（电工理论与新技术专业论文）基于高性能嵌入式mcu的电动机保护器.pdf

t h ep r o t e c t i o nc o n t r o l l e rb a s e do nt h eh i g h p e r f o r m a n c e m c uf o re l e c t r o m o t o r a b s t r a c t b yn o wt h ee l e c t r i c a lp o w e ri n d u s t r yi sr a p i d l yd e v e l o p i n g ，t h ee l e c t r o m o t o r i st h e m o s tp o w e re q u i p m e n ti nt h ee l e c t r i c a ls y s t e ma n dw i d e l yu s e di n t h ei n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r ep r o d u c t i o n i t sa l s oe s p e c i a l l yi m p o r t a n tt o d oi t sp r o t e c t i o nw e l la tt h e s a m et i m et h a to u rc o u n t r yi sa c t i v e l yc a l l i n gf o re c o n o m i z i n ge n e r g ys o u r c e sa n d i m p r o v i n g t h ee l e c t r i c a l s y s t e mq u a l i t y n o wt h em a t u r em i c r o c o m p u t e r r e a l - t i m e p r o t e c t i o nh a sm a s s i v e l ye n t e r e dt h er e l a yp r o t e c t i o nd o m a i n m i c r o c o m p u t e rr e l a y p r o t e c t i o ni st h ei m p o r t a n td i r e c t i o no fr e l a yp r o t e c t i o nt e c h n i q u ed e v e l o p m e n t t h ee l e c t r o m o t o r sm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nc o n t r o l l e rw h i c ht h ep a p e ri n t r o d u c e d c h o o s e sm eh i 西p e r f o r m a n c em c u m b 9 0 f 5 4 3 ga st h ep r o t e c t i o n c o r e i t i s c o m p o s e do fc p u ，r a m ，r o m ，t i m e r , u a r t , c a nn e t w o r ki n t e r f a c e ，h a v i n g c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hr e l i a b i l i t y ，l o wp o w e r , f a s tr e a l t i m eo p e r a t i o ns p e e d ， n e t w o r k s ，r e d u n d a n c y ，r e s o u r c ei ns h a r ee t c ，a n di tu s e s14b i t sh i g hp r e c i s i o n a dc h i p a st h ep r o t e c t i o na dc o n v e r s i o n ，s oc o m p a r e dw i t ht h es i m i l a rp r o d u c t s ，i t sm e a s u r e p r e c i s i o na n dp r o t e c t i o nr e l i a b i l i t ya r ei m p r o v e d t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h e d e s i g np r i n c i p l eo fe l e c t r o m o t o rm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n t h eh a r d w a r es y s t e m i s c o m p o s e do fd o u b l e c p u ，m u l t i l a y e rc i r c u i tb o a r da n dm a n yk i n d so fc o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n t s t h es o r w a r es y s t e mu s e ss t r u c t u r a lp r o g r a m m i n g ，d i tf f ta l g o r i t h ma n d m a n yf u n c t i o ns o f t w a r e t h ep r o t e c t i o nc o n t r o l l e rp a s s e sa l lp r o t e c t i o nf u n c t i o nt e s t s ， a n dc o m p l e t e st h es i m u l a t i o nt ot h ek i n d so fo r d i n a r yf a u l t sf o re l e c t r o m o t o rb yt h e m a t l a b s i m u l i n k i tc o n f i r m st h ep r o t e c t i o np l a no fe l e c t r o m o t o r a tp r e s e n t ，t h i sm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nc o n t r o l l e ro fe l e c t r o m o t o rb a s e d o n m b 9 0 f 5 4 3 gh a sc o m p l e t e dt h en a t i o n a lt y p et e s ti nt h en a t i o n a lc e n t e ro fq u a l i t y i n s p e c t i n g a n dt e s t i n go fe l e c t r i ce q u i p m e n t s t h et e s tr e s u l ts h o w st h a t i t sm a i n p e r f o r m a n c e sa r eb e t t e rt h a nn a t i o n a ls t a n d a r d i tc a nb ew i d e l yu s e dt ot h eh i 曲v o l t a g e a s y n c h r o n o u sm o t o rb e l o w2 0 0 0 k ww h i c hd o e sn o ts e tl o n g i t u d i n a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r o m o t o r , m i c r o c o m p u t e r , p r o t e c t i o n c o n t r o l l e r 声明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中 已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于 培养单位。 本人签名： p 叨 霭季 日期： 沙矽7 多伊 第一章引言 1 1 电动机保护的意义 第一章引言 当前，以节能降耗促进经济结构调整和经济增长方式转变，已摆在中国经济发展的 至关重要战略位置。“十一五”规划纲要中提出的“单位g d p 能耗下降2 0 左右”要求， 使探寻能耗在生产过程中的节能等闯题，成为全社会必须共同肩负起的历史责任。构成 g d p 增长的动力设备各类电动机的用量也在快速增长中，据不完全统计，现全 国运行的电动机数量为6 , 0 0 0 万台，占电网用电量的7 0 以上，是最大能耗设备，而且 电动机也是电网中故障率最高的设备，全国每年烧毁电动机数量约数百万台，容量达到 数十亿千瓦，每年仅电动机在烧毁过程中耗电与修理费高达数百亿元，造成停工停产损 失也远远超过数百亿元。除上述费用以外，经修复后的电动机效率会下降，无功损耗增 加，直接影响节能降耗。 因此，电动机的保护就尤为重要，成为节能降耗的关键。电动机保护的作用就是准 确及时消除电动机故障，提高生产效率和经济效益；合理、有效利用能源，保障电网运 行安全。电动机保护器是发电、供电、用电系统的重要器件；是跨行业、量大面广、节 能效果显著的节能机电产品，几乎渗透到所有用电领域；是工业、农业和国防建设及人 民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要 地位和作用。 1 2 电动机保护的几个发展阶段 电力系统的快速发展对系统的继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术 与网络技术的飞速发展又为继电保护技术的发展开辟了新的技术途径，因此，继电保护 技术在5 0 余年的时间里可分成4 个发展阶段。 5 0 年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外继电保护设备性能 和运行技术【”，建成了一支具有继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队 伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。 5 0 年代末，晶体管继电保护已开始研究。6 0 年代中期到8 0 年代中期是晶体管继 电保护蓬勃发展和广泛采用的年代。 1 基丁高性能嵌入式m c u 的j 乜动机保护器 从7 0 年代中期歼始，基于集成运算放大器的集成电路继电保护已丌始研究，到8 0 年代木集成电路的继电保护已形成，开始取代晶体管的继电保护。到9 0 年代初集成电 路的继电保护的研制、生产、应用已处于主导地位，这是集成电路保护时代。 从9 0 年代开始我国继电保护技术己开始向微机化方向发展，不同原理、不同机型 的电动机微机保护开始出现，为电力系统提供了一批批新一代性能优良、功能齐全、工 作可靠的继电保护装置。近年随着微处理器技术的不断发展，微机保护装置的研究在保 护软件、算法等方面又取得了很多创新性成果。 1 3 基于m c u 的电动机微机保护的发展现状 微机保护由最初的单c p u 的硬件结构为主发展为多单片机构成的多c p u 硬件结构。 单c p u 的微机保护装置是指整套微机保护共用一个单片微机完成数据采集、逻辑运 算、人机接口、出口信号等任务。这是第一代微机保护装置的特点：结构简单，后备保 护、主保护共用一个c p u ，缺点是可靠性不高。对于比较简单的微机保护，保护功能较 少，为了简化保护结构，还是采用单c p u 系统。 对于较复杂的微机保护，为提高保护可靠性，多采用多c p u 结构。多c p u 的微机 保护装置中，按功能配置多个c p u 模块，分别完成不同保护原理的多重主保护、后备保 护及人机接口等功能。 新型微机保护多采用总线不出芯片的1 6 位单片机，如用i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 系 列c p u 组成的微机保护。使用单片机为主的微机保护具有较强的针对性，系统结构紧凑， 整体性能和可靠性高，性能价格比高，使用单片机的微机保护在电力系统中得到了成功 的应用，如l f t 一9 0 0 型、c s l 1 0 0 型微机保护等。现阶段使用单片机的微机保护仍将 是我国微机保护的主流产品。 单片机可分为8 位机、1 6 位机和目前比较流行的3 2 位机碑1 。生产单片机的半导体 厂家很多，包括：i n t e l 、p h i l i p s 、s i e m e n s 、a d m 、a t a i e l 、m i c r o c h i p 等。单片机以 其简约的指令系统、纳秒级的指令周期、强大的外围接口功能深受电子工程师们的青睐。 可靠性是继电保护设备最重要和最基本的要求，对于微机保护的可靠性而言，在 某种程度上取决于c p u 本身的可靠性和抗干扰性能，总线不引出芯片的c p u 是国内外公 认的最可靠方案。从可靠性的角度来分析，c p u 的运算速度和位数并没有对可靠性产生 影响。 2 旃一尊引膏 目日，j ，已有3 2 位的c p u ，但同时还在生产大量的8 位、1 6 位机。在微机保护装置 中，c p l 运算速度和位数的选择应以“够用”为原则3 ，即c p u 能否在两个相邻采样间 隔内完成必须完成的工作，没有必要片面地追求c p u 的位数或运算速度。仅就实现继电 保护最主要的功能而言，1 6 位的c p u 完全可以满足继电保护的要求。今后随着网络通 信功能的增强，微机保护的某些部分，如人机界面、通信接口等可能需要些位数多、 速度快一些的c p u 。 1 4 本课题的提出和创新点 根据第一节所述，电动机的保护关系到工业、农业和国防建设及人民生活正常生产 和安全工作，与国民经济息息相关。市场中的电动机微机保护产品种类也比较多，但真 正使用户达到满意程度的产品屈指可数。目前，市场流行的产品存在以下几个方面的缺 陷：第一测量精度低；第二产品功能单一；第三动作反应时间慢；第四装置运行稳定性 * 位o 基于社会与市场的需要，我们提出了本课题：自主研发基于高精度嵌入式芯片 m b 9 0 f 5 4 3 g 的电动机微机继电保护控制器，目的是针对现有保护器存在的缺陷进行改 进，达到提高电动机保护快速性与可靠性的目的。 我们开发的这套保护器具有以下创新点： 其一：保护采用具备3 2 位加、减、乘、除等计算能力的高性能嵌入式c p u ，并且 采用双c p u 结构，真正实现了总线不出芯片，抗干扰更好( 普通的8 位、1 6 位机运算 速度不能满足微机产品实时性的要求) ； 其二：保护采用1 4 位高精度a d ，精度更高( 以前产品基本都采用1 2 位) ； 其三：保护器软硬件两方面进行了相当大的改进，分别如下： 软件方面： a ) 使用结构化编程，包括大量函数与子程序； b ) 使用大量表格，逻辑更清晰更简单： c ) 使用大量软件压板，功能组态更方便； d ) 算法采用了d i tf f t 算法，运算速率高且增强了滤波功能，使故障判断 更迅速、更准确。 硬件方面： 基丁高性能嵌入式m c u 的电动机保护器 a ) 主c p u 板采用多层板结构，抗干扰能力大大提高； b ) 使用了包括c a n b u s 协议、m o d b u s 协议、1 2 c 协议、s p i 协议、g p s 协议 等多种通讯协议，装置组网方便快捷。 在此平台开发的保护器，集中了测量、保护、控制等功能，实现了“四遥”，达到 并优于市场同类产品的功能要求，本保护器的研制成功是电动机保护技术的进步。 4 第一二章电动机保护原理与保护功能殴置 第二章电动机保护原理与保护功能设置 2 1 电动机保护原理 电动机故障常见的类型有对称故障和不对称故障两大类。对称故障对电动机的损 害主要是由于电流增大引起的热效应，不对称故障多半不出现明显的电流幅值变化，它 对电动机的损害主要是不对称引起的负序效应。根据对称分量法分析，当电动机发生不 对称故障时，电动机的电流可以分解为正序、负序和零序分量，且负序、零序电流会以 较大幅值出现。根据上述分析，可以将电动机的保护分解成过流保护、负序电流保护、 零序电流保护三个部分。 ( 1 ) 过流保护 过流保护包括两段式电流保护、电动机启动时间过长保护、电动机堵转保护、电 动机过负荷保护。其中两段式电流保护包括电流速断保护( 即电流1 段，用于电动机相 间故障) 与电流2 段保护( 用于电动机内部故障) 。 ( 2 ) 负序电流保护 电动机发生严重的不对称故障时，负序电流很大。具体包括负序电流1 段保护、负 序电流二段保护。 ( 3 ) 零序电流保护 电动机发生单相接地故障时，会产生较大的零序电流。具体包括零序电流1 段保护、 零序电流2 段保护。 同时，在电动机故障中，常见的还包括由于电压降低引起的故障，因此，还要设置 低电压保护与失电压保护。 ( 4 ) 低电压保护 根据生产过程和技术安全要求，当电源电压短时降低或短时中断后又恢复时，需要 断歼的次要电动机和有备用自动投入机械的电动机，应配置低电压保护。 ( 5 ) 失电压保护 根据生产过程和技术安全要求，在电源电压长时间消失而不允许自启动的重要电 机，应装设失电压保护。 在继电保护国家标准中，依据电动机故障发生的部位，对电动机的故障做如下规定： 基r 高性能l 妖入式m c u 的i 匕动机保护器 “电动机常见故障主要分四类：定子绕组相间短路( 见图2 2 ) ：定子绕组单相接地( 见 图2 1 ) ：定子绕组过负荷；定子绕组低电压。针对以上异步电动机的故障及异常运行 方式，应装设相应的保护装置。” t 。 m 图2 1 电动机单相接地故障图2 2电动机相间短路故障 2 2 本保护器具体保护设置与保护判据 针对以上异步电动机的故障类型分类，应设置相应的保护与保护判据。具体保护的 设置与判据如下所述。 2 2 1 两段式电流保护 针对电动机绕组及引出线的相间短路故障，一般设置两段式过流保护，采用突变量 启动的方式。具体保护原理与动作判据如下： ( 1 ) 突变量启动元件 保护中的相电流差突变量启动元件设在每隔t = o 6 2 5 m s 发生一次的采样中断服务 程序中，其动作条件为： i a c ( 0 ) i a c ( 一t ) i 一1i a c ( 一t ) 一i a c ( - - 2 t ) ii 3 a ：t = 2 0 m s 此元件动作门限可整定为3 a ，动作灵敏、准确，具有抗共模干扰能力。 ( 2 ) 辅助启动元件 为保证装置在故障电流缓慢上升，不足以使突变量元件启动时，仍能够正确判别故 6 第二蕈 i u 动机保护臌理 - 4 保护功能设萏 障：在采样中断和静稳循环中各设有一个过流启动元件，它的动作条件为： m a x ( i 。) m i x ( 厶) ： 厶为各段过流元件定值，i 。为相电流值。 ( 3 ) 过流速断判别 过流速断保护( 过流i 段保护) ，作为电动机相间故障的主保护。在电动机启动过 程中，定值自动升为原定值的两倍，可有效地防止启动过程中因启动电流过大引起的误 动，同时还能保证正常运行中保护具有的灵敏度。电机启动完成后，自动恢复原定值。 启动元件动作后，装置进入过流判别：装置在执行速断过流判别时，其动作条件如下： 厶 五：z 为速断电流定值，l 为相电流。按0 6 o 7 五。，。设定。 dz；z 为速断延时定值。 五。r i 电机铭牌上的额定启动电流。 过流工i 段是主要保护电动机内部故障，由控制字来投退。其动作条件： 厶 五：厶为过流工i 段电流定值，厶为相电流。 d 五；五为速断延时定值。 软件中关于电动机启动的判别： ( 1 ) b i a 或b i c 大于“i y l ”，持续时间在“t q d ”内为电机启动过程： ( 2 ) b i a 或b i c 大于“i y l ”，持续时间大于“t q d ”后，为电机正常运转过程； ( 3 ) 保护跳闸成功后，或b i a 和b i c 均小于“i y l ! l s 后，为电机无流，并重新进 行“( 1 ) ”和“( 2 ) ”判别。 2 2 2 启动时间过长保护 当时动机负载过大或发生堵转，在规定的启动时l 白j 内没有完成启动，如不及时动作 跳闸，会烧坏电动机。因此，电动机应设置启动时间过长保护，其动作条件如下： 当m a x ( i a ，i c ) i q d ： q d 为电动机启动电流定值，可设为0 5 i 、“。：i 。为相电流。 t t q d ；t q d 为堵转延时定值。 当电动机启动完成后，即t i 5 * t q d 时，启动时f 6 j 过长保护自动退出。j 鉴- r 高性能嵌入式m c u 的i 岜动机保护器 2 2 3 堵转保护 入。 为了保证电动机不因堵转而烧坏，电动机应设置堵转保护，其动作条件如下： i 中 i l r ；i l r 为电动机堵转电流定值，按堵转电流半设定，i 中为相电流。 t t l r ；t l r 为堵转延时定值。 当电动机启动时，堵转保护元件自动退出，当t i 5 * t q d 时，堵转保护元件自动投 2 2 4 过负荷保护 为防止由过负荷、不对称过负荷、定子断线等引起的电动机过热，电动机应设置过 负荷保护，也可作为电动机短路、起动时间过长、堵转等其它故障的后备保护。当过负 荷累加量大于7 5 时发出告警信号：如过负荷跳闸压板投运，当过负荷累加量大于1 0 0 时，则发出口跳闸命令；跳闸成功后清除积累值。过负荷保护采用反时限保护元件，它 是动作时限与被保护线路中电流大小自然配合的保护元件： 丁：i 鬲丁_ 娶f 蕊( 2 - 1 ) 卜而丽再面瓦耵i 再 h x s 反时限系数( 1 - - 9 9 9 ，步长：0 0 1 o i v i 相电流反时限定值( o 9 5 o a ) ；一般设为工e 。 k 1 正序电流发热系数，电机启动过程中自动取为0 5 ；电机运行过程中自动为 k 2 负序时流发热系数，软件中k 2 = 6 。 il 电机实际运行电流的正序分量。 1 2 电机实际运行电流的负序分量。 2 2 5 负序过流保护 当电动机出现电流不对称的情况，会出现较大的负序电流，而负序电流在转子产生 2 倍工频的电流，使转子发热大大增加，危及电动机的安全运行。因此，电动机应设置 负序过流保护，负序过流保护分两段： a ) 当电机发生断相、反相或匝间短路，将产生负序电流，装置根据负序电流值提供 第二章 电动机保护原理与保护功能设置 保护。i f i = o 6 l 厶：t f i 按躲过开关不同期合闸出现的暂态过程的时间整定，一般取 0 0 5 s 。负序电流i 段跳闸动作条件如下： 1 2 i f l ：i f l 为电动机负序电流i 段定值，1 2 为负序电流： t t f l ：t f l 为负序电流i 段越限延时定值。 b ) 当电机严重不平衡，根据负序电流值提供保护。i f 2 = o 2 - 0 6i 。；t f 2 可设较长 时间，按电机承受不平衡工况整定，一般取0 5 l s 。负序i i 段通过控制字投退。负 序电流i i 段动作条件如下： 1 2 i f 2 ；i f 2 为电动机负序电流水i i 段定值，1 2 为负序电流； t t f 2 ；t f 2 为负序电流i 工段越限延时定值。 2 2 6 零序电流保护 当电动机发生定子单相接地故障，会产生较大的零序电流，如不及时动作跳闸， 会诱发相间短路甚至会烧坏电动机。因此，电动机应设置零序电流保护。具体保护原理 与动作判据如下： 对于电动机所在的低压电网，中性点一般不接地或经消弧线圈电阻接地，其定子 单相接地由绝缘损坏引起，其零序电流主要为电容电流，保护用零序电流应取自零序电 流专用c t 。 当单相接地短路电流大于5 a 时应装设零序电流型接地保护；两段零序过流保护各 带延时，均可作用于跳闸，其中零序工i 段由控制字来投退，动作条件如下： i i “；i 为电动机接地零序过流两段定值( 0 0 5 - 6 a ) t t 川；t 州为零序过流两段延时定值。 2 2 7p t 断线检测 电动机微机保护中，在进入故障保护程序之前，通常要设置p t 断线检测，目的为 防止需要由电压值判断故障的保护误动作。 在静稳态下，以下三个条件之一得到满足，持续时间为5 s 后，装置报发“p t d x ” 报文及相关遥信，并点亮告警灯： a ) 三相电压均小于2 0 v ，某相电流大于0 2 a ，则判p t 断线( 不闭锁电压保护) 。 9 鹰r 高。陀能嵌入式m c u 的电动机保护器 b ) 三相电压和大于8 v ，最大线电压 1 6 v ，最大线电压与最小线电压差大于1 6 v 则判p t 断线。 2 2 8 低电压保护 当电源电压降低时，为了保证重要电机自启动及根据生产过程和技术安全要求，电 机需配置低电压保护；三个线电压均小于低电压保护定值，电压保护动作。 低压保护主要胜于非重要电机场合，为保证重要电机自启动，非重要电机以0 6 0 7 u r a t ，0 5 s 跳闸；根据生产工艺要求不允许或不需要自启动的电动机，以0 6 0 7 u r a t ，0 5 1 s 跳闸。当电动机在运行过程中三相电压变低，保护动作；其跳闸动 作条件如下： m a x ( u x ) t d y t d y 为低电压延时定值。 2 2 9 失压保护 根据生产过程和技术安全要求，在电源电压长时间消失而不允许自启动的重要电机 应装设失压保护，其动作电压整定为0 4 0 5 u n ，以9 s 延时跳闸。本保护当电动机在 运行过程中突然三相失压，而且运行电流m a x ( i a ，工c ) i y l 时，保护动作；p t 断线 后，可由k g l 设定是否闭锁电压保护。其跳闸动作条件如下： m a x ( u x ) 7 f d y t d y 为低电压延时定值。 m a x ( i a ，i c ) i y li y l 为电机有流定值。 讹：驻i u 二以饥徽f j l 侏 _ j i 挖圳器蚀”瞍i 第三章电动机微机保护控制器硬件设计 电动机微机继电保j ： l j 传统的电动机继电保j ：f i i - h 比最突 n 的特点匙以软什特代 了原有大量烦琐的逻辑功能器件，使硬件t u 路得剑简化，大大提高了保护装置的快速性 与可靠性。本章简述电动机微机保护控制器的硬件系统i 殳汁。 尽管微机保护的软件系统功能强大，但仍需要硬件系统作为平台，凶此，硬件包 含以下四个必f ii | j 少的爿；分：数据处理单元，即微机丰系统：数据采集单元，即模 拟量输入系统：数字量输入输出接1 ：即厅火量输入输出系统：通汛接| _ 1 。 ；f i 火处理器c p l 系统即微机主系统，i l i 它对数据采集系统输入的各种原始数据进 行计算分析、处理、? - i j 断，并发出指令完成各种继电保护功能。 数据采集t 要通过模数转换器( a d ) 获得采样数字量，它实际卜完成了输入连续模 拟量剑离敞采样数字量的转换过程，它般通过采样中断服务程序水实脱。 从电动机返行系统j j l 入微机保护的丌关量，如丌关、闸刀位簧辅助接点收发信 机的收发信状态触点等都是由“厅入”同路中的光电隔离技术处理后，将信息送至中央 处理系统。从微机煤j ： 1 送出的丌关量，如跳闸命令，告警信息等，则是经“丌出”回路 中的光i u l 铂离技术处王i 望后，将中央处理系统的判断结果送出。光l u 隔离技术可以有效抵 御t 扰信号的侵入。 3 1 电动机微机保护器的硬件设计 l 乜z 巩机微机保护擀的蚀件系统采用助能模块化波计，ii i 箨j 力能组件板需娑纰合配胃 。j 川此，i 幺垛j ： l 器t 婴幽交流采样扳( a c ) 、主挖板( c i ) l ) 、f 乜源逻驻 扳( i 。叭；i c ) 、 跳| 1 l l j 板( t l ，) 、人机接l j 扳( m m i ) 构成。其硬件结构乃意| 冬i 见h ：；_ l 所，j 。 它 “c j ： + 丫 z 圉一困 口肖披t i 矧：j j 保护装芹艇件结构乃意 苍丁高性能嵌入式m c u 的电动机保护器 3 1 1a c 板 a c 板是实现交流采样功能，获取实现保护的所需的交流信号，即是按一定周期 ( 称为采样周期) 连续实时采样被测信号半个或一个完整的波形( 指交流电压、交流电 流的正弦信号) ，然后将采样得到的离散信号进行真有效值运算，从而得到信号的真有 效值，这样就避免了被测信号波形畸变对采样值的影响。a c 板包括电压输入和电流输 入两个部分，其原理图见图3 2 ( a ) 所示。 图3 - 2 ( a ) 交流采样( a c ) 板原理图 在设计上，电压互感器选电流型电压互感器s p t 2 0 4 a ，特性为2 m a 2 m a ；频响2 0 5 0 k h z ，尤其适合工频信号检测；线性度o 1 ，耐冲击性强。结合本保护器，我们具 体设计原理见图3 - 2 ( b ) 1 ：1 ( 2 m a 2 m a ) r 1 = 图3 - 2 ( b ) 电压互感器设计部分 由s p t 2 0 4 a 特性可知：i = i 由等效电路可知川姐州“即= 铷州 得：等= 警= a 1 2 第二章 电动机微f j l 保护控制器硬件殴计 也就是说，电压互感器两端的电压比同r l 、r 2 相关。这个比值口在程序中要写入， 以恢复原采样值的真实大小。 电流互感器选s c t 2 6 5 f ，特性5 a 1 8 5 m a ；非线性度 1 1 rc t ：b 5 ac t d 7 d 6d sd qd 3 d 2d 1d 日 ( 0 ) ( o ) 罐罐 址j - ；e e 能呲八，cm c u 竹t u 功札保护器 挫0 1 ! i 收，整定值：k g l = 0 ( ) 0 0 【l = i o a t 1 ：0o s i y l = o5 a ，l q d = 25 s 观馨 # o u * m m n r 亮 # 电# 目e * 目iu i r m l # 1 e g 魂m 自m 目充m 1 & m u m u 帆b 过捏中m 日自n 为峨值2 * 2 0 聃t 目自动电流过女q i b m 自) - 目此m m 问 【4 ：台竹。吐j2 h 电帆t $ 自咄、月缸饭复烈味值1 0 目过滤b 动作。 2u 目i c 自过程十目月电m n 脚电机最 煎* 电m ) m 础* ， 3r u 帆e m 目自e 目过m m 动怍 63 过流i l 段保护 投o l 压板，整定值：k g i = 0 0 2 0 ，1 2 = 6 a ，t 2 = 4 s i y l = o5 a ，t q d = 25 s $ 峙外加b i a 蛾b l c 相电漉现煮报文 】 链电g 踺同动作灯亮屯毓2 段m 口 雪；霍 口 64 起动时间过长保护 投0 0 压板整定值：k g i = o t 0 0 ，k g 2 = 0 0 0 0 ，i q d = 6 a ，t q d = 25 s ，【y l = 05 a r 。， ”b i a 蛾b i c 目u m 晕 l - 继o u # 踺，自* t r 壳g 自目* 乜u m ，、4 电动机m 帆侏，挖7 叫器的动模试验 65 过负荷保护( 反时限) 投0 1m 扳整定值：k ( ：1 = 0 0 0 0 ，i y l05 a t q d = o s 【v i = 4o a h x s = 2 0 试验时加【e 序电流的方法如：l = 8 a z o 。l = 8 a z l 2 0 。 ， t p 也流 q # d e 月n 灯亮过负待出口 过负自，定于线 “ 多教情m tn 弛茼土璺用十电自l # g 自后目此目啦电机自动时问为。进行唼验( 蛾件 中刚执行电0 i 镕自动口的吐鲰恃保护程岸) 据。式( 2 一1 ) * 算得出动作时限为69 s ，q 参考圈5 - l 或女i 1 试验时加负序电流的方法，如：l = 2 a z 0 4l = 2 a l 1 2 0 现象报女 电g 跳m ，动作灯亮过负荷出口 * 0 & ( 2 一1 ) # 算得m 动怍时r 为5 03 s 图6 一i 过负荷曲线 * * i 自fl b t 一 # # 口 基丁高性能嵌入式m c u 的电动机保护器 表6 - 1 过负荷数值表 迪小 1 52 02 53 0 3 54 0 h x sn 4 31 71 o0 6 3 0 4 50 3 4 0 l o8 73 41 91 3 o 9o 6 7 1 5 13 0 5 22 91 9 1 3 5 1 o 2 0 1 7 4 6 93 92 5 1 7 91 3 4 2 52 1 78 64 93 22 2 4 1 6 8 3 02 6 11 0 35 8 3 82 72 0 3 53 0 4 1 2 1 6 84 43 1 42 3 5 4 03 4 81 3 87 85 1 3 52 7 4 53 9 11 5 58 7 5 74 03 o 5 04 3 51 7 29 7 6 34 53 3 6 5 54 7 81 9 01 0 77 04 9 3 7 6 05 2 22 0 7l1 77 65 4 4 0 6 55 6 52 2 41 2 6 8 2 5 8 4 4 7 06 0 9 2 4 1 1 3 68 96 34 7 7 56 5 22 1 91 4 69 56 7 5 o 8 06 9 62 7 61 5 51 0 17 25 4 8 57 3 92 9 31 6 51 0 87 65 7 9 07 8 33 1 o1 7 5l1 48 1 6 0 9 58 2 6 3 2 8 1 8 41 2 08 56 4 9 98 6 13 4 11 9 21 2 58 9 6 6 持，、啦a 功机微机保护托叫嚣的讪髓试验 66 堵转保护 擞o - im 扳鉴定值：k ( ；l = o 1 0 0 ，【l r = 6 a ，r l r = 4 s y l = 05 a r q d = 25 s ! ! ! ! ：兰! 兰! ：! 兰! ! 堂苎竺：竺堡旦墨堡堡堡芝 67 零序i 段保护 投i o 压扳，整定值：k g i - 0 0 0 0 ， o i = i a ，t o i = 4 s ，i y l = o5 a ，t q d = 25 s l ! l ! ! ! 竺! !| ! ! ! 竺：! ! 竺! ! ! 竺! ! i i ，暮i 筹将；毕电流。装置的零序电流辅。端+ ，。当十从霉序互感嚣接。的翠序电流。 68 零序i i 段保护 投l o 压板，整定值：k g i = 0 0 1 0 ，1 0 2 = 2 a ，t 0 2 = 6 s ，i y l = o 5 a ，t q d = 25 s 序号 零序电流 现聋报文 【 硅电g 蜣闸动作灯亮霉序n 褫m 口 圈；垂回 69 负序过流i 段 投0 8 雎扳整定值：k g i = 0 0 0 0 ，i f i = 2 a t f i = 4 s ， y l = o5 a t q d = 2 5 s 试验时加负序电流的方法如： = 25 a z e o 。 厶= 25 a z 一1 2 0 。 井加衄序咆龇 l 聪馨i 推z o f2 朴c i s ) io j i b 镕跣m 动作亮l 纠 i 段出口 l 新* i ，应l l i , i t 问l 镕 啊_ 啊叮j 值“ j ：6r 能1 k 八s t ：m c u 帕i u 。j 4 l 慷护器 61 0 负序i i 段保护 投0 8 小皈坚定缸：k g = 0 0 8 0 + 【1 ：2 - t a t i2 = 6 s y l = 05 a ，r q d = 25 s l 式骚叫d 【! 盟序电流的方法如：n z 0 - 4 a z 一1 2 0 m 女 * o t # i 力h 圈| | 图耍 61 1 低压保护 投2 0 压扳，整定值：k g i = 0 0 0 8 ，u d y = 6 5 v ，t d y = s s i y l ：o5 a ”m 电压与电流现象报文 继电# 跳m 动作壳低压m 口 612 失压保护 投2 0 脏板，整定值：k g l = 0 0 0 8 ，0 d y ：6 j v ，t d y = 5 s i y l ：o5 a m 叫f 、，u m 现豫报z 继电# 睫m 自作亮 * k m u 第? i 啦l q 动目l 微hl 保护挖制器的动横试验 61 事件报告的作用是对故障的类型、动作时间、动作值进行记录，对电动机的检修有 很重要的参考价值，是电动机微机保护中必不可少的部分。 毫动机擞枉 嗣圃圃菌固 叠 雏 鸶腑群 阐震 基丁高性能嵌入式m c u 的电动机保护器 第七章电动机微机保护控制器的型式试验 型式试验是对产品能否满足技术规范，能否在电力系统正式投运而进行的最严格的 考核性试验( 由国家确认的认证试验单位进行) ，它是新产品鉴定中必不可少的一个环 节。型式试验的依据是产品标准，试验所需样品的数量由验证机构确定。 电动机微机保护控制器作为新研发项目，为达到在电力系统实际应用的目的，型式 试验是必须通过的个关键环节，也是对该课题成果的最重要验证。因此，依据中华 人民共和国电力行业标准- 继电保护微机型试验装置技术条件中第6 1 节规定，该控 制器委托 进行了型式试验，型式试验项目如表7 1 所示： 表7 1 受检试验装置在额定工作条件下的检验项目 序号检验项目 型式试验出厂检验 定期检验 l 低温性能检验 0 2 高温性能检验 _ 3 电源适应性检验 -_ 4 抗振动性能检验 5 抗冲击性能检验 - 6 抗干扰性能检验 0 7 抗辐射电磁场干扰性能检验 - 8 绝缘性能检验 00 9 抗潮湿性能检验 0 1 0 温度贮存性能检验 1 1 机械寿命检验 j 1 2 接口功能及技术性能检验 _ _ 13交流电流源技术性能检验 0 1 4 交流电压源技术性能检验 _ 0- 交流电流源与交流电压源同 l50 0 步性检验 1 6 直流电源技术性能检验 - _ l7 各项功能检验 -_ - l8 连续通电l o o h 检验 - 0 粥b 母l u 动帆砒f j l 惮护托，制器的q c 试验 71 型试试验结果 基于m b g o f 5 4 3 g 的电动# l 微机保护控制器通过_ r 中国电力科学研究院所作的型式 试验，试验结果显示了其主要| 生能皆优f 国标要求，可广泛应用于2 0 0 0 k w 以下不设纵 差保护的高压异步电动机。型式试验结果如下： 711 型式试验合格证明 检验报告 712 各检验项目与检验结论 ( 1 ) 结构和外观检查 l 一到 韭! 塑 ( 2 ) 测量元件准确度检查 鬯莹 一霎 j j 二- 耻能i 挟入止m c u 的i b 础饥煤护播 ( ”动作时问枪验 ( 5 ) 耐湿热性能试验 q ) 功；每消耗试验 ( 6 ) 辐射电磁场干扰试验 ( 7 ) 快速瞬变干扰试验( 8 ) 介质强度与冲击电压试验 毒篡i 2 焉j 高嚣；= ；高 l 二一“i = 才赫ji 萎篆兰量一= 鼍5 ：，。翟：蔫一：_ ：f i 篓笠= 童1 釜兰兰三兰1 ：鐾蛩至登i 蔫一 雾 第八章结论 第八章结论 各种高低压型电动机是电力系统中的主要负载之一。做好电动机保护、为电网事业 和国家节能事业做贡献，是每一个电力工作者的愿望与责任。我们自主研发的电动机微 机保护控制器，采用了富士通公司的芯片m b 9 0 f 5 4 3 g 作为保护核心，详细的对控制器的 软硬件进行了设计，并通过试验实现了它的保护功能。这套装置对现有保护器存在的缺 陷进行改进，具备很多保护器所没有的特点，达到了提高电动机保护快速性与可靠性的 目的。为电动机保护的方法提供了软、硬件两方面的解决方案。下面是对本论文工作的 一个总结。 ( 1 ) 本文设计的电动机保护器采用了高性能嵌入式单片机m b 9 0 f 5 4 3 g 作为保护控制 核心，真正实现了总线不出芯片，提高了保护的快速性与可靠性；采用高精度a d 芯片 m a x l 2 5 作为模数转换器，使采样计算精度大大提高。 ( 2 ) 硬件系统采用功能模块化设计，由各功能组件按需要组合配置。采用双c p u 结构、 多层板设计，增强了保护器的抗干扰能力。多种通讯协议的使用，使装置组网方便快捷。 ( 3 ) 软件系统使用结构化编程，逻辑清晰简单。大量软件压板的设置，使功能组态更 方便。算法采用了d i tf f t 算法，运算速率高、滤波功能强大，使故障判断更迅速、 更准确。 ( 4 ) 另外，保护器内部采用前