（电气工程专业论文）基于arm7嵌入式系统的电动机保护装置的研制.pdf

r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t h em o t o r p r o t e c t i o nd e v i c eb a s e do nt h ee m b e d d e ds y s t e ma r m 7 a b s t r a c t t h ee l e c t r o m o t o rw h i c hi sn o wa l li m p o r t a n tp a r to fe l e c t r i c a lt o w a g e s y s t e m sh o l d st h eb a l a n c ei nn a t i o n a le c o n o m i c i tc a nb eu s e di ne v e r yw a l ko f l i f e a n di st h ei m p o r t a n tg u a r a n t e eo f - i n d u s t r y ，a g r i c u l t u r e ，c o n s t r u c to f n a t i o n a ld e f e n c e a n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt o 雒s u r et h ee l e c t r o m o t o rr u n n a t u r a l ，a n dt h em o t o rp r o t e c t o ri sc r u c i a l t h ek e y s t o n eo ft h es y s t e mi st og a t h e ra n da n a l y s et h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n t o ft h ee l e c t r o m o t o r ，t h e nt h es t a t u so ft h em o t o rc a nb eg o ta n dt h e ni tc a nh e l pt o p r o t e c t e l e c t r o m o t o r t h eh a r d w a r e a d o p t sa r ma n dm c ua s d o u b l ec p u c o n f i g u r a t i o n i tu s e st h ea r mp r o c e s s o rl p c 2 2 9 2m a d ei np h i l i p sc o m p a n y 勰 c o n t r o lk e r n e lt or e a l i z et h ep r o t e c t i o n ，m e a s u r ea n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n b e s i d e s ，u s i n gt h ep 8 9 c 6 6 8 hs c mt oc o m p l e t et h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e t h e s o f t w a r ed e s i g ni sb a s e do nt h ee m b e d d e dr t o s “c o s - i i a f t e ri n t r o d u c i n g s o m eb a s i cc o n c e p to f 汜o s - n ，t h ep a p e re m p h a s i z e si t sn a t u r a l i z a t i o nt o l p c 2 2 9 2 a n dt h e n ，t h es o f t w a r ep a r t p r e s e n t st h ep r o t e c tc o n f i g u r a t i o na n d a r i t h m e t i c ，m o r e o v e r , i ti n t r o d u c e st h et a s kp a r t i t i o na n dt h ed e s i g no ft h ea p p l i c a t i o n i nd e t a i l t h ed e b u g g i n go ft h ed e s i g n e ds y s t e mh a sb e e nf i n i s h e di nl o c a la n dg a i n e d s a t i s f i e dr e s u l t s t h em o t o rp r o t e c t o rs h o u l db em o r ea c c u r a c ya n dp e r f e c t ，s ot h e d e s i g n e ds y s t e mn e e dm o r eb e t t e r m e n t s k e y w o r d s ：m o t o rp r o t e c t i o n , a r _ m 7 ，c o s - n ，e m b e d d e de t h e r n e t 图3 1 图3 _ 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图4 一l 图4 2 图4 。3 图4 4 图4 5 图4 6 插图清单 电动机保护装置原理框图。1 4 复位电路1 7 l p c 2 2 9 2 与存储器c y 7 c10 4 1 的连接18 电流信号处理电路1 9 a d s 7 8 6 4 与l p c 2 2 9 2 的接口连接图2 1 人机接口连接图2 2 l c d 接口电路2 3 开关量输出电路2 4 8 0 1 9 的内部结构2 5 l p c 2 2 9 2 和8 0 1 9 接口电路图2 9 前后台系统3 0 “c o s i i 的体系结构3 3 堆栈初始化示意图3 7 应用程序的总体结构框图4 0 定时采样流程图4 l 双倍数据存储缓冲区一4 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金月曼王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作亍明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 渺卟 l 签字日期：朋年r f 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒塑 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制丰段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：4s , 坼l 签字日期：少唠年，f 月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： p 下瞄， 签字日期：肛阵f 月日 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 课题背景 电动机作为动力，是所有动力设备中的主力军，被广泛地应用于发电厂和 工矿企业。据统计，电网的总负载中属于动力拖动的约占6 0 ，动力负载的绝 大部分是三相交流电动机，但其保护问题一直困扰着继电保护专业人员及运行 人员。据不完全统计，全国每年由于电动机过载、短路、缺相和接地等故障引 起严重损坏的恶性事故达数百起，经济损失巨大。根据有关部门统计，我国每 年烧毁的电动机数量达2 0 万台次，总容量约4 0 0 0 万千瓦，直接损失达1 6 亿元左 右，间接损失高达百亿元。随着我国经济的发展，电动机将会更加广泛地应用 于石油、化工、冶金、纺织等部门，因此做好电动机保护的研究和推广工作， 研制性能良好的电动机保护装置具有重要的现实意义。 1 2电动机保护的发展概况 电动机的主要故障是定子绕组的相间短路，其次是单相接地故障，一相绕 组的匝间短路、断相运行、堵转和转子鼠笼条开焊等。定子绕组的相间短路是 电动机最严重的故障，它会引起电动机本身的严重损坏并使供电网络的电压显 著降低，破坏其他用电设备的正常工作。因此，对容量为3 0 k w 及其以上的电动 机，或容量虽小于3 0 k w 但有6 个引出线的重要电动机，都应装设灵敏、快速的 短路保护装置，以便尽快切除故障电动机的电源。单相接地对电动机的危害程 度，取决于供电网络中性点的接地方式。对于小接地电流系统中的高压电动机， 当接地电容电流大于5 1 0 a ，若发生接地故障就会烧坏线圈和铁芯。因此，也应 该设接地保护，并动作于跳闸。一相绕组匝间短路、断相运行、转子鼠笼条开 焊等，均会破坏电动机的对称运行，并使相电流增大。最严重的情况是：电动机 的一相绕组全部短接，此时，非故障相的两个绕组将承受线电压，使电动机遭 到损坏。因此，应寻求简单而又完善的方法来解决匝间短路问题。 电动机的不正常工作状态主要是过负荷运行，长时间过负荷会使电动机温 升超过允许值，加速线圈绝缘老化，甚至将电动机烧坏。但其低倍过载，又允 许一定时限，这是因为一般电动机都有一定的过载能力，通过的过载电流愈小， 允许运行的时间愈长。电动机过载电流与允许工作时间的关系是一条反时限特 性曲线。所以电动机的过载保护特性应该具有良好的反时限特性，其反时限特 性曲线应能与电动机允许的过载时间特性相匹配，充分发挥电动机的潜力。 电动机保护方式主要有下面几种： 1 以热继电器为主的组合保护方式 中小型电动机保护采用熔断器、接触器和断路器及热继电器的组合。采用 熔断器及热继电器的电动机保护是较为经济，简单的一种方式。熔断器与刀开 关是使用最早、最简单的保护方式，熔断器主要是用于短路故障或严重过载时保 护供电设备和供电网络的，实际上它对电动机不起直接保护作用。当熔体熔断 时，又往往会造成电动机缺相运行而烧毁。许多人把熔断器的作用看作是保护 电动机，是一个概念错误。现行的熔断器熔体截面选择按电动机额定电流1 5 2 5 倍来选择是不符合实际的。电动机启动时受到5 7 倍大电流冲击，但因时间短， 理论上是可以在熔体不熔断的情况下通过熔体，但由于熔体在制造工艺、时效 和安装上存在随机“缺陷 ，在电动机起动时很容易发生部分相首先熔断，而使 电动机处于缺相运行，造成烧毁事故。过载热继电器在保护电动机过载方面具 有结构简单、安装方便等优点，但也有保护时滞和对轻微过载与堵转保护欠佳 的缺点，因而容易导致长期轻微过载运行使电机绕组产生热累计，而使绕组绝 缘老化造成电机损坏。但是热继电器对起动过程中的电动机不起保护作用，且 环境温度对热继电器参数影响较大，不稳定，双金属片整定方法粗糙。热继电 器安装在电动机壳外，一旦发生通风受阻、堵转、长期轻微过载，使电动机绕 组产生热积累等，热继电器就无法保护电动机。原因是热继电器串接在主电路 中，与电动机绕组温度无直接关系，另外热继电器本身是一个耗能元件，在动 作过程中要消耗较多的电能，而当热继电器真正起到保护作用动作几次，其本 身的电阻丝、绝缘材料会因过热而迅速损坏，不能继续使用，必须全套更换。 2 传统的电磁型保护方式 以反映故障前后电流量的变化为判据的电磁型保护曾得到广泛应用。目前 我国电网中，有一部分电动机保护仍采用电磁型继电器为主的保护。如运行中 的保护，大多数为电流速断或定时限过流，另有相当数量的电动机采用一次过 电流保护。根据异步电动机的启动特性，为了使保护在电机起动时可靠不动作， 这些保护的定值都要躲过电动机的启动电流来整定，这样定值要比本身额定电 流大许多倍，这对电动机匝间故障、相间故障、堵转、转子鼠笼断条等故障均 不能可靠动作，而只能保护电源电缆和定子入口的一小部分，这就加重了电动 机的损坏程度，有不少电动机在故障切除后，烧毁得已无法修复。可见电磁型 电动机速断或定时限电流保护是牺牲保护的灵敏性来提高可靠性的。 3 温度保护 决定绕组绝缘寿命的基本因素是温度。因此，任何规定的允许过负荷持续时 间，都应以绝缘发热为依据。而热保护( 热继电器) ，电流保护( 电磁型、电子式) 的本质，都是按照电动机定子电流的大小规定允许过负荷时间的长短。然而， 往往有这样的情况，即电流尽管没有超过额定值，而电动机的温度却达到了危 险的数值，需要把电机从电网断开。由此看来，直接反映电机温度的保护具有 一定的优越性。温度保护是利用安装在电动机内部的温度传感器来实现的。当 电机达到一定温度时，继电器动作断开电动机的供电电路。此类保护的关键是 2 在制造电动机时，将传感器直接放在电动机绕组里，但究竟将其预埋于电机的 哪一部位才能最全面有效地检测电动机绕组的温升，从而灵敏地切除故障，是 不能确定的。比如说，温度传感器预埋于a 处，而在远离a 处的b 处发生故障， 传感器就有可能监测不到该处温度的变化，从而延误保护动作的时间而使故障 扩大。也就是说它的检测功能是局部的。况且，由于传感器埋在电动机绕组里， 对传感器的维护检修就极为不便，必须拆除电机本身才能对传感器进行检修。 因此，温度保护的使用有着相当大的局限性。 4 电子式保护 随着现代电子工业的发展，一批新型的电子模拟式多功能保护应运而生。我 国电子式保护是由晶体管型发展至集成电路型的。其原理一般包含两个方面：一 是检测电流值反映过载、短路及堵转等以过流为特征的故障。二是通过检测电 动机电压或电流是否缺相来反应断相故障。以过流为目标的保护器从原理上分 析有以下问题：( 1 ) 不对称故障及不平衡运行状态，与对称故障或过载引起电动 机损坏的原因是完全不同的。因为不对称故障或不平衡运行会出现负序电流分 量，由此所引起的负序效应会导致电动机过热、转子振动等一系列问题。因此， 若仍以过流为目标构成保护器，则难以实现对电动机的全面的监测和保护。( 2 ) 电动机内部绕组故障，如匝间短路、单相( 两相) 接地等，这类故障一般是由于环 境较差，长期运行不当等原因引起的，起初这类故障往往都是局部的，并不出 现过流，但若不及时处理会导致事故扩大，等到故障大到出现足够大的过流信 号时，电动机己经损坏，保护失去意义。 5 微机保护 微机保护是近二十余年发展起来的一种新型保护。微机保护深受广大用户的 欢迎，其发展速度越来越快，主要原因是：( 1 ) 性能优良；由于计算机的应用，原有 保护极难解决甚至不能解决的问题，通过提出适当的算法，简单的编程即可得 到圆满的解决。( 2 ) 可靠性高；由于采用了很强的计算分析和逻辑判断能力的计算 机，微机继电保护可以实现常规保护很难办到的自动纠错，有效地防止了由于 干扰造成的误动作。同时，利用装置的自检功能，一旦保护装置本身出现故障， 可及时检测出并发出相关信号。( 3 ) 灵活性强；微机保护的功能是通过软件实现 的，只要修改程序就可以改变保护的特性和功能。因而可以在不改变硬件的前 提下，实现不同的保护功能。( 4 ) 易获得附加功能；微机保护可利用其数据处理和 控制功能，如果配置打印机或其它显示设备就可以同时完成打印、故障录波、 故障测距等功能，这样有助于运行部门对事故的分析和处理。( 5 ) 维护、调试方 便；由于微机保护有自检功能，所以对微机保护装置可以说几乎不用定期校验， 所以对厂家和用户都大大减轻了维护的工作量。 1 3 当前我国电动机微机保护装置中存在的问题 近几十年来，由于我国广大电力科技工作者的不懈努力，我国电动机微机保 护技术及应用水平有了很大的提高，但是目前国内正在运行使用的电动机微机 保护装置还存在需要改进的地方。主要表现在以下几个方面： 1 硬件系统资源及功能简单。 作为处理器和控制器的c p u 基本上还是采用传统的m c s 一5 1 和8 0 9 6 系列单片 机。这些c p u 多是基于八十年代的技术和工艺，受结构、速度和总线的限制， 其指令功能有限、寻址空间小、运算能力弱。这些单片机虽然控制性能较好， 但是不善于数字信号的处理，因此微机保护装置在算法的实现上存在一定的困 难。另外，随着电力系统自动化水平的不断提高，微机保护装置除了要完成传 统的保护功能外，还需要完成正常运行条件下的系统参数的测量，包括电压、 电流、有功、无功等，这些都是传统微机保护装置难以实现的，不能满足微机 保护装置的高实时性、高可靠性和可扩展性。 2 软件系统开发平台不完善，程序结构落后，不便于开发、移植和维护。 相对于硬件的快速发展，软件方面的发展相对滞后。传统微机保护装置的软 件设计通常采用主循环加中断的线性结构，可称为前后台系统。其传统的开发 方式是：先画好程序流程图，然后按照流程图来编程，一般是一个无限循环， 循环中调用相应的子程序来完成相应的操作，这被称为后台行为或任务级：用 中断来处理各种随机事件，这被称为前台行为或中断级。这种程序简单直观， 易于控制，但缺乏灵活性，不便于软件的维护和升级。随着电力系统自动化水 平的不断发展，对微机保护测控装置的功能的要求也越来越多，不仅要完成继 电保护功能，还要完成通信、自检和人机对话等功能。传统的线性程序结构会 导致软件复杂度增高，增加了开发难度和时间。 目前的微机保护在软件开发上普遍采用汇编语言编写的程序。这种设计方法 虽然具有代码精炼，在某些关键操作上执行效率高等优点，但由于编程人员要 全面规划内存安排、数据调度、资源分配等，造成了软件开发周期长、难度大 等困难。另外，由于不同的编程人员具有不同的思维习惯和方式，导致软件难 于交流、移植和维护。 3 通信的标准性、高速性、可靠性得不到保障。 微机保护测控装置之间的通信技术是衡量一个电动机微机保护系统先进程 度的指标。最初的通信技术是用r s 4 8 5 总线将微机保护装置连接在一起，利用主 从方式进行通信。这种通信方式虽然简单，但技术上缺陷很多，实际运行中暴 露出来很多问题：通信速率低，一般不超过9 6 k b p s ，在传输大量数据时力不从 心；不能在通信网中设置一个以上的主机，因而不能享用多主机技术带来的各 种优越性能。后来，各种现场总线技术引入保护装置，由于其简单方便、组网方便、 广泛用于变电站自动化系统中的内部通信网。但是，国际上不同的公司推出不同 4 的总线标准不同，并且不同的总线标准采用了不同的网络技术，各种总线间不相 互兼容甚至排斥的混乱局面导致不同种类的现场总线不能相互操作，影响了现场 总线向纵深方向发展。 1 4 嵌入式系统概述 针对当前微机保护装置所存在的问题，同时参考微机保护装置的发展趋势。 本装置采用基于a r m 7 的嵌入式系统，硬件采用飞利浦公司的l p c 2 2 9 2 芯片， 软件采用实时操作系统( r t o s ) 正o , s - u ，基本上解决了同类装置上述的 缺陷和问题。 ： 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。以计算机为核心的嵌 入式系统是继i r r 网络之后，又一个新的技术发展方向。嵌入式系统以应用为中 心、整合了计算机软件、硬件技术、通信技术和微电子技术，以“量体裁衣 的方式把所需要的功能嵌入到应用系统的设备中，适应应用系统对功能、可靠 性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。简单的说，嵌入式系统将 操作系统、应用软件集成于计算机应用系统中，具有软件代码小、高度自动化、 响应速度快等特点。特别适用于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要以 嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件组成，是集软硬件 为一体的可独立工作的系统。 1 4 1 嵌入式系统的硬件 近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系 统用嵌入式处理器制造。嵌入式系统硬件以嵌入式处理器为核心，配置必要的 外围接口器件。嵌入式微处理器对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任 务并且有较短的中断响应时间，有很强的存储区保护功能，有利于模块化的软 件诊断，处理器结构可扩展并且功耗小。嵌入式处理器可分为以下四种类型。 ( 1 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一 块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成 r o m e p r o m 、r a m 、总线、定时计数器、w a t c h d o g 、串行口、脉冲调制输出、 a d d a 、f l a s h r a m 等各种必要的功能外设。特点是体积小、单片化、功耗和 成本低、可靠性强，是目前嵌入式系统工业的主流。 ( 2 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i 百t a ls i g n a lp r o c e s s o r , e d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器。其编译效率高、指令执行 速度快，特别适用于数字滤波、谱线分析等嵌入式领域。 ( 3 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) s o c 是在一片硅片上实现一个复杂的系统，整个嵌入式系统可以集成到一 5 块或几块芯片中去。用标准的y h d l 语言进行描述，可大幅度提高系统的可靠 性，减小系统面积，降低系统成本和功耗，极大地提高了系统的性价比。 ( 4 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用 有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。嵌入式微处理器的典 型代表是a r m 处理器，a r m 处理器是基于精简指令集r i s c 体系结构的计算 机系统，简单的结构使a r m 的内核特别小、功耗低，a r m 核技术广泛地应用 于便携式通信、嵌入式系统等领域，已经成为r i s c 的标准。目前，基于a r m 技术的3 2 位处理器的市场占有率达8 0 ，在所有a r m 处理器系列中，a r m 7 系列应用最广，本设计中就采用a r m 7 处理器。 1 4 2 嵌入式系统软件 嵌入式系统软件以嵌入式操作系统为关键，嵌入式操作系统是嵌入式应用 软件的基础和开发平台，用户的其他应用程序都是建立在操作系统之上，操作 系统将c p u 时间、中断、定时器等包装起来，留给用户一个标准的a p i ，并根 据任务的优先级，合理地调度任务分配c p u 时间。 嵌入式系统主要是对设备和装置进行控制的，在这些应用场合中，系统是 否能及时快速地响应外部事件，常常是对系统的第一要求，因此嵌入式系统中 使用的操作系统大多是实时操作系统( r t o s ) 。嵌入式实时操作系统必需是多 任务系统。当系统有多个任务在运行时，实时操作系统对每个任务赋予不同的 优先级别，只有最高级别的任务才能获得c p u 的使用权。目前，在嵌入式系统 内使用的实时操作系统主要有：嵌入式l i n u x 、v x w o r k s 、p c o s i i 等，其中 p c o s i i 实时操作系统是一个源码公开、可移植、可固化、可剪裁的占先式内 核，绝大数代码可用a n s ic 编写，使其可以方便的移植并支持大多数类型的 处理器。i - t c o s i i 短小精悍，对于刚刚涉及嵌入式系统的初学者，是学习和研 究的首选。 1 4 3 嵌入式以太网技术介绍 以太网技术作为一种局域网基本媒体接入技术，应用灵活简单，是当今网 络的主流，国际互联网、商业管理和办公自动化领域里，绝大多数采用的是以 太网技术。早期的以太网技术是在2 0 世纪7 0 年代由x e r o x 公司发明的，后来 作为一种基带局域网，规范采用了载波侦听多路访问冲突检测( c s m a c d ) 传输规范，并且其传输速率以1 0 m b i t s 在同轴电缆上运行。到了8 0 年代，基于 原来以太网技术产生了i e e e 8 0 2 3 规范标准。由数字设备公司、i n t e l 、x e r o x 公 司开发了与i e e e 8 0 2 3 规范标准相兼容的以太网2 0 标准，可以使用双绞线等各 种电缆。上世纪9 0 年代，i e e e 起草了l o o b a s e - t 以及光纤通道和可以与 6 i e e e 8 0 2 3 协议栈相结合的吉比特以太网规范标准。从而将以太网的速率提高到 1 0 0 0 b a s e - x 。可以说以太网技术推动了局域网的发展。 近几年来，嵌入式产品广泛用于消费电子、网络通讯、工业控制等领域。 网络化是嵌入式系统发展的必然趋势。以太网技术和嵌入式技术的结合是这两 项技术发展和融合的必然产物。嵌入式以太网技术就是在微处理器或微控制器 的基础上利用嵌入式技术实现以太网通讯。嵌入式以太网和传统以太网在物理 上都遵循i e e e 8 0 2 3 标准，逻辑上大都选用广泛使用的t c p i p 协议族。嵌入式 以太网与传统以太网的最大区别在于：后者是基于p c 机或工作站的软硬件环境 的，与p c 机、工作站的硬件直接配合，使用的网络协议( 如t c p i p 等) 内嵌 在w i n d o w sn t 、u n i x 等操作系统之中，它总脱离不了p c 机或工作站的软、硬 件环境，因此在工业控制领域的应用受到限制；嵌入式以太网是基于微控制器 或微处理器的软、硬件环境的，使用的网络协议族( 如t c p p ) 内嵌在实时操 作系统之中，使其应用于工业控制领域大为方便。 随着r i i 技术的发展，以太网的发展也取得了本质的飞跃，先后产生了高速以 太网( 1 0 田和千兆以太网产品。目前，1 0 g 以太网也在研究之中。嵌入式以太 网有广阔的市场前景和发展空间。 1 5 本装置研究的意义 a r m 嵌入式处理器在硬件设计中已被广泛应用。a r l v l 嵌入式处理器是一 种高性能、低功耗的r s c 芯片。它由英国a r m 公司设计，世界上几乎所有的 主要半导体厂商都生产基于a r m 体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌 入a r v l 的相关技术。如t i ，m o t o r o l a ，i n t e l ，n s ，p h i l p s ，a l t e r a ，a g i l e n t ， a t m e l ，h y n i x ，s h a r p ，t r i s c e n d ，n e c ，c i r r u s l o g i c ，s a m s u n g 和l i n k u p 等公司都有自己相应的产品。 a r m 处理器目前有5 个系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e e u r c o r e 。 在所有的a r m 处理器中，a r m 7 处理器系列应用最广，采用a r m 7 微处理器 做内核生产芯片的公司最多。这其中具有代表性的产品有s a m s u n g 公司的 s 3 c 4 4 8 0 ，p h i l p s 公司的l p c 2 2 9 2 等。 采用a r m 芯片作为微机保护装置的核心c p u 有以下一些优点： ( 1 ) 处理速度快。微机保护装置的首要性能评价指标就是速度。a r l v l 是 r i s c 结构的处理器，而且a r m 内部集成了多级流水线，大大增加了处理速度。 ( 2 ) 功耗低，价格低廉，降低了产品成本。 ( 3 ) 可利用的软件丰富。a p d v l 公司一直致力于支持嵌入式系统在删处 理器上的开发应用，目前几乎所有常见的嵌入式系统在a r v l 内核处理器上都 有成熟的应用。 随着微处理器芯片性能的高速发展、价格的下降和对软件的可重用性、可 7 维护性的提高，采用实时操作系统( i 淝s ) 已经是大势所趋。 所谓实时系统，是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做 出响应的计算机系统。“在确定的时间内 是这个定义的核心，也就是说，实时 系统对响应时间有严格要求，并不是指系统的响应和处理速度要越快越好，而 是指系统的响应要满足时间限制。微机保护测控装置就是一个实时系统。 r t o s 是实时系统中软硬件资源的总指挥部，它以尽量合理、有效的方式组 织和管理系统中的软硬件资源，是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 由于r t o s 不可替代的优点，其发展速度很快，最近几十年涌现出了一大 批优秀的r t o s ，其中比较具有代表性的有l i n u x 、v x w o r k s 、，o s - i i 、w i n c e 等。在这中间，o s - 儿又以其源代码公开和免费、体积小和可裁减、性能和 安全稳定性高等优点在世界范围内获得了广泛应用，包括诸多领域，如手机、 路由器、集线器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控制等。 采用r t o s 的微机保护测控装置相比传统的微机保护装置具有以下几个方 面的优点： ( 1 ) 可靠性更高。继电保护的一个重要要求是可靠性。采用基于r t o s 的微 机保护软件，在遇到很强干扰时，不会像传统的线性程序那样会引起死机，只 会引起若干个任务中的一个被破坏，可以利用其他的进程对其进行修复。r t o s 不仅可以将应用程序分解成若干个独立的任务，还可以另外启动一个监控任务， 监视各任务的运行情况，从而大大提高了系统的可靠性。 ( 2 ) 开发难度降低，可扩展性增强。微机保护采用r t o s 可以提高开发效率， 缩短开发周期。采用基于r t o s 的应用软件，通常将复杂的程序按功能划分为 若干个相对独立的任务，简化了开发流程。目前，大多数的嵌入式系统都采用 c c + + 开发语言，灵活性好，可移植性强，方便了对软件的调试和升级。 综上所述，在3 2 位a r m 处理器上构建以嵌入式实时操作系统o s - i i 为 平台的开发应用近年来颇多，但在微机保护装置方面的应用还不多见，这些对 今后微机保护装置的研究具有一定的参考价值。 第二章电动机的保护方案和保护算法 本课题设计的电动机保护装置是以电动机常规保护理论为基础的。通过电 流或电压互感器将电动机的电流或电压信号转换成电压信号，这些模拟信号经 信号处理单元滤波和整形后进行a d 转换，然后送c p u 进行算术运算与数据处 理，根据运算结果与设定保护判据确定保护装置的动作时间。输出的开关信号 直接驱动执行机构，使继电器动作并输出报警信号。 然而，如何根据运算结果与设定保护特性决定保护装置的动作时间是电动 机保护的一个关键问题。它决定着保护装置能否在恰当的时间内对电动机进行 可靠性的保护，使其既能充分发挥潜在的过载能力，又能保证其绕组温度不超 过温度极限。 本电动机保护装置提供了电流速断保护、反时限保护、负序高段和负序低 段保护、零序过流( 接地) 保护、低电压保护、启动时间长保护、堵转( 转子 停滞) 保护和频繁启动保护等九种保护功能。 2 1电动机保护原理及保护判据 1 相电流速断保护 该功能用于电动机出现恶性事故之时。电流速断保护是以电动机的最大相 电流为判断依据的。其判据如下： j k 孔出 2 一l 1 f 缸 2 - 1 其中：k = m a x ( i a ，l b ，尼) ； 缸电流速断保护动作定值； 缸电流速断保护动作时限； f 动作延时。 本保护在原来电流速断的基础上加上动作时限构成的。主要是考虑到在熔 丝接触器回路的系统中防止本保护抢在熔丝熔断之前跳闸。另外，由于每台电 动机在启动时的启动电流各不相同，所以电流速断的定值在启动时和运行时有 不同的定值。 2 反时限保护 当电动机过载时，其最大相电流大于等于本保护的启动定值时，本装置按 照以下判据计算跳闸延时时间： 9 f 腼 ，了三一 2 2 l ( 警) 2 一l l抛 其中f 动作时间常数； 觑反时限保护动作定值 由于电动机在启动时的启动电流较大，所以在启动过程中其动作特性必须 自动上移以防止误动；而在停机时电动机内所储存的热量必须散掉。因而，时 间常数分为启动时间常数、运行时间常数和停机时间常数三种：启动过程中使 用启动时间常数；运行过程中使用运行时间常数：停机散热时使用停机时间常 数。以确保在各种运行状态下都不会误动。 3 负序高段过流保护和负序低段过流保护 这两种保护的动作特性都是一样的，都是以负序电流作判断依据的。只不 过是保护定值和动作时限不同。其保护判据如下： j 几h 2 止2 3二一o 【t 2 t 2 d z 这是一个定时限判据。 其中：，：计算的负序电流： j z 如负序高段或低段保护的启动定值； f 2 负序高段或低段保护的动作延时； t 2 d z 负序高段或低段保护的动作时限。 负序过流保护是在电动机三相电流不平衡时( 如断相、单相接地、两相短 路等故障发生时) 引起负序电流升高而动作。 4 零序( 接地) 保护 在电动机绕组单项接地等故障发生时，其零序电流大大地增加。这时零序 过流保护应该动作以保证电动机不受损坏。其保护判据如下： j 几h 0 出2 _ 4 【t o f o 玉 其中：，o 实测的零序电流； ，o 出零序电流定值； f o 动作延时： f o 出零序保护动作时限。 这是一个反应于零序电流的定时限特性。 5 低电压保护 低电压保护的动作判据如下： l o f u i l z 9 一e 1f 姚 其中：电压实测值的最小值； 阮低压保护的定值： f _ 动作实际延时时间； 池低压保护动作时限。 低压保护是为了防止在供电系统的电压过低时造成电动机的电流过大，因 而引起电动机过热而进行的保护。电动机的输入电压过低，其出力( 即负载) 又不变的情况下必然会造成电动机的电流过大，电动机所产生的热量也就过大， 时间长了会造成电动机损坏。所以设置此保护是十分必要的。 6 启动时间长 电动机在启动过程中其电流是一般额定电流的数倍，如此大的电流如长时 间注入电动机的话必然会造成电动机发热而损坏。因而在启动过程中设置此保 护，如起动时间超过所设定的时间便跳闸予以保护。该保护是依据电流在启动 过程中作用。启动完成后自动闭锁。这是依据最大相电流的定时限特性。这里 不再赘述。 7 频繁启动保护 正因为电动机的启动电流较大，故应避免电动机在短时间内多次启动。所 以提供了该保护功能，以防止电动机过热而烧毁。 2 2 实现的部分算法 在微机保护装置中，电压、电流等模拟量信号经过模数转换和离散采样成 为可用计算机处理的数字量后，计算机将对这些数字量进行分析计算，得到所 需的电压、电流的基波有效值和相位等参数，或者计算出它们的序分量，或者 某次谐波的大小和相位等。然后微机保护装置根据这些参数的计算结果以及整 定的定值，通过比较判断来决定装置的动作行为。完成上述分析计算的方法， 称为微机保护的算法。 微机保护算法是软件设计的关键。目前微机保护算法的种类众多，分析和 评价算法的主要指标是其速度和精度，而且这两者常常是矛盾的。因此，微机 保护中关于算法的一个基本问题就是寻找一种合适的算法，在速度和精度两个 方面达到平衡，以满足系统的要求。 目前，在微机保护中应用较广泛的算法有全波傅氏算法、半波傅氏算法、 最小二乘算法、卡尔曼滤波算法和小波算法等。其中全波傅氏算法在微机保护 中获得了广泛的应用，本装置也选用了比较成熟的全波傅氏算法。 傅氏算法是从傅立叶级数导出的。假设被采样的模拟信号是周期性的，采 用此方法可以准确地求出基波分量。傅氏算法始终假设被处理的信号是周期性 的，即由稳恒直流、基波和整数倍谐波分量组成，假设输入信号为i ( t ) ，则i ( t ) 的一般表达式为： i ( t ) = a 。+ a k s i n ( k w l t + 丸) 2 - 6 k = l 式中a 。稳定直流分量； a 。k 次谐波分量幅值； w ，基波角频率； 丸k 次谐波分量相位。 傅氏算法属于正交样品函数。这_ 二类算法是采用某一正交函数组作为样品 函数，将这一样品函数组与待分析的时变函数i ( t ) 进行相应的积分变换，以求 出与样品函数频率相同的分量的实部与虚部的系数，进而可以求出待分析的时 变函数i ( t ) 中该频率的谐波分量的模值和相位。 在下面的积分方程中 三 i = ，i ( t ) y ( t ) d t 2 - 7 一三 2 式中y ( t ) 选定的正交样品函数； i ( t ) 待分析的时变函数。 根据正交函数的定义，如i ( t ) 可分解为一个级数且级数各项都属于同一正交 函数，则上述积分结果为i ( t ) 中与样品函数相同分量的模值。取y ( t ) = c o s n v t 时， 则得n 次倍频分量的实部的模值i r 丑为 三 ， 2 i 如= 幸j i ( t ) c o s n 烈d t 2 - 8 一三 2 取y ( t ) - - s i n n w t 时，则得n 次倍频分量的虚部的模值i l n 为 三 ， 2 i l n = 景弛) s i l l n 研d t 2 - 9 工一1 2 由此则可得模值i 。，即 i n = 4 1 2 r n + 1 2 h 2 1 0 并可得到以样品函数为基准的i 。的相位角秒， 口：a r c t g 堕 2 1 l u h 式( 2 8 ) 和( 2 - 9 就是傅氏级数相应项的系数计算式。 该算法在计算机上实现时，也是对离散的采样值进行运算。将式( 2 - 8 ) 用离 1 2 式中n 一一个周期t 中的采样点数； i k 第k 个采样值。 这种算法是利用一个周期t 内的全部采样值来进行计算，因此数据窗也就是 一个周期t 。 用同样方法求其虚部 i m = 吾善i ks i n n k 等 2 m 在计算机上作实时计算时，每隔一个采样周期t 就对i ( t ) 采样一次。换句话 说，随着时间的变化，每隔一个t 就出现一个新的采样值i k 。微机保护在具体 实现时，一般有两套不同的方案：一是每个工频周期进行一次计算，即出现n 个新采样值后才进行一次计算。二是每出现一个新的采样值后就计算一次。在 以往的低压系统中，出于硬件成本的考虑，多采用第一种方案。随着微处理器 技术的发展，现在的微机保护装置多采用第二种方案，继电保护的实时性也得 到了加强。之所以说实时性相对较强，是因为计算要用到一个周期内的全部采 样值。因此，计算必须在系统发生故障后第n 个采样值出现时才是准确的，在此 之前，n 个采样值中有一部分是故障发生前的数值，一部分是故障发生后的数值， 这就使得计算结果不能正确地反应真实值。计算值没有越出故障前、后真实值 的区间内，则保护仍可以认为计算值是有效的、可用的，否则计算值是无效的。 采用傅立叶算法，每周采样的点数越多，计算的数据就越多，计算的时间 就越长，所以不能忽视计算速度问题。在本论文中，综合l p c 2 2 9 2 的处理速度， 选取每周采样1 6 点。式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 是将式( 2 8 ) 和( 2 9 的积分用矩形法求得，为 了提高计算的准确性，在计算待测量基波幅值时，我们采用梯形法来求式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 的积分。这样总体上可以兼顾速度和准确度。 k = 磷+ 2 驴1 5s g 2 ) “6 k = 去陪k = ls 试( k 等) 1 3 2 - 1 4 2 一1 5 挖 一 。厶 万一4丝n km k n “ 2 一n = k 为 部实其时算计值散 第三章电动机保护装置的硬件平台的构建 3 1 硬件平台总体构建方案 硬件平台的构建是整个微机保护测控装置工作的基础，其设计的好坏，不 仅直接影响到微机保护装置功能的实现与否，而且对软件系统的设计也起着决 定性的作用。一种好的硬件电路设计方案，可以说对整个装置的设计有着事半 功倍的效果。 整个硬件平台采用a r m + m c u 结构，a r m 选用p h i l i p s 公司的l p c 2 2 9 2 ， m c u 选用p h i l i p s 公司的p 8 9 c 6 6 8 h 。a r m 主要负责数据的采集、处理、计算、 存储、故障的判断、跳闸出口以及与上位机的通信等。m c u 主要负责人机接口 的键盘和显示部分。两者通过串行通信总线进行数据交换。 本装置原理框图如图3 1 所示。 3 2c p u 模块部分 3 2 1a r m 处理器简介 图3 1电动机保护装置原理框图 a r m 微处理器是基于精简指令集r i s c 体系结构的计算系统。r i s c 并非只是 简单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单和合理 地提高运算速度上。r i s c 结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指 1 4 令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少：以控制逻辑为主，不用 或少用代码控制等措施来达到上述目的。a r m 处理器已遍及工业控制、消费类电 子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微 处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在 逐步渗入到我们生活的各个方面。采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下 特点： 1 、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2