（电力系统及其自动化专业论文）基于can网络的电动机群故障监控系统.pdf

a b s t r a c t t h em o t o ri st h em a i nd r i v i n ge q u i p m e n to fi n d u s t r i a ls y s t e m s ；i t sf a i l u r ew i l l i n f l u e n c et h en o r m a lr u n n i n go ft h ew h o l es y s t e m , o v e nw i l le n d a n g e rt h ep e r s o n a l s a f e t y , a n db r i n ga b o u tt h eh u g ee c o n o m i cl o s s e s s ot h er e s e a r c ho fm o t o rp r o t e c t i o n h a sb e e na ni m p o r t a n tt o p i ci nt h ef i e l do f r e l a y p r o t e c t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e saf a i l u r em o n i t o r i n gs y s t e mf o rm o t o rc l u s t e rb a s e do nc a n n e t w o r k t h es y s t e mn o to n l yi m p l e m e n t st h ep r o t e c t i o nf u n c t i o nf o rf a i l u r eo f m o t o r , b u ta l s od e t e c t st h ep o t e n t i a lm e c h a n i c a lf a i l u r e r e a l - t i m en e t w o r kb a s e do nc a n b u sc a nc o n t r o la n dm a n a g em o t o r si n t h ef a c t o r y t h em o t o rp r o t e c t i o nd e v i c ei sab a s i cu n i t ；i t sr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yd i r e c t l y i n f l u e n c et h ei m p l e m e n t a t i o no f p r o t e c t i o nf u n c t i o n s t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ed e s i g n o fm i c r o c o m p u t e rm o t o rp r o t e c t i o nd e v i c eb a s e dd u a lc p us t r u c t l 】r e ：d s pa n d m c s - 5 1i nd e t a i l d s pa s g t l r c $ d a t ap r o c e s s i n gs p e e d ，a n dd u a lc p uc o n f i g u r a t i o nn o t o n l yi n c r e a s e st h er e l i a b i l i t yo ft h ed e v i c e , b u ta l s or e a l i t , 鹤m a n ye x p e n df u n c t i o n s ， s u c ha sl c d ，k e y b o a r do p e r a t i o n , c o n t r o l ，r e m o t ec o m m u n i c a t i o ne t c e a c hp r o t e c t i o nd e v i c ed i s p e r s e si n f a c t o r ya n do p e r a t e si n d e p e n d e n t l yo , a n t s a t i s f yt h er e q u e s to ft h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o nn o w t h i sp a p e rp r o p o s e saf a i l u r e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rm o t o rd u s t e rb a s e do nc a nn e t w o r k i nt h i ss y s t e m , b a c k g r o u n dm o n i t o r i n gp l a t f o r m , t oe a c hm o t o ri nt h en e t w o r k , c a nm o n i t o rt h e o p e r a t i o nc o n d i t i o n si nr e a l - t i m e ，r e c o r dt h eo p e r a t i o nd a t a , a d j u s tp a r a m e t e ro n - l i n e , s t a r to rs t o pt h em o t o rr e m o t e l y , c h a i nc o n f i g u r a t i o no n - l i n e , a n a l y s i sa n dh a n d l et h e a c c i d e n t ，d i s c o v e rs l i g h tm e c h a n i cf a u l ta n ds e n do u taa l a r mi n f o r m a t i o nc t c r e a l - t i m ep e r f o r m a n c ei s 柚i m p o r t a n tf a c t o ro fa p p r a i s i n gt h eq u a l i t yo f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sp a p e rs t u d i e st h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fc a n , a n d a n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i co fd a t at r a n s f e ri nt h ef a i l u r em o n i t o r i n gs y s t e m i ta l s o i n t r o d u c e st i m e - t r i g g e r e dc a n ，a n dp r o p o s e sak i n do fs o l u t i o no fc a nr e a l - t i m e p e r f o r m a n c e i m p r o v e dc a np r o t o c o lb a s e do nt l , n ed i v i s i o n t h i sp a p e ra l s o p r e s e n t sas c h e m et od i s t r i b u t et h ei d e n t i f i e rc o n s i d e r i n gn o d ep r i o r i t ya n dm e s s a g e p r i o r i t yw h i c hf u l l yu t i l i z e st h ea d v a n t a g eo fc a na n dr a i s e st h en e t w o r kr e s p o n d a b i l i 戗 k e yw o r d s ：m o t o rc l u s t e r ；, c a n ；f a i l u r em o n i t o r i n gs y s t e m ；r e a l - t i m e p e r f o r m a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：永祯 签字日期：) 帕年多月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 云兹 导师签名： 签字日期：h 口俾多月j 1 3 签字日期：n 6 年乡月f 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代工业自动化的发展，厂站内生产系统中采用的电动机数量不断增 加，单机容量也不断提高。电动机作为工业系统的主要传动设备，其正常工作对 保证生产制造过程的安全、高效、优质及低耗运行意义十分重大，而其故障不仅 会损坏电动机本身，而且会影响整个生产系统，甚至会危及人身安全，造成巨大 的经济损失和恶劣的社会影响。 为电动机配备保护装置，进行实时的状态监测及保护，可以有效地降低电动 机故障率、提高电动机的使用寿命、减少电动机故障造成的停产损失、降低维修 成本、防止对人员和设备安全产生的威胁。据“全国电动机保护与节能技术推广 应用”会议统计，可靠的傈护可减少每年约2 0 万台电动机的烧毁，减少直接经 济损失几亿元人民币。另外，保护装置也可积累电动机的现场运行数据，为 电动机的研究者提供重要信息。 对于电厂或企业的多台电动机组成的电动机群，需要为其中的电动机分别配 备保护装置。一般情况下，保护装置是随电动机按照工序的要求散布在工业现场 的。这些保护装置的运行是相互间独立的，对电动机保护装置的整定和运行管理 必须由操作人员就地进行。电动机数量较大时就会耗费大量的人力财力，而且， 电动机在发生故障前的一些异常表现是局部的、小电流的，单凭人工不易发现。 这显然已不能满足工业自动化的要求。因此，对电动机群进行网络化的实时监控 和统一管理的要求日益迫切。 利用工业现场总线将散布的测控保护装置进行组网，实现智能化、网络化监 控管理。在后台监控平台上，对网内的各台电动机，可以实时地监控运行状况、 记录运行数据、在线调整参数、远程启停电动机、在线连锁组态，进行事故分析 与处理、发现轻微机械故障并发出告警信息等。研究开发这样一套综合监控系统， 对保证电动机群以至生产系统安全可靠地运行、有针对性地减小电动机故障率都 是十分必要的。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 微机保护发展现状 电力系统继电保护装置的发展经历了机电型、晶体管型、集成电路型和微机 型四个发展阶段。我国的微机保护研究起步于2 0 世纪7 0 年代末期、8 0 年代初期， 尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展很快。经过l o 年左右的 奋斗，到了8 0 年代末，微机型继电保护，特别是输电线路微机保护己达到了大量 实用的程度。 微机保护经过近2 0 年的研究、应用和发展，已经在电力系统中取得了骄人的 成绩，产生了显著的经济效益，大大提高了电力系统运行管理水平。近几年来， 随着集成电路技术、数据通信网络技术的不断进步和发展，以及对电力系统安全 稳定运行的要求不断提高，微机保护技术的迎来了新的机遇和挑战。 1 2 1 微机保护装置硬件的发展状况圆嘲 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) 技术的发展及应用，使微机 保护的发展有了一次质的飞跃。d s p 与常用的m c s 5 1 及8 0 9 6 等单片机不同，它为 达到快速进行数学运算而设计了特殊的结构。d s p 的突出特点是计算能力强、精 度高、总线速度快、吞吐量大，尤其是采用专用硬件实现定点和浮点加乘( 矩阵) 运算，速度非常快。将数字信号处理器应用于微机继电保护，极大缩短了数字滤 波、滤序和傅立叶变换算法的计算时间。在此基础上，d s p 不但可以完成数据采 集，信号处理的功能，还可以比以往更快速地完成保护算法的运算功能，甚至可 以配合外设完成继电保护装置的所有功能。 考虑到不同的继电保护用户，对保护功能有不同的配置要求。微机保护硬件 的平台化是彻底解决这一问题的有效途径。通用化、模块化和灵活可配置的硬件 可以减少硬件品种数量和用户的备品备件。设计通用的硬件平台首先要有一个全 盘的考虑，同时估计各种用途的特殊要求，用模块化的方式，组成所需用的硬件。 模块最好分为通用和专用两类，并用总线或者其它方式联系起来。通用硬件平台 的研制，可以灵活方便地组成所硬件平台，因此可能在很短时间内完成新型保护 的研制和改进，而无需对整套硬件重新设计，同时也便于局部更新。由于硬件平 台适用于不同保护装置的要求。因此对于现场的不同保护应用，可增减相应的模 块，而不必对硬件及软件重新设计。 网络概念的提出于实现，使包括工业生产在内的各个领域发生了翻天覆地的 变化。同样，在电力系统继电保护领域，继电保护有了新的作用和含义，即它不 只限于切除故障元件和限制事故影响范围，而且还要保证全系统的安全稳定运 行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行信息、故障信息和数据。各个 天津大学硕士学位论文第一章绪论 保护单元在分析这些信息和数据的基础上协调动作，以确保系统的安全稳定运 行。显然，实现这种系统保护的基本条件是，将全系统各主要设备的保护装置用 网络技术联接起来，也就是实现微机保护装置的网络化。 1 2 2 微机保护新原理的发展状况咖 微机保护新原理的研究一直是国内外重视的研究课题，其中利用故障分量和 自适应保护两方面的研究成果和动向最为引人注目。 故障分量的应用使新型微机保护的开发呈现了非常光明的前景。故障分量可 分为稳态和暂态，目前利用稳态分量的微机保护大多使用其中的工频分量；使用 暂态分量时则主要建立在暂态行波成分上，故称为行波保护或超高速保护。由于 行波和超高速保护具有快速差别故障的性能，因此基于暂态量的保护是值得研究 的。我国已研制出利用行波的电力电缆和通讯电缆故障测距装置，由于智能化强、 操作简单、精度高，受到用户的普遍欢迎。但是，目前利用故障分量的微机保护 的研究，涉及面并不广，主要用在线路保护方面。此外，还有在重复性和转换性 故障条件下，有关故障分量的理论和应用等大量问题有待进一步研究解决。 自适应保护是指，根据电力系统的运行或者故障状态而实时改变保护功能、 特性或定值的保护。近年来，国内外在这方面的研究引起了人们的关注和兴趣。 事实上，传统保护也力图适应系统运行方式变化和故障条件。例如：电流速断定 值的整定要考虑在所有运行方式下和故障类型下，都能正确动作；差动保护中的 制动特性，距离保护装置中考虑了转换性故障，并在系统发生振荡时，闭锁1 、 2 段等。但是由于保护定值必须按电力系统最严重的运行方式和故障条件来整定， 且装置本身也缺乏实时检测和处理功能。因此，保护性能不能保持在理想状态。 微机的智能作用为获取更多的有用信息并及时加以处理提供了有利的条件。 1 3 电动机保护的研究现状刀 除了少数较老的厂站仍延用传统继电保护外，微机型的电动机保护装置已得 到广泛的应用。 由于应用了更先进的集成电路，微机型电动机保护装置的功能综合性大大加 强了。d s p 及3 2 位微处理器芯片的应用，使得数值计算和逻辑处理能力大为增强， 并且可扩展大屏幕液晶显示和复杂的键盘操作等功能。1 6 位甚至更高精度的a d 转换芯片的使用，可以获得更高精度的模拟量采样值，从而获得更精确的计算值， 提高保护的灵敏度。通过采用专用的测量c t ，使得对正常运行状态下的电动机 负荷电流的测量精度很高，可达n o 2 级。另外，光电流互感器( o c t ) 和光电 天津大学硕士学位论文第一章绪论 压互感器( o p t ) 已有部分产品通过了中国电力企业联合会的鉴定，将来必然会 应用于电力系统中。如果0 c t 和o p t 用于电动机的保护系统中，不仅可以提高保 护的可靠性，而且可以促进保护新原理的开发。 数据通信能力也是微机型电动机保护的重要优势。通过通信组网，可以实现 信息共享，实现遥测、遥信、遥控、遥调等“四遥”功能，简化厂用电二次接线， 降低系统造价。现在很多微机型电动机保护装置至少具备两个通信接口，其中一 个用于变电站自动化系统，另一个连接到后台监控中心，实现电动机信息的集中 自动管理和远程控制。利用微机电动机保护装置的通信能力，与变电站自动化系 统相连后，可以很方便地组成集散控制系统。这个系统一方面可以收集监视电动 机的运行测量信息，收集电动机的各种开关、刀闸等状态信息，还能够接收控制 系统的命令，实现分合闸操作或各种工艺流程控制。这个系统不需要传统的控制 子站或r t u ，直接利用电动机保护装置的固有资源，使得系统的接线简单，维护 方便，极大地降低了系统成本。 利用微机特有的计算能力、逻辑分析能力和记忆能力，改善电动机保护性能， 是微机电动机保护的又一大优势。比如，常规的电磁型或集成电路型电流速断保 护为了躲过电动机的起动电流，一般整定定值很大，导致正常运行过程中，该保 护的灵敏度不高。现在微机型电动机保护可以区分电动机的起动状态和运行状 态，从而采用不同的定值：在起动过程中采用高定值，在正常运行时采用低定值， 提高了保护在电动机正常运行过程中的灵敏度。另外对于过流保护、反时限电流 保护、负序电流保护等都可以采取一定的措施，既能避免保护在电动机起动过程 中误动，又能提高在正常运行中的灵敏度。 1 4 本论文的主要工作 本论文旨在为厂、站内的电动机群研发一套故障监控系统，该系统由电动机 保护装置、通信网络、后台监控中心组成，具有电动机的故障保护、通信和控制 功能，并能实时检测电动机的导条或端环断裂等机械故障等。 首先介绍了微机型电动机保护装置的硬件结构，并介绍了本装置所配备保护 功能的原理及算法。然后介绍了系统的构成及电动枧机械故障的实时检测方法， 并分析了c a n 网络的实时性解决方案。 本文的章节具体安排如下： 第一章绪论 第二章微机型电动机保护装置的开发 第三章电动机保护的保护原理及算法 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第四章基于c a n n 络的电动机群故障监控系统 第五章c a n 网络的实时性分析 第六章结论 天津大学硕士学位论文 第二章微机型电动机保护装置的开发 第二章微机型电动机保护装置的开发 2 1 微机型电动机保护装置的硬件结构和特点9 珀”3 本装置采用了数字信号处理器( d s p ) 与5 1 单片机构成的双c p u 结构。其 中，d s p 实现下列功能；控制多通道a d 转换，运算保护的判据算法，控制继 电器的开关量输出等。而5 l 单片机是整个装置的控制单元，主要负责各类参数 及定值的管理、实时时钟的控制、人机交互接口以及串、并行通讯接口的控制。 d s p 与5 1 单片机之间通过双口r a m 进行数据通信，既保证了数据传输的高速 率，又具有较好的抗干扰性能。 本装置采用前向插件式结构，各插件之间通过底板固定实现电气联系，只有 显示板与c p u 插件之间是通过扁平电缆连接。这样设计既考虑了现场使用的便 利性，又提高了装置的可靠性。本装置共采用了四块插件，分别是：交流量输入 及滤波插件、电源模块及开入量插件、操作回路插件以及c p u 插件，它们之间 的相互关系如图2 - - 1 所示。 图2 一l 硬件装置结构图 由图2 1 可见，各插件功能划分明确，接口设计合理，构成了一个完整的 数据采集、数据处理及实时控制系统。 天津大学硕士学位论文第二章微机型电动机保护装置的开发 2 2c p u 插件的功能及硬件实现 c p u 插件是整个保护装置的核心，它担负着数据的采集与处理、开关量的 输入和输出、人机交互接口以及串并行通讯等复杂的功能 c p u 插件可划分为三个部分，分别是由d s p 及其外围扩展电路构成的数据 采集和处理模块；以5 1 单片机为中心构成的管理和监控模块；以及实现d s p 与 5 l 单片机数据交换的双c p u 通信模块；另外，由于网络通信的作用愈来愈重要， 以5 1 单片机为中心，实现了网络通信模块。下面分别对这几个模块的硬件构成 进行介绍。 2 2 1 数据采集与处理模块的实现n 8 1 数据采集与数据处理模块以d s p ( t m s 3 2 0 f 2 0 6 ) 为核心，通过对a d 转换 芯片的控制实现模拟量到数字量的转换，然后完成预定的保护算法的运算。同时， 在数据计算结果满足出口条件或接收到上位机开出命令的情况下，控制开关量的 输出，以实现对外部回路的实时控制。d s p 及其外围电路的逻辑框图如图2 2 所示： 图2 2d s p 及其外围电路的逻辑框图 除主处理器d s p 外，a d 转换芯片也是数据采集与处理模块的核心之一。 本装置的模拟输入量较多，而且其中的四路电压和电流量还必须同步采样，基于 这些要求，采用了m a x i m 公司的m a x l 2 5 。m a x l 2 5 集成了两组各四路输入 通道( 四个采样保持器) ，用户可在两组多路开关之间选择同时采样的四路输入 通道。m a x l 2 5 具有1 4 位的分辨率和3 i t s 的模数转换时间，可以满足高精度实 时控制系统的要求。另外，m a x l 2 5 内部自带4 1 4 位的r a m ，用于存放a ，d 天津大学硕士学位论文第二章微机型电动机保护装置的开发 转换的结果，它提供的并行接口可以与多数d s p 和1 6 3 2 位微处理器兼容。可见， m a x l 2 5 是一个完整的单片数据采集系统( d a s ) ，它能自动完成所有输入通道 的数据采集而无需c p u 的干预。采用这种专用数据采集芯片，极大地简化了装 置数据采集系统的设计和调试，大大提高了数据采集能力。 但是，m a x l 2 5 的输入阻抗相对较低，如果直接将待转换模拟量接入 m a x l 2 5 ，则它将产生一定的分流，使输入电流有一定的损耗，导致测量数据不 准确。为了解决这一问题，需要提高其输入阻抗，降低衰耗系数。硬件的解决方 案为，在低通采样滤波后加一电压跟随电路，这样，m a x l 2 5 加跟随电路的输入 阻抗即趋于无穷大，如图2 3 所示： 图2 3 提高a d 回路的输入阻抗电路图 d s p 经过运算比较后如果满足跳闸条件，则通过写i o 空间继电器地址来控 制开出回路，跳闸小密封继电器，从而控制一次设备跳合闸。开出回路原理图如 图2 4 所示： 图2 4 开出回路原理图 o l 在图2 4 中可以看到，当端点l 为低电平同时端点2 为高电平时( 这也是 基于保护装置可靠性的考虑，两根口线同时满足条件方可出口，防止误跳) ，光 天津大学硕士学位论文第二章微机型电动机保护装置的开发 耦( 1 ) 导通。则端点4 为高电平，端点4 通过背板电气连接操作开入开出插板 上的继电器，使继电器动作；同时，光耦( 2 ) 导通，端点5 变为低电平从而端 点3 变为高电平。这样，d s p 通过检测端点3 的状态可以判断继电器是否动作， 借此可同时检测开出回路是否正常，实现装置的监控功能。 2 2 2 管理与控制模块的实现 管理与控制模块以5 l 单片机( a t 8 9 c 5 l c c 0 3 ) 为核心，主要完成定值管理， 实时时钟控制，键盘、液晶人机交互接口，串、并行接口控制以及开关量输入等 管理和控制功能。其逻辑框图如图2 5 所示。 输入 控制 开关量 并口 r 8 4 8 5 输入打印机串行口 图2 - - 5 管理与控制模块逻辑框图 c a n 串行口 为了实现上述的管理和控制功能，5 l 单片机需要扩展许多外围电路，如 e e p r o m 、时钟芯片、r s 4 8 5 接口芯片、c a n 接口芯片等，而5 l 单片机本身的 f o 口资源又有限，所以某些器件选用了i 2 c 接口的芯片，采用i 2 c 总线电路。i 2 c 总线是一种两线制的串行总线，它通过一根时钟线s c l 和一根数据线s d a 实现 总线上挂接器件之间的点对点通讯。因此，在设计中，只要占用5 1 单片机的两 个i o 口用于模拟i 2 c 总线操作，即可实现对总线上所有符合i ：c 总线协议的器 件进行控制。而且在本设计中，5 1 单片机作为总线上唯一的主器件( m a s t e r d e v i c e ) 控制总线操作，因此不存在总线冲突的问题，数据传输的可靠性较高。 由此可见，这种方案不但节省了5 1 单片机的i o 口资源，也简化了电路，这在 外围电路扩展较多而数据传输速率又不要求太高的场合十分适合。 天津大学硕士学位论文第二章微机型电动机保护装置的开发 在本设计中，共采用了三种1 2 c 器件，分别是串行e e p r o m ，时钟日历芯 片以及并行i o 扩展芯片。其中，串行e e p r o m 用于存放整定值，时钟日历芯 片用于给整台装置提供时间信息，而并行i o 扩展芯片用于面板按键信号的输入 和控制l e d 指示灯的信号输出。 2 2 3 双c p u 通信模块的实现m 1 由于本装置采用了d s p 与5 l 单片机的双c p u 结构，而要实现装置的所有 功能，这两个c p u 间需要进行多方面的数据交换，因此它们之间的数据交换接 口成为影响整个系统数据处理能力的重要环节。本装置硬件设计中采用了双口 r a m 实现高速数据通信，这种通信方式数据传输的速率很高，而且抗干扰性能 较好。 双口r a m 提供了两个完全独立的端口，每个端口具有自己的地址线、数据 线和控制线，两侧的c p u 都可以将双口r a m 看作自己的外扩存储器，独立地 读写双口r a m 的任一存储单元。双口r a m 与两侧c p u 的接口电路如图2 6 所示； 8 0 c 5 lt m s 3 2 0 f 2 0 6 图2 6 双口r a m 与两侧c p u 的接口电路图 虽然两侧c p u 可以完全独立地读写双口r a m ，但是当两侧c p u 同时对双 口r a m 的同一个单元进行操作时，就有可能出现争用冲突。通常，解决争用冲 突的方案有四种：硬件仲裁方案、中断方案、令牌传递方案和软件仲裁方案。前 三种方案必须有器件内部相应的硬件功能的支持，而软件仲裁方案适用于任何双 天津大学硕士学位论文第二章微机型电动机保护装置的开发 口r a m 器件。 考虑到a t 8 9 c 5 1 c c 0 3 为8 位机，而t m s 3 2 0 f 2 0 6 为1 6 位机，为了方便读 写操作，本设计中选用了两片容量为4 k x 8 的高速双口r a m 一- - i d t 7 1 3 4 ，但 是其片内不带硬件端口仲裁电路，所以采用软件仲裁方案。 软件仲裁的基本思想是：在两侧c p u 之间使用握手信号，一侧c p u 存取双 口r a m 前，首先通过标志位察看对方是否已经占用，如果未占用，则本方占用 双口r a m ，并通过标志位通知对方本侧已占用；操作结束后，再通过标志位通 知对方本方已停止占用，对方可以进行操作。 本装置在具体实现双c p u 间通信时，将两片i d t 7 1 3 4 共8 k 8 的空间分为 低地址区和高地址区两部分。低地址区是两片双口r a m 的0 0 0 h - - 3 f f h 地址区， 共有2 k x8 ，规定这部分空间用于5 l 单片机写入和d s p 读出；高地址区是两片 双口r a m 的4 0 0 h - - f f f h 地址区，共有6 k 8 ，规定这部分空间用于d s p 写 入和5 1 单片机读出。这样，便有效地减少了双方的读写冲突。另外可以看出， 双口r a m 的空间并没有平均分配，这是考虑到5 l 单片机给d s p 传送整定值及 开入量，传送数据量较少；而d s p 需要将三相电压电流的录波值、告警及动作 信息传送给5 1 单片机，传送数据量较大。 通过上面这种设计方案很好地解决了双方的通信问题，而且在这种通信方式 下数据传输的速率很高，同时抗干扰性能较好。 2 2 4 网络通信功能的实现伽1 5 3 目前许多微机型电动机保护装置至少具备两个通信接口，其中一个用于变电 站自动化系统，另一个连接到后台监控中心。 其中，用于变电站自动化系统的，是指继电保护设备( 智能电子单元i e d 或间隔层单元) 与变电站层的网络接口。这一网络应用成熟的为国际电工委员会 ( m c ) 制定的用于变电站自动化系统的国际标准i e c 6 0 8 7 0 - - 5 - - 1 0 3 规约( 我 国行标d l ，r 6 6 7 1 9 9 9 ) ，并逐渐向i e c 6 1 8 5 0 过渡。c 6 0 8 7 0 一5 1 0 3 规定， 在变电站自动化系统中物理层应采用光纤传输系统和或r s - - 4 8 5 总线系统。在 目前情况下，刀巳c 6 0 8 7 0 一5 1 0 3 规约已在继电保护装置的r s - - 4 8 5 串行通信接 口中较为广泛地采用，我国的工程招标书上对继电保护装置的通信接口也明确要 求采用c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约。相应的，保护装置需要具备r s 一4 8 5 串行通信 接口。 本装置采用m a x l 4 8 0 作为接口芯片，它是由美国m a x i m 公司生产的单片 隔离的r s - - 4 8 5 数据通讯接口芯片。该产品将传统的r s - - 4 8 5 通信接口电路中 的主要器件如光电耦合器、d c d c 转换器和r s - - 4 8 5 收发器封装于一片芯片 天津大学硕士学位论文 第二章微机型电动机保护装置的开发 内，配合一些简单的阻容元件即可构成一个完整的r s - - 4 8 5 驱动电路，仅在逻 辑侧提供一+ 5 v 电源即可为接口的两端供电，大大节省了印刷电路板( p c b ) 的空间，同时有效地提高了电路的抗干扰性能。而m a x l 4 8 0 b 更限制了数据传 输速率( 仍可达2 5 0k b p s ) ，以达到最小化电磁干扰( e m i ) 和减少由于不当的 终端电缆连接而引起的反射。 其中m a x l 4 8 0 与5 1 单片机的接口电路如图2 7 所示。 黧蓬 嚣 1 榭 篇。 埘嘲笋嗣 i 黼脚 聋制 煳蚴 煳m ，雅 黑撵 醐珊_ 确 暂。 雠cl嚣 7 删l 笛 锄呦 嘏 = 日c 当一j 瑚坳 越廿斌l m m 蚴 图2 7m a x l 4 8 0 与5 l 单片机的接口电路 另一个接口通过网络连接到后台监控中心，以形成本论文所介绍的电动机群 故障监控系统。 随着新技术的发展及应用要求的提高，c a n 接口逐渐开始成为主流，许多 新设计的微机型电动机保护装置都已具备c a n 接口。本装置选用了a t m e l 公 司的a t 8 9 c 5 1 c c 0 3 ，因为它集成了功能完全的c a n 控制器。此集成的c a n 控 制器有如下特点：完全兼容c a n 技术规范2 0 a 和2 o b ；通过5 1 单片机的特殊 功能寄存器( s f r ) 最优化通信管理的结构；具有1 5 个独立的通信对象；支持 自动波特率和只听模式；支持最大的传输速率1m b p $ ；有易读的错误计数器； 具有独立的波特率预设因子；可处理数据帧、远程帧、出错帧及超载帧等。它与 c 5 1 内核闻直接通过内部总线相联系，因此数据读写速度相当快速。另外，利用 片内集成的这一特点，可以简化接口电路、减小占用p c b 面积，更重要的是因 为它集成在一片硅载体内，能够非常有效地提高其抗电磁干扰性能。“们 要实现c a n 接口，在c a n 控制器与物理总线之间还需要c a n 收发器，本 装置采用p c a 8 2 c 2 5 0 1 的换代产品t j a l 0 4 0 。t j a l 0 4 0 有如下特点：完全符合 c a n 标准的要求；支持最高传输速率lm b p s ；芯片电磁辐射( e m e ) 非常低； 天津大学硕士学位论文 第二章微机型电动机保护装置的开发 差动接收器具有较宽的共模范围，可提高抗电磁干扰( e m i ) 性能：采用先进的 绝缘硅( s i l i c o n - o n - l n s u l a t o r , s o d 技术进行处理，具有出色的e m c 特性；处于 不上电状态的收发器会从总线脱离( 零负载) ；如果使用分裂终端，电压源可以 稳定总线隐性电平，可以进一步改善e m e ；支持耗电极低的待机模式，可以通 过总线唤醒( 远程) ；支持发送数据( 曰) 显性超时的功能；可在瞬态环境下 对总线引脚保护；具有热保护功能。7 1 t j a l 0 4 0 与a t 8 9 c 5 1 c c 0 3 连接的逻辑图如图2 8 所示： p 4 0 广】 x d c p 4 1 r 虹i c a 陷9 c 5 1 c c 0 3 图2 8t j a l 0 4 0 与a t 8 9 c 5 1 c c 0 3 连接的逻辑图 图2 8 中，在c a n 控制器( a t 8 9 c 5 i c c 0 3 内) 和c a n 收发器之间应用 了光电耦合器，是为了提高电路的抗干扰性能，避免物理总线电平扰动对数字电 路产生影响。为了适应c a n 通信的最高波特率1m b p s ，光电耦合器必须选择高 速器件，6 n 1 3 7 的开关速率可达1 0m b d ，为超高速器件，可满足速度要求。 为了增强c a n 通讯的可靠性，c a n 总线网络的两个端点通常要加入终端匹 配电阻。终端匹配电阻的大小由传输电缆的特性阻抗所决定。例如双绞线的特性 阻抗为1 2 0 欧，则总线上的两个端点也应分别联接1 2 0 欧的终端电阻。 天津大学硕士学位论文 第二章微机型电动机保护装置的开发 在正 v s p l 否则 v c c 图2 9 分离终端示意图 t j a l 0 4 0 支持分离终端，这是一种不用改变终端电缆d c 特性而能增强e m c 性能的终端配置方法。如图2 9 所示，该方案一般是将单个终端电阻分成两个 阻值相等的电阻，例如将一个1 2 0 欧的电阻由两个6 0 欧的电阻替换。这种方法 的特点是可以在两个分离终端的中间抽头上得到所谓的共模信号。理想情况下共 模信号就是d c 电压信号，并可以通过一个1 0 n f 或1 0 0 n f 的电容将中间抽头接 地。当然，电容应该连接到真正的地电平上。例如，如果终端是位于总线节点内 部，则应该通过单独的地线与连接器的地引脚相连。 通常情况下，下面提到的分离终端的两种方法各有优点和缺点。第一种方法 是将两个终端均采用分离形式并单独接地。对于优化高频性能，这是一种更好的 方法。但是，将两个终端电阻都接地以后，可能会通过地电流形成干扰性的回路 电流。在这种情况下可以考虑只将一个终端电阻接地。这种接法在中频到低频的 范围内，特性会更好。正如上所说，这种接法并没有改变终端电缆的d c 特性。 2 3 本章小结 本章介绍了微机型电动机保护装置的硬件设计，并详细介绍了c p u 插件及 两种网络接口的实现。 本装置具有体积小，结构紧凑，硬件外围资源丰富，插件式结构，组装方便， 全密封嵌入式等特点。从电路设计到p c b 布局布线等多方面考虑e m c 性能的改 善，使本装置具有良好的e m c 性能。 装置设计有r s - - 4 8 5 和c a n 两种接口，为接入变电站自动化系统及保护管 理系统提供支持。 天津大学硕士学位论文第三章电动机保护的保护原理及算法 第三章电动机保护的保护原理及算法 硬件装置是平台，实现保护算法的程序是其灵魂。保护程序的优劣是评价一 台保护装置优劣的最重要因素之一。在本章将讨论适合于中小型异步电动机，并 易于在微机型电动机保护装置上实现的保护原理及算法。 3 1 电动机的常见故障分析小剐 要设计一套保护装置，首先要分析保护对象会遇到的各类故障、分析其故障 特征，才能提出切实可行的保护方案。对于中小型异步电动机来说，其故障形式 主要分为绕组损坏和轴承损坏两方面。 造成绕组损坏的主要原因有： ( 1 ) 由于电源电压太低或三相电压不平衡而造成的电动机不能顺利启 动，使得电动机因长时间的大启动电流而过热烧坏。 ( 2 )长期受电、热、机械或化学作用导致绕组绝缘老化和损坏，形成相 间或对地短路。 ( 3 )因机械故障造成电动机转子堵转。 ( 4 ) 供电系统不稳定导致电动机长期承受负序电流而烧毁。 ( 5 )冷却系统故障或环境温度过高。 造成电动机轴承损坏的原因主要有：机械负荷太大、润滑剂不合适；或恶劣 的工作环境，如多尘、腐蚀性气体等给轴承带来的损坏；或绕组温度过高，其热 量传至轴承导致损坏等。 由于电动机的微机保护主要是通过测量电量( 电流、电压以及开关状态等) 来监测电动机的运行状况，因此面对的主要是绕组故障。 引起电动机绕组损坏的常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称 故障主要有：三相短路、堵转和对称过载等；不对称故障主要有：断相、三相不 平衡、单相接地或相间短路。发生对称故障和严重的相间短路故障时，例如因为 机械故障、负荷过大或电压过低等，使电动机的转子处于堵转状态时，由于散热 条件差，电流大，特别容易损坏电机。其它不出现显著过电流的不对称故障，如 断相、不平衡运行等，过流保护常常不能及时动作。对于电动机的各类内部绕组 故障，如匝间短路、接地短路等，往往是由于运行环境差、长期运行不当引起的， 天津大学硕士学位论文第三章电动机保护的保护原理及算法 故障最初并不引起显著的电流增大，若不及时处理会导致事故扩大，进而引起电 动机机端过热、转子及启动力矩降低等一系列问题，并严重损坏电动机。各种短 路故障还会造成供电网络电压的显著降低，破坏其它用电设备的正常工作。因此， 要可靠地保护电动机，单一的过流保护是不够的，必须配置全面的保护方案。 3 2 电动机保护的原理2 1 ”3 “1 由对称分量法知，发生不对称故障时，电动机电流可分解为正序、负序和零 序分量。当电动机三相对称时，负序和零序电流为零，而发生不对称故障时则会 显著增加。基于此，本保护装置在检测电动机过流程度的同时，以序分量为基础， 检测负序、零序电流的大小。这样，不但更好地反应了电动机的运行状况，还大 大地提高了保护的灵敏度和可靠性。另外，本装置的保护原理还充分利用了电动 机区内、外故障时，正序、负序和零序电流三个故障分量的特点和差别，在保证 区外故障具有绝对选择性的前提下，力求提高区内故障的灵敏度。 本装置提供的保护有：电流速断保护；堵转等对称故障保护一一正序反对限 保护；过负荷保护( 考虑正序和负序电流的热效应) ；不平衡保护一一负序反时 限保护；接地保护一一零序电流保护；启动时间过长保护；低电压保护。 3 2 1 电流速断保护 电流速断保护包括正序过流速断保护和负序电流速断保护。 其中，正序过流速断保护作为电动机的主保护，用于保护电动机内部定子绕 组以及迸线所发生的相间短路故障。在电动机启动时，由于其启动电流较大，会 超过速断保护电流定值，使保护误动作。因此，在设置过流速断保护电流定值时， 要保证电动机在满载启动过程中短路保护可靠地不动作，即躲过电动机最大启动 电流。 负序电流速断保护用于在电动机反相运行时为电动机提供保护。电动机在反 相运行时负序电流分量增大，若检测到负序电流高于负序速断定值，则负序速断 保护动作。 3 2 2 正序反时限电流保护 正序反时限电流保护用以反应电动机正常运行期间发生的三相短路、堵转和 对称性过负荷。由于电动机的过负荷特性呈现的是反时限特性，因此良好的电动 机保护应能与其过载特性相匹配，在本保护中采用i e c 标准中的常规反时限特性 天津大学硕士学位论文第三章电动机保护的保护原理及算法 构成，其基本动作方程为： ：拿：坐(3-1t 31 ) = ：一 j ( 粤) 蚴一1 1 工 式( 3 1 ) 中，t 为保护动作时间，足为延时整定系数，西为保护的整定电 流，厶为加入装置的实际正序电流值。 在电动机启动期间，可以通过抬高正序反时限特性曲线，使反时限动作时间 大于电动机启动时间，从而使正序反时限电流保护躲过电动机启动而不误动作。 在电动机启动结束后，通过自动降低正序反时限特性曲线，提高对电动机正常运 行期间发生的三相短路、堵转和对称性过负荷故障保护的灵敏性。 3 2 = 3 过负荷保护 电动机最常见的也是最严重的不正常工作状态是由过负荷所引起的过电流， 产生过负荷的原因计有：( 1 ) 所带机械部分的过负荷；( 2 ) 由于供电网络电压和 频率的而使转速下降；( 3 ) 电动机在拖延时间很长的启动和自启动；( 4 ) 由于一 相熔断器断线所造成的两相运行。 长时间的过负荷运行会造成电动机过热，绝缘老化，在电动机故障总数中占 相当大的比例。过负荷保护即用来防止电动机长时间过负荷运行。异步电动机的 过负荷、堵转与断相的后果均使电机绕组产生过热，防止电机绕组过热是考虑过 负荷保护的出发点。电机电器中所用的绝缘材料同时受到多种因素的影响，如温 度、电磁、机械以及周围介质的同时作用。在这些因素的影响下，绝缘材料逐渐 老化，介质强度下降，绝缘性能降低。绝缘材料的使用寿命受温度的影响很大， 随着温度的升高，绝缘材料的使用寿命急剧下降。因此，要提高电机的使用寿命， 就要设法使电机在最高允许温度以下运行。电机过热时，最易受到损坏的部分是 绕组的绝缘。当电机过流时，达到最高允许温度需要一定的时间，电流越