基于DSP的中性线断线保护装置的设计探讨.docx
- 文档编号:29827621
- 上传时间:2023-07-27
- 格式:DOCX
- 页数:54
- 大小:642.53KB
基于DSP的中性线断线保护装置的设计探讨.docx
《基于DSP的中性线断线保护装置的设计探讨.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于DSP的中性线断线保护装置的设计探讨.docx(54页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于DSP的中性线断线保护装置的设计探讨
摘要
目前,随着大量电力电子器件和非线性设备的广泛应用,使得低压配电系统中性线上谐波电流大大增加,常有中性线烧断的现象发生,从而造成三相电压不平衡,严重时以至于烧坏用电设备,甚至不能不能正常工作,甚至也可能危机人身的安全。
本课题研究的是基于DSP的中性线断线保护装置。
该装置是在三相四线制系统中加入三相变压器,在变压器的中性点上接入可调直流恒流源(或者直流恒压源)。
通过测量恒流源端电压的变化可以确定外电路直流电阻的变化情况,从而正确的判断系统是否发生断线故障。
本文主要论述了该系统的总体设计和实现方案。
首先简要介绍了DSP芯片原理和设计开发工具,并详细介绍了以DSP为核心各模块的功能及其硬件电路和软件实现。
关键词:
中性线断线保护DSP人机
Abstract
Presently,withtheapplicationofalargenumberofpowerelectronicdevicesandnonlinearequipmentinpowersystem,harmoniconneutrallinegreatlyincreasedinlow-voltagedistributionsystem.Thus,theneutrallineoftenbreaks,whichmaycausethree-phasevoltageimbalance,burnelectricityequipment,orevenmaythreatenpersonalsafety.
Inthisthesis,thedevelopmentofaNeutralLineBreakProtectiondevicebasedonDSPisdiscussed.Weinstallthree-phasetransformersintothethree-phasefour-wiresystem.AndtheDCadjustableconstantcurrentsource(orDCvoltagesource)isconnectedwiththeneutralpointoftransformer.Bymeasuringthevoltagechangesatthesource,theresistancechangesintheexternalcircuitcanbeidentified.Thus,wecanmakecorrectjudgmentonwhethertheneutrallinebreaks.
Inthispaper,theprincipleofDSPchipanditsapplicationisintroduced.Thenitdescribesthehardwaredesignandsoftwaredesign.FinallyaDSPsystemdesignedanddevelopedispresentedindetail.
Keywords:
neutrallineprotection;DSP;man-machine
第一章绪论
1.1课题的研究背景
在三相四线制供电系统中,中性线起着非常重要的作用。
而中性线断线是常见的低压配电网线路故障的一种。
在电力系统,线性负载在正弦交变电动势的作用下,各部分的电压和电流都是按正弦规律变换,负载对称时,三相电流瞬时值为零,中性线(零线)中无电流。
而近些年来,随着电网中非线性负载如电力电子装置及非线性家用电器的大量使用,使得低压配电系统中性线上的谐波电流大大提高,经常有中性线烧断的情况发生,从而由于没有中性线导通不平衡电流,负荷中性点将产生较大位移,使得三相负荷电压严重不平衡导致负荷侧单相回路侧过电压或者欠电压,负荷中性点将向负荷大的相位移,负荷大的相电压降低了,负荷小的相电压则升高了。
三相负荷不平衡的程度越严重,负荷中性点的位移量就越大,严重时以至于烧坏用电设备,甚至不能不能正常工作。
由中性线断线后导致的中性线电位偏移,严重时,也可能危机人身的安全。
因此要做好中性线的断线保护工作,中性线的断线保护措施有很多种。
预防的措施包括,加大中性线导线截面,尽量采用与相截面相同的导线作为中性线,确保中性线要连接良好,可靠,严禁把隔离开关或熔断器装在中性线上。
尽量把各相的负载分配平衡,负载端中性线要进行可靠的重复接地,变压器,主干线,主要分支线及进户线入口处,都应将中性线重复接地,并一处重复接地装置的接地电阻不应大于10欧,并对工作接地和重复接地装置经常的检查。
同时可以加装继电保护装置防止中性线断开而引起事故,我国《民用建筑电气设计规范》已将“中性线断线故障保护”写入了条件,规定:
中性线断线保护器应能在三相四线制配电线路中的中性线断线时,自动切断负荷侧全部电源线路。
鉴于此,对于中性线断线保护装置的研究,有着很重要的作用。
工作人员通过此装置可以准确的判断运行中的断线情况,并及时采取措施,防止事故的进一步扩大,减少损失。
本课题中研究的中性线断线保护装置是在三相四线制系统中加入三相变压器,在变压器的中性点上接入可调直流恒流源(或者直流恒压源)。
通过测量恒流源端电压的变化可以确定外电路直流电阻的变化情况,从而正确的判断系统是否发生断线故障。
包括恒流源电路和数字监控电路。
1.2中性线断线保护装置的现实意义及发展概况
1.2.1中性线的作用及断线危害
在三相四线制系统中,中性线起到均压的作用,即在正常用运行时,即使三相负载不平衡的时候,负载的各相电压分别等于电源的三相电压,以保证无故障相的负载能正常工作,此时中性线上无电流通过,忽略中性电阻,中性点电位
偏移
≈0。
图1.1三相四线制中中性线的作用图1.2三相四线制中,负载为电阻
当中性线断开的时候,由于负载功率不平衡,将引起中性点电位偏移,其偏移电压为:
当不平衡达到一定值的时候,引起负载过电压或欠电压,从而使得导致用电设备不能正常的工作,严重时过热烧毁。
此中性点偏移电压将通过PE线使接零设备的外壳带电,危及人身安全.
>50V被视为危险电压。
1.2.2中性线断线保护装置的发展概况
对于中性线断线保护装置,国内研究大概有以下几种。
根据中性线断线故障保护电器对故障信号取样分类有两种:
一种为断线后负荷侧中线对地偏移电压型(零-地)型,一种为过,欠(相-零)电压型中断保护器。
电压型中断保护器(零-地型)是以中性线对地故障电压作为取样信号的故障电压工作型保护器。
此保护器检测元件一段接中性线,一端接独立的接地装置。
其工作原理为,在三相四线系统中,当中性线断线时,A,B,C三相负载功率发生不平衡,各相负载电压不相等,中性点电位发生偏移,对地有个偏移电压Un,当Un达到整定值时,中断保护器电压元件动作,使之跳闸断电,切断负荷侧电源。
过,欠(相-零)电压型中断保护器,采用中性线断线后所造成的各相过,欠电压值为取样信号,当过,欠电压达到整定值的时候,控制断路器断开配电线路。
从而达到保护电器设备和人身安全的目的。
1.3DSP技术的引入与发展概况
随着信息技术的发展,数字处理技术DSP在许多领域,如通信,图像处理等方面得到了广泛的应用。
DSP在中性线断线保护装置中,起着核心作用。
传统的控制往往采用单片机控制,但是在系统有大量高速实时数据的情况下,就会有很大的限制。
而DSP芯片具有以下的优点,接口方便,编程方便,可使设计人员在开发过程中灵活方便的对软件进行修改和升级。
并且具有很好的稳定性,可靠性高,便于测试和调试,同时也集成方便。
1.4论文的主要工作
本论文研究的内容为设计中性线断线保护装置并进行调试。
研究的总体思路为分析中性线断线保护的原理,了解DSP芯片的基本原理及应用程序开发流程,完成控制电路的设计和调试。
以DSP为核心的系统的软硬件设计,具体包括用DSP系统软件开发出程序模块,包括液晶显示屏模块,及键盘设计,打印模块等,以及在硬件上进行电路调试等。
全文有五章,第一章绪论简要介绍了中性线断线保护装置的背景和论文的主要工作。
第二章介绍了该装置的原理及主要功能模块。
第三章主要介绍了DSP技术及DSP芯片的基本结构及系统开发流程等。
第四章介绍了详细介绍了以DSP为核心的装置系统硬件结构。
第五章介绍了该装置软件系统的实现。
第六章为总结和展望部分。
第二章中性线断线保护装置的原理和结构
2.1本装置的工作原理
本装置如下图所示:
是在三相四线制系统中加入三相PT,在PT的中性点上接入可调直流恒流源。
通过测量恒流源端电压的变化来确定外电路直流电阻的变化,从而判断系统是否发生断线故障。
图2.1系统结构原理图
如图在三相四线制系统中,中线N接地。
在系统中加入三相变压器,其接法为Y型接法。
变压器的中性点接地,原边绕组分别接到,A相,B相,C相,副边绕组接主控制器电路。
通过副边绕组,可检测到系统的三相电压。
可调直流恒流源通过变压器的原边绕组向系统的三相注入电流,其另一端接地。
恒流源两端与两个反向并联的二极管相并联。
测量电压即为恒流源两端的电压。
2.1.1中性线正常时
当系统正常运行,即中性线未发生断线时,即使三相负载不平衡的时候,由于中性线的均压作用,其各相电压仍然对称,即负载的各相电压也分别等于电源的三相电压,中性点的电位偏移
0,供电系统处于正常工作状态。
如图中箭头所示回路,由恒流源注入的电流通过变压器的中性点A及中性线N,恒流源的接地,构成回路连通,电流不从二极管流过。
此时中性线上无电流通过或者流过中性线的电流很小,由于线路上阻抗很小,故监测电压即恒流源两端的电压很小。
2.1.2中性线断线时
当中性线发生断线时,此回路断开,不能导通,恒流源两端的电压被二极管两端电压钳位,即监测电压为二极管端的电压。
由此通过恒流源端电压变化情况,同时通过设定电流电压值,如电流阀值,即恒流源端电压的测量值:
0.2,电压阀值:
5%来判断其是否断线。
2.2主要结构介绍
2.2.1主控制器
主控制器中,变压器的副边绕组与控制器相连,用于监测系统三相电压值。
其中有比较电路,用于判断恒流源两端电压的变化,并与初始设定的电压阀值,电流阀值做对比,以判断中性线是否断线。
由键盘输入参数进行控制,输出信息如各相电压电流情况由液晶显示输出。
正常时和故障时候可控制打印机打印出各参数。
2.2.2电压监测部分
电路中电压监测值为:
其中
为三相相电压有效值之差的最大值。
当此电压监视值大于初始设定的电压阀值时,此装置会产生中性线断线判断和相应动作。
电流阀值实际为恒流源两端电压的测量值,因为恒流源两端的电压被二极管钳位,因而选最大值0.6V。
2.2.3键盘部分
键盘作为人/机交互操作的基本输入设备,是不可或缺的一部分。
在本系统中,为3×3键盘,有系统参数设计,复位等功能。
用户可以通过键盘操作动态切换液晶显示屏幕显示内容,了解运行状况。
如下图所示:
图2.2键盘输入图
(1)上,下,左,右
(2)确定,取消
(3)复位
(4)测试—模拟监测到中性线断线故障,并给出相应的动作
(5)锁定
2.2.4液晶显示部分
液晶显示部分应用内置T6963c控制器的液晶显示模块MGLS240128T。
T6963C最大的特点是具有独特的硬件初始值设置功能,软件操作主要就是显示画面的设计。
液晶显示屏用于显示测量参数的的参数值,同时在进行人/机交互操作时,用于显示操作界面。
在本系统中,用户可以通过液晶显示看到三相电压,电流阀值,电压阀值等参数。
2.2.5打印机部分
打印机则用于被测参数的测量结果输出,可在正常时打印和故障时会自动打印,可以进行正常时打印和故障时打印,这样可以更好的记录中性线断线时各相的参数,分析故障形成原因。
可以为如下格式:
正常检测时的打印
图2.3
故障时自动打印:
图2.4
2.3本章小结
本章简要的介绍了该中性线断线保护装置的结构与原理。
主要包括主控制器,键盘输入设计,及液晶显示部分和打印机部分。
具体的硬件设计和软件设计实现将分别在第四章和第五章详细论述。
第三章DSP技术与及其芯片原理
3.1DSP的基本含义
数字信号处理(DigitalSignalProcessing)和数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)它们的简称都是DSP,但其内涵是不同的,前者侧重于理论、算法和软件实现。
一般说的DSP是指的DSP芯片,即称数字信号处理器芯片,是一种具有特殊结构的微处理器。
DSP芯片中采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提高特殊的DSP指令,可以快速的实现各种数字信号处理算法。
3.2DSP技术的发展状况
世界上第一个DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811,1979年美国Intel公司发布的商用可编程期间2920是DSP芯片的一个主要里程碑,这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须的单周期芯片。
1980年,日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。
第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi公司,它于1982年推出了浮点DSP芯片。
1983年,日本的Fujitsu公司推出的MB8764,其指令周期为120ns,且具有双内部总线,从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。
第一个高性能的浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32,在这么多的DSP芯片种类中,最成功的是美国德克萨斯仪器公司(TexasInstruments,简称TI)的一系列产品。
TI公司于1982年成功推出启迪一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011,TMS320C10/C14/C15/C16/C17等,之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28,第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32,第四代DSP芯片TMS320C40/C44,第五代DSP芯片TMS320C5x/C54x,第二代DSP芯片的改进型TMS320C2xx,集多个DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8x以及目前速度最快的第六代TMS320C62x/C67x等DSP芯片。
3.3DSP芯片的基本结构原理
3.3.1哈佛结构
世界上最早的微处理器是基于冯.诺依曼(Vonneumann)结构的,其取指令,
取数据都是通过一条总线完成的,因此必须分时进行,在高速运算时一,往往在运输通道上会出现瓶颈效应。
而DSP内部一般采样的是哈佛体系结构,它的主要特点是将程序于数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器,每个存储器独立编址,独立访问。
与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线,从而使数据的吞吐量提高一倍。
山于程序与数据存储在两个分开的空间中,因此取址和执行能完全重叠进行。
3.3.2流水线操作
流水线与哈佛结构有关。
要执行一条DSP指令,需要通过取指令、指令译码、取操作数和执行等几个阶段,DSP的流水线结构是指它的这几个阶段在程序执行过程中是重叠的,即在执行本条指令的同时,下而的三条指令已依次完成了取指令、译码和取操作数的操作,这样就将指令周期的时间降低到最小值。
正是利用这种流水线机制,保证DSP的乘法、加法以及乘加运算可以在一个单周期内完成,这对提高DSP的运算速度具有重要意义,特别是当设计的算法需要连续的乘加运算,这种结构的优越性就得到了充分的表现。
图3-1表为一个四级流水线操作的例子。
图3.1对于单周期指令在零等待状态情况下的4级流水线操作
3.3.3专用的硬件乘法器
在DSP实时应用中,往往需要进行大量的乘法累加运算,此时可利用DSP片内的硬件资源(独立运行的乘法器和加法器)完成。
这样就能在同一时钟周期内完成一次乘加运算,极大的提高数据处理速度。
另外,DSP器件结构和算法特点有着密切的关系,如多总线,它能同时进行取指令和存取多个数据的操作。
而专用的数据寻址单元,能在寻址访问前或访问后自动修改内容,并指向下一个要访问的地址,从而能提供一个高效,灵活的寻址方式,有利于实现高健壮的实时系统。
3.3.4多处理器接口
DSP芯片内具有使用方便,性能优良的多种外设和处理器接口,这样在构成各种嵌入式实时系统时,能方便的实现多个处理器并行或串行工作。
因此,这些接口不仅可以提高数据处理速度,而且还为嵌入式子系统实现大型或复杂的嵌入式系统提高硬件支持。
3.3.5特殊的DSP指令
在DSP芯片应用时,它具有一套专门为数字信号处理而设计的指令系统。
使用这些指令,能够简便,高效和快速的进行数字信号处理。
3.4DSP分类
DSP分类可以按照以下两种方式划分:
3.4.1按照数据格式分
DSP在实时处理过程中,输出数据可以用定点或浮点格式表示。
因此可以按照输出数据格式进行分类,分为定点DSP和浮点DSP。
当数据以定点(fixed-point)格式工作时的DSP芯片成为定点DSP。
如AD公司的ADSP-21××系列,T1公司的TMS320C1×/C2×/C5×。
当数据以浮点(floating-point)格式工作时的DSP芯片成为浮点DSP。
.如AD公司的ADSP-21××系列,T1公司的TMS320C3×/C4×/C8×系列,MOTOROLA公司的MC96002,AT&T公司的DSP32/32C。
3.4.2按照用途分
按照用途分,DSP芯片可以分为通用型和专用型。
前者具有较丰富的硬件接口和很强的可编程性能,适合开发研究;而后者是针对某种实际应用而专门设计的,其运算是用硬件实现。
因此专用的DSP芯片具有结构简单,数据吞吐量高和并行结构的优点,而不足之处是灵活性差,精度和动态范围低。
常用的有FFT专用DSP,卷积/相关器,复乘加器和求模/相角。
3.5DSP的系统开发流程
各个DSP应用系统的设计开发流程和开发内容根据要求会有很大的不同,有的DSP应用系统要求设计者设计开发出完整的软件、硬件,有的DSP应拜系统借助于DSP厂商的通用硬件平台和软件开发环境,设计者只需编写一些简单的应用程序即可。
一般的,利用DSP芯片设计一个DSP系统的流程,如图下所示。
图3.2DSP系统设计图
在设计DSP应用系统之前,首先必须根据应用系统的目标确定系统的功能要求、性能指标及信号处理要求,这是整个开发工作进行前的需求分析。
3.6本装置中DSP芯片的选用
本中性线断线保护装置中选用TMS320系列的芯片,为TMS320LF2407ADSP。
TMS320系列包括:
定点、浮点、多处理器数字信号处理器和定点DSP控制器。
TMS320系列DSP的体系结构专为实时信号处理而设计,该系列DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身,为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。
TMS320系列有以下良好的特性:
·灵活的指令集;
·内在的操作灵活性
·高速的运算能力;
·改进的并行结构:
·有效的成本。
本课题研究的装置选用的TMS320LF2407A,除具有TMS320系列DSP的基本功能,还具有以下一些特点:
(1)采用高性能静态CMOS技术,使得供电电压降为3.3V,减小了控制器的功耗;40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns(40MHz)从而提高了控制器的实时控制能力;
(2)基于TMS320C2xxD5P的CPU核保证了TM5320LF240x系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。
(3)片内高达32K字的FLASH程序存储器,高达1.5K字的数据/程序RAM,544字双口RAM(DARAM)和2K字的单口RAM(SARAM)。
(4)两个事件管理器模块EVA和EVB,每个包括:
两个16位通用定时器;8个16位的脉宽调制(PWM)通道。
它们能够实现:
三相反相器控制PWM的对称和非对称波形,当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速关闭PWM通道,可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲,3个捕获单元;片内光电编码器接口电路;16通道A/D转换器。
事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。
(5)可扩展的外部存储器(LF2407)总共192K字;64K字程序存储器;64K字数据存储器,64K字I/O寻址空间。
(6)看门狗定时器模块(WDT)。
(7)10位A/D转换器最小转换时间为500ns,可选择由两个事件管理器来触发的两个通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。
(8)控制器局域网络(CAN)2.0B模块。
(9)串行通信接口(SCI).
(10)16位的串行外设接口模块(SPI)。
(11)基于锁相环的时钟发生器。
(12)高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。
(13)5个外部中断(电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。
(14)电源管理包括3种低功耗模式,并且能独立将外没器件转入低功耗模式。
3.7本章小结
本章简要介绍了DSP的基本含义及其发展状况。
其基本结构包含哈佛结构,流水线操作,专业的硬件乘法器,多处理器接口,特殊的DSP指令,DSP分类等。
最后简要的介绍了下DSP的系统开发流程和本装置中DSP芯片的选用。
第四章系统装置的硬件设计
4.1系统硬件总体设计
通过分析系统的具体功能,可将该中性线断线保护装置划分为以下几个功能模块:
DSP主控制器模块,键盘输入模块,液晶显示输出模块,打印机模块。
如下系统结构框图:
图4.1硬件结构框图
DSP模块:
该模块是所有电路中的核心模块,它通过与键盘接口电路的数据交互接收信息,并通过液晶显示模块和打印机模块的控制完成相应的数据显示和输出,并同时还是实现软件功能的基础平台。
液晶显示电路模块:
该模块提供友好的人机界面,通过该电路模块显示所测量的数据和控制命令等。
键盘接口电路模块:
通过该模块判断键盘中是否有按键按下,读取操作键盘中按键的“键值”,进而完成人机交互操作。
打印机模块:
通过DSP与打印机的通信接口,打印机执行命令并打印输出测量数据等。
下面将分别对这些模块详细加以介绍。
4.2液晶显示模块设计
4.2.1液晶显示MGLS240128T的性能特点
本装置系统液晶显示硬件是采用香港精电公司的液晶显示模块MGLS240128T。
MGLS240128T图形液晶显示模块是一种性能价格比较高的液晶显示模块。
它是内藏T6963C控制器的240×128点阵LCD.具有如下的特点:
(1)具有文本和图形两种显示方式,可显示数字,字母,图形,汉字等。
(2)可以用文本和图形的合成方式进行显示,实现字符与图形之间的与或等功能显示,还可以实现文本方式下的特征显示如屏幕的滚动等。
(3)内部具有字符发生器CGROM,共有128个常用字符,内部还配有8KRAM,作为显示缓冲区及字符发生器CGRAM.
(4)一屏可显示30行×20列字符,字符字体为8×8点阵
(5)其内部具有适配80系列的操作时序电路,该模块与单片机的接口十分方便
4.2.2T6963液晶显示模块的电路特性
内置T6963C控制器型液晶显示模块的驱动控制系统是由液晶显示控制器T6963C及其周边电路,行驱动器
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 DSP 中性线 断线 保护装置 设计 探讨
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)