基于ISPLSI及单片机的电动机保护装置的研究

1引言

高压大容量电动机是各发电厂及工矿企业的重要动力设备，由于电动机本身质量问题以及启动频繁、工作条件恶劣等各种原因，其故障率相当高。原电力部“发电厂国产高压电动机质量调查报告”表明：在所调查的34个电厂中，高压电动机总共681台，损坏103台，占15.1%；带缺陷运行183台，占36.9%；由于设备质量问题引起的占78.03%。在损坏的103台中，相间和接地故障损坏15台，占14.5%；定子绕组开路引起不平衡运行故障25台，占24.34%；其他原因引起的故障63台，占61.1%，仅就定子绕组故障统计，开路故障台数约占45.4%。

由统计资料可知，不但电动机故障率较高，而且传统的甚至目前各用户采用的保护装置都有不尽完善之处，因此应进一步研制新型的电动机保护装置，本文所介绍的基于ISPLSI及单片机的新型微机保护装置具有一系列新的特点。

2装置硬件组成及工作原理

装置的硬件电路原理框图如图1所示。

在原理图中，采用主从式单片机结构，主单片机采用80C196KB，完成数据的采集、分析、处理及故障判断。虽然80C196KB片内含10位A/D转换器，但为了提高精度，本装置采用了2片16位TLC320AD58芯片。从单片机采用AT89C52，完成整定值设置、信号显示、机间通信等功能。为了提高电源的可靠性，电源采用台湾明伟T—40B型开关电源。

电路采用Lattice公司生产的在系统可编程器件ISPLSI—1032E配合主从单片机协同工作，其等效逻辑电路如图2虚线框内所示。

装置中的ISPLSI主要由以下四部分组成：

(1)DMA控制器

本装置采用高速数据采集系统，数据采集量很大。在数据采集完成时，CPU让出总线，由ISPLSI将采集到的数据直接传送到RAM。数据存储完毕，ISPLSI将总线交还给CPU。在此过程中，CPU处理数据过程不受影响，也就是说，采样过程对CPU是透明的。

(2)串并转换组件

采集到的串行数据在ISPLSI内部完成串并转换，并在DMA控制器的控制下，以并行方式传送至RAM中由地址发生器指定的位置。

以下是用ABEL语言描述的DMA控制器及串并转换组件

(3)主从机应答控制器

采用“握手”方式进行主从机数据交换，以提高数据交换的可靠性。

(4)预处理功能块

3软件设计

本装置的软件主要由故障检测处理和通信两大部分组成。故障检测和处理采用96单片机实施，是本装置的主体部分，相应软件按照快速精确的算法完成故障检测、判断及处理等功能，以达到实时的基本要求。通信部分与AT89C52单片机接口，完成参数整定的输入、故障报警、系统状态及参数的显示，以及接收用户输入的其它一些操作指令。

3.1计算方法

电动机的电源6kV系统是不接地系统，交流电流采样只取Ia和Ic两相即可，并相应由A相和C相电流互感器CT获得。零序电流直流由零序电流互感器CT获得。相应的处理程序计算出正、负序电流有效值后，再进行过流保护和负序保护等相关参数的判定。电压信号由母线电压互感器PT获得，计算出有效值后与整定值进行比较，完成欠压保护的判断。

3.1.1差分滤波

为了抑制非周期分量的影响，加快计算速度，同时获得更好的抑制衰减直流分量效果，可取差分步长k=1，其一阶差分方程如式(1)所示
    Y(n)=X(n)-X(n-1)?(1)

由差分方程(1)，每周期采样12个点，计算出差分采样序列：Ika, Ikc, Uk, Ik0即分别为A、C相差分序列、电压、零序电流差分序列。

3.1.2傅氏算法

利用傅氏算法从上述差分采样序列中提取基波分量，由下式(2)、(3)算出如下各量

同理可算出C相电流实、虚部IRc、IIc，电压实、虚部UR、UI及零序电流实、虚部IR0、II0。

3.1.3相量滤序算法

即由A、C两相电流的基波算出正、负序电流的实、虚部，如式(4)～(7)所示

3.1.4有效值计算

正序和负序电流有效值分别按式(8)～(11)计算

由上述算法得出的结果，与整定值比较，可完成以下保护功能：
    (1)短路、堵转、启动时间过长保护(即正序保护)；
    (2)不平衡保护(即负序保护)；
    (3)单相接地故障保护(即零序保护)；
    (4)欠压保护(即电压保护)；
    (5)过热保护。

 对于过热保护，本装置分别考虑了正负序电流的热效应，等效电流表达式如式(12)所示

其中k1启动时取0.5，启动后取1，k2可在3～10之间选择，一般取6。

电动机热保护运行时间—电流关系为反时限特性曲线如式(13)所描述

式中τ1——所选择发热时间常数，在150～2400s之间调节(级差6s)

IS——电动机额定电流

3.2故障监控程序主流程图

故障监控程序主流程图如图3所示。

4动模实验及运行效果

本装置进行了动模实验，在模拟电动机各种故障试验中，本装置动作正常，其动作时间检验如表1所示。

直流电源回路功率消耗5.6～9.2W，小于技术要求10W；进行相应的电磁抗干扰等试验，装置不误动，运行正常；直流电源投退时，装置不误动；动稳定试验时，输入超过40倍的额定电流，即通入电流40×5A，冲击时间为10ms，结果正常；热稳定试验时，通入电流100A，冲击时间为1s，结果正常。该装置在武汉热电厂试运行一年来，各项指标均能达到设计要求，能准确、稳定完成保护功能。

5结束语

文中根据电动机的故障特点，分析了目前的电动机保护装置中尚不完善的功能，提出并研制了基于可编程器件与单片机为核心的新型电动机保护；在硬件和软件上进行了合理配置与优化设计，经动模实验和实验运行表明工作稳定，能实行对不同类型故障的保护。

参考文献
1Lattic ISP Data Book. Lattice Semiconductor Corporation,1998.
2杨奇逊.微机型继电保护基础.水利电力出版社，1988.
3孙涵芳.Intel 16位单片机.北京航空航天大学出版社，1998.
4尹相根，曾克娥.继电保护.华中科大出版社，2000.