江蘇安科瑞電器制造有限公司 范宏博

摘 要：工業自動化技術的發展，系統外用戶對電動機，饋線等裝置的保護功能提出了越來越高的要求。主要研究了一種以CPU＋DSP＋FPGA 的模塊化設計的高性能低壓綜合保護裝置的開發，介紹了保護裝置的系統架構、硬件原理、軟件功能方面。 裝置集成了電動機、饋線、電容器等保護功能，可以實現電流、電壓、電度等信息采集及斷路器遙控等功能。 根據應用對象，通過被保護裝置的類型選擇，實現裝置保護功能的選擇。

關鍵詞:微機保護；低壓綜保； 電動機保護器

0 引言

伴隨著工業用戶對供電可靠性的要求，數字式保護測控裝置在工業用戶中的應用也越來越廣泛。目前市場上的低壓綜保裝置是基于DSP和單片機的雙 CPU 架構，其中DSP負責邏輯功能計算，單片機負責界面顯示及鍵盤輸入。隨著IT技術的不斷進步，這種架構相對來說性能較低，液晶界面操作不夠流暢，DSP 采樣數據處理能力也相對較弱，對于集成保護測控一體化功能來說性能已經沒有優勢。 CPU 和 DSP之間大多數采用串口通信方式，無數據總線，傳輸可靠性較低，且不利于插件和功能的擴展。 因此需要一種高性能的采樣平臺，解決高速數據傳輸、大容量數據采樣、保護算法和數據采樣同步等問題 。

針對上述情況，本文提出一種FPGA＋DSP＋CPU 的架構，其中CPU和DSP之間通過 FPGA 為橋梁傳遞數據，保證了數據傳輸的穩定和可靠。其中FPGA用于低壓綜保裝置的模擬量采集傳輸，將采集的數據送給 DSP 進行保護的啟動及邏輯運算；CAN總線用于開關量采集、直流量采集和 CPU 管理數據通道。

1 裝置的整體架構

裝置的整體架構如圖1所示,系統采用了兩條高速數據總線和兩條 CAN 總線。高速數據總線用于傳輸模擬量采集等大數據量的，采用數據總線的方式，便于插件和系統的擴展，其采用LVDS 差分電路，能夠有效地共模干擾信號，提高裝置的抗干擾能力。CAN 總線用來傳輸開入開出、4～20mA直流信號、PT100 溫度等數據，用于DSP 和CPU之間的數據傳輸， 同時CPU 對其他智能插件的管理命令和報文交互也是通過CAN總線實現的。CPU負責處理人機接口功能，實現裝置的界面顯示、定值整定、事件查看、事件記錄、故障錄波、對時及網絡通信服務。 整個系統設計采用了高速數據總線和 CAN 總線的冗余結構，保證了系統的安全穩定和數據傳輸的可靠性。 FPGA 強大的數據處理能力，承擔了基礎數據交換和處理工作，為裝置的報文、事件等提供了精準的時標,同時降低了CPU 和 DSP的工作任務，DSP僅用于完成保護的采樣值計算和邏輯功能處理，保證了功能劃分的獨立性和保護邏輯處理的實時性；CPU 用于人機接口、界面顯示、通訊和時鐘處理等任務，同時用來管理其他擴展智能插件，保證了系統的可擴展性。

2 裝置的硬件設計

低壓綜保裝置集成了線路保護功能、電動機保護功能、電容器保護功能；裝置需要完成電流電壓的模擬量信號的采集，用于參與邏輯運算的開關量、直流信號及溫度傳感器溫度信號的采集，裝置需要通過開出回路來完成斷路器的跳閘功能。

采樣通道一般是將電流和電壓信號，通過AC轉換成為小電壓信號，經背板送給ADC ，通過低通濾波回路，濾掉高次諧波的干擾，再經過 AD 采樣，將模擬量轉換為數據量，送給 FPGA處理，FPGA 將從高速數據總線上獲得的采樣信號，進行同步處理，然后傳輸給DSP芯片進行采樣運算和邏輯處理，完成裝置保護邏輯的實現，同時通過 FPGA將計算的結果送給CPU，用于事件記錄、錄波存儲、LCD顯示等功能。采樣回路需要考慮AC的二次斷線后，AD 芯片采樣有直流偏置的處理，裝置采用了下拉電阻的方式來減少直流偏置電壓，避免了裝置因為 AC二次斷線引起直流偏置過大，而產生采樣異常告警。

模擬量采集處理過程如圖 2 所示。

開關量采集回路，在電路設計的過程中，兼容 DC/AC220V、DC110V、DC24V的采集 ，DC220V、DC110V 和DC24V的采集，一般的處理是通過分壓電阻的實現的，這種實現方式需要采用不同的 BOM 或者使用跳線帽選擇采集回路電阻。不同的BOM 需要訂貨的時候，進行選擇說明，跳線帽的方式需要拔插插件完成跳線選擇，均有一定的弊端。本裝置設計上采用了自適應原理，可以做到自適應，采用定值整定的方式，實現 DC/AC220V 和 DC110V 的采集，便于工程實施。

開關量采集處理過程如圖 3 所示：

開出回路設計，開出回路輸出分為兩種，一種是邏輯計算輸出的跳閘信號，一種是通過應用后臺給出的分合閘命令，這兩種輸出的處理模式是不同的，應用后臺的遙控命令，經過 BSP 驅動和系統管理模塊，驅動智能開出板卡的輸出回路，從而實現對刀閘斷路器等操作機構的控制。 保護邏輯輸出的跳閘信號，則經過 BSP 后經過背板直接控制開出板卡的輸出回路，以減少出口控制延時，開出回路設計如圖 4 所示。

一鍵分/合閘功能設計，保護測控裝置對斷路器的控制一般都是采用后臺軟件或者裝置界面的主接線圖，對開關進行遙控，實現分合閘操作，本裝置除了支持上述功能外，考慮其低壓綜保的應用場景，在裝置上設計了一鍵分合閘的高級按鍵功能，通過裝置的面板按鈕實現一鍵分閘和一鍵合閘操作， 該功能相對后臺的遙控功能來說更加的簡潔方便， 為無后臺應用場景提供了快捷方式的遙控分合閘操作。

3 裝置軟件功能設計

低壓綜保裝置根據所以保護對象的不同，提供了不同了保護配置功能，不同對象其測控功能的作用是相同的，所以軟件功能設計的時候，將測控功能的三個子模塊，遙控功能，遙信功能和遙測功能作為了通用模塊。對于電動機保護線路保護、電容器保護來說，保護對象不同保護功能模塊也是不同的，裝置通過保護類型定值可以選擇當前裝置是電動機保護裝置、線路保護裝置還是電容器保護裝置，根據裝置選擇的類型，會相對應配置不同保護功能模塊、定值清單、軟壓板、硬壓板及控制字，在集成了多種保護功能的同時，考慮工程實施的便利性，通過定值整定的方式，選擇保護裝置的保護功能。裝置的初始化過程如圖 5 所示：

其中平臺程序，包括實時模塊、LCD模塊、通訊模塊、對時模塊、打印模塊、裝置調試模塊等。應用程序是裝置保護測控功能的實現模塊，針對低壓綜保裝置，又根據裝置類型的不同，有著不用的應用功能。保護測控功能流程如圖 6 所示。

電動機保護功能配置如下：差動速斷保護、比率差動保護、磁平衡保護、過流保護、堵轉保護、過熱保護、零序過流保護、零序過壓保護、過電壓保護、低電壓保護、非電量保護、過負荷、負序過電流保護、反時限過電流保護、過電流閉鎖、低電壓閉鎖啟動和啟動閉鎖開入、啟動間隔保護、禁止再啟動、欠載保護。

線路保護功能配置如下：過電流保護、 PT 斷線相過流保護、零序過電流保護、三相一次重合閘、加速保護、過負荷、反時限、低頻/低壓減載、接地告警、充電保護。

電容器保護功能配置如下：定時限過電流保護、不平衡電壓保護、不平衡電流保護、相電壓差動保護、三相不平衡電流保護、過電壓保護、低電壓保護、兩段零序過流保護、閉鎖 VQC 。

測控功能主要實現：遙測量包括電流、電壓、有功、無功、功率因素等模擬量的遙測； 通過積分計算得出有功電度、無功電度，所有這些量都在當地實時計算，實時累加。 電流、電壓采樣值在保護測控模塊完成基波分量、諧波分量和 RMS（均方根）值的計算，并根據預設的遙測死區判斷計算出的電壓、電流值是否需要上報。用戶查看到采集到的狀態量，可校正零漂、精度。支持主動上傳或后臺召喚。 遙信支持 16 路自定義遙信開入，遙控支持1 組遙控合、分閘操作。

4 安科瑞智能電動機保護器介紹

4.1產品介紹

智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術，具有抗干擾能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。

4.2技術參數

4.2.1數字式電動機保護器

5 結語

本文提出了一種低壓綜保的平臺架構， 這種架構的系統性能、可靠性和數據處理能力有所提高，對工業用戶提高用電可靠性有著重要的意義。 基于平臺架構，有利于技術的積累和代碼的整體移植工作和技術的復用，可以縮短整裝置的開發周期，能提高產品的經濟性和市場競爭力。