关键词：电动机，微机，保护控制器
1 前言
各种高低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。随着计算机技术的发展，电动机保护器正朝着微机化，智能化，综合化，高可靠性方向发展[1]。
保护装置最重要和最基本的要求是可靠性。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能力，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的结构、4M外部主频、内嵌32位计算指令，高速的32 bit 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作系统。现对该保护器做以下介绍。
2 保护器的硬件系统
该保护器由交流采样板（AC）、主控板（CPU）、电源逻辑板（LOGIC）、跳闸板（TRIP）、人机接口板（MMI）构成。
2.1 AC板
AC板包括电压输入和电流输入两个部分，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。
图1 AC板原理图
2.2 CPU板
CPU板由七个部分构成：单片机部分、E2PROM、开关量输入电路、开关量输出电路、通信线光电隔离电路、实时时钟RTC及AD模数转换部分。其中的单片机部分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，大大提高了装置的抗电磁干扰能力。CPU板上各部分之间的关系见图2所示。
图2 CPU板原理图
2.3 LOGIC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220V AC变换成24V DC 的功能。
图3 LOGIC板原理图
2.4 TRIP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，同时能够监视控制回路的完好性。
2.5 MMI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，能够完成键盘响应、菜单操作、液晶显示、与CPU通讯、信号批示、复归及确认操作等功能，各部分之间的关系见图4所示。MMI板选择了128＊64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。
图4 MMI板原理图
3 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，进入运行之前应开始模数转换，并进行一系列采样计算,每隔0.625ms（32点采样）时间发出一次采样中断请求信号。 每当中断服务程序结束后又回到自检循环并继续等待中断请求信号, 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部分。
图5 主程序框图
3.2 采样中断服务程序
采样中断服务程序主要包括采样计算，PT断线检测和保护起动元件三个部分。进入采样中断服务程序，首先进行采样,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。在保护判断起动之前，先检查PT二次是否断线。 为了提高保护动作的可靠性，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。采样中断服务程序框图见图6所示.
图6 采样中断服务程序框图
3.3 故障处理程序
故障处理程序包括保护软压板的投切检查、保护定值比较、保护逻辑判断、跳闸处理程序和后加速部分。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（）。在各保护逻辑判断中，如A相的数值型定值未超定值或逻辑判断程序未判保护动作则进入B相及C相的逻辑判断和故障处理程序。故障处理程序框图见图7所示。
图7 故障处理程序框图
4 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结构和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板后插件结构，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板进行数据通讯。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，结构紧凑，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行了型式试验，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2000kW以上的异步机或同步机的后备保护。
图8 保护装置构成示意图
附表一
附表二
本文作者创新点：自主开发的这套装置选用类DSP结构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提高。另外，内部采用前MMI板后插件结构，使装置结构紧凑，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,2006,6
[2]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,2006,14:179-181
[3]刘 强. 微机保护装置中央处理器的选择探讨[J] 江西电力职业技术学院学报,2006
[4]陈德树. 微机继电保护[M].北京：中国电力出版社，2000
