安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要：電動(dòng)機(jī)是電力企業(yè)中基礎(chǔ)性機(jī)電設(shè)備，其實(shí)際運(yùn)行中受多方面因素影響，運(yùn)行中可能

會(huì)出現(xiàn)一系列故障，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)問題，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)，甚至?xí)?dǎo)致安全事故發(fā)生。因此，研究電力系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)，是降低電動(dòng)機(jī)故障發(fā)生的有效措施，文章對(duì)電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)的硬件 DSP 及網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)深入分析， 旨在為實(shí)際電力系統(tǒng)中應(yīng)用電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)提供有力參考。

 

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；電動(dòng)機(jī)；智能保護(hù)；系統(tǒng)

 

      我經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中，電力企業(yè)為各項(xiàng)生產(chǎn)生活提供電力支持，而電動(dòng)機(jī)是電力系統(tǒng)中基礎(chǔ)性設(shè)備，其在電力能源中占有重要地位。社會(huì)對(duì)電力需求越來越大，使化電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能控制成為電氣企業(yè)要待解決問題。電動(dòng)機(jī)自身傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。但是其自身發(fā)生故障后，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，給電力企業(yè)造成一定經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的還會(huì)對(duì)工作人員造成人身傷害。下文以電力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)研究進(jìn)行詳細(xì)分析，旨在為合理使用電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 

      電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置發(fā)展中，經(jīng)歷不同時(shí)期變化，開始其為機(jī)械式雙金屬熱繼電器，經(jīng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步影響，后發(fā)展為雙金屬溫度開關(guān)保護(hù)，當(dāng)下，電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展現(xiàn)代化電子式電動(dòng)機(jī)控制。

 

1.1 機(jī)械式雙金屬熱繼電器保護(hù)

熱繼電器（如圖1所示）是20世紀(jì)50年代由蘇聯(lián)引進(jìn)的金屬片機(jī)械式電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)備，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行合理保護(hù)，自身具有反時(shí)限性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便。但是該設(shè)備自身功能具有單一性，熱繼電器自身特?zé)崃繒r(shí)間常數(shù)小，對(duì)于一些特殊電動(dòng)機(jī)（大慣量、重載起動(dòng)）不能適用，容易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護(hù)現(xiàn)象。

圖 1 德力西 JR36-20 熱繼電器示意圖

1.2 電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置

      在電子技術(shù)成熟的工業(yè)時(shí)代，以電子模擬為支持的多功能保護(hù)裝置替代了機(jī)械式雙金屬熱繼電器保護(hù)。電子式電動(dòng)機(jī)發(fā)展已久，開始為晶體管支持下的電子式電動(dòng)機(jī)，后發(fā)展到以集成電路為支持，可滿足低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)需求的功能性電子式電動(dòng)機(jī)。當(dāng)今時(shí)代背景下，電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置已經(jīng)不單單是保護(hù)取樣，其多的在于電壓取樣及電流取樣兩種形式。

 

1.3 微機(jī)型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置

      微機(jī)型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置技術(shù)是在微機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下，將電動(dòng)機(jī)機(jī)電控制向自動(dòng)化智能控制過渡體現(xiàn)。將集成電路融入到微型處理器及DSP芯片中，可以實(shí)現(xiàn)高效率的信號(hào)處理及通訊工作。智能化保護(hù)裝置以綜合保護(hù)裝置為支持，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的斷相、過載、短路、欠壓、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、漏電等監(jiān)測(cè)及控制。此外，這種微機(jī)型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置能夠和不同的傳感器配合工作，對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，對(duì)電動(dòng)機(jī)存在故障或早期故障判斷并保護(hù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)和智能控制。在保護(hù)裝置和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交互后，其自身實(shí)現(xiàn)遙感、遙控功能，儲(chǔ)存大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)提高控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平。

 

2.1 短路

      短路保護(hù)應(yīng)遵從相敏保護(hù)原則，將起動(dòng)電流及短路電流區(qū)分恰當(dāng)，確保系統(tǒng)保護(hù)的可行性。例如，在鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)上，其額定功率為工作電流5倍。電磁保護(hù)裝置中，要脫離起動(dòng)電流工作，若電動(dòng)機(jī)容量大，起動(dòng)電流將會(huì)接近電動(dòng)機(jī)短路電流。不能單純分析電流輻射值，避免不合理判斷引起拒動(dòng)或誤動(dòng)現(xiàn)象。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，功率因數(shù)較小，線路短路后，電感效應(yīng)較低，相應(yīng)功率因數(shù)較大。

 

2.2 過載

      過載保護(hù)中，應(yīng)遵循自適應(yīng)反時(shí)限保護(hù)，以規(guī)范操作獲取β（過載倍數(shù)），根據(jù)電動(dòng)機(jī)容許過載時(shí)間（t），以：

t=1500ln（β2-α） （1）

      通過此公式計(jì)算實(shí)際允許過載時(shí)間量，在考慮到實(shí)際允許過載時(shí)間量的同時(shí)，還要考慮到熱積累的升溫問題，以

t2=β22/β12xt1（t1-△t） （2）

      以上述公式，計(jì)算允許過載時(shí)間，以強(qiáng)化對(duì)電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)，實(shí)現(xiàn)冷態(tài)及熱態(tài)積分，從而達(dá)到應(yīng)用長(zhǎng)時(shí)間電動(dòng)機(jī)冷態(tài)特征的目的。

 

2.3 斷相

      實(shí)際的斷相保護(hù)中，其短路則存在正序電流分量和負(fù)序電流分量。設(shè)計(jì)可利用這一勢(shì)，使故障發(fā)生可形成對(duì)電流的充分保護(hù)，設(shè)計(jì)科學(xué)保護(hù)裝置。保護(hù)裝置中，可以反映故障分量，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障整定值的簡(jiǎn)化選擇，提高裝置的整體整體靈活性。傳統(tǒng)負(fù)序保護(hù)其主要是應(yīng)用負(fù)序電流過濾器，以此獲取信號(hào)信息，傳統(tǒng)負(fù)序保護(hù)輸入和負(fù)序電流有必要聯(lián)系。若采用傳統(tǒng)負(fù)序保護(hù)，則需應(yīng)用硬件濾序器，其硬件設(shè)備上成本消耗多大，參數(shù)調(diào)試復(fù)雜，可行性較差。應(yīng)以智能化保護(hù)裝置為支持，以交流采樣為的主要方式，獲取瞬時(shí)值，進(jìn)而對(duì)采樣頻率、負(fù)序分量等內(nèi)容進(jìn)行化處理，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

 

2.4 電壓

      電壓保護(hù)上，其分為失壓保護(hù)、欠壓保護(hù)及過壓保護(hù)等。對(duì)于過壓保護(hù)及欠壓保護(hù)，在一定延時(shí)后，單片機(jī)將發(fā)出跳閘命令，消除過壓及欠壓干擾。若電源電壓消失，則電力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生停車，引起失壓保護(hù)。失壓保護(hù)下電源恢復(fù)正常工作，但是電動(dòng)機(jī)將不再自動(dòng)開啟或解除閉鎖。電動(dòng)機(jī)開啟之，應(yīng)檢測(cè)供電線路是否正常。若發(fā)現(xiàn)斷相故障，則要以信號(hào)方式閉鎖回路，電機(jī)不再啟動(dòng)，同時(shí)對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警，顯示故障。若*，則電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)。

 

      當(dāng)下我電力系統(tǒng)中存在多種電動(dòng)機(jī)保護(hù)措施，但是其實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想，電力系統(tǒng)中對(duì)電動(dòng)機(jī)控制效果并不理想。保護(hù)性設(shè)備自身可靠性較差、保護(hù)功能單一性、特性未完善等問題將導(dǎo)致其通信、界面、速度等不能滿足電力企業(yè)需求。因此，要有針對(duì)性的對(duì)電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，以此滿足用電用戶需求、電力企業(yè)需求。在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算效率高，能夠化電力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)智能保系統(tǒng)。要針對(duì)單片機(jī)、DSP的性價(jià)比，合理選擇處理器，對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行化設(shè)計(jì)。

 

3.1 三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)判據(jù)

      三相異步電機(jī)如圖2所示，對(duì)其保護(hù)，要先找出需保護(hù)判據(jù)，操作針對(duì)現(xiàn)有科研成果進(jìn)行分析，分析電機(jī)保護(hù)原理，將其和實(shí)際電力系統(tǒng)聯(lián)系起來，了解電動(dòng)機(jī)的工作原理。同時(shí)，要確保電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)具有通用性，能夠適用于不同的電力系統(tǒng)當(dāng)中，確保其保護(hù)曲線及保護(hù)動(dòng)作程序和電力規(guī)范相吻合，對(duì)保護(hù)裝置中保護(hù)曲線進(jìn)行定制，根據(jù)不同電動(dòng)機(jī)需求進(jìn)行科學(xué)修改。

圖 2 西門子三相異步電機(jī)示意圖

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

      硬件電路設(shè)計(jì)主要以電流電壓互感器、電壓形成電路、采用保持電路等處罰，將不同通道電能轉(zhuǎn)化為電壓值，將其輸送到DSP中A/D合轉(zhuǎn)換電路中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再根據(jù)實(shí)際結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)，判斷是否存在故障，若存在故障則跳閘并發(fā)出報(bào)警，記錄事件發(fā)生時(shí)間、故障性質(zhì)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)合理保護(hù)。其主要以DSP系統(tǒng)、向輸入、開關(guān)輸入輸出、人機(jī)交互及通信系統(tǒng)組成。

 

3.2.1 信號(hào)預(yù)處理設(shè)計(jì)

      將實(shí)際搜集的電流的信號(hào)，經(jīng)阻容低通濾波器凈化之后，將信號(hào)以運(yùn)放電路處理為電路允許的弱電壓信號(hào)。

 

3.2.2 DSP電路設(shè)計(jì)

      T1公司的DSP芯片屬于哈佛結(jié)構(gòu)改建，在數(shù)據(jù)總線及程序總線間局部交叉，數(shù)據(jù)可在程序存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存，被算術(shù)運(yùn)算使用，體現(xiàn)芯片靈活性?？烧{(diào)度兩獨(dú)立總線，確保處理能力效率高，減少儲(chǔ)存器讀取指令時(shí)間，提高運(yùn)行速度。TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器屬于微控制器，具有高集成特點(diǎn)，將高性能DSP內(nèi)核及微控制器外設(shè)功能集中在單片上，實(shí)現(xiàn)對(duì)MCU（傳統(tǒng)多微處理器）及多片設(shè)計(jì)的理想替代，將DSP的實(shí)時(shí)性、高效性處理及外設(shè)功能集中起來，使控制系統(tǒng)具備40MIPS/秒的處理速度，以LF2407A DSP控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超16位微控制器的工作能力。

      該控制器以高效靜態(tài)CMOS為支持，使供電電壓降到3.3V，控制器整體消耗較小。40MIPS高速執(zhí)行速度使指令周期在25ns（40MHz），實(shí)時(shí)控制穩(wěn)定。片內(nèi)有32K字x16位Flash程序處理器，以2.5K字x16位RAM，544字雙端口RAM （DARAM），2K字單口RAM（SARAM）。事件管理上以EVA和EVB為管理模塊，其包括兩個(gè)16為定時(shí)器（通用），8個(gè)16為PWM（脈寬調(diào)制）通道，通過設(shè)備聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三相反相器控制，脈寬調(diào)制中心及邊緣校正。防治可編程脈寬調(diào)制擊穿故障，形成死區(qū)控制。設(shè)置16通道同步A/D轉(zhuǎn)換其，在交流異步電動(dòng)機(jī)、無刷直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、多級(jí)電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等控制上有良好的應(yīng)用效果。

      外圍電路設(shè)計(jì)上，LF2407A通過外部變壓設(shè)備將220V交流電轉(zhuǎn)化為5V直流電供應(yīng)，但LF2407A芯片只支持3.3V電壓，在電路設(shè)計(jì)中要將5V電源轉(zhuǎn)化為3.3V電壓，為CPU實(shí)現(xiàn)供應(yīng)（采用TPS76833QPWP為轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換5V電壓為3.3V）。5V電源輸入端以2mm插口設(shè)計(jì)，電源功率要求在5V、750mA。

      微機(jī)系統(tǒng)中，未防止系統(tǒng)加電或電源“掉電”故障發(fā)生，要合理規(guī)劃復(fù)位電路及電壓監(jiān)視電路。以TL7705CP（美德州儀器公司產(chǎn)）集成電路電源電壓監(jiān)視器組成復(fù)位電路，對(duì)電源電壓監(jiān)控。在使用中，TL7705CP以220V電源供電，線路停電保護(hù)裝置輸入電壓下降到4.75V（從5V下降）時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，原高電平變?yōu)榈碗娖?，并產(chǎn)生外部中斷提醒信號(hào)，子程序?qū)SP內(nèi)RAM數(shù)據(jù)及寄存器內(nèi)容在電源電壓耗盡之迅速存入非易失性儲(chǔ)存器中，確保數(shù)據(jù)記錄完整可靠。

外圍電路中配備電源電路、監(jiān)控電路及時(shí)鐘電路，確保DSP電路可靠。

 

3.2.3 鍵盤顯示電路

      鍵盤顯示電路是人機(jī)交互的重要內(nèi)容，需保證其正常反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，發(fā)生電動(dòng)機(jī)故障時(shí)顯示故障參數(shù)及故障類型，以鍵盤將整定值輸入、修改，對(duì)歷史故障準(zhǔn)確查詢記錄，實(shí)現(xiàn)智能化、人性化操作設(shè)計(jì)。

 

3.2.4 上位機(jī)通信設(shè)計(jì)

      以機(jī)械接口、電氣接口、微處理器輸出口連接，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)及PC機(jī)通信結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作，操作人員可實(shí)現(xiàn)遙控操作，及時(shí)通知運(yùn)行人員設(shè)備運(yùn)行情況。

 

      電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為主控制模塊及定時(shí)器中斷處理設(shè)計(jì)。

 

3.3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

      主控模塊為主程序，屬系統(tǒng)核心部分，起通過對(duì)各個(gè)功能性模塊調(diào)整，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、分析并判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一系列的保護(hù)控制實(shí)施。下位機(jī)上電，自行系統(tǒng)檢測(cè)，對(duì)CPU、RAM、ROM、A/D等內(nèi)容自行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)硬件存在故障，則停止檢測(cè)及時(shí)報(bào)警，待恰當(dāng)處理后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化。電動(dòng)機(jī)送電之，對(duì)其漏電檢測(cè)，檢測(cè)供電線路及電動(dòng)機(jī)是否存在漏電風(fēng)險(xiǎn)，若發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)或供電線路存在絕緣性問題，則不予供電，并發(fā)出警報(bào)。在地絕緣電

阻高于整定電阻時(shí)，可對(duì)電動(dòng)機(jī)正常供電。

 

3.3.2 定時(shí)器中斷處理模塊設(shè)計(jì)

      定時(shí)器中斷處理模塊需對(duì)數(shù)據(jù)采集、處理、判斷故障、執(zhí)行保護(hù)措施等內(nèi)容，可以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。以定時(shí)器中斷程序進(jìn)入，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)電力系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)電壓、電流采樣分析，計(jì)算電動(dòng)機(jī)電壓及電流，判斷其啟動(dòng)狀態(tài)。未啟動(dòng)，則分析是否有短路、斷相、接地等問題發(fā)生，及時(shí)采取速斷保護(hù)設(shè)備。啟動(dòng)狀態(tài)正常，則分析是否存在啟動(dòng)故障，若無啟動(dòng)故障，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)保護(hù)。

      軟件程序設(shè)計(jì)是以各類編程語(yǔ)言、程序?qū)崿F(xiàn)保護(hù)裝置需實(shí)現(xiàn)的功能，以系統(tǒng)自檢、初始化、開關(guān)量輸入輸出、A/D采樣、參數(shù)計(jì)算、電機(jī)啟動(dòng)保護(hù)、電機(jī)運(yùn)行保護(hù)、相應(yīng)鍵盤、顯示、CAN總線通訊等模塊構(gòu)成。不同模塊可獨(dú)立工作，各個(gè)接口涉及簡(jiǎn)單，避免程序冗余造成智能設(shè)備工作效率下降，要盡可能縮短程序開發(fā)實(shí)際周期。

 

      智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器(以下簡(jiǎn)稱保護(hù)器)，采用單片機(jī)技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。保護(hù)器能對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護(hù)，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護(hù)器具有RS485遠(yuǎn)程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

 

4.2.1數(shù)字式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

 

4.2.2模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

 

      綜上所述，對(duì)電力系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)的分析，要了解電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀，了解電力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)內(nèi)容，再次基礎(chǔ)上分析電力系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。當(dāng)下電力系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展中，應(yīng)重視對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)施智能化保護(hù)。通過應(yīng)用DSP數(shù)字保護(hù)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高校的信號(hào)處理，以集成電路為支持，提高保護(hù)裝置計(jì)算能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)故障的迅速參照和處理，確保電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作，促進(jìn)我電力企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

 

[1]馮星輝， 張修太 ，翟亞芳.智能型低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的研究與設(shè)計(jì) [J]. 電子器件 ,2015(3),P671-675.

[2]張 倩.電力系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)探索

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版