基于DSP和FPGA的故障電流相控分斷裝置

包涌泉，袁鐸寧，李世學，鄒偉華，涂 煜

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基于DSP和FPGA的故障電流相控分斷裝置

包涌泉，袁鐸寧，李世學，鄒偉華，涂 煜

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

文章介紹了故障電流相控分斷的基本原理和方案；詳細介紹了基于這種方案的相控分斷裝置的軟硬件設計。裝置以高性能DSP芯片TMS320F28335和現場可編程門陣列FPGA為核心，其中DSP作為主控芯片，FPGA為協處理器和執行單元，同時采用高精度ADC芯片AD7606來滿足硬件設計要求；裝置使用改進半波傅氏算法和自適應算法相結合的策略進行電流零點預測，提高了預測的準確性和快速性。實驗證明裝置具有良好的精確度、實時性和可靠性。

故障電流相控開斷 零點預測 DSP FPGA AD7606

0 引言

開關電器設備的智能化是船舶中壓電力系統電站綜合自動化、配電系統自動化的基礎。在船舶的發供電電力系統中，由于采用大容量發電機組、變電設備、推進電動機和電子系統導致負載急劇增大，且船舶電力系統固有的供電線路較短，使電力系統故障情況下的短路電流水平也急劇增大，普通船舶電器無法滿足其高分斷能力要求和抗沖擊振動的要求，采用相控技術分斷故障電流能減小斷路器觸頭燒蝕，提高斷路器開斷能力[1]。

1 故障電流相控分斷的基本原理

斷路器滅弧室的極限開斷電流主要受輸入觸頭間隙電弧能量和觸頭電磨損的影響，燃弧期間，電弧消耗能量的表達式為：

式中，t為觸頭分離，電弧開始燃燒的時刻，t為電弧熄滅的時刻，u(t)為弧壓，(t)為電弧電流。

從上式可以看出，通過控制斷路器燃弧時間t-t，可以有效地提高斷路器的極限開斷電流和使用壽命[2]。

故障電流相控開斷的原理如圖1所示。相控分斷的過程是在短路故障t0發生后，找到一個目標電流零點T，在特定的時刻t2而不是直接在t1時刻發出斷路器分閘命令，使得斷路器觸頭在t3時刻分離，經過最佳燃弧時間tTAGET_ARC，在目標電流零點處熄弧，完成開斷過程。圖中陰影部分可看成相控開斷相對于直接開斷情況下電弧消耗能量的減少。

2 故障電流相控分斷裝置方案

故障電流相控分斷裝置的總體方案如圖2，裝置采用了背插式機箱結構，包含交流板、電源板、CPU板、輸入板、輸出板、通信板和人機界面。裝置對系統電流進行采集，通過估計故障電流的相關參數預測電流波形，計算電流零點和等待延時，由此適時向斷路器發出跳變命令，驅動斷路器永磁機構分斷故障電流，完成相控分斷任務。

圖1 故障電流相控開斷原理圖

圖2同步開關控制裝置方案圖

3 硬件設計

故障電流相控分斷裝置的硬件結構如圖3。考慮到相控分斷故障電流特殊性和實時性的要求，使用DSP和FPG為核心器件實現整個裝置的功能。DSP運算能力強、控制靈活，使用它完成主要控制工作；采用現場可編程門陣列FPGA作為DSP的協處理器，利用它硬件實現處理算法的優勢完成底層的數據采集及濾波等耗費大量時間的任務。

3.1 DSP模塊設計

綜合考慮運算速度、精度、片內硬件資源等因素，選用TI公司的 TMS320F28335型DSP。TMS320F28335型數字信號處理器是TI公司的一款32位浮點型DSP控制器，它主頻可達150 MHz，內嵌256K×16位的flashROM、34K×16位的SRAM和8K×16位的BootROM；還配置有CAN控制器、異步串行通訊口（SCI）、同步外設接口（SPI）、2×8路12位的A/D轉換通道、硬件看門狗電路、以及大量的數字I/O端口。該器件具有速度快，性能高，信號處理能力強等優點，能較好地滿足電力參數處理和相控分斷的技術要求。

裝置使用人機界面可以實現多種信息的顯示和設定等功能。裝置擁有RS485接口和CAN接口，可與PC機構成分布式通信系統。

裝置使用I2C總線的溫度傳感器DS1624實時檢測環境溫度；使用SPI總線EZPROM存儲芯片X5043作為數據存儲器存儲開關出廠參數，記錄電壓、電流、以及開關操作歷史等內容。

3.2數據采集與處理模塊

由于相控分斷對電流零點檢測精度的要求較高，本文選用ADI公司的16位模數轉換器AD7606進行三相電流電壓采集。AD7606器件每通道的采樣率能達到200 ksps,器件具有同步采樣功能可在較寬的動態范圍內采樣電壓和電流[3]。圖3中的可編程門陣列FPGA實現對AD7606邏輯控制。FPGA選用altera公司的EP2C8Q208。FPGA的功能是:a)控制AD7606轉換，然后將轉換結果存入片內FIFO和SRAM；b)響應DSP指令，進行濾波，并將結果回送DSP。

三相電流電壓信號和儲能電容電壓經過信號隔離調理模塊輸入給AD7606進行采樣。

開關量輸入信號經過FPGA數字濾波后輸出給DSP；同時為了防止外部干擾復位DSP影響執行后果，裝置用FPGA來做執行單元，增強了設備的可靠性。

3.3永磁機構驅動模塊

永磁機構驅動模塊通過驅動線圈來完成分閘動作。圖4為永磁機構驅動模塊原理圖。圖中，為分閘線圈；C為分閘儲能電容； K1是MOS管，K2是可控硅；D是保護二極管，R1是限流電阻。

每次動作前，AC220 V進入AC-DC,通過限流電阻R1與保護二極管D對電容C進行充電。正常狀態下，DSP的引腳I01控制MOS管K1導通。當分閘信號到來時，DSP先關斷K1，再由引腳I02觸發可控硅K2，使其導通，電容C對勵磁線圈L放電，產生電磁力驅動開關進行分斷；操作完成后使能K1，重新對電容器充電，為下次操作做好儲能準備。

圖4 永磁操動機構分閘原理圖

4 軟件設計

裝置軟件包括主程序和定時中斷程序兩部分。

主程序工作流程如圖5所示。

裝置上電啟動時先進行自檢，自檢通過后，程序進行DSP初始化工作。裝置沒有收到分閘指令時，進行電網參數采集、傳送、顯示。當接收到外部操作指令后，置位相關標志字，在主程序中查詢判斷并確定為分閘指令后，檢測控制電壓、開關觸頭位置等信息，通過對控制回路電壓和機構環境溫度進行補償，預測開關操作時間，然后調用分閘子程序，控制開關分閘。如果設備出現故障，則調用故障處理子程序，切除故障源，并進行相應事件記錄。

裝置同時可以與上位機進行通訊，當接收到通訊指令后，程序先解釋指令含義再執行相應命令，操作完成后記錄操作的結果。

圖5 主程序流程圖

裝置包括定時器中斷和外部中斷，在定時中斷中控制FPGA啟動AD7606進行電網電流電壓的采集。當模擬量采樣完成后FPGA觸發DSP的外部中斷XINT2，在XINT2中斷程序中進行數據讀取和運算。外部中斷服務程序的流程框圖如圖6 (a)所示，在該程序中DSP主要計算電力參數；當發現故障時，對故障電流性質進行辨別，含有諧波時采用改進半波傅氏算法進行電流零點預測，否則采用自適宜算法進行電流零點預測，根據預測的電流零點計算延遲等待時間。

定時器中斷操作子程序流程如圖6（b)所示。程序主要進行延遲計數、標志位清除和發送觸發信號等工作。當裝置接收到分閘操作指令后，如果裝置沒有故障，則會根據預測的開關操作時間計算出需要的動作延遲時間，賦給相應延遲變量。判斷操作標志位，當其置位時則在定時器中斷程序中將延遲變量減1，直到延遲變量為0時發送觸發信號，控制開關在預期的目標相位分閘。同時，從延遲時間遞減到0開始，操作時間變量開始按1累加，當檢測到觸頭輔助觸點信號跳變電平后停止計數，計算相應分閘時間，進行操作標志位清除。

(a)外部中斷 (b)定時中斷

5 裝置應用對象和實驗

目前船舶綜合電力系統向高功率密度方向發展，其主要技術途徑之一是采用電壓等級為AC10 kV的中壓交流發供電系統，其中涉及安全技術的開關電器設備擔負著能量分配、系統保護、故障隔離和系統功能性重組的重要任務；本文研制的相控分斷裝置就是在該背景下展開的，在船舶電力系統短路容量日益增大的情形下尤為適用。

圖7是裝置的實驗波形圖，其中-曲線是原始故障電流波形、*曲線是裝置根據估計故障電流的相關參數恢復出的故障電流波形；從圖中可以看出，恢復波形與實際波形有較好的一致性。其中故障波形的第三個實際過零點（0.03 s附近）為0.0336 s，裝置預測過零點為0.0337 s，兩者誤差為0.1 ms，裝置數據處理結果與實際值較吻合，裝置精度較高。

圖7 實驗波形圖

6 結論

本文設計的故障電流相控分斷裝置采用DSP和FPGA技術實現故障電流相控分斷，它以高性能32位浮點DSP芯片TMS320F28335為核心實現故障電流零點預測算法，利用FPGA完成數據采集及濾波等耗時的任務。裝置實時性好，精度高，功能強。

本文研制的相控分斷裝置不僅適用于船舶電力系統的保護，同樣對于其它中高壓電力系統的保護也有借鑒作用。

[1] 李蕊. 故障電流相控分斷電流零點預測算法的研究[M]. 大連: 大連理工大學, 2009.

[2] 方春恩, 段雄英, 鄒積巖. 基于自適應神經元的短路電流參數提取[J]. 中國電機工程學報, 2003, 23(8): 115-118.

[3] 于克泳, 孫建軍. 新一代16位8通道同步采樣ADC-AD7606在智能電網中的應用[J]. 電子產品世界, 2010, 17（10）.

Device of Controlled Fault Interruption Based on DSP and FPGA

Bao Yongquan, Yuan Duoning, Li Shixue, Zou Weihua, Tu Yu

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM714

A

1003-4862（2017）08-0006-04

2017-01-13

包涌泉（1977-），男，碩士，高級工程師。研究方向：智能電器和自動控制。E-mail:byqliuyan@163.com

袁鐸寧（1970-），女，博士，研究員，從事智能電器方面研究。