基于高性能嵌入式MCU的电动机保护器.docx

基于高性能嵌入式MCU的电动机保护器ronggang导语：本文介绍了基于高性能嵌入式单片机MB90F543G的电动机微机保护控制器，该控制器集CPU、RAM、ROM、定时器、UART、CAN网口于一体具有高可靠性，低功耗，实时计算速度快，网络化，冗余备份，资源分享等特点摘要：本文介绍了基于高性能嵌入式单片机MB90F543G的电动机微机保护控制器，该控制器集CPU、RAM、ROM、定时器、UART、CAN网口于一体具有高可靠性，低功耗，实时计算速度快，网络化，冗余备份，资源分享等特点，同时构造紧凑，抗电磁干扰性能、抗震动性能良好。关键词：电动机，微机，保护控制器各种上下压型电动机是电力系统中的主要负载之一，因此电动机的保护亦最具重要性。随着计算机技术的开展，电动机保护器正朝着微机化，智能化，综合化，高可靠性方向开展1。保护装置最重要和最根本的要求是可靠性。电动机微机保护器的可靠性，在某种程度上取决于CPU本身的可靠性和其抗电磁干扰的才能，而采用总线不出芯片的CPU是国内外公认的最可靠方案。由于CPU的运算速度和位数对可靠性不产生直接影响2，因此综合考虑可靠性与运算速度，本保护器选用富士通的MB90F543G作为保护CPU。MB90F543G作为新一代增强型单片机，具有类DSP的构造、4M外部主频、内嵌32位计算指令，高速的32bit乘除法加减法、最短指令周期达62.5ns，以及128KFLASH和丰富的外设双CAN、双UART、SPI、丰富的IO口，使其易实现多任务实时操纵系统。现对该保护器做以下介绍。2保护器的硬件系统该保护器由沟通采样板AC、主控板CPU、电源逻辑板LOGIC、跳闸板TRIP、人机接口板MMI构成。2.1AC板AC板包括电压输入和电流输入两个局部，其原理见图1所示。电压输入元件由电压互感器构成，电流输入元件由电流互感器和并联电阻构成。align=center图1AC板原理图/align2.2CPU板CPU板由七个局部构成：单片机局部、E2PROM、开关量输入电路、开关量输出电路、通讯线光电隔离电路、实时时钟RTC及AD模数转换局部。其中的单片机局部的核心为高度集成的芯片MB90F543G，因此，在CPU板上没有了外引总线，大大进步了装置的抗电磁干扰才能。CPU板上各局部之间的关系见图2所示。align=center图2CPU板原理图/align2.3LOGIC板LOGIC板上由微型继电器构成跳、合闸及告警信号等逻辑，其原理见图3所示。它具备在电机故障时发出保护跳闸、远方跳闸、远方合闸指令;装置故障时切断CPU板的24V电源;装置告警时发告警信号等功能。并具备信号复归及将电源220VAC变换成24VDC的功能。align=center图3LOGIC板原理图/align2.4TRIP板TRIP板具备保护合闸保持、保护跳闸保持、手动合闸、手动跳闸、防跳等功能，同时可以监视控制回路的完好性。2.5MMI板MMI板由CPU芯片另一块MB90F543G、CAN网络驱动器、键盘和液晶、信号指示灯、时钟、复归按钮等构成，可以完成键盘响应、菜单操纵、液晶显示、与CPU通讯、信号批示、复归及确认操纵等功能，各局部之间的关系见图4所示。MMI板选择了12864点阵式液晶屏，其接口与CPU板通过Can网络连接，速度高、响应快。align=center图4MMI板原理图/align3保护器的软件设计3.1保护器主程序电动机微机保护器主程序框图见图5所示.初始化一是对单片微机及其扩展芯片的初始化，使保护输出的开关量出口初始化，赋以正常值，以保证出口继电器均不动作。初始化一是运行与监控程序都需要用到的初始化程序。初始化二包括采样定时器的初始化、控制采样间隔时间、对RAM区中所有运行中要使用的软件计数器及各种标志位清零等程序。初始化之后，进入运行之前应开场模数转换，并进展一系列采样计算,每隔0.625ms32点采样时间发出一次采样中断恳求信号。每当中断效劳程序完毕后又回到自检循环并继续等待中断恳求信号,主程序如此反复自检、中断进入不断循环阶段，这是保护运行的重要程序局部。align=center图5主程序框图/align3.2采样中断效劳程序采样中断效劳程序主要包括采样计算，PT断线检测和保护起动元件三个局部。进入采样中断效劳程序，首先进展采样,采样后采用FFT算法计算其实时有效值，然后将各有效值存入随机存储器RAM的对应地址单元内。在保护判定起动之前，先检查PT二次是否断线。为了进步保护动作的可靠性，保护装置的出口均经起动元件闭锁，只有在保护起动元件起动后，保护装置出口闭锁才被解除。在微机保护装置里，起动元件是由软件来完成的。保护采用相电流突变量起动方式。采样中断效劳程序框图见图6所示.align=center图6采样中断效劳程序框图/align3.3故障处理程序故障处理程序包括保护软压板的投切检查、保护定值比拟、保护逻辑判定、跳闸处理程序和后加速局部。保护逻辑函数包括过流保护glbh、过负荷保护gffbh、电机起动时间过长保护qdbh、堵转保护dubh、零序过流保护lxbh、负序过流保护fxbh、低电压保护dybh、PT断线检测chkPT、低周减载dzjz、失压保护sybh。在各保护逻辑判定中，如A相的数值型定值未超定值或者逻辑判定程序未判保护动作那么进入B相及C相的逻辑判定和故障处理程序。故障处理程序框图见图7所示。align=center图7故障处理程序框图/align4基于MB90F543G的电动机微机保护控制器的型式试验根据上述介绍，电动机微机保护控制器构成见图8所示。保护装置作为新一代嵌入式微机保护器，采用高性能低功耗的增强型微控制器，具有类DSP构造和32位计算指令。高可靠性CPU、RAM、ROM、定时器、UART、CAN网口等集成于一片，实现了低功耗、速度快、网络化。高精度实时时钟具备GPS自动对时功能，可实现站内系统的同步采样，其E2PROM用于存放设备参数和保护定值。大容量的铁电存储器可保存故障录波数据及32个事件报告，所有数据掉电不消失。保护装置采用标准4U高度机箱，内部采用前MMI板后插件构造，AC板、CPU板、LOGIC板、TRIP板通过一背板插装连接，装置前端的MMI板通过CAN驱动器A82C250与CPU板进展数据通讯。内部插件可以拔出，调试检修极为方便，并与MMI板构成一有机整体，构造紧凑，抗干扰性能、抗震动性能良好。目前，基于MB90F543G的电动机微机保护控制器已进展了型式试验，试验结果显示了其主要性能皆优于国标要求详见附表一、附表二，可广泛应用于2000kW以下不设纵差保护的高压异步电动机，或者2000kW以上的异步机或者同步机的后备保护。align=center图8保护装置构成示意图/align本文作者创新点：自主开发的这套装置选用类DSP构造的高性能嵌入式单片机作为保护CPU，14位的高精度AD芯片作为保护模数转换，使其测量精度与保护可靠性相比同类产品都有进步。另外，内部采用前MMI板后插件构造，使装置构造紧凑，抗干扰性能、抗震动性能良好。参考文献:1王道乾.嵌入式系统在变电站继电保护系统中的应用J工业控制技术,2006,62施慧莉张雪娟.基于DSP的智能电机保护器设计J微计算机信息,2006,14:179-1813刘强.微机保护装置中央处理器的选择讨论J江西电力职业技术学院学报,20064陈德树.微机继电保护M.北京：中国电力出版社，2000