基于DSP和FPGA的故障电流相控分断装置

2017-10-14包涌泉袁铎宁李世学邹伟华

船电技术 2017年8期

包涌泉，袁铎宁，李世学，邹伟华，涂煜

包涌泉，袁铎宁，李世学，邹伟华，涂煜

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

文章介绍了故障电流相控分断的基本原理和方案；详细介绍了基于这种方案的相控分断装置的软硬件设计。装置以高性能DSP芯片TMS320F28335和现场可编程门阵列FPGA为核心，其中DSP作为主控芯片，FPGA为协处理器和执行单元，同时采用高精度ADC芯片AD7606来满足硬件设计要求；装置使用改进半波傅氏算法和自适应算法相结合的策略进行电流零点预测，提高了预测的准确性和快速性。实验证明装置具有良好的精确度、实时性和可靠性。

故障电流相控开断零点预测 DSP FPGA AD7606

0 引言

开关电器设备的智能化是船舶中压电力系统电站综合自动化、配电系统自动化的基础。在船舶的发供电电力系统中，由于采用大容量发电机组、变电设备、推进电动机和电子系统导致负载急剧增大，且船舶电力系统固有的供电线路较短，使电力系统故障情况下的短路电流水平也急剧增大，普通船舶电器无法满足其高分断能力要求和抗冲击振动的要求，采用相控技术分断故障电流能减小断路器触头烧蚀，提高断路器开断能力[1]。

1 故障电流相控分断的基本原理

断路器灭弧室的极限开断电流主要受输入触头间隙电弧能量和触头电磨损的影响，燃弧期间，电弧消耗能量的表达式为：

式中，t为触头分离，电弧开始燃烧的时刻，t为电弧熄灭的时刻，u(t)为弧压，(t)为电弧电流。

从上式可以看出，通过控制断路器燃弧时间t-t，可以有效地提高断路器的极限开断电流和使用寿命[2]。

故障电流相控开断的原理如图1所示。相控分断的过程是在短路故障t0发生后，找到一个目标电流零点T，在特定的时刻t2而不是直接在t1时刻发出断路器分闸命令，使得断路器触头在t3时刻分离，经过最佳燃弧时间tTAGET_ARC，在目标电流零点处熄弧，完成开断过程。图中阴影部分可看成相控开断相对于直接开断情况下电弧消耗能量的减少。

2 故障电流相控分断装置方案

故障电流相控分断装置的总体方案如图2，装置采用了背插式机箱结构，包含交流板、电源板、CPU板、输入板、输出板、通信板和人机界面。装置对系统电流进行采集，通过估计故障电流的相关参数预测电流波形，计算电流零点和等待延时，由此适时向断路器发出跳变命令，驱动断路器永磁机构分断故障电流，完成相控分断任务。

图1 故障电流相控开断原理图

图2同步开关控制装置方案图

3 硬件设计

故障电流相控分断装置的硬件结构如图3。考虑到相控分断故障电流特殊性和实时性的要求，使用DSP和FPG为核心器件实现整个装置的功能。DSP运算能力强、控制灵活，使用它完成主要控制工作；采用现场可编程门阵列FPGA作为DSP的协处理器，利用它硬件实现处理算法的优势完成底层的数据采集及滤波等耗费大量时间的任务。

3.1 DSP模块设计

综合考虑运算速度、精度、片内硬件资源等因素，选用TI公司的 TMS320F28335型DSP。TMS320F28335型数字信号处理器是TI公司的一款32位浮点型DSP控制器，它主频可达150 MHz，内嵌256K×16位的flashROM、34K×16位的SRAM和8K×16位的BootROM；还配置有CAN控制器、异步串行通讯口（SCI）、同步外设接口（SPI）、2×8路12位的A/D转换通道、硬件看门狗电路、以及大量的数字I/O端口。该器件具有速度快，性能高，信号处理能力强等优点，能较好地满足电力参数处理和相控分断的技术要求。

装置使用人机界面可以实现多种信息的显示和设定等功能。装置拥有RS485接口和CAN接口，可与PC机构成分布式通信系统。

装置使用I2C总线的温度传感器DS1624实时检测环境温度；使用SPI总线EZPROM存储芯片X5043作为数据存储器存储开关出厂参数，记录电压、电流、以及开关操作历史等内容。

3.2数据采集与处理模块

由于相控分断对电流零点检测精度的要求较高，本文选用ADI公司的16位模数转换器AD7606进行三相电流电压采集。AD7606器件每通道的采样率能达到200 ksps,器件具有同步采样功能可在较宽的动态范围内采样电压和电流[3]。图3中的可编程门阵列FPGA实现对AD7606逻辑控制。FPGA选用altera公司的EP2C8Q208。FPGA的功能是:a)控制AD7606转换，然后将转换结果存入片内FIFO和SRAM；b)响应DSP指令，进行滤波，并将结果回送DSP。

三相电流电压信号和储能电容电压经过信号隔离调理模块输入给AD7606进行采样。

开关量输入信号经过FPGA数字滤波后输出给DSP；同时为了防止外部干扰复位DSP影响执行后果，装置用FPGA来做执行单元，增强了设备的可靠性。

3.3永磁机构驱动模块

永磁机构驱动模块通过驱动线圈来完成分闸动作。图4为永磁机构驱动模块原理图。图中，为分闸线圈；C为分闸储能电容； K1是MOS管，K2是可控硅；D是保护二极管，R1是限流电阻。

每次动作前，AC220 V进入AC-DC,通过限流电阻R1与保护二极管D对电容C进行充电。正常状态下，DSP的引脚I01控制MOS管K1导通。当分闸信号到来时，DSP先关断K1，再由引脚I02触发可控硅K2，使其导通，电容C对励磁线圈L放电，产生电磁力驱动开关进行分断；操作完成后使能K1，重新对电容器充电，为下次操作做好储能准备。

图4 永磁操动机构分闸原理图

4 软件设计

装置软件包括主程序和定时中断程序两部分。

主程序工作流程如图5所示。

装置上电启动时先进行自检，自检通过后，程序进行DSP初始化工作。装置没有收到分闸指令时，进行电网参数采集、传送、显示。当接收到外部操作指令后，置位相关标志字，在主程序中查询判断并确定为分闸指令后，检测控制电压、开关触头位置等信息，通过对控制回路电压和机构环境温度进行补偿，预测开关操作时间，然后调用分闸子程序，控制开关分闸。如果设备出现故障，则调用故障处理子程序，切除故障源，并进行相应事件记录。

装置同时可以与上位机进行通讯，当接收到通讯指令后，程序先解释指令含义再执行相应命令，操作完成后记录操作的结果。

图5 主程序流程图

装置包括定时器中断和外部中断，在定时中断中控制FPGA启动AD7606进行电网电流电压的采集。当模拟量采样完成后FPGA触发DSP的外部中断XINT2，在XINT2中断程序中进行数据读取和运算。外部中断服务程序的流程框图如图6 (a)所示，在该程序中DSP主要计算电力参数；当发现故障时，对故障电流性质进行辨别，含有谐波时采用改进半波傅氏算法进行电流零点预测，否则采用自适宜算法进行电流零点预测，根据预测的电流零点计算延迟等待时间。

定时器中断操作子程序流程如图6（b)所示。程序主要进行延迟计数、标志位清除和发送触发信号等工作。当装置接收到分闸操作指令后，如果装置没有故障，则会根据预测的开关操作时间计算出需要的动作延迟时间，赋给相应延迟变量。判断操作标志位，当其置位时则在定时器中断程序中将延迟变量减1，直到延迟变量为0时发送触发信号，控制开关在预期的目标相位分闸。同时，从延迟时间递减到0开始，操作时间变量开始按1累加，当检测到触头辅助触点信号跳变电平后停止计数，计算相应分闸时间，进行操作标志位清除。

(a)外部中断 (b)定时中断

5 装置应用对象和实验

目前船舶综合电力系统向高功率密度方向发展，其主要技术途径之一是采用电压等级为AC10 kV的中压交流发供电系统，其中涉及安全技术的开关电器设备担负着能量分配、系统保护、故障隔离和系统功能性重组的重要任务；本文研制的相控分断装置就是在该背景下展开的，在船舶电力系统短路容量日益增大的情形下尤为适用。

图7是装置的实验波形图，其中-曲线是原始故障电流波形、*曲线是装置根据估计故障电流的相关参数恢复出的故障电流波形；从图中可以看出，恢复波形与实际波形有较好的一致性。其中故障波形的第三个实际过零点（0.03 s附近）为0.0336 s，装置预测过零点为0.0337 s，两者误差为0.1 ms，装置数据处理结果与实际值较吻合，装置精度较高。