（电机与电器专业论文）基于fpga的智能脱扣器的研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，狂 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，席 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对席 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结果由本人承担。 学位论文仨者签名：名半多 日期： 2 0 0 8 年占月 江苏大学硕士学位论文 力，缩小国内外产品之间的差异。显然，基于现场总线的智能脱扣器研制具有非 常重大的经济意义口1 。 从电器的智能化进展来看，要实现电器的智能化必须解决如下问题： 1 数据的高速处理。 各种保护、计量、监测与控制功能的实现是基于数字处理技术，这就要求智 能电器必须有很强的数据处理能力。 2 解决大规模生产的问题。 以微处理器为核心的智能电器受硬件环境与软件的限制，要求工作人员有较 高的素质，在大规模生产及调试方面有一定的问题。 3 现场可编程与配置以及小体积、低功耗、低成本。 正是由于受这些因素的制约，智能化电器的应用受到一定的限制。 利用专用集成电路来实现电器的保护和控制，将智能电器的基本功能集成到 单片的集成电路中，是解决以上问题的一条有效途径。近些年来，集成电路技术 的迅速发展，在门数规模不断扩大的同时成本却不断降低，特别是半定制集成电 路现场可编程门阵列的发展非常迅速，使得这种电路的应用得到很大的发展。 本课题来源于江苏大全集团k f m 3 系列智能塑壳式断路器，主要的研究内容 是基于应用微电子技术、计算机控制技术、传感器技术、数字信号处理技术等就 基于f p g a 的智能脱扣器的开发设计工作的研究。 1 2 智能断路器的功能特点、主要技术参数和发展现状 万能式智能型断路器的中枢部件是智能脱扣器，它承担断路器的各种测量、 保护、报警、显示与控制功能。早期的产品称为智能脱扣器，以过电流保护和脱 扣功能为主，但通过逐步改进和发展至今，其功能不止于此。除过电流保护外还 具有报警、接地保护、温度保护、电流显示、电压显示、功率显示、电量显示、 故障记录和网络通信等功能，故称为智能脱扣器较为合适。智能脱扣器早期的产 品称为过电流脱扣器，分热式和电磁式两种h 1 。 1 2 1 智能断路器的功能特点 智能断路器的主要特点是在传统的断路器基础上充分应用了微电子技术、计 2 江苏大学硕士学位论文 算机技术以及网络通讯等新技术，具有较高的性能和可靠性。其主要功能特点表 现如下嘲嗍【7 】： 1 保护功能多样化 传统断路器普遍采用双金属片热继电器作为过载保护，用电磁快速脱扣器作 为短路保护来构成长延时、瞬动两段保护，实现保护功能的一体化较难。智能型 断路器除了可同时具备长延时、短延时、瞬动的三段保护外，还具有断相、不平 衡保护、接地保护、漏电保护和负载监控、温度检测、预报警等功能，而且可做 到一种保护功能多种保护。脱扣具有数字量脱扣和模拟量脱扣两种脱扣方式提高 了系统的可靠性。 2 选择性强 智能型断路器由于采用微处理器，惯性小、速度快，其保护的选择性、灵活 性及重复误差都很好，加之它的各种保护功能和特性可以宽范围调节，因此可任 意选择动作特性和保护功能，实现级联保护协调，实施区域选择性联锁和良好的 级问协调配合。 3 人机界面和通讯功能 智能型断路器具有良好的人机界面，既能从操作者那里得到各种控制命令和 控制参数( 通过键盘、开关、按钮等实现) ，又能通过连续巡回检测对各种保护特 性、运行参数、故障信息等进行直观显示( 通过信号灯、数码管等实现) ，还可与 上位机联网实现双向通讯，实施遥测、遥信、遥控和遥调。人机对话功能强，操 作人员易于掌握，有利于避免误动作的发生。 ，4 显示和记忆功能 智能型断路器能显示三相电压、电流、功率因数、频率、有功功率、动作时 间、分断次数以及预示寿命等，能将故障信息储存，如故障类型，故障电流值， 动作时间，故障时间等，有助于工作人员做出正确的分析和判断，减少线路维修 时间。 5 故障自诊断、预警与试验功能 智能型断路器可对构成断路器的电子元器件的工作状态进行自诊断，如触头 磨损率、c ，r 断线等，当出现故障时可发出警报并使断路器分断。通过预警功能， 操作人员可以及时处理电网的异常情况。微处理器能进行“脱扣一与“非脱扣疗 3 江苏大学硕士学位论文 两种方式试验，利用模拟信号进行长延时、短延时、瞬动整定值的试验，还可进 行在线试验。智能型控制器还能够模拟热积累具有热记忆功能。 1 2 2 断路器的主要技术参数 断路器的主要技术参数主要包括以下几个部分阳町： 1 分断能力 分断能力是指在规定条件下能够可靠接通和分断的短路电流值。对配电用选 择型断路器要求有尽量高的延时通断能力，最好是与瞬时极限通断能力相等。选 择断路器时必须考虑电路可能出现的最大短路电流，再根据断路器的技术数据进 行选用。 2 限流能力 限流式断路器( 分断时间短的足以使短路电流达到其预期峰值前分断的断路 器) 和快速断路器( 直流断路器，含义同限流式) 要求有较高的限流能力，一般要 求限流系数( 极限接通和分断能力时限流系数为k ，实际分断电流( 峰值) 预期短 路电流( 峰值) 为6 ) 在o 3 0 6 之间。为了达到较高的限流能力，要求限流电器的 固有动作时间小于3 m s 。 3 动作时间 从电路出现短路的瞬间至触头分离、电弧熄灭、电路完全分断所需的全部时 间。限流式和快速断路器一般小于2 0 m s 。 4 使用寿命 在正常负载条件下，断路器应能保证在操作规定的次数( 即使用寿命) 内不需 更换零部件。一般断路器的寿命根据容量不同在2 0 0 0 2 0 0 0 0 次之间。 5 保护特性 断路器的过电流保护特性，可用各种过电流情况与开关动作时间的关系曲线 来描述。断路器的保护特性必须与被保护对象( 如电动机、电缆等) 的允许发热特 性相匹配。 1 2 3 断路器国内外的现状及发展趋势 早期的断路器保护功能是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现 4 江苏大学硕士学位论文 的，因而体积较大，效果也不理想。为了防止用电设备发生故障时影响整个供电 线路，以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，在传统断路器的基础上逐步开 发出更可靠的和具有更多保护功能的断路器。例如，具有短路保护、热保护、漏 电保护、缺相保护等功能的断路器。早期的脱扣器是电磁式过电流脱扣器，该脱 扣器功能简单，只能完成瞬时保护，在此基础上又逐步出现了带有过载延时、短 路延时功能的脱扣器。7 0 年代开始出现了电子式脱扣器，随着微型计算机技术的 发展，电气开关的智，j 皂化成为了可能。智能化装置应包括信号检测的随机性、灵 敏性和精确性：信号旧处理、逻辑思维及正确的判断性：有效、灵敏的执行功能及 信息的可通讯性对于哿能化的电气开关，不仅能够提供普通断路器的各种保护功 能，还能实时显示f 乜路中各种参数，各种保护功能的动作参数也可以监视、设定 和修改，保护电路动f = 时的故障值也可以存储在非易失存储器中以便查询。具有 了这些优点，智能脱扣器的功能日益强大，现在已经在低压配电系统中得到广泛 的应用3 1 埘。 目前具有代表。睢的国外产品有梅兰日兰的m 系列，a b b 的f 2 系列，三菱的a e 系列，西门子的3 w n 系列，该系列产品的脱扣器中还有一种可选功能，就是脱扣 前导信号，当a n 断路撂过载时，过载脱扣前2 0 0 i i l s 时它会给出报警信号，在某些 场合如晶闸管变流系统中这个功能是很有用的。 我国的低压断路浯可分为三代。第一代以d w l 0 ，d z l 0 等系列产品为代表，其 性能水平相当于国外5 0 年代水平，市场占有率为2 0 一3 0 。第二代产品包括自行 开发产品和技术引进产品，自行开发产品以d w l 5 ，d z 2 0 为代表，共5 6 个系列，技 术引进产品则以m e ，r o ，t g ，3 t b ，b 系列为代表，共3 4 个系列，性能水平相当于 国外7 0 年代末至8 0 年代初水平，市场占有率为5 0 9 6 6 0 。第三代产品以最近开发 的d w 4 5 ，s 等系列产。j 为主，其性能水平相当于国外9 0 年代初水平，市场占有率 为5 - 1 0 9 6 。 目前国内低压断路器的额定工作电压为交流3 8 0 v ，交流额定电流为 6 3 0 a 一5 0 0 0 a ，极限分断能力为5 0 k a 一1 2 0 k a ，一般都具有3 极( 可分断a ，b ，c 相) 和4 极( 可分断a ，b ，c ，相) 两种类型。因为智能型断路器具有许多传统断路器所无 法比拟的优点，所以其研制受到国内外的普遍重视。自1 9 8 5 年出现第一台以微处 理器为基础的智能五! 断路器以来，法国梅兰日兰( m g ) 公司、日本寺崎公司和美国 5 江苏大学硕士学位论文 西屋公司等相继丌发了带微处理器的智能断路器州2 1 。 微处理器引入到断路器，使中央计算机、前级和后级断路器之间进行双向通 信成为可能。九十年代，国外许多公司相继开发出智能断路器的集中控制和检测 系统，包括有多种平台和相应软件支持的中央计算机控制系统、智能化断路器的 对话模块、低压配电装置的监控系统等。国内在微机保护和监控系统的研制方面 起步较晚，主要从引进技术和自行开发两个方面进行，产品的主要性能跟国外相 比还存在的差距。而且研究主要集中在变电站综合自动化系统，而以断路器为控 制对象的智能化产品则很少，直到9 0 年代才有针对单个断路器的测控单元出现， 且其功能与国外相比基本上处于配制开发阶段。因此，开发高性能的智能断路器 是国内电器行业迫切实现的课题，它在国内具有广阔的发展前景和用户市场。 工业的发展对配电系统的要求越来越高。新型的低压断路器既要具有传统功 能，又要满足配电系统( 尤其对环网系统) 级间精确的选择性要求有区域联锁、远 程控制、能量监视和记录、事故记忆、在线调试等功能，集保护、测量、监控于 一体。现今，我国电力工业的发展和用电量的猛增，发电容量和用户的日益扩大， 低压电网对配电型断路器的要求也越来越高。不仅要求它具备很大的短路电流分 断能力，实现选择性保护和供电安全，同时对电业管理提出能在断路器上显示对 电流的监视、自行调节、测量、试验、自诊断甚至可通讯等智能化功能，智能型 断路器应运而生。 根据国内外各断路器及监控装黄生产厂家的新产品和研究动态来看，低压断 路器监控单元具有以下发展趋势n 们： 1 产品化 将智能监控单元做成相对断路器独立的通用性的产品，使其使用范围不限于 某种断路器，而且检测和维修也会相对简单。以前断路器产品的测试必须在断路 器整个设备装配完成后才能进行，而智能监控单元产品化以后，其测试可以独立 于断路器进行，这使得整个断路器的测试程序大为简化，测试时间也大为减少。 2 智能化和可通信化 智能化就是采用了微处理器技术，这样在硬件不变的情况下具备较大的适用 性和升级能力。可通信化是在产品中加入相关的检测、判断和通信等芯片或电路。 使监控单元的各种状态和工作参数能较好地通过传输媒质( 如现场总线、串口线 6 江苏大学硕士学位论文 电流互感器、电压互感器是提供电流与电压信息的，传统的电磁式电流、电压互 感器由于体积大及铁芯的饱和特性等原因己经不能满足智能化电器要求，因此使 用罗柯夫斯基( r o g o w s k i ) 线圈测量电流，电阻电压分压器测量电压n 盯n 引。 智能脱扣器具有两个显著的特点。：一是可靠性高。脱扣器在正常运行时， 不断进行自检，一旦保护装置本身出现故障，可以立即检出。而一般传统继电保 护是没有这种功能的。二是灵活及性能优良。微机保护技术的原理是测量、计算 和逻辑判断，即将检测出的电气量与动作量整定值比较，超过整定值发出动作信 号。所以只要研究出适当的算法，c p u 就能迅速计算出相应的电气量，完成功能 不同的保护，如馈线保护、变压器保护或电容器保护。 智能脱扣器也叫做智能控制器或智能监控保护单元，它是智能断路器的核 心部件，是低压断路器的检测和故障处理单元，它对被保护电路进行电参数的检 测和判断，决定断路器是否动作和如何动作口1 ，其性能直接关系到断路器工作的 可靠性。 当前，向小型化、高分断、多功能、模块化、可通讯发展，积极开发智能化 产品( 包括三段保护以及各种智能化功能) 是塑壳式断路器新时期发展趋势。新一 代塑壳式断路器的综合技术和经济指标较老产品有了较大的提高。总体开发思路 是：最大限度地满足整个配电系统的需要，不盲目追求高指标，在提高技术指标 的同时考虑系统的适用性、安全性、可靠性和经济性。新一代塑壳式断路器具有 完善的额定电流系列，且额定电流可调，与框架式断路器一起能提供从几十安培 至几千安培的配电系统整体解决方案眄1 。 1 3 2 智能脱扣器的保护功能 智能脱扣器也叫智能控制器或智能控制保护单元，包含以下功能小岫： 1 保护、 包括电流三段保护( 过载长延时、短路短延时、特大短路瞬时) 和差动保护、 单相接地故障保护、失压、欠压、过压、反相序保护等，保护参数可设定( l 型 采用编码开关或拨码开关整定方式，m 、h 型采用数码显示和按键整定方式) 。 2 测量 可测量电流、电压、频率、有功功率、无功功率、功率因数、电能等各种电 8 江苏大学硕士学位论文 量和非电量的测量( 温度、温升量、湿度等) ，并可以选择显示。 3 断路器状态在线监测 例如： ( 1 ) 断路器操作次数统计：监测断路器是否达到规定机械寿命次数或达 到需要进行维修的次数。 ( 2 ) 开断电流加权值：间接监测断路器触头的电磨损，预测其剩余电寿 命。 ( 3 ) 对电压互感器、电流互感器及一次开关电器操作线圈等进行断线监 测，一旦发现断线情况，立即给出报警信号。 ( 4 ) 脱扣器单元自检：包括对存储器、i 0 接口寄存器、开关量输入通 道、继电器命令出口电路的定时检查和佼验。 ( 5 ) 热记忆功能：记忆过载电流引起线路或设备的发热程度，进而控制 重启动时间和重启动后再次故障时的动作时间控制。 4 通信 智能脱扣器与配电自动化系统的主控计算机( 上位机) 进行通信，一方面上传 电参数测量值、断路器工作状念( 断开还是闭合) 、故障信号、出f 路器自诊断信息 等：另一方面，上位机可对断路器进行遥控( 断路器分、合闸) 、遥测、遥调( 调整 保护整定值) 、遥信。 5 人机交互功能 由键盘和显示器配合完成，现场操作人员可通过键盘把开关设备的保护定 值、功能设置、要求显示的内容等信息输入监控单兀，监控单元将按设定信息工 作，并把结果送到监控单元液晶显示器就地显示。 6 故障记忆功能 记录故障发生前、发生中徊发生后，在规定的时间段内的i l l 压、电流波形及 一次元件分、合闸信息( 延时动作时间、故障类别等) 。 。 7 试验功能 模拟现场部分或全部故障状况进行断路器全部或部分的试验。 8 可增选功能 通过人机交互界面，可以增加或减少部分功能。 9 江苏大学硕士学位论文 的。 5 电磁兼容技术2 小别删 在低压电器领域中，断路器可以用来对供配电线路和用电设备的过载、短路、 单相接地及欠电压等实现保护，以避免或减少故障给电力系统及用电设备所造成 的损失，确保供电系统的可靠性。低压断路器的各种保护功能以及监测和通信功 能等都是由智能控制器完成的。因此，低压断路器的智能控制器必须具有很高的 可靠性和抗干扰能力，特别是抗电磁干扰。由于智能控制器工作环境非常恶劣， 常常工作在大电流( 几千安培，短路时有时可达到几十千安以上) 状态，电磁干扰 非常大，因此智能控制器电磁兼容性e m c ( e l e c t r o i i l a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 变 成了越来越重要的问题。e m c 包括两种含义：一方面要求低压电器在使用场合工 作时，不受外界电磁干扰而引起误动作，另一方面要求电器操作产生的电磁场不 干扰附近的电子设备。智能化电器和其保护、监控系统把敏感的数字电器元件处 于强电流及高电压电磁场中，使这些设备的电磁抗干扰能力在设备设计和运行中 己成为不可忽视的因素。因此，在智能控制器设计初级阶段，就要制定严格的 e m c 控制与管理计划。e m c 设计包括电磁屏蔽、接地、导线间距的确定以及考虑 印刷电路板布线之间的电磁偶合等。 1 4 本文研究的主要内容 微电子领域新技术的发展给电力系统带来了电力电子技术发展的新浪潮，如 何在传统的电器设备中应用新技术，以更低的成本为用户提供更优质更可靠的电 能，成为技术工作者的目标。因此，本文的主要研究内容是现场可编程逻辑器件 在低压供配电保护系统中的应用。包括： 1 在现场可编程芯片( f p g a ) 上构建片上可编程的三段电流保护系统，努 力把多个功能单元集成在一块芯片上，提高系统集成度和可靠性，减小 系统成本。 2 设计硬件系统，实现参数的采集、处理、显示等功能。 3 编制参数检测、处理、显示、存储的d l 应用程序模块。 4 完成系统部分的功能仿真等。 1 2 江苏大学硕士学位论文 主要取决于a d 的转换速度和c p u 的处理速度：另一项是将连续的电流进行量化而 产生的量化误差，这主要取决于a d 转换器的位数。采用这种方法求取有效值， 硬件电路简单，但是软件计算量大。为了减小有效值的误差，应适当增加一个周 期内的采样点数n ，点数增加，计算量增大，但是采用这种方法求取有效值对信 号波形的依赖性很小。 3 由傅立叶变换得 由傅立叶变换求取有效值的原理是，a d 以一定的采样频率进行模数转换， 获得信号离散的采样数据，经过离散傅立叶变换( d f l l ) ，计算出基波有效值，计 算公式如下： ，= 正+ 髟 ( 2 4 ) 厶= 专篓酬2 万旁 汜5 ， = 专篓涮2 万旁 汜6 ， 其中n 为每周波的采样点数，毛为第n 个采样数值，为电流的实部，为 电流的虚部。应用该方法计算有效值的条件和按有效值公式计算的条件差不多， 但是该方法计算中大量引用了正弦、余弦函数。基波信号占到总信号的9 5 以上， 而且不包含各种谐波分量，常常用作各种保护算法的依据，其余谐波分量可以作 为故障分析等的参考。 2 2 保护原理及实现方法 大多数保护算法的计算可视为对交流信号中参数的估算过程，对算法性能的 评价也取决于其是否能在较短数据窗内，从信号的若干采样值中获得基波分量或 某次谐波分量的精确估计值。衡量各种算法的优缺点，重要指标可以归结为：计 算精度、响应时间和运算量。这三者之间往往是相互矛盾的，因此应根据保护的 功能、性能指标( 如精度、动作时间等) 和保护装置硬件条件( 如c p u 的运算速度、 存储器的容量等) 的不同，采用不同的算法圆乜1 。 保护特别是快速动作的保护对计算速度要求很高。由于反映工频电气量的通 道设有滤波环节，各种保护算法都需要时间，因此在其他条件相同的情况下，尽 1 5 江苏大学硕士学位论文 量提高算法的计算速度，缩短响应时间，可以提高保护的动作速度。在满足精度 的条件下，在算法中经常采用缩短数据窗、简化算法以减小计算工作量，或采用 兼有多种功能的算法以节省时间等措施来缩短响应时间，提高速度咖。 配电系统和用电设备的过载运行是经常发生的，例如，照明线路的过负荷、 大容量电动机的起动、变负荷系统中负载的增减等等。低压断路器作为保护元件， 智能控制器保护特性必须与被保护对象的热特性配合，其中必须考虑的主要问题 之一是被保护对象热积累的模拟。过载时，系统中负载电流成倍增加，在线路和 设备上直接以，2 f 的形式表现出来。在反时限延时保护特性曲线范围内被保护电 器的时间一电流特性呈现“，2 f = 常数”的反时限特性。不管电流如何变化，被保 护对象最终的热积累总值应符合，2 f = 罗，保护功能是智能控制器最重要的功 百 能之一，保护功能的设计在整个控制器的设计中占有极其重要的地位。本节讨论 智能脱扣器的保护功能及其实现原理，重点介绍过载延时、短路短延时和短路瞬 动三段电流保护的实现原理倒捌。 2 2 1 保护的算法及分析 电力系统发生故障时，往往是在基波上叠加有衰减的非周期分量和各种高频 分量，因此要求控制器对输入的电流、电压信号进行预处理，尽可能的滤除非周 期分量和高频分量。傅氏算法带有很强的滤除高次谐波的功能，且收敛稳定，因 而得到了广泛的应用。 本智能控制器的保护算法采用傅氏算法，以电流为例，分解出n 倍频率的电 流的实部、虚部分别如下所示町： 娜厶= 号豁州七等 亿7 ) 觑= 号承s 访f 旷争 汜8 ， 将n ( 采样点数) ，n = 1 代入得基波的实部厶。、虚部。，则电流基波幅值为： 厶= 1 2 + 1 2 ( 2 9 ) 1 6 江苏大学硕士学位论文 当计算出来的电流基波幅值大于或等于电流整定值的时候，就判断为故 障。为了计算上的方便，同时为了减小误差，编程时直接采用平方值来比较， 即矸( k 定值) 2 时，认为故障发生。 2 2 2 三段电流保护的原理 在电力系统中，存在发生各种故障的可能，虽然危害最大的是发生系统的短 路，但是从发生的几率来看，出现最多的故障则是过电流线路中的电流长期 高于额定电流的一种非正常工作状态。因为发生过电流故障时系统电流比额定电 流略高，所以其程度不会立即对线路或电力系统中的负载设备造成损害，但是如 任由其发展下去，长时间的累计效应，同样会给线路和用电设备带来很大的破坏。 系统长时间工作在超过其额定电流的情况下，不论是绝缘还是各部件的机械强度 都将迅速降低，加速系统的老化，而且机械性能、电接触性能的降低又会给其他 类型的故障提供了可能性，所以更要认真对待。 过电流保护是智能型断路器最重要的保护功能。智能断路器具有过载长延 时，短路知延时和短路瞬动三段电流保护特性。智能型断路器的过电流保护特性 由时间一电流曲线表示，曲线位于直角坐标系中。纵坐标为动作时间，横坐标为 电流倍数。信号检测部分采用罗可夫斯基线圈，不仅具有良好的线性度和不饱和 性，并且能真实地反映回路中故障电流的变化和大小。智能型断路器已广泛应用 到多种领域，有配电、有发电、有电动机保护、有普通上下级配合、有与高压侧 熔丝配合等。典型的智能型断路器过电流保护特性包含了过载长延时、短路短延 时和知路瞬动三段电流保护特性呻儿11 1 。三个电流保护段的电流整定值覆盖范围可 以用数轴表示删，见图2 1 。 i r l 广- 工l 王1 气打 吲l 诜一l 诜r o ：! ! ! ! 崆! s i n 6 5 k a 图2 1 整定值覆盖范围 f i g l l 他2 11 1 l c 砌go f a 由u 啦a b i c 垤l 嘴 图中短延时电流覆盖范围分别与长延时电流和瞬时电流覆盖范围相重叠。根 据电流保护整定值的不同，断路器可以同时或分别具有三段保护特性m ，见表3 1 1 7 江苏大学硕士学位论文 表3 1 电流整定与保护特性关系 序号电流整定电流保护功能备注 li r l i r 2 i r 2短延时、瞬动 3 i r l h 2 ，k 3 k 2长延时、瞬动 4i r l = i r 2 = i r 3瞬动 5i r l h 2 ，i r 3 = o f f长延时、短延时 i r 3 = o f f ，瞬动功能 6 i r l i r 2 ，i r 3 = o f f短延时 一 被锁定 ir 1 ：长延时电流整定值；i r 2 ：短延时电流整定值；i f 3 ：瞬动电流整定值。 下面分析智能断路器三段保护特性1 乜刀。 1 过载长延时特性 在电力系统的运行当中，可能发生各种故障和一些不正常的运行现象，其中 最常见的不正常运行状态就是过载。过载是指供电线路中的电流高于额定电流的 一种不正常的工作状态。过载电流不会马上危害到电网和电器设备，但是如果长 期存在的话，会使导体发热，影响其使用寿命。主要有以下几个方面的影响：i ) 绝缘材料在使用中如果超过了限定的温度，将会加速老化，其电气强度和机械强 度将不断地降低，大大缩短使用的寿命：i i ) 导体发热会引起接触部分的接触电 阻增大，温度升高，危及正常的工作。i i i ) 长期的发热会使金属性导体的抗拉强 度显著降低可能在短路电动力的作用下变形或者损坏。 过载长延时特性的数学表达式为 f ：l( 2 1 0 ) f = i 一 ( z h j ) 。一1 其中= ，f 为长延时动作延时值，为过电流值，为长延时电流保护 ， 整定值，k 为长延时动作时间系数整定值，为特快反时限特性( 动作时间与故障 电流成反比) 。其中n 相可设置为5 0 保护或1 0 0 9 6 保护，长延时动作时间系数整定 值k 决定过载长延时保护的选择范围。在智能型脱扣器的使用说明书中，给出了 江苏大学硕士学位论文 2 ，过载电流时的动作延时时间f 。 2 短延时特性 系统中不同相的导线间或相对地发生金属性的连接或经较小阻抗的连接，就 发生了短路，其直接后果就是电力系统中各工作点的电压降低，电流增大，而由 大电流作用产生的热和力的作用又会造成绝缘破坏、设备变形等后果。 由于短路电流很大，会在出现故障的瞬间释放巨大的能量，所以后果是非常 严重的，但只要正确地选择保护装置、合理整定保护动作值，就可消除或减轻短 路的影响。为此有必要对短路电流进行分析和计算，再确定合理的保护措施。 短延时保护有两种方式，一种为反时限保护，当故障电流超过反时限电流设 定值时，控制器按与过载一样的曲线进行保护，仅是保护的速度要快1 0 倍( 即按 过载曲线函数计算出的故障延时时白j 的十分之一) ；另一种为定时限保护，当故 障电流超过定时限电流设定值时，控制器按定时限延时保护。每个保护可根据需 要关闭相应的功能。 当反时限电流值置于“o f f ”位置或定时限电流值设置小于等于反时限电流 值时，则控制器按定时限保护，反时限功能自动失效。当定时限保护投入时，无 论定时限或反时限，短延时动作时间均不小于定时限的设置时间。但当定时限保 护退出时，反时限保护的延时动作时问则不受定时限延时时间设置值限制( 但不 小于2 0 m s ) 。 3 短路瞬动特性 瞬动保护时采取即采即比的方案，即将每次的采样值与整定值比较，若大于 整定值，则再采样一次，如果仍然大于整定值，说明是故障出现，否则属于尖峰 干扰。 当检测到电流超过短路瞬动保护的设置值时，理论上断路器应该马上动作， 考虑到断路器固有分断时问，短路瞬动保护的动作时间( 含断路器固有分断时间) 应小于l o o i s 智能断路器一般设有o f f 锁定功能，在不需要的相应的保护中可关 闭相应的保护功能。 2 2 3 接地保护 接地故障是指电网的线和地发生短接而产生的故障，严重危及电气设备和人 1 9 江苏大学硕士学位论文 的安全，智能脱扣器必须在接地电流超过整定值时实现断路器的脱扣或者发出报 警信号。 接地电流耿中线电流凡与三相电流的矢量和，即 1 6 = i t + i b + i c i n ( 2 1 、) 由于接地故障电流可能出现断续现象，在超过电流整定值后不能持续到故障 的整定时间，造成智能脱扣器不能正确地发出脱扣信号，这就要求在软件设计的 时候，让智能脱扣器附带记忆功能，把几次超过故障整定电流值的时间记录下来， 一旦累计的时间超过了故障整定时间，脱扣器就进行正确地脱扣。 2 2 4 电流保护特性曲线的运用 配电系统和用电设备的过载运行是经常发生的。过载时，系统中负载电流成 倍增加，对线路和设备造成危害。为使配电系统可靠安全供电，要求断路器必须 能躲过正常的过载范围内，可以先用指示灯预报警，提供一定的延时，以便有足 够的时间切断过负荷设备，或为保证重要负荷的运转而切断次要负荷，减少经济 损失。智能断路器过载电流的整定重要考虑整个系统的经济性和保护的可靠性。 短路故障是配电系统正常运行遭到破坏的最主要原因。短路电流往往要比正 常电流大几十倍，甚至上百倍。有效地切断故障电路是断路器的重要功能，同时 它还必须保证非故障部分的正常供电。这就是所谓的选择性短路保护。对于有选 择性保护要求的系统，其动作时间的整定必须分级进行。干线上断路器短延时可 返回时间应大于支路上的断路器全分断时间。智能型断路器设置了短延时反时限 和定时限特性，有包含了长延时范围在内的保护区间，以满足上下级之间的选择 性保护。只要在主电路和支路电路的断路器上合理选择电流整定值和动作时间， 就可得到可靠的上下级短路短延时保护配合。 短路瞬时动作功能是为弥补断路器短延时通断能力不足而设置的。线路中一 旦出现特大短路电流，就必须由瞬动使断路器断开。 2 2 5 保护的实现 定时限保护的实现原理比较简单。当故障电流值大于相应的整定电流值时， 江苏大学硕士学位论文 启动定时器，定时时间到，保护动作。在定时时间内，如果故障电流值小于整定 值，则保护退出。反时限保护实质为热保护，动作时间与电流平方成反比。根据 测得的过电流倍数，计算求得动作时间，定时时间到，则保护动作。在定时时间 内，如果故障电流值小于整定值，则保护退出。 反复的过负荷可能引起导体发热，控制器因过载、短延时等故障延时动作后， 具有热效应( 模拟双金属片特性) ，过载热效应能量在故障撤除后3 0 m i n 释放结 束，短延时热效应能量在故障撤除后1 5 m i n 释放结束，在此期间如再次闭合断路 器发生过载、短延时等 x 江苏大学硕士学位论文 第三章f p g a 原理与0 u a r t u si i 平台 3 1 可编程逻辑器件及其分类 3 1 1 可编程逻辑器件概述 随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小 规模集成电路、超大规模集成电路( v l s i c ) 逐步发展到今天的专用集成电路 ( a s i c ) 。a s i c 的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，缩小了设 计的物理尺寸，推动了社会的数字化进程。但是a s i c 因其设计周期长，改版投 资大，灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。硬件工程师希望有一种更灵活的设 计方法，根据需要，在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入使用，这是提出可编程逻辑器件的基本思想啪1 。 可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步。从早期的只 能存储少量数据，完成简单逻辑功能的可编程只读存储器( p r o m ) 、紫外线可擦除 只读存储器( e p r o m ) 和电可擦除只读存储( e 2 p r o m ) ，发展到能完成中大规模的数 字逻辑功能的可编程阵列逻辑( p a l ) 和通用阵列逻辑( g a l ) ，今天已经发展成为可 以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现 场可编程逻辑器件( f p g a ) 。随着工艺技术的发展与市场需要，超大规模、高速、 低功耗的新型f p g a c p l d 不断推陈出新。新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器 ( c p u ) 或数字处理器( d s p ) 内核，在一片f p g a 上进行软硬件协同设计，为实现片 上可编程系统( s o p c ，s y s t e m0 np r o g r 舢b l ec h i p ) 提供了强大的硬件支持矧。 3 1 2p l d 可编程逻辑器件分类 广义上讲，可编程逻辑器件是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接 结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。目前常用的可编程逻辑器 件主要有简单的逻辑阵列( p a l g a l ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程 逻辑阵列( f p g a ) 等3 大类2 9 1 删【3 i 】。 江苏大学硕士学位论文 1 p a l g a l p a l 是p r o g r 锄髓b l ea r r a yl o g i c 的缩写，即可编程阵列逻辑；g a l 是 g e n e r i ca r r a yl o g i c 的缩写，即通用可编程阵列逻辑。p a l g a l 是早期可编程 逻辑器件的发展形式，其特点是大多基于e m o s 工艺，结构较为简单，可编程 逻辑单元多为与、或阵列，可编程单元密度较低，仅能适用于某些简单的数字逻 辑电路。虽然p a l g a l 密度较低，但是它们一出现即以其低功耗、低成本、高可 靠性、软件可编程、可重复更改等特点引发了数字电路领域的巨大振动。虽然目 前较复杂的逻辑电路一般使用c p l d 甚至f p g a 完成，但是对应很多简单的数字逻 辑，g a l 等简单的可编程逻辑器件仍然大量使用。目前，国内外很多对成本十分 敏感的设计都在使用g a l 等低成本可编程逻辑器件，越来越多的7 4 系列逻辑电 路被取代。g a l 等器件发展至今已经近2 0 年了，新一代的g a l 以功能灵活、小 封装、低成本、重复可编程、应用灵活等优点仍然在数字电路领域扮演者重要的 角色。目前比较大的g a l 器件供应商主要是l a t t i c e 半导体公司。 2 c p l d c p l d 是c o m p l e xp r o g r a 咖a b l el o g i cd e v i c e 的缩写，即复杂的可编程逻 辑器件。a l t e r a 为了突出特性，曾将自己c p l d 器件称为e p l d ( e n h a n c e d p r o g r a m i a b l el o g i cd e v i c e ) ，即增强型可编程逻辑器件。其实e p l d 和c p l d 属于同等性质的逻辑器件，目前a 1 t e r a 为了遵循称呼习惯，已经将其e p l d 统称 为c p l d 。c p l d 是在p a l 、g a l 的基础上发展起来的，一般也采用e 2 c m o s 工艺， 也有少数厂商采用f 1 a s h 工艺，其基本结构由可编程i o 单元、基本逻辑单元、 布线池和其他辅助功能模块构成。c p l d 可实现的逻辑功能比p a l 、g a l 有了大幅 度的提升，一般可以完成设计中较复杂、较高速度的逻辑功能，如接口转换、总 线控制等。c p l d 的主要器件供应商有a 1 t e r a 、l a t t i c e 和x i1 i n x 等。 3 f p g a f p g a 是p r o g r 锄帆b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程逻辑阵列。f p g a 是在c p l d 的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用s r a m 工艺，也有一些专用器件采用f 1 a s h 工艺或反熔丝( a n t i f u s e ) 工艺等。f p g a 的 集成度很高，其器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂 的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。 江苏大学硕士学位论文 f p g a 的基本组成部分有可编程输入输出单元、基本可编程单元、嵌入式r a m 、丰 富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核等。f p g a 的主要器件供应商 有x i l i n x 、a 1 t e r a 、l a t t i c e 、a c t e l 和a t m e l 等。 3 2f p g a 基本结构 简化的f p g a 基本由6 部分组成，分别为可编程输入输出单元、基本可编程 逻辑单元、嵌入式块i 砌、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核 等。每个单元的基本概念如下川嘲删： 1 可编程输入输出单元 输入输出( i n p u t o u t p u t ) 单元简称i o 单元，它们是芯片与外界电路的接 口部分，完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配需求。为了使f p g a 有更灵活的应用，目前大多数f p g a 的i o 单元被设计为可编程模式，即通过软 件的灵活配置，可以适配不同的电气标准与i o 物理特性；可以调整匹配阻抗特 性，上下拉电阻；可以调整输出驱动电流的大小等。 可编程i o 单元支持的电气标准因工艺而异，不同器件商不同器件族的f p g a 支持的i o 标准也不同，一般来说，常见的电气标准有l v t t l 、l v c m o s 、s s t l 、 h s t l 、l v d s 、l v p e c l 和p c i 等。值得一提的是，随着a s i c 工艺的飞速发展，目 前可编程i o 支持的最高频率越来越高，一些高端f p g a 通过d d r 寄存器技术， 甚至可以支持高达2 g b i t s 的数据速率。 2 基本可编程逻辑单元 基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变其内部 连接与配置，完成不同的逻辑功能。f p g a 一般是基于s r a m 工艺的，其基本可编 程逻辑单元几乎都是由查找表( l u t ，l o o ku p t a b l e ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成的。 f p g a 内部查找表一般为4 输入( 注：a l t e r as t r a t i xi i 的自适应逻辑模块 a l m 结构比较特殊) ，查找表一般完成纯组合逻辑功能。f p g a 内部寄存器结构相 当灵活、可以配置为带同步屏步复位或置位、时钟使能的触发器( f f ，f l i pf 1 0 p ) ， 也可以配置成为锁存器( l a t c h ) 。f p g a 一般依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。 一般来说，比较经典的基本可编程单元的配置是一个寄存器加一个查找表，但是 不同厂商的寄存器和查找表的内部结构有一定的差异，而且寄存器和查找表的组 江苏大学硕士学位论文 合模式也不同。例如，a 1 t e r a 可编程逻辑单元通常被称为l e ( l o g i ce 1 e m e n t 、 逻辑单元) ，由一个r e g i s t e r 加一个l u t 构成。 a 1 r e r a 大多数f p g a 将1 0 个l e 有机地组合起来，构成更大功能单元逻 辑阵列模块( l a b ，l o g i ca r r a yb 1 0 c k ) ，l a b 中除了l e 还包合l e 间的进位链、 l a b 控制信号、局部互联线资源、l u t 级联链、寄存器级联链等连线与按照资源。 x j 1 l i n x 的可编程逻辑单元叫s 1 i c e ，它是由上下两个部分构成，每个部分都由 一。卜r e g i s t e r 加一个l u t 组成、披称为l c ( l o g i cc e l l ，逻辑单元) ，两个l c 之 帕jf 亍一些共用逻辑，可以完成l c 之间的配合与级联。l a t t i c e 的底层通缉单元 叫! ，f u ( p r o g r a m m a b l ef u n c t i o nu n i t ，可编程功能单元) ，它由8 个l u t 和8 9 个一e e g i s t e r 的配置比率，并优化其内部的连接构造。 学习底层配置单元的l u t 和r e g i s t e r 比率的一个重要意义在于器件选型和 规j 遗估算。很多器件手册上用器件的a s i c 门数或等效的系统门数表示器件的规 杖。但是由于目前f p g a 内部除了基本可编程逻辑单元外，还包合有丰富的嵌入 式： a m 、p l l 或d l l ，专用h a r di pc o r e ( 硬知识产权功能核) 等。这些功能模块 也，? 等效出一定规模的系统门，所以用系统门权衡基本可编程逻辑单元的数量是 刁：i 馐确的，常常混淆设计者。比较简单科学的方法是用器件的r e g i s t e r 或l u t f f ： 没量衡量( 一般来说两者比率为1 ：1 ) 。例如，x i l i n x 的s p a r t a n 一i 系列的 x ( ：s 1 0 0 0 有1 5 3 6 0 个l u t ，而l a t t i c e 的e c 系列l f e c l 5 e 也有1 5 3 6 0 个l u t ， 所以这两款f p g a 的可编程逻辑单元数量基本相当，属于同一规模的产品。同样 道健，a 1 t e r a 的c y c l o n ei i 器件族的e p 2 c 8 的l e 数量是8 2 5 6 个，就比前面提到 的i ，；i 款f p g a 规模略小。需要说明的是，器件选型是一个综合性问题，需要将设 计的需要、成本压力、规模、速度等级、时钟资源、i o 特性、封装、专用功能 杉：琏等诸多因素综合考虑。 3 嵌入式块i 洲 目前大多数f p g a 都有内嵌的块r a m ( b 1 0 c kr a m ) 。f p g a 内部嵌入可编程r a m 桫! 起，大大地拓展了f p g a 的应用范围和使用灵活性。f p g a 内嵌的块i 洲一般可 以灵活配置为单端口r a m ( s p i 洲，s i n 9 1 ep o r ti 洲) 、双端口r a m ( d p i ，d o u b l e p o r t sr a m ) 、伪双端口r a m ( p s e u d od p r a m ) 、c a m ( c o n t e n ta d d r e s s a b l em e i i l o r y ) 、 f i r o ( f i r s ti nf i r s t0 u t ) 等常用存储结构。r a m 的概念和功能读者应该非常熟 江苏大学硕士学位论文 悉，在此不再冗述。f p 6 a 中其实并没有专用的r o m 硬件资源、实现r o m 的思路 是对r a m 赋予初值，并保持该初值。所谓c a m ，即内容地址储存器。c a m 这种存 储器在其每个存储单元都包含了一个内嵌的比较逻辑，写入c a m 的数据会和其内 部存储的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有内部数据的地址。 概括地讲，r a m 是一种根据地址读、写数据的存储单元；而c a m 和i 础恰恰相反， 它返回的是与端口数据相匹配的内部地址。c a m 的应用也非常广泛，比如在路由 器中的地址交换表等。f i f o 是“先进先出队列式存储结构。f p g a 内部实 现r a m 、r o m 、c a m 、f i f o 等存储结构都可以基