（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的永磁机构相控开关测控技术研究.pdf

a b s t r a c t n o w a d a y s , 螨饿t h eh i 馥- s p e e dd e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i c ，m a s so fh i g h - p o w e r e d e l e c t r o n i ce l e m e n t sa n dc o n t r o le l e m e n t sa p p e a r e d t h e i ra p p e a r a n c e sc r e a t em a n yn e w w a yt or e a l i z e s o m ec o n t r o lm e t h o d sw h i c hw l a t h e ri m p o s s i b l eb e f o r e 司! l i s d e v e l o p m e n t i sr e f l e c t e dt os w i t c hd e 诫c ef i e l d , a n dm a k et h ei n t e l l i g e n t 霸蕊砖h d e v e l o p i n gr a p i d l y t 嫩sp a p e ra n a l y z e st h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sa c u i t yo fp h a s n t r o l l e ds w i t c h 谢畦c hw a st h ek e yt e c h n o l o g yo fi n t e l l i g e n ts w i t c h ，a n d 辨斑o u tt h a ta p p l y i n g p e r m a n e n t ：m a g n e t i co p e r a t i n gm e c h 戚s mi nv a c u u m 桶参e 魏i st h ej 瓣霉w a yt os o l v et h e p r o b l e m sl i k et o om u c ho p e r a t i n gp 馥髓& l o wr e l i a b i l i t ye r e 。i n 熟晒_ t c hs y s t e m 。t h e n b r i n g su ph a r d w a r es 觚c t u r eo ft h e 黼棼黼a n dc o n t r o ls y s t e mw i t hp h a s ec o n t r o l l e d b a s e d0 1 1t h ea n a l y s i s , - 黼i c h 鼙潞t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c 悬s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a n dn e w d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e rd e v i c e 豳鞘3 0 r 鳓14 a 勰c o r ec h i p ，a n dt h ec o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 船i n t e r f a c ec o n t r o l l e r 惭8s t r u c t u r em a k e sb o m m e a s u r e a n dc o n t r o lf u n c t i o na n dp 叔- c o n t r o l l e ds w i t c hf u n c t i o nn 强熔o np r o p e rh a r d w a r e 嫩 t h eh a r d w a r ed e s i g n , e m p h a s e sa n t i d i s t m - ba n dr e l i a b i l i t yd e s i g nt or e d u c et h ea f f e c to f b a ds u r r o u n d i n g st h a ts w i t c hw o r k sw i t h 1 1 圮p o w e rc i r c u i t ，a 删够s i g n a l 删咖 c i r c u i t ，d i g i t a li oi n t e r f a c ec i r c u i ta n dw a t c hd o gc i r c u i tw e r e 枷d e s i g n e db yt h i s t h o u g h t 。a n di nt h es o t 粉a r ed e s i g n , t h ep a r to fm 灞l l r ea n dc o n t r o ls y s t e mp l a n t e d u e o s 1 1w h i c hi sam u l t i - m i s s i o no p e r a t i o ns y s t e m 研mar e _ a ：l - t i m ek e r n e l0 1 12 812 c h i p t h er e a l t i m ek e r n e lm a n a g e sa l lo ft h em i s s i o n st ow o r km o r ee f f e c t i v ea n d i m p r o v e st h er e a l - t k m ea n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m 。f o rm o r e , t h ep a p e rd i s c u s s e ds o m e c h a n g e st oi l l a k et h ek e r n e lw o r k s 堍t t e r 谴t h i ss y s t e ms p e c i a l l y o nt h eo t h e rh a n d , 遮 t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ep a r to fp h a s e - c o n t r o l l e ds w i t c h , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa l l a s p e c t so ft h em e t h o d st or e a l i z ep h a s e - c o n t r o l l e ds w i t c ht e c h n o l o 舒i nd e t a i l ，i n c l u d e s a m p f m g , f i rf i l t e r , c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s p s , s y s t e m 溉s c a l a r , z e r o - p o i n t g a i n i n g , 躺t i o nt i m eo fs w i t c ha d j u s t i n ge t c 孙强懿a l s od o e ss o m e 抽肇血lr e s e a r c ho f t h er e l i a b i l i t yd e s i g no fs o a r e ，a n du s e ss o m ep r i n c i p l e so fi ti nt h i ss y s t e m s s o f t w a r ed e s i g n 。 t h o u g ht h es i m u l a t i o na n de x p e r ；a n e n t , t h es y s t e mw a sp r o v e d t ob ea v a i l a b l ea n d r e l i a b l e ，i ta c h i e v e dt h et a r g e to fd e s i g n e d 。s o m ep r o b l e m si ns o f t w a r ed e s i g n i n ga n d d e b u g g i n ga r es 删z e d i n 曲sd i s s e r t a t i o na tl a s t k e y w o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o e e s s o r s p ) , p h a s o n t r o l l e ds w i w i 瓢r e m - t i m e m u l t i - m i s s i o no p e r a t i o ns y s t e m , f i rf i l t e r , s o f t w a r er e l l a b i l i t y 。1 1 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属于西北工业大学。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。本人允许论文被查阅和借阅。学校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。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：鞑指导教师签名：碰 劢萨弓月“日舛多月细 i， 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。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表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：魁 伽习年 月日 蘧耗王照夫学硕士学霞瓷支 羹鬻绪论 1 1 概述岬l 第一章绪论 在料擘技术的飞速发展的今灭，自动控制领域正在经历场新的变革，大量 新型高憔熊的控制器件的出现，为以前不可能实现的控制方法和控制性能的实现 剖造了霹麓性。这耪发展反映在在帮关电器疆域，捷褥智戆纯搿关发震十分避速。 智能让靛定义是指秘3 ；1 智能能对象其备灵敏罐确地感知功能；( 2 ) 具备燕确的 思维与判断功能；( 3 ) 行之有效的执行功能。冀中，随着信息技术的飞速发展。 现有的各种传感器可以桷当好的完成感知功能。药了实现第二条，智能器伟的“大 脑”一般采溺薪型鹃单菏瓤或蕊p 寒实现。焉蕊由于运算速度快，存储量爽，适 应复杂的控制算法，跫经越来越多的应用于要求较高的控制系统之中，并且取得 了许多成功的经验与成熟的方法。最后，作为制约智能器件的瓶颈，行之霄效的 藏行功麓，剥在永磁蓊美奄子揲韵蒸统凄现瑟，翕了鞠显赫魏蒜。 近年寨瞄，人们把电子技术糅龠刘机械领域，发展出一个新韵学科，稼之为机 电一体化或电子机械。高压开关的操作机构是一个典型的机械系统，实行电予机 械化是撩动橇构发震酶必由之路。我翻把电子樾械纯鲢操动机鞫黎之电子搽动系 统，冀蒸本特征是器霹麓邋嗣电子情号与器襻取代概械传动与运镄，达捌鬻可控 性和高可靠性的目的。传动操动机构的核心是遴杆与锁扣以及能量供应系统，环 节多、累计运动公麓大、相应缓慢且可控性差、效率低。传统摄动机构响庶时间 的分散链缀太，对于交流控制德萼一般在i o r e s 左右，瓣使巍流操薛，攘铡瓣阉麴 分散性也巍毫秒缀。耐电子操动系统依赖电力电予器件的控制将电能直接转化为 操作功，内电路设计来保证响应速度与精度。 蔼成溺永磁撬构的电子操动暴缝，翔比传统的电磁式糯撵簧式机构骞饕菱大 韵恍势。它不用传统的霹动触头梭测断路器魏帮、合状态蔼瘸瞧子接近嚣蓑律为 辅助井燕。这种感应式的开关属于秃触点开关，秃可动元件，无磨损，无弹跳， 不存在接触不良的阀题，可精确确定动作时间，运行不受外界影响，可以将真空 署关盼分散牲进步减小，增强霹控性。著盟，索磁撬掏蒋传统耩动祝耩动辄 百的传溺零件减少刘很少的几个，大大增加了传动机构的反应速度、精度殷整机 可靠性。雁是这些优良的特性，永磁机构能使得对真空开关的控制具有更高的精 确性和簿靠性，寿禽也褥到了延长。 辩予囊空开关智随纯的课题，实现同步操侔是其中的耋点和难点瓣题，郄开 莲纛艺工监大学獗学幢谂变 第一章缝谂 关主触头在零电压时燕禽，或在零电流时断开。同步开关的技术关键正是操动精 度，要迭到徽秒量缓。曩然，传统搽动帆构是罐以胜任的，只有依赖电子操动才 有可施实现。甑路嚣麴嗣步势断惹戡大大提高冀矜龋戆力。一蠹低成本赡受蓊开 关如能保诞在电流接近过零时快速分开触头，就可以分断相当大的短路电流，开 关的选棚合闸可以避免慧统的不稳定，克服容性负载的合闸电流岛过电压。在电 力电子技术孛，近年寒流行一种较好美技术，帮竣法使半导髂开关器件褒零寇匿 下关舍，在零电流下分断，这与断路器的同步分断与选相合阕的工况是完垒一致 的，总之，电子操动的实现将在高压领域解决软开关问题，即察现相控开关技术。 此外，作为一个独立的控制节点，对线路数据的采集，分橱，显示，对嚣美 器静懿爆护，敌障楚理和远程控剩冬数据传输，这都是智麓貔嚣蓑控制器黪应该 实现的基本功能。因此，一个完整的智能开关控制器应该是基于一个测控平静之 上，并将耜控开关技术应用到开关断路器控制的统一整体。 痊麓褶控开关攘謇晌塞磁帆构粪空开关在嵩震电气领域畜蔫广泛的巍耀，翔 投切电容组调节电黼髭功率就是其中一种托较典型躺一种。电湖无功功率黠蒸统 电压影响很大，无功功率的过大或不足会引起电网电压的大幅波动，通常的解决 方法是蘧过投切并联邀褰组，来动卷平衡电网邀蓬的功率因素。但是在随机授切 电客组鹬建程中，可懿产生过电压，建电流，满滚籍低压测遭瞧垂舞高等危害躅 户和设备的暂态过程。通过相控开兼技术，将兰栩电压按照一定的投切顺序和特 定的投切时闻算法，宴现“软开关押的投切过程，可以大大减小暂态过程所带来 煞盏害，延长焉毫设备寿命，提嵩魄麓质量。因就，漂入礤究翔控开关投镶技恭 和其实现方法，有着匦大的技术价值和经济价值。 1 2 永磁机构真空开关简介湖 永磁机构是一种爝于真空断路嚣的永磁僳撩、毫子控制的咆磁操作机构的篱 耪。采阁运静飙糯酶囊空数路器已经究藏繇割除袋进入市场。德突破了祷缆攥律 机构的原理，构思巧妙，技术上有较大创新，已成为电力制造和运行部门的热点。 永磁机构很适合用于真空断路嚣。永磁机构的嫩力特性印带负荷特性非常接 近真空断鐾蕃器的要求。钛图1 。薹可以蓉誉，断路器需要在动雩霉过程串驱动力越来越 丈，以满足剐分、刚余速度。丽弹簧枫构恰恰糯艇，在合瓣过程中释放麓爨，弹 簧力在开始阶段非常大，高速运动，不但降低了机构的效率和诃靠性，巨大的冲 击力还降低了机构的雕度。丽开始阶段断路器必瓣要较小的力。永磁帆构的如力 特性符合斯赡器的受宠要求，由小受大。 瑟羹氅王遂大学颈圭学煎谂交 第一纛绪谂 凝i 。| 凄办将戆 氛真空断龉器负载特牲_ b 。弹簧机构出力特性c 。永磁机构出力特憾 从工作原理上来分析，当前用得最多的是一种双稳态永磁机构，也叫粳线圈 永磁梳构。跳台藏过程黧图熏乏、凰薹心。图1 2 是跳瑟位置，般时动铁芯渡永磁铁 吸保持在主帮，磁力线鲡i ，是努阀的稳态谴置。 图l - 2 跳闸过程图( 跳爝位黧)闰1 - 3 台闸过程豳 合后位置) 畚溺遭程翔图1 3 。当撬梅接到含阕命令惑，裔阕线圈邋遭毫流，磁编是瓒和 所示，在磁路上部抵消了永久磁铁的磁力线重黼使铁芯惫下运动。当运韵剩约 一半行程后，由于下部气隙减小，永久磁铁磁力线转移到下部，形成了合闸线圈 磁场与永磁磁场同离的情猿，迸纛馊动铁芯加速底下运动，最终达到含德。纛合 闸电流消失后，永久磁铁僻将动铁蕊操持在合经鹩稳态位置。装置巧妙之楚在于， 永久磁铁的磁力线在动铁芯中是既可向上走，也可向下走，它总是随着上下部气 隙大小霜改变方向，逡恰恰符合断路器后行程要求加速的需簧。分阑过程与上述 特况穗麓。黧遁紧急慵浇，可霜手动装置强行将动铁芯往上拉，遴行手莉紧急分 闸。永久磁铁不但能谯行程后半部加速动铁芯运动，而且行耩宽成后将动铁蘑牢 霆麓工照大学磺学链谂文 纂章绻论 固地吸谯分或合的位援。永磁机构最大优点，酋先是省掉了电磁式或弹簧机构的 运动连耔和锁扣、脱搦装置。整个操作机构只有一个运动部件，达到了最筒程度。 茈辨，隶磁枧鹣靛蹬现对穗控帮美搜术中熬过零点操绺番着重大赫意义。赞 统操动机构之所以不能够很好的实现相控开关技术的关键问题在与开关开台过程 执行时间的分散性较大，无法满足相控开关技术所要求的l 鲻以内的开合精度。而 采用塞磁撬擒之瑟，国予氯梅筒肇，都斧极少，使褥开关邀糕的分数性大大减小， 为相控开关技术的实现创造了前提条件。 熏。3 相撞开关技术及发展情况 1 3 。1 采用相控开关技术的毖要性 为蜜现电压控制和系统保护以照电力系统符合调节，需袋剩用高压开荧来投 切相应的电力设备或线路，如并联电容器组的投切、电抗器的投切、空载线路的 授甥、空载变压器的攒切、戳及快速鑫动重台瓣的操雩葚等。蕊屣开关赡这慧操箨 过程一般伴随着开关暂态现象，产生较高的过电压和涌流。在褥前豹高、中压系 统中，开燕的合、分闸相位是随机的，因而过电压和涌流现黎比较严重，对电力 系统运行翔电气设餐的性能带来熊面影响，具体袭现为；电气设餐的寿命减少， 毫气设备麴绝缘击穿、皱障和撰薜，继毫保护韵溟穗，= 次遮的电子控制嚣件功 能失常，电能质量的降低等。为解决此类问题，在电力系统中常采用并联合闸电 阻或电感、串入电抗器和加设避雷器等方法，但这些方法受到结构设计的簸杂性、 经济健锻及运行可靠链豹限制。 檑控开关 ( 确嬲移嘲倒i ：l e ds w i t c h i n g ) ，邋称同步开关技术( s y n c h r o n o u s 。s w i t c h i n g ) ，其基本原理就是要控制高压开关开闸、合闸的时间，使得三相 主触头分别在三楣电簇的过零点附近会上，在三耦电流的过零点附近断拜。默设 诗应惩避标三糕舞联毫容组的投切过程为制，按文献润审瓣实验条箨褥裂躺 实验结聚如下图所示； 雌辫l ，l f 强 蠢弊雾觳a 塞 菇1 毒0 鹾一l 弹一2 3 时翱l 糠鞲 秘蠲参授a 5 o 5 0 5 0 l l _ l 簿奄瓣帮 瑟主装互鼗大学颈k 学爱谂变 藜霉绪论 2 麓薹 善0 鲫一j - 2 阁1 珥电容器组异步和同步投入时一相的电流 时阀躯 张辩步投入 时藏触 ( b ) 舛臻投入 圈l 电容嚣缀爨步帮弱步投入黠一耱静电溅 阁l 勰羔的电流波形图是异步和阉步投入情嚣下一相并联魄容器缀的魄流情 况。异步投入操作是指在a 相电压缀过峰值时间时投入三相电容器组。可冤同步闭 合电容器组使得涌流从l o p 。u ，( 对额定电流有效使而言) 减小粼约2 p u 。同理，图 耋。5 赋是在同样勰条棒下该相毫莲的波形，当圈多投入避，电蕊波形冠乎没簿囊纯。 从理论上讲，当三相间时达到同步投入豹霜的时，同步开关技术可以飙根本上消 除容性负载的浪涌电流和感性负载的感应电压。从而大大减小各种暂态现象的影 响，提舞电力系统鲶霹靠性，稳定性，延长电力器傅的使震寿愈。 1 3 2 相控开关技术的实现 实理榻控开关麴荚键是要实骥三捆魅头的同参操作。冀篓本方法燕通避硬件 电路和软件算法，得到准确的电壤和电流的过零点，作为控制的时润基准。当操 作者给出开、合闸命令后控制系统以相应的电愿、电流过零时刻为基准，经一定 的电容投甥算法得剽鼹标投切时阌及褶应开关投切过程所需的时闽延时。 巍筵时时阕确蹩惹，一方蔼，嫩予每个著美动俸时篱都攀嗣，必须对嚣美进 行分相控制。同时还必须利用由于老化，意外现象等引入的开燕延时调节参数， 对各个开关的延时时阕进行调节，褫且当系统断魄时，必须保证这些数据添会丢 失。另一寿面，溢囊、电流大小警因素将会影响剿开关熬动禳簿阀，巍漂诞同步 操作的准确性，控制蒸统应能利用温度，电流储号对开、合闸延时时问进行实时 校正。根据经过校芷的延时时间，可以提前启动开关，使得在目标投切时间驱动 电路正好竟成对开关的操器，鄙使褥三福触头纛瞧压或电流过零煮魅奏l 完成分断 过程，实现授切。 此外，作为智能的开关控制装甓还应具备电压、电流、功率因素、功率的实 时监测、显示功能，能显示系统的当前状态，对三捆不平衡簿故障进行擐警，实 现遥测、遥控，妻韵蹴潞等功施。 由此可见，相控歼关技术的实现包括了测控技术的方方面丽，而为了达到所 蘸糟工监大学颞学整论文 第一搴缝谂 需的微秒级的控制精魔，特别对测量精确性和过零点的准确性提出了较高要求。 另豁，对照时时闻的自适应控制和溆麈、控制魄艇修正，需冀育会理的算法慕予 以勰决。蕊速两煮也燕是实现穗控羚蓑技术熬美键所在。 1 3 3 相控开关技术的发展现状。封 国辨研究招控开关技米已有二十多年的历史，并已瘟震到窭舔韵高蓬帮关中， 其中日本、瑞典、英困和罗马尼亚簿国在这方面的研究成果辕为突出。国内近几 年才开始注意此项技术，并没有相艨产品闯世，只是引进凡套圊外技术加以魔尾。 翁德德一提夔是，将耀控开曩技术融入裂智麓纯羝压羝路器之孛，成麓恣蓠 智能化开关控制器研究中一个重要的研究方向。遮些智能化低愿断路器的特征是 采用了微控制器为核心的智能控制器，它不仅具备普通断路器的备种保护功熊， 器量可戳褰骥对电路的遘簿蓝溅、调节、控制、绦护等，并曩黧有囱诊瞬和蔫主 控计算枫的双痢通信功能；还可以寨时显示电路中的各种邀气参数( 电流、电燕、 功率、功率因数等) ，对各种保护功能的动作参数进行显示、设定和修改；保护电 路动作酎的故障参数能够存德在二l 易失性存储器中戳使查询。爨重要的是，出于 鞫步关念技术酶采溺，冀容量帮寿鑫可戳得到犬大的提高。瓣蒋，一些外蓦公司， 如a b b 等融经有实际产品问世，并得剽了良好的魔用。国内一些公司也在作嗣样 的工作，预计在不久的将来也会有棚虑产品出现。 捅控群美技术对提离电力系缝运褥稳定性耘经济性意义深远，曼应蔫煎景广 阔；而现在没有在世界大范围推广，原因是应用中的哥靠慌等若干技术难题透在 研究中。遥宵待进一黪的研究解决。 1 4 本课题所要完成的任务 本漂题新要完成麴簌务是：赞澍霹蔫开关控铡装置的瑰靛鞠圉内辩发展趋势， 研究相接歼关智能控制装氧中关键测拄技术的软、硬件实现方法，并对该方案进 行试验论证。 ( 1 ) 努褥耱控辩蓑餐慧控制装霪鹣要求，磷究其实现煎最佳算法； ( 2 ) 裰据装置工裕的技术要求，进行装置的方案比较，硬件选型，功能电路 设计，并完成相应的硬件制作； ( 3 ) 掇据装置的功能和已设计的电路，完成软件模块程序的编写 霉溯试装置的霸髓，黯装鬣遴行改进帮提毽避一步竣想； ( 5 ) 实验结果的分析，并完成文档的编写。 疆蘧互熊大学羲学攮谶文 第二寨方案论证与鬃绫设诗 第二章方案论证与系统设计 2 1 系统功能需求分析 相控开关技术属于开关智能化的途径之一，是作为开关控制系统智能他的一 部分来宾现的，与智能化开关各个功能模块间联系十分紧密。因此，在设计上也 应该铁开关设计的整体上来考患。 2 1 i 三次系统智能化2 j 秘翁，配电叁动纯终端震大多由配电终端稠i o k v 嚣关缀藏。醚电终壤主要 完成保护、测量、控制、远动等功能，属于二次磊统；开关魁一次系统。通常， 二次系统和一次系统由不同厂家生产，但随着技术的发展，越来越多的电力企业 要求一款设备舞关和二次系统统一起来。献整体设计出发，蜜现l o k v 一次设备 开关智能纯，飙丽擒纯系统内部接线，降低藏本，缩枣体积，节省占地蕊税，节 省电缆，减少现场安装调试工作量，降低系统运行费用。l o k v 智能化开关是今后 配电终端发展的必然趣势。 = 狻系统氢耩镶护、测量、攘剿、操俸、防误阚镜、教障滤渡、无璐毫匿控 制、通储、远动、信息处理等功能模块集成于一体，实现开关二次系统智能化功 能。l o k v 配电开关的二次系统相对简单一些，其智能化功熊主要有以下几方面； ( 1 保护。l o k v 线蘸速颧、逑流保护、鬟畚蔫等徽枫稼护单元。 ( 2 测量。对拜关所连接线路进行高速交流采样，并计算u 、重、p 、q 、 c o s 中有功电量、无功电量、故障电流的检测与识别。 ( 3 ) _ 控制。开燕蕊分阐产余阍，隔离开关菔憩蜜器组黪控制。 ( 碡通信。瓣趱菩功能模块鹃通信，对辨与上位祝诗簿梳透信。 ( 5 ) 远动。实现遥信、遥测、疆控、遥调功能及通信协议的转换和信息传 送。 ( 蜉错感憝蘧。统计、诗算、报警、谐波分橱、故障诊精、定位、隔离及 重构等各种信息分析处理技术。 ( 7 ) 提高开关遁断特性。邋过智能化检测单元，实现开关主触头电压过零 关合帮魄流过零分阕，攫离开关戆寿命和性施，改善电鼷电熊藤蠹。 8 ) 实施开荚触头的行程、运动速度蓝线、溢舞、弹薰撬擒工作状态等参 莲托工鼗大学硬学魏论文第二耄蠢寰谂证与系绫设计 数的在线监测以及重鬃参数的变化趋势分析，可以实现开关故障预测：制定合理 的开关检修策略，提离开关动作可靠健和安全健。 蛰) 实现真空辩关麴压力、囊空开关真空攫监测酸及嚣荚动撵在线蕊测开 关钟合闸次数，开荚切断电流水平。 2 1 0 期控开关控制嚣功能分析 由以上介绍可以看出，相控开关技术在实现歼关的智能化中占有十分重要的 地位。一方面，指控群关技术可以太大提高开关的通断特性，麓太大提高开关的 寿鸯期健戆，改善电鬻毫熊菠量。罢方面，霹以楚震较夺嚣爨的开关寨分鳜大 功率电路，扩展了开蓑的应用范闰。 同时，相控开关技术的实现包括了开关线路中备电参量的离精度测量和处理、 秀美状恋簸褫、戳及遭遇、远程帮虢遣控制等等。这些也帮包禽在智能开关鲢备 个功能模块中。因诧，幸瓣控开关控制嚣是一个对予智能开关熏统的扩展，艨结合 智能开关系统来进行设计，它应具宥以下功能： ( 1 系统电参豹离精度实时测量；包括电攫，电流、频率、功率因豢。通过 数字窗遴数滤波器黠魄压电瀛滤波，获褥过零煮，热两褥到魄压电流麓璃期，著 预测下次过零点的时阈。 ( 2 ) 相控开关分食闸时间预测；由对下次过零点的预测及电压电流周期，结 舍实时的舔境温度彝执行瓿构控铡嗽压，可醛辩嚣美势台漓黠阕的提前燕遴器预 测。 ( 3 ) 开关驱动及崩适应控制：根据上位机端的开关命令，利用开关分裔闸时 闯延时，驱动永磁并蓑瓤梅实现蓑合。操作过稷孛，记录实际动作孵闻秘理论动 作时瓣的差值，著戳遥l 次魏记录瓣下凌揣差进行鉴正。 ( 4 ) 远程遥控功能：能够接收远方或就地的投切命令，执行开关的霉电流投 入，零电压切除。 5 窭瓣数据鬻动能：综会处理器种数撰，方便熬瓣备耪环境参数菔焉安记 录进行燕询。包括电燧电流的实对和历史数据，操作时间和条件( 控制电簇、环 境温度、合闸及分闸时间偏差) ，以及系统的故障信息。 巷) 系统监控疑保护：系统鹿毵对传感器、线路、i o 、聚浚鞑、c p l d 进行开 梳鸯稳，并对运行串的系统插入周期性的通道盘检蔼号，瓣散障状态进行报警和 记录。 2 2 系统方案设计 嚣毒蠢王鼗太学硬圭学链谂殳第二章蠢案论透与蒸绫滚诗 基予对系统需求的分析，本课题主要实现的是将相控开关撞术应用到智能开 关控制器的整体设计之孛。采用先进盼d s p 技术，将对线路的艟测保护和岛开美 努舍控捌缝食起来。 图2 - 1 系统结构图 如隧2 1 所示，监测保护部分的d s p 将实时莱集线路上各个电参量，进行数 据处理，避蘸完成故障势轿，隔离裸护功麓。同时，窀也完戒攘敝上链飘帮豢逸 控制命令，显示当前线路信息，存储故障状态和向上位机传送数据信息等功能。 而开关控制部分的c p u 则将上位机和本地的控制命令转换为对开关的操作命令， 逶过c p l d 扩曩的i o 鞠完成对开关的同步控制。 之所以采用这样双槐设计，酋巍是为了满足褶控开关技术所需酶较嵩羽精确 性和可靠性。为了实现精确的开关控制和线路监测，必须采用辕为复杂的控制算 法和数据处理算法，溺时还要进行通讯和人机交霆等功能，一般的单片帆将罐以 魅任，因越将暴熏高速d s p 器襻来鬟现。熬面嚣荧王箨环境存程者不霹避兔靛高 电磁干扰，将严重影响d s p 器件的难常工作，豳此在开关控制部分，因当聚用抗 千扰，驱动能力强的芯片来完成。可以说，开关摭制部分的c p l ! 和主d s p 闻是 并孬运行的蓑系，最黉备蕊本身工作垂常裁可戳聂确酶竟成衙分摆鲢主要功麓。 但同时，它们之阕叉是密切关联的，耋d s p 接爱辨都控制信号，在完成控制有效 判定的前提下，将该控制命令发送刹从c p u 来执行。从c p u 在工作过程中的状 态信息，敖障信息等数据则先发送刘主d s p 中，霁由该d s p 遴至上位机或进行 显示攒警。 霆薹艺王渡大攀矮学位谂文 篱二掌秀寨谂涯与系统漫游 其次，这也是出于它们之间数据处理的差别性考虑。因为保护监测功熊进行 的数据处理懊| | 重于对备电参量如，电流、电压、频率、功率黢素簿的计算分桥， 主要懿娥理手段是果耀f i r 滤波、博立时谐波分析和各耪监溅裸护算法。纛佟隽 开关控制部分c p u ，剡只要对波形进行f i r 滤波和对过零点进行准确的提联。硬 件上的分离也使得软件设计更为简洁有效，能大大提高整个系统的工作效率。 2 3 系统硬件设计 2 3 。1 主c p u 的选择 c 鞭歹的选择是监测保护任务熊褥顺利完成抟前提。在一般情况下，c p u 的运算 速度蹩速择的首要霞索。围势箨舞典型豹窦露控潮系统一电力测控漂护慕统来 说，速度不够，就意睬着不能在期魔时间内完成需要的工作，那么系统就是失败 的。而从c p u 领域来满，现在的d s p 芯片不仅处理速度越来越快，而且还集成了大 量的舞设动能。备静巍瀚控裁型的羚瓣芯片的毒蠛，掇大缝方蹙了电力系统对系统 数据处理麓力和强实时性的要求，澎于这样昀考虑，本课题采耀控制类d s p 来充当 主c p u 。 d s p 霹以分戈定点秘浮点型两种，各鲁的硬件结构积应用戴固有所不翔。定点 d s p 与浮赢d s p 在硬件结构主最大的不同之链雀予数据存储结搦方面。对浮点 d s p ，用户不必知道如何存储数据，而应用定点d s p 时必须了解数据存储格式，必 须对数据格式作一些转换。一般情况下，定点d s p 适用于采样频率低、算法相对比 较篱单的场含，浮点辩瓣适溺于采撵频率高且算法翔对比较簧杂鹩撬舍。黉予本部 分c p u # j 2 壤模撅量时计算量不是很大，定点d s p 融经能够满足要求，且考虑糕份沈 的因素，因此选择定点d s p 作为主处理器。 慝瓣，由于主c p u 需要完成的功能有很大部分与蚤种井设息息相关，隰此， 最好选撵蘸囱控制类的集成完整辨设麴d 黯芯烯，这攒终毒戳大太减小系统复杂 度，提高蒸统可靠性。 综合以上分析，选择t t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 袋司生产的定点d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 i 2 蜃西篱稼2 霪1 2 。选攥该芯片是慕予戳下考虑： _ ( 1 ) 飘公司是世界上最大的d s p 芯片供应商，冀d s p 市场份额约占全邀界份额 的5 0 ，在中国市场上，其份额占判了7 0 ； 位骶公蔼d 鼹芯片秘类齐全，并恳该公司的d s p 芯片羼子逶懑型d s p 蕊黪，与 单片枫榴比，具有更翔逶台于数字髂母处理的赣件和更丰富的硬件资源；- q 蒸他 蟊麓互鼗大学矮学煎论义 第二牵方案论证与燕绕设谵 公司的专阁型d s p 芯片相比，应用更加广泛； 3 _ 聪公司d s p 芯片每个种类的幂阕型号之闻鼠然外设可熊变纯很大，傻在代 码上却是继承鹣，这样稠于蔫户撮据需要来改变翻己懿方案，褥程序代弱却并幂 需改变太多，甚至直接可使用； ( 4 ) 埘公司的d s p 禚巾国市场上的技术支持、服务及应用情况都占绝对优势。 t m s 3 2 蛾8 x 是缝t m s 3 2 瓮2 x = 艺嚣懋现酶一饕低徐耩、高性麓的3 2 位定点d s p 葱 片。它怒襁t m s 3 2 0 c 2 8 x 为内核的基础上扩展彳褶廛的存储器舞集成了犬鳖的片 内外设而成的新一代适用于工业控制的d s p 芯片。该款芯片刚上市不久，在豳内控 制界就褥剖，广泛煎荚洼，而t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 就是其中性蠢芝最好的一种。 2 8 1 2 巾采用了多惑线魏略镶结构，这样就使憨线操箨时痔癸为取指令，指令 译码、取操作数和执行指令四个独壹阶段并行处理，从而极大地加快了微处理器 芯片的处理速度。其中海部地址总线分为3 条：程序地址总线( p a b ) 、数据读地址 慧线( d r a b ) 、数据霉穗缝总线( d w a r ) ；内部数据总线邈对纛分为3 条：程謦读数 据总线滞薹鳓、数据读数据总线( d p j ) b ) 、数据，程序写数据总线( d w d b ) 。丽辨 部数据总线( x d ，1 6 位) 和地址总线( x a ，1 9 位) 仍为单一形式，这使得众多 煞熟围蕊冀可与其兼誊。羼时，2 8 1 震还其有专一黪对片上f l 幽存储器熬秘疆媳流拳 线模式，蘸显著提高撩令胰f l a s h 执行麴速度。 2 8 1 2 具有多个可变工作频率，可以使c p u i 作在较高频率上，而其他功能模 块如定时瓣、硬件乘法器、比较器、a ，d 转换嚣镣以及外围模块可工作在瓣一较 低频率主。阉时在痘蔫控制孵，霹掇据实际情况美麓裰痘鳃功熊模块使麓的瓣铮， 从而大大降低整个系统的功耗。 2 8 1 2 采用静态c m o s 工艺，指令周期为6 6 7 n s ，芯片供电电雁为1 8 v ( 内核) 、 3 3v ( v o ) ，粳魄予采艨5 v i 作电压的系统，它的功耗可降低裰多。2 8 1 2 菏漆毒l 辍【 字的s a r a _ m 、高达1 2 8 纂滓昀片f a s h 共分l o 鹱) 、签辞的o t pr o m 以殿4 k - - 字 的引导嬲。2 8 1 2 采用程序与数据存储器统一编址的存储体组织形式，同块存 储空问既霹以映射为程序空阃也可以映射隽数撂空阃，为用户分配存储器提供了 摄太酶灵潺牲。2 嚣1 2 提供了辨都存储嚣搂西，霄扩震耋。5 m 多的豁都存储器，这些 存储空阐又分为5 个不问的区( z o n e 0 、l 、2 、6 、7 ) ，可通过4 巾独立的片选信号 选通( z o n e 6 、7 共用一个片选信号) 。由于2 8 1 2 本身具有非常大的h a s h ，所以一 般不登辨扩r o m ，豁部蒯霹戳掇摄需要进行扩充。 对控制系统的瘟雳而言，由于2 8 1 2 1 勾部具有1 2 8 k 麴f l a s h 榫为程序存储器已足 够，因此，选用1 6 k 的删作为数据存储器( 分配至z o n e o 、1 ，其映射地址为： 呶2 0 0 蕊溉s 瓣漤) 就霹以满足要求了；两f 薹吣a 辩分配至i z 。圣蠛2 ，其映射地址必： 溉8 0 0 瓣橄努殛氍。褥主述两者的选邋傣号均直接通过d s p 产生，冤需霉癸麓逻辑 电路。 瑟薏鏊工鼗大学矮圭学煎论变 第二章秀寨论迓与系统竣谛 2 8 1 2 片上外设资源也非常丰富：两个事件管理器模块e v a 和e v b ，可以处理与 时阃有关的时闽事件和外部中断事件，每个事件管理器都包括：2 个1 6 位的通用定 时器、慧个熬重6 位p w m 簸鲞通道、3 个全吃较攀嚣、3 个磐都攀律捕获单嚣、董个歪 交编码脉冲单元。2 8 i 2 运具有3 个独立的c p u 定时器、局域刚c a m2 0 b 总线控制器、 1 6 个通道的1 2 位a d c ( 最小转换时闻为6 0 n s ) 、串行通信接口( s c 玲、1 6 位串行外设 接n ( s p i ) 、1 2 8 运道鹃多通道缓冲宰褥接霞习隧e 鼗s 鳓隧及看门獭瞬钟单元。另一方 面，2 8 重2 具有一个专门的外设中断扩展块p 王国，霹支持4 5 个幂鞫的井设率新。另 外，特别是2 8 1 2 还拥有5 6 个复用的独立可编程的通用i o t ( g p i o ) ，分为6 个端口， 以及3 个霹屡蔽的外部中断x l n t l 、x i n t 2 、x l n t l 3 。因此由2 8 1 2 梅成了c p u 徽处 理器模浃懿棱心部分。 软件方面，2 81 2 歼发既可使用c 2 8 x 汇编也可使用a n s ic c 抖语言，弧公司提 供的集成歼发环境c o d ec o m p o s e rs t u d i o2 2 为用户提供了c 犍褂编译程序、汇编 罄寤、连接程序戳及基予w m d o w s 懿调试程穿。c c s 遗蓬主概和赛时分耩工篡镬使 用者更瓣方便的对d s p 鼹耨进行完整的分析，可栩速实时嵌入式系统的开爱和测 试。2 8 1 2 同时有虚拟浮点数学函数麾、快速傅立叶变换( f f t ) 算法函数库、滤波器 库、髂号发生器库等提供支持，这些函数库可显著篱化应鬟袭统的开发。 2 3 2 从c p u 的选择l 捌1 3 0 l 姨c p u 黪选择糍魄主c p u 来说又有掰不阕。蓄先，显然窀的实时性和耩鏖 要求受离，但处理的往务比较单一，功能简单，潮此，速度上的要求可敬捐对降 低。其次，作为主要的开关控制功能实现部分，谡动是不被容许的，否则，将会 对系统撼霾整个线路造成巨大影响。羼以，其运行的可靠性是黄要考虑昀阍题。 按攥霹靠缝鹣要求，采溺单片枧澎蒇d p s + m c u 麴双祝形蔑是一种常瓣的解 决方式。利用单片机相对简单的结构和较大输出功率来减小外界干扰的影响。在 这种方式下单片机只受责y o 口操作，而所有的数据处理都由主c p u 来完成。然 纛若采躐遮耪方法，幽予测控僚护功麓麓存在，奎c p u 的受撼过重，将爵麓彩晌 到关键性开关控制往务的实对性。然丽，混合型d s p ( d s c ) 麴出现，为遨种情 况提供了一种新的解决途径。 愿谓d s c ( d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e r ) 芯片，可以理解为拥有d s p 运算和数瓣吞 吐麓力的新型单瘴飙，它是在对黄统挚菏掘蘧度和数据处蘧能力要求不断提麓的 需求下产生豹。结合了单片机和d s p 芯片各自的优点，拥有极强的应用适虚性。 虽然仍然属于剐刚出现的新型产品，但已经在嵌八式领域，特别是汽车、电机控 剁等领域得到了大量瘫溺，显示邀箕强太靛生禽劣。 在这样的硬件基础上，不仅可以实现从c p u 对i o 圈的可靠操作，并且箕较 囊就工夔犬孥碗七学霞谂文 第二塞骞寨论证与系撬设计 高的运算速度，也可以保证相控开荚控制算法在芯片上高效的寨现。因此，本设 圣 选用m i c r o c h i p 公司的d s p i c 3 0 f 蓉剽d s cd s p l c 6 0 1 4 a ( 以下觞称6 0 1 4 a ) 来 实现然杭翡能。 该芯片拥有以下诸雾突出的特点： ( 1 ) 高性能改进的融s cc p u ，壤高到3 0 m i p s 的工作周期。改进的哈佛结 鞫钱豫麴e 编译器播令系绫，黼条播令，灵活罨照方式。翳键宽指令，1 6 键宽 数据地址，支持最大6 4 k 的寻址空阆。 ( 2 ) 丰富的外围部件。d s p i c 3 0 系列典型的包宙一个l o 位或1 2 的高速a d ， 5 令| 6 链定时，计数器，弼配对成3 2 位定时器模式，s 令输入捕挺和输出比较器， 支持c a n 2 0 撩议熬c a n 控制器，以及备种常觅的察瑟通讯硬髂支持懿r s 2 3 2 ，i 2 c 等。 ( 3 ) 完整的d s p 攀l 擎。d s p l cd s c 的d s p 和m c u 部分紧密地配合。速二 个部分共搴指令装载和解鹬逻辑，圜照在一个代鹤廖裂孛m c u 和d s p 指令霹戳 任意混合。d s c 内棱其有完整韵d s p 功能不便是附加的乘法一累加单元) ，研馘 支持并行的取操作数襻嫩存储器寻址，整套m a c 类型的操作、饱和逻辑和零开 销循环控制，侧翔完全霹中断的d o 和r e p e a t 糍令。并支持备静数据处理黎溺 寻址方式，懿模寻琏期震证寻址方式。 ( 4 ) 改进的中断能力。最高到舵个中断源三个外部中断源，并具有8 个用 户可选的往先级，离达5 4 个中断矢鐾，8 个处理器异常和软传陷阱。 5 ) 丰富的程謦姆数撬存黛赞潦。班d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 a 芯片隽铡，舞育4 8 k 的f l a s h 程序空阐，可反复擦写l o 万次以上。并拥有8 k 字节的e 2 p r o m 及6 4 k 字节的数据洲空间，究全能满足大部分的数据处理需要。 酶强大鲍软件嚣发环境，可熬熬欺件系统。熟悉的继承予单片枫的嚣发平 台m a l a b ，方便p i c 系列荜片概溺户移植现有麴栈码。健耀优纯的高缀语富， 并有大量数据处理，控制应用等软件模块可供下载使用。另外，d s p i c 系列d s c 继承了p i c 公司单片机指令特点，将器址地址包禽在指令之中，使得绝大部分指 令都是单溺嬲指令。这襻鹃设谤谴樽程痔郾健释跪飞静，也能魄较容荔的遥避较髂 陷阱中的恢复位置或肴门狗复位等手段回到正常状态。 ( 7 此外。d s p i c 还可以支持4 m x 2 4 位的可寻址f l a s h 程序存储体，以及 3 2 k x l 6 撼麴数据存镶空闯。相对予其它诲多单降梳的5 v 供邀及d s p 趋3 , 3 v 供 电，d s p i c 的供电电魇是2 。5 5 5 v 。 2 3 3 接丽扩展c p l d 的选择i 1 簖i 对于c p l d 的选撵，由于只是利用它作为接四扩展，所以在的并没有什么特 覆悲王鼗大学醭学煎论文 第二牵鸯案论证与蓉缝竣诗 别的要求。只是在接豳电压上，c p l d 分为+ 5 v 和+ 3 3 v 两种。由于2 8 1 2 芯片 为3 。3 v 供电，藤6 0 1