基于m c s a 的转子断条故障检测手段。 第三章对比分析了两点乘积采样算法、半周积分算法、全波傅氏算法，对以 上算法的特性进行了m a t l a b 仿真，采用具有滤波功能的全波傅氏算法来计算各 种电气参数；给出了负序分量的微机实现方法。 第四章提出了基于d s p 的电动机保护装置通用硬件平台的总体设计方案，接 着详细阐述了保护装置单元模块的没计，包括主要芯片的选型、主要功能、电路 原理的介绍等。 第五章提出基于d s p b i o s 实时操作系统的模块化的通用软件甲台设计。简述 了d s p 的集成开发环境c c s 及d s p b i o s 特点和使用方法。进行了基于d s p b i o s 的 应用程序软件设计。 文章最后对全文做了总结，并对未来需进一步研究的工作方向进行了展望。 6 第二章电动机保护原理与保护判据 2 1 电动机保护概述 2 11 电动机常见故障分析 对电动机进行保护，首先要了解电动机的结构、常见故障类型、敞障产生原 因以及故障特征。个蝗型的鼠笼电动机的结构如图2 1 所示，其结构- 分为定 子( 包括定子铁芯和定子绕组) 、转子( 包括转子铁芯和转予导条) 、附件( 包括 轴承、轴承捎环、m 扇等) 等三大部分。虽然电动机总体结构比较简币，却具有 极为复杂的机、电、磁等物理甚至化学的演变过程。长期运行的电动机，由于受 供电电源、负载性质、运行机制、安装环境以及地基等的影响，某些部件的性能 会逐渐劣化而容易出现故障。 酬2 - 1 鼠笼电动机结构蹦 电动机故障大致上可分为定子绕组故障和机械故障，其中绕组故障主要由如 下 1 勺5 方面原因引起【9 】：1 h 于电源电爪a 低使电动机不能顺利启动，或者启动过 于频繁，使电动机囚长期过载而烧毁。2 长期受电、热、化学或机械作用，使绝缘 老化及损坏，造成相问或对地短路。3 三相电源电压不平衡或者断相运行，长期承 受负序电流而烧毁。4 冷却系统故障或环境温度过高。5 由轴承损坏而造成的偏心、 扫膛，或因机械故障造成堵转。 机械故障主要包括轴承故障和转子故障，其巾轴承故障的原因主要有3 个： 1 机械负荷过大或振动太大。2 润册油使用不合适，如缺少润滑油其至无润滑油。 3 绕组温度过高，热量传至轴承，致使轴承损坏。转子断条是电动机最常见的转子 故障，主要由如f 两个方面原因引起1 8 j ：( 1 ) 制造原因：对于铸铝转子，由于材料 和工艺上的缺陷，转子导条内部可能出现缩i l 、砂眼或夹层等，电动机运行一段 时间后，转子导条出现局部开裂：对于铜焊转子，由于铜条的端环焊接处松脱而 堆丁d s i 的异步1 u 劝综合f _ ：护姨w 的岍究 造成转予断条。( 2 ) 使用原因：由丁电动机频繁地启动、正反转、长期过钱运行使 得流过转子导条的电流过大，转子导条最终因为受到过大的电磁力而断裂。转子 断条是异步电动机的一种早期轻微故障，当只有少量导条断裂时电机仍可以运行， 但电磁转矩降低导致转速下降，并伴有周期性的电磁噪声。 美国电力研究学会( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e p r i ) 对电动机故障的 研究表明【1 1 】：电动机故障的5 3 源于机械原因，如轴承故障、不平衡、松动等； 4 7 源于电气原因，其中，1 0 源于转子，如结构缺陷导致的气隙不平衡、断条等， 3 7 源于定子绕组，如表2 1 所示。 表2 1 电动机故障分布表 轴承故障( b e a r i n g s ) 4 1 定子( s t a t o r ) 3 7 转子( r o t o r )1 0 其他机械故障( o t h e r )1 2 2 1 2 基于幅值大小判断电动机故障的理论 电动机保护装置的保护原理与保护判据是影响保护性能的关键因素之一，对 电动机保护原理的研究也就十分重要。以往电动机保护装置多采用电流为取样对 象，并以电流幅值的增加作为判断足否发生故障的依据。这种过流保护的原理只 能反映以电流增加为主要特征的对称故障和短路故障，如过载、堵转、严重短路 等。当电动机发生不对称故障如断相、不平衡、相间短路、接地短路等时，除了 严重的短路会造成故障相电流明显增大外，不对称性故障大多数一般不出现显著 的电流幅值变化，过电流保护常常不能及时鉴别。不对称性故障对电动机的损害 不仅 - 3 l 起绕组的过热，还会产生一系列的负序效应对电动机造成损害。 本文采用对称分量法来解决传统保护灵敏度不高的问题，根据对称分量原理， 当三相异步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，一旦出现并达到一 定的值则表示出现某种故障。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，再加上反应对称故障的电流幅值检测方法，就可 以涵盖电动机在各种环境运行中所有故障类型的保护。 2 2 基于对称分量法的电动机保护原理 2 2 1 对称分量法 对称分量法( m e t h o do fs y m m e t r i c a lc o m p o n e n t s ) 最初是由c h a r l e sl 8 硕十付沦文 f o r t e s c u e 于1 9 1 3 年提出1 1 3 j ，用于研究感应电动机不平衡运转状态。当电动机发 生不对称故障时，三相电路电流和电压的基频分量都会变成不对称的向量。以，a 、 ，口、，c 表示三相电流，a 可以分解为正序、负序、零序成分，4 t 、ia 2 、，_ o 。同 理，口可以分解为j 下序、负序、零序成分，b i 、，b 2 、，b 0 ；，c 可以分解为正序、 负序、零序成分ic 1 、i c 2 、ic o 。其中，正相序成分的相序依次为，一- 、ib i 、ic - ， 大小相等且相位相隔1 2 0 。；负序成分的相序依次为i a 2 、，b 2 、，c 2 ，大小相等且 相位相隔1 2 0 0 ；零序电流则大小相等且同相。各组相序成分大小相等，所以可以 将其简化，用某一向量表示。定义算子“a ”为向量沿逆时针方向旋转1 2 0 0 ，其为 一单位矢量。由此可得出： ，。 ib ic 111 口2a1 口a 21 ，i i 2 i o ( 2 1 ) 式2 1 以a 相为代表，则ia 1 、i a 2 、ia 0 各符号可进一步化简为，、i2 、，0 ，而 式2 1 可以改写如下： ， ，。 ，c 111 以2以1 口以21 ，。 j ： ，。 将式2 2 中三相电流相加，可以得出如下等式： ，_ + ，口+ ，c = ( 1 + 口+ a 2 ) ( 1 1 + i2 ) + 3io ( 2 2 ) ( 2 3 ) 因1 + 口+ 口2 = o ，故j 。= 三( j 月+ j 矗+ j c ) 。同理，可以求出三相电流的正序分量和负 序分量，、i2 。综上所诉，即得： ，。 ，： in 1 = 3 1 aa 2 1a 2a 111 9 ，彳 ，矗 ，c ( 2 4 ) 。式2 第竺晕+ 增科孵苕r 钥慷幢鸟镰镑擘十糖。如黔湘系统足 角j 眵接法，或者是没有中性线的星型接法，二相线电流之和总为零，- ：f - u 能有 蛋i 予鬯劫。睡口保 尉氍逑中性线的星型接法中卅有a 】能存在零序电流。本保护装置 2 设1 计1 主苦荔轨甭斜；辑辫旃系统中的电动机，零序屯流可作为接地故障判断的 重要侬据。 袖e 基动趄茁好棵撺量菠嵩艘后掰咯委咖擅雠6 母舞匿描难越捧落掣、当绁釉世括拉 i 唑托蝥撵蒋，征零序，费掣蜉蟹篱孥挈设夔争抬9 斛往鬯嬖务原某缟肇g 憎芦童 瓣拳嚣瓣臻镄蕤l i 赫疆纛翳鳞黼摧鞑蘸 蜃押复藜而裾娑融印德等轫蓬嚣壁霍季静寤蔓过震雾长翁瑾稃苈框翕腕芦罄掌受 丽电面黼芥舞瘸整赓t 莲存机龠序赞曩坤螭歧麒越塞舛的影响，某些部件的性能 会逐渐劣化而容易出现故障。 相计称 _ | ，倒0 l 斛篮电动机暂 构图 7 电动机故障本障卜可分为定了绕组故障和机械故障，其。p 绕组敞障主要山如 下的5 局面原凼引起_ l ：1 由于电源吨压太低使电砰机不能顺利启动葶或者启动过 于频繁，使电动机心k 期过载而烧毁。2 长期受电、热、化学城机械作用，使绝缘 老化及损坏，造成柑叫或对地赴路对称丑檀惠韶鞋圈：不、r 衡或者断相运行，长期承 受负序电流而烧毁。4 冷却系统故障或环境温度过高。5 山轴承损坏而造成的偏心、 自髓? 羲雷硎旃磺建曩漉的疯动机保护判据 硕f - 学伊沦文 应关系，可以区别电动机的故障类型，指示故障原因，从而实现了智能化的故障 诊断。电动机常见故障诊断类型及特征表【1 2 】如表2 2 所示。 表2 2 电动机的故障类型及其特征表 故障类型 零序负序堵转 其他故障特征保护特性 过载 无无 ( 1 2 5 ) ，o ，庐i c反时限 对称 故障 堵转 无无 ( 5 7 ) i o，庐，c 定时限 短路无无 ( 8 - 1 0 ) ，o i j ，庐i c速断 断相 无l c | 5 4 3 。 1k = 0 。j 广jc 定时限 非 逆向 无ll 无 ，萨i e 速断 接 不甲衡 _ 一 不 地 无有无 ， i r e ：i c 定时限 对 相间 称 短路 无有( 其值取决于位置l 萨一i c i , f速断 故， 障单相 e i 3 有 lt l 萨i c 速断 接 接地 地 vu 两相 e i 3有 i b ，i c i a = i o速断 接地 注：( 1 ) 单相故障设a 相为故障相；两相故障设b 、c 相为故障相 ( 2 ) l 表示故障前电流幅值；j = 三( j 4 + j a + j c ) 2 3 模拟量输入 本文设计的综合保护装置集测量、保护故障检测功能于一体。测量和保护部 分采用的定时采样频率为1 2 0 0 h z ，采样间隔约为0 8 3 3 m s ，对于5 0 h z 的工频交流 信号而言，每个周波采样2 4 点，每两个采样点之问的相位差为1 5 0 。装置共设计 了1 6 路模拟量输入，包括i a 、i b 、i c 、i a l 、i b 、i c 、i o 、u a 、u s 、u c 、u o 、i s a 等1 2 路电气信号，以及另外4 路用于扩展的备用模拟量输入，可以用来采集电动 机定子温度信号等以满足用户的不同需求。其中，i a 、i b 、i c 为保护模拟量输入， i a 、i b 、i c 为专用测量c t 输入，零序电流i o 输入除可用于零序过流保护外，同 时也可作为小电流接地选线用输入，u a 、u b 、u c 输入在本装置中既作为低电压保 护用电压输入，同时也与i a 、i b 、i c 一起计算出电动机的有功功率、无功功率、 功率因数、零序电压u o 用作零序过压保护( 报警或跳闸) ，同时其它测量和保护量 如i f 序分量、负序分量等也基于这1 1 路采集量计算得到。各模拟量取白电动机供 电回路的电流及电压输入经互感器隔离变换后，由低通滤波器和信号调理电路处 理后进行a d 转换，得到若干序列的离散采样值由傅氏算法得到各采样分量的幅 值大小。另外，本装置还增加了路采集i s a 电流做频谱分析的模拟量输入，该路 荩。f id s p 的异步i 也动织：合保 j i ：搂筲f 内 f 才z 信号直接取自i s a 测最互感器副方，增加了工频陷波电路对工分量进行抑制。 2 4 电动机保护判据 2 4 1 启动时间过长保护 电动机的启动状态情况比较特殊，故准确而可靠地对电动机启动过程进行判 断，直接关系到电动机保护的性能。启动前电动机处于停运状态无发热处于冷态； 启动时有较大的启动电流，电动机处于温升过程；启动结束后，电动机正常运行， 其发热与散热处于动态平衡温度是一个较稳定的值。以前的一些保护装置灵敏度 和可靠性不高的原因主要是对于电动机的实时状态没有做到很好地检测。本装置 充分利用数字信号处理器d s