0　引　言
        電動機內(nèi)部故障的診斷與檢測是電動機保護 的主要研究方向。近年來,其研究主要集中在兩方 面:一方面是追尋保護理論上的突破,逐步由定性 說明到定量分析;另一方面是在實現(xiàn)手段上的發(fā)展,逐步由常規(guī)保護方式向基于先進信號處理方法 和微機保護技術的現(xiàn)代保護方式進化。本文基于 對電動機保護原理的分析和研究,利用FPGA系統(tǒng) 設計實現(xiàn)了最小二乘法數(shù)字保護算法。以FPGA 芯片為核心所設計的電動機微機保護裝置,不僅克 服了傳統(tǒng)的繼電器式電動機裝置的缺點,而且比普 通微機保護裝置響應速度快,截斷誤差小。
        1　電動機繼電保護的原理
        電動機的內(nèi)部故障可以分為對稱故障和不對 稱故障兩種。對稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)、短路等; 不對稱故障包括斷相、逆相、相間短路、接地故障、 三相不平衡等。根據(jù)對稱分量原理,當電動機發(fā) 生對稱故障時,會出現(xiàn)明顯的過流[ 1 ] 。因此,可 以利用過電流檢測來實現(xiàn)對稱故障的診斷與保 護。當電動機發(fā)生不對稱故障時,其定子電流可 以分解為正序、負序和零序分量,其中負序和零序 電流在電動機正常運行時沒有或很小,一旦出現(xiàn) 必然表示出現(xiàn)了故障。因此利用電流中的負序和 零序分量來鑒別各類不對稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。 電動機的微機保護主要通過測量電量(電 流、電壓及開關狀態(tài)等)來監(jiān)測電動機的運行狀 態(tài)CONTROL ENGINEERING China版權所有,根據(jù)以上分析,電動機發(fā)生對稱故障的主要特 征是出現(xiàn)電流幅值增大,而發(fā)生不對稱故障時的 主要特征是出現(xiàn)負序和零序電流分量[ 2 ] 。根據(jù) 這一結論,可將電動機的保護分解成過流保護、負 序電流保護和零序電流保護三個部分。由此可基 本覆蓋電動機的所有常見故障類型,并可以針對 電動機的以上三種主要保護提出電動機的綜合保 護方案。
        2　基于FPGA的微機保護系統(tǒng)硬件
        根據(jù)電動機保護基本工作原理,首先必須測 出所保護元件上的電氣參數(shù),再與給定的正常標 準值進行比較,以判斷元件是否發(fā)生故障或是否 運行在不正常狀態(tài)CONTROL ENGINEERING China版權所有,從而確定保護裝置是否應該 動作跳閘或發(fā)信號。因此,完整的保護裝置應包 括三大部分:測量比較部分、邏輯判斷部分、執(zhí)行 部分。其各部分的邏輯關系可用圖1表示。
        

        電動機微機保護裝置的硬件系統(tǒng)采用模塊化 結構,如圖2所示。
       

        FPGA芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)單片機(MCU)成為整個 裝置的核心,完成模擬信號的調(diào)理濾波、采樣、模 擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、頻率和相位測量、開關量信號輸入/ 輸出、通信、系統(tǒng)計時、數(shù)據(jù)計算、邏輯判斷等功能。 鍵盤顯示模塊負責人機會話。通過發(fā)光二極 管可以實時顯示被保護電動機的電流、電壓、頻率 和斷路器的狀態(tài)等外部信號及裝置的工作狀態(tài)、 動作類型等詳細信息。通過鍵盤可以修改整定 值、查詢動作記錄,并可以就地操作斷路器。 摸擬量采集模塊由電壓形成回路、采樣保持 ( S/H) 電路、模擬低通濾波器和A /D 轉(zhuǎn)換器 MAX197組成,其作用是將來自現(xiàn)場的交流量轉(zhuǎn) 換為處理器模塊可以處理的數(shù)字量信號。
        出口模塊主要負責裝置內(nèi)外的電氣隔離,一 方面將來自處理器模塊的動作、報警等信號隔離 后,送到裝置外部;另一方面將來自裝置外部的斷 路器狀態(tài)等信號進行隔離后,送到處理器模塊。 根據(jù)功能控制工程網(wǎng)版權所有, FPGA芯片內(nèi)部被劃分為兩部分: 算法實現(xiàn)模塊和軟核CPU (Nios)模塊。前者由 VHDL模塊化編寫算法的實現(xiàn)過程,由于采用并 行結構,可以實現(xiàn)多路信號同時濾波;后者為軟件 編寫人機界面、通信協(xié)議等構建平臺,并且同時根 據(jù)算法實現(xiàn)模塊的結果,執(zhí)行保護動作。在只考 慮一路信號的情況下,本系統(tǒng)由以下各部分組成。 (1) 碼制轉(zhuǎn)換器:將AD采樣的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成準確的16進制數(shù)。
        (2) 乘法器:采用陣列乘法器結構,為確保系 數(shù)精度控制工程網(wǎng)版權所有,系數(shù)以15位二進制數(shù)逼近,故乘法器采 用11 ×14位的結構。
        (3) 累加器:由于乘法器的輸出有正有負,所 以累加器也必須有加有減。通過對乘法器輸出符 號的判斷CONTROL ENGINEERING China版權所有,自動判斷加減。
        (4) 時序發(fā)生器:這是整個系統(tǒng)的心臟,由它 來調(diào)度什么時候什么模塊做什么事。本系統(tǒng)采用 一個正相分頻器和一個反相分頻器作為時序控制 模塊。
        系統(tǒng)結構如圖3所示。

        3　保護算法模塊
        3. 1　信號處理模塊
        采樣信號的濾波采用最小二乘法,這是一種 波形擬合方法,當預設的信號模型能充分描述被 采樣信號時,該算法可以濾除信號中任意需要濾 除的分量,因此具有很好的濾波性能和很高的運 算精度。其原理是:為被采樣信號預設一個盡可 能逼近的信號模型函數(shù),并按最小二乘擬合原理對其進行擬合。
        假定采樣頻率為1 000 Hz,被采樣信號為: Ia = 10 - 10cos (2 ×pi ×f ×t) + 2cos ( 2 ×2 ×pi × f ×t) + 5 sin (3 ×2 ×pi ×f ×t) + sin ( 4 ×2 ×pi × f ×t) + 0. 5 sin (5 ×2 ×pi ×f ×t) 可見,信號有直流分量,而且諧波分量最高為 5次。以N = 11點采樣進行MATLAB仿真,得到 如圖4所示的波形。可以看到濾波后的正弦波 振幅等于10,所以11點采樣能滿足要求。
        　　在采樣頻率為1 000 Hz,采樣點數(shù)N = 11的 情況下,系統(tǒng)雖然收斂,但采樣系數(shù)的離散度很 大,勢必造成乘數(shù)的位寬很寬,乘法器需要耗費很 多的資源。所以可適當增加采樣點數(shù)來降低離散 度。但是如果單純增加采樣點數(shù),最小二乘法濾 波的高速特性就無法體現(xiàn)。因此將采樣頻率提升 到2 000 Hz,采樣點數(shù)增加到26點(即1 000 Hz 下, 13點采樣的時間) ,可以將離散度降到可接受 的程度,而且濾波速度也不會降低太多。仿真波 形和系數(shù)矩陣分別如圖5和表1、2、3所示。