基于FPGA的负序电流监测装置的设计.pdf

第30卷 第12期2023年12月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.302023 No.12基于FPGA的负序电流监测装置的设计刘 健（华北理工大学 人工智能学院，河北 唐山 063210）摘 要：负序电流作为发电机带不平衡负荷能力的判据，会影响到发电机能否安全稳定运行，因此负序电流监测必须准确可靠。本文阐述了基于 FPGA 的负序电流频域算法，详细描述了算法的电路结构及工作过程，讨论了基于FPGA+MCU 的负序电流监测装置的设计结构，描述了电路构成及系统功能，给出了 MCU 的程序设计方案和实验测试结果。本设计装置在实验测试和现场运行中，工作稳定可靠。关键词：负序电流；FPGA；MCU中图分类号：TM933 文献标志码：ADesign of Negative Sequence Current Monitoring Device Based on FPGALiu Jian（College of Artificial Intelligence,North China University of Science and Technology,Hebei,Tangshan,063210,China）Abstract：Negative sequence current,as a criterion for the ability of a generator to carry unbalanced loads,can affect the safe and stable operation of the generator.Therefore,negative sequence current monitoring must be accurate and reliable.This article elaborates on the frequency domain algorithm of negative sequence current based on FPGA,and provides a detailed description of the circuit structure and working process of the algorithm;Discussed the design structure of a negative sequence current monitoring device based on FPGA+MCU,described the circuit composition and system functions;The program design scheme and experimen-tal test results of MCU are provided.This design device has been stable and reliable in experimental testing and on-site operation.Key words：negative sequence current；FPGA；MCU收稿日期：2023-08-28作者简介：刘健（1979-），男，河北唐山人，硕士，讲师，研究方向：数字信号处理、人工智能。DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2023.12.003文章编号：1671-1041(2023)12-0009-04发电机在负荷不平衡时会产生负序磁场，进而在转子上形成两倍工频交变的电流，该电流导致的发热会显著限制发电机带不平衡负荷的能力1。在 IEC 标准中，连续不平衡负荷的判据用负序电流 I2表示，短暂不平衡负荷的判据用负序电流 I2的平方和持续时间的乘积表示。根据 GB/T 7064-2002透平型同步电机技术要求的规定，汽轮发电机须能在一定的连续和短暂负序电流下继续工作2。因此，发电厂非常重视发电机负序电流的监测工作。负序电流的监测工作包括：负序电流实时测量、状态判断、报警/故障处理、数据传输等。已应用的负序电流监测的主控芯片以单片机为主，精度不能满足大电力系统的需求。本文将讨论负序电流监测的数字频域算法，以及基于 FPGA 进行算法实现的电路设计结构，以提升负序电流监测装置的性能。1 负序电流的运算分析电力系统三相不平衡常用对称分量法，即把三相电流利用变换矩阵变换为三组对称的零序相量、正序相量及负序相量3。设低压侧电流 Ia2、Ib2、Ic2，可变换为（1）第30卷10 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION式（1）中，。由式（1）可得负序电流的表达式为（2）传统的负序电流检测设备以模拟运算电路实现算法，由 I/U 变换电路、移相电路、精密镇流电路构成，成本低，但精度不能满足大电力系统的需求、抗干扰性差4。本设计为了提高检测精度及抗干扰能力，采用负序电流数字算法，即以频域变换法计算负序电流，原理为：通过电流互感器将强电流变换成弱电流，再利用 I/U 变换电路将弱电流变换成弱电压，接下来控制 A/D 芯片轮换采集三相电压，得到序列 VAk、VBk、VCk，再分别对三路采集的时序数据进行 DFT（离散傅里叶变换），即（3）这里求出工频 50Hz 的向量即可，而连续信号角频率 满足如下公式（4）由式（4）可知，对三路电压以 fs=5kHz 的频率采集时，作 N=1000 点的 DFT 运算，当取 m=10 时，便可由式（3）计算得出工频 50Hz 的向量，将三路向量分别算出并乘以折算系数，把所得的数据按式（2）相加，即可求得负序电流。折算系数可根据 I/U 变换电路的结构及参数、A/D 芯片位数及算法参数算出。算法的核心在于轮换采集/运算的协调以及频域运算算法的设计。2 基于FPGA的负序电流算法FPGA 即现场可编程门阵列，能够以 VHDL 等硬件描述语言设计电路，并以在系统编程（ISP）的方法下载，不需硬件的变动即可进行电路重设，容量大、速度快，易于开发及升级。FPGA 电路自主设计，不需执行串行程序指令，便于设计时序逻辑及并行算法，因此本设计以 FPGA为核心控制 3 路电压数据的采集，实现负序电流数字算法，并把结果输出给 MCU 做智能监测、人机交互、数据传输，如图 1 所示。算法执行过程为：预先算出旋转因子并把实部、虚部存入 FPGA 内部的 RAM；微控制器把 fs 值、DFT运算点数等参数写入 FPGA 中设置的控制寄存器组，给出启动信号；控制逻辑电路产生控制信号协调整个算法电路的工作，控制 A/D 转换器周期轮换采集三路数据，把数据以浮点数的规格存入 FPGA 中为 3 路数据开设的存储空间，轮换控制三路数据进行频域运算；达到预设的点数时置位状态寄存器的 DONE 标志，微控制器把 3 路的运算结果读出，乘以折算系数后按式（2）相加，求出负序电流。控制逻辑电路以控制寄存器组的 fs 值、DFT 运算点数等内容为输入，输出采集电路及 A/D 芯片的控制信号、数据选择器控制信号、中间值寄存器组的写使能/读使能控制信号、DONE 标志的置位/清零逻辑，此外还需累加已运算的点数。算法的核心为三路数据的频域运算，轮换采集 3 路数据并运算。当轮换至第 k 轮的第 i 路时，由控制逻辑电路控制 MUX1 把第 i 路的第 k 点数据输入到 X1，旋转因子表中的第 k 点数据并行输入到 X2，再控制 MUX2 把第 i 路的 1 k-1 点运算的累加结果 Xi输入到 X3，X1、X2 进行复数乘法，所得的积再加上 X3，复数乘加运算的结果存入Xi，轮换把 3 路第 k 轮的数据求出。以此循环迭代，即可得到 N 点数据的 XA、XB、XC值。复数乘加器的设计是决定整个算法性能的关键因素，整数运算精度低，定点运算需动态调整小数点的位置，精度及表示范围达不到系统要求，因此本设计采用单精度浮点型运算。浮点型复数乘加器的电路结构复杂，会消耗FPGA 大量的 LEs，所以浮点型加法器与乘法器的结构非常重要，速度和逻辑单元使用必须兼顾，否则会导致系统性能下降。以 R(X)、I(X)表示复数 X 的实部、虚部，则复数乘加运算可展开得到X1X2+X3=R(X1)R(X2)-I(X1)I(X2)+R(X3)+iR(X1)I(X2)+I(X1)R(X2)+I(X3)本设计为浮点复数乘加器设置 1 个浮点型乘法器用于进行复数实部及虚部间的乘法，2 个浮点型加法器用于完成所需的加法。利用乘法器依次实现各乘法，2 个加法器并行进行加法。浮点数由符号位、指数及尾数构成。浮点乘法器乘积的符号位通过乘数的符号位做异或即可求出，乘积的指数可通过乘数指数做加法再除去偏移值得到，乘数的尾数做整数乘法运算，先进行 Booth 编码，再利用图1 FPGA算法电路结构Fig.1 FPGA Algorithm circuit structure刘 健基于FPGA的负序电流监测装置的设计第12期11图2 浮点型乘法器Fig.2 Floating-point multiplierWallace 树压缩位乘积，最终算出乘积的尾数，如此则可使运算速度大为提升，浮点乘法器的电路结构如图 2 所示。浮点型加法器可进行浮点数的加/减法，通过输入数据的符号位做异或逻辑来判断作何运算；减法做补码操作即可转为加法；由指数差值可以推算出移位位数，再把数据移位进行整数加法，经处理即可得到最终的结果。全部复数乘加运算用 6 时钟周期完成，兼顾了资源占用及运算速度。3 负序电流监测装置的电路结构本设计上采用 FPGA+MCU 的硬件结构，利用高性能 FPGA 芯片进行逻辑控制及负序电流频域运算，并通过 MCU 实现智能控制，可以进行发电机负序电流实时检测、分析、记录等功能，可远程设置运算参数及数据下载。FPGA 采 用 Altera 公 司 的 Cyclone III 芯 片 EP3C5E144A7。EP3C5E144A7 为 1.2V SRAM 工艺设计，集成 5136 的 LEs，本设计的硬件占用率是 35%。数据存储于集成的 414Kbits的 RAM 块中，定义 4 个数据区，依次存储 3 路的数据及旋转因子表。RAM 配置为 32 位宽度，容量可根据运算点数设置（每路数据上限为 2k）。在倍频至 180MHz 的时钟下，采用 1000 点运算求电流向量时，用 580s 即可完成负序电流频域算法。A/D 采用八通道 14 位并行芯片 MAX125，最快转换频率为 330kHz。MCU 读取数据后，便可实现数据存储、实时显示以及判断是否实施报警。MCU 采用了 NXP 公司生产的 RISC（精简指令集）芯片 LPC2129，低功耗，可进行芯片加密，集成了 16KB 的片内 RAM 及 256KB 的片内 Flash。LPC2129扩展了 RTC 芯片 DS1742，DS1742 具有实时时钟功能并自带 2k8 的静态 RAM，可用于存储负序电流监测的参数及报警记录。系统的显示功能通过 OCMJ4X8C 液晶屏来实现；可显示字符/图形，自带汉字库 ROM，写入 2 字节国标码即可显示汉字，液晶屏可用于显示实时负序电流、运行状态等信息；OCMJ4X8C 的 8 位并行数据线及读/写使能、指令/数据控制信号可用 LPC2129 的 GPIO 引脚控制，以程序完成并行时序；液晶屏电路为 5V 电平，而 LPC2129为 3.3V 标准。当读数据时输入电压会超过正常工作范围，因此需在数据线中串上 200 电阻以降低输入电压。通过扩展 I2C 串行芯片 ZLG7290 来扫描 44 键盘，可进行时间、参数的设置及报警记录查询等操作。数据传输功能包括 RS485 通讯、脉冲输出以及 4mA 20mA 电流环。RS485 利用 MAX3232 芯片进行电平转换，把 3.3V 标准转换成 RS485 标准，可千米传输，接收指令后把各种变量值传送至中控室，并可进行远程参数设置。4 控制电路的软件实现在本设计中，将程序按功能定义为任务，给各任务编号并赋予优先级。只有当任务的就绪标志 RW x SET 置位时该任务才能够执行，置位操作在涉及该任务的中断服务程序或 RUNNING 任务的执行中完成。当几个任务就绪时，则已就绪的优先级最高的任务先执行，执行完成时将 RW x SET 清 0，根据新的任务就绪状态重新进行任务调度。程序设置了 4 个核心任务，即负序电流监测 RW1、液晶屏刷新 RW2、按键处理 RW3、数据传输 RW4。在负序电流监测 RW1 中，先设定 FPGA 的工作方式，启动并查询完成标志，标志置位时读取 XA、XB、XC的值，乘以折算系数，把所得的数据按式（2）相加，求得负序电流 IF；设置状态变量 WORK，负序电流小于整定值则 WORK 为“正常”，否则即设定 WORK 为“报警”；当进入报警状态时，记录报警信息，继电器动作，并计算（I22-kI22）t 的数值Sh5，这里 I2为长期能工作的负序电流值，k 为散热系数，t 为报警持续值；若 Sh大于 A（A 为发电机允许暂态负序电流最大值）则 WORK 为“故障”，并形成故障记录。液晶屏刷新 RW2 周期性地执行，执行时动态刷新 LCD 显示信息；显示窗口状态变量 WIN 及子窗口状态变量 SUB_WIN，WIN 的取值为 1 时显示负序电流值及工作状态，WIN 的取值为 2 7 时设置系统参数，WIN 的取值为 8 时显示报警记录，SUB_WIN 取值表示在某具体窗口时的显示状态，可用于显示/编辑切换、屏幕上下翻页等。按键处理 RW3 由外部中断服务程序调用，通过散转程序执行具体功能，包括切换窗口、输入参数、查询报警信息、报警/故障处理等。在数据传输 RW4 中，根据开启的传输功能传输数据，可以把远程的参数传到监测装置并完成设置，也可以把负序电流及工作状态传输给中控室；RS485 传输基于 Modbus协议，把监测装置设置为从机，接受指令并完成所需的操作；脉冲输出通过 PWM 即可完成，输出脉冲的周期可根据传输速度及精度设置，脉冲的高电平可用于传输信息；4mA 20mA 传输抗干扰性强，可利用专用电路把 PWM信号转换为电流环信号。第30卷12 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION为本监测装置进行了系统的实验测试，利用标准交流信号源及移相器完成。在实验中，将交流电信号源的 A 相、B 相的幅值及相位固定，为 220V 0 和 220V 240，通过调节 C 相的幅值及相位来调节负序电流值。在消除了由电路零点造成的静态误差后，得到表 1 中的数据，经统计测量误差小于 0.5%。接下来又在发电厂房进行了测试，具体测试了各工作状态下的可靠性和在各干扰设备运行时的测量精度，还试验了切换参数、数据传输等系统功能。由于发电厂存在发动机组、变频器等大功率、干扰强的设备，单片机、DSP 等执行指令程序的芯片易受干扰，通过芯片复位的方法存在隐患。而 FPGA 为专用电路逻辑，可以有效防止程序非预期跳转。经长期测试装置工作正常，故障处理可靠，能够进行发动机负序电流的检测、监控、设置及传输等工作。表1 实验结果Table 1 Experimental results5 结论为保证发动机的稳定运行，必须进行实时准确的负序电流监测，已应用的负序电流检测仪器的精度及抗干扰性尚需提升。本文给出的负序电流监测装置采用 FPGA+MCU的结构，利用 FPGA 进行逻辑控制及负序电流运算，以MCU 进行负序电流状态监测、人机交互、数据传输。文中论述了基于 FPGA 进行负序电流频域运算的工作原理，给出了电路结构，并阐述了浮点乘法器、浮点加法器的设计结构及资源消耗；讨论了 MCU 芯片的参数及扩展电路的结构，给出了 MCU 中各任务的设置、功能，程序的设计方案，以及负序电流监测的过程、装置的使用、故障处理的方法。在实验测试中，测量误差小于 0.5%，在发电厂的工况测试中，测量误差小于 1%。在使用中能够连续稳定工作，已取得很好的效果。设计通用性强，具有推广价值。参考文献：徐中伟,赵杰,王恩风.电动机过负荷智能保护方案J.煤矿机械,2004(12):60-62.郑丽君.矿井电网智能化电流保护系统的设计J.工矿自动化,2009,35(05):70-74.刘健,安永丽,史彩娟,等.基于ARM的负序电流监测仪的设计与实现J.电测与仪表,2012,49(11):65-70.吕超,粟时平,刘桂英,等.牵引电网基波正负序电流提取方法J.电力系统及自动化学报,2016,28(07):89-94.胡金东,康宝华.基于不平衡负荷预测的配电网PMU数据谐波检测J.制造业自动化,2021,43(09):12-15,39.12345运行情况下大大降低了调节门前后的压力损耗，缩小煤耗。3）能耗智能全应用系统改造方案具有更广的使用范围，在提高计算精度，缩短运算时间和减小误差范围方面获得了显著的改善效果。参考文献：王法,蔡亮.电厂空预器吹灰改造与研究J.能源科技,2021,19(01):91-92,96.李丁强.某600MW燃煤电厂空预器密封改造技术的研究D.河北 保定:华北电力大学,2018.张步庭,苏小玲.改变回转式空预器转向的经济性分析J.电站系统工程,2020,36(05):82-84.王云鹏.660MW机组锅炉吹灰汽源改造J.中国设备工程,2020(23):90-91.陈开峰,阮圣奇,吴仲.1000 MW机组锅炉吹灰汽源改造节能分析J.电力科学与工程,2018,34(04):74-78.靖长财.锅炉蒸汽吹灰器汽源优化分析及建议J.神华科技,2017,15(09):45-46,60.骆丁玲.1060t/h 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