1、10KV干式配电变压器微机保护装置设计电力系统微机保护题 目 ： 10KV干式配电变压器微机保护装置设计 学院名称 ： 电气工程学院 专业班级 ： 电气F1101 学生姓名 ： * 学 号 ： 201123910305 1.干式变压器及其微机保护装置研究设计概述 1.1背景概述随着现代社会日新月异地快速发展，要求防火的场所大量增加，如高层建筑、地铁、火车站、机场及石油化工企业等日益增多，人们对变压器的安全性能提出了越来越高的要求。由于矿物油易燃、易爆，因而油浸式变压器不宜安装于防火要求高的场所，而且油浸式变压器在运行中也会因渗漏油而污染环境。干式变压器由于其防火性能好而被广泛地应用。1.2干式
2、变压器优点及意义干式变压器与油浸式变压器相比具有以下优点。1）干式变压器避免了由于运行中发生故障而导致变压器油发生火灾和爆炸的危险。由于干式变压器使用的绝缘材料均为难燃、阻燃材料，即使运行中变压器发生故障而引发火灾或有外来火源，也不会使火灾的灾情扩大。2）干式变压器不会像油浸式变压器那样存在渗漏油问题，更无变压器油老化等问题，因此运行维护和检修的工作量大为减少。3）干式变压器一般为户内式装置，对特殊需要的场所也可制成户外式。对户内式而言，它可以和金属封闭开关设备安装在同一室内，也可以和金属封闭开关设备共用一个外壳，从而可节省安装面积。4）干式变压器具有很强的防潮和防污能力，并可工作于极恶劣的环
3、境条件下。由于干式变压器具有以上优点，促使其需求量迅猛增加。特别是近年来城市基础设施的建设规模不断扩大以及高层建筑不断涌现，对干式配电变压器的需求量大幅攀升。因此，在电气工程的设计选型时，深入了解此类干式变压器的技术性能及其配套措施等方面的技术信息，就显得尤为重要。1.3干式变压器微机保护装置概述干式变压器微机保护装置是用于测量、控制、保护、通讯一体化的一种经济型保护；针对配网终端高压配电室量身定做，以三段式无方向电流保护为核心，配备电网参数的监视及采集功能，可省掉传统的电流表、电压表、功率表、频率表、电度表等，并可通过通讯口将测量数据及保护信息远传上位机，方便实现配网自动化；装置根据配网供电
4、的特性在装置内集成了备用电源自投功能，可灵活实现进线备投及母分备投功能。干式变压器微机保护装置采用了国际先进的DSP和表面贴装技术及灵活的现场总线（CAN）技术，满足变电站不同电压等级的要求，实现了变电站的协调化、数字式及智能化。此系列产品可完成变电站的保护、测量、控制、调节、信号、故障录波、电度采集、小电流接地选线、低周减载等功能，使产品的技术要求、功能、内部接线更加规范化。产品采用分布式保护测控装置，可集中组屏或分散安装，也可根据用户需要任意改变配置，以满足不同方案要求。分析电力变压器的故障,可分为短路故障和不正常运行状态两种川,而变压器的短路故障,又可按发生在变压器的内外部情况分为内部故
5、障和外部故障。变压器的内部故障主要是指各相绕组之间发生的相间短路、绕组的线匝之间发生的匝间短路、绕组或引出线通过外壳发生的接地短路故障等。变压器的外部故障主要是指外部绝缘套管和引出线上发生相间短路和直接接地短路故障。变压器的不正常运行状态主要有:由于外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压;由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油造成的油面降低;由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁;变压器油温升高和冷却系统故障等。2.保护装置硬件设计2.1保护装置的硬件选择 （1）保护单元 CPU 的选择 在10KV干式变压器微机保护装置中当二次系统的模拟量引入装置后，经过电流电
6、压变换和AD转换后形成瞬时采样值序列，保护CPU根据这些采样值，计算出变压器保护判据所需的电气量如幅值、序量等，然后进行保护判据计算、保护逻辑计算以及扰动数据记录和SOE事件记录。为发挥数字信号处理器快速运算的长处，把所有这些电气量、判据以及逻辑计算都安排在一个采样中断里完成是可行的。为保证计算精度，中间数据采用浮点型数据格式，电气量、保护判据的计算采用浮点算法，这样在计算过程中不会出现溢出情况，为此就要求选用高性能浮点DSP芯片。图1：装置插件的布置在本微机保护装置硬件构成方案中,总体电路采用DSP+DSP的双CPU结构,微控制器采用美国Tl公司生产的TMS32OLF2812DSP芯片来分别
7、作为装置的核心控制器和数字信号处理器,其为32位芯片,能够很好完成数据的采集和处理,并且可以保证算法的精确性和控制的实时性,提高了整个控制系统的可靠性。并配备一些适当的外围电路来完成整个装置的监控和保护功能。装置的硬件系统结构框图如图1所示,其中保护用DSP是保护装置的核心部分,其主要任务是完成保护所需要数据的采集与变换、保护的逻辑判断、保护故障巡检及控制开关量输入输出等功能。而监控用DSP主要是用来完成装置的事物管理、人机界面、后台通信、数据显示、按键处理、时钟处理等功能。为便于分析,在文中称保护用DSP为DSPI,监控用DSP为DSPZ,两块DSP并行工作,采用自带的串口进行通信,这样能够
8、保证系统的实时性和可靠性,符合系统对变压器保护装置的要求。图2.硬件系统结构框图（2）管理单元 CPU 的选择 10KV干式变压器通用微机保护装置管理单元主要承担保护装置整定与调试的人机接口、故障数据收集整理以及显示打印、实时时钟对时与广播、各DSP运行状态监视、通讯协议转换、本地以及远程调试维护通讯等任务。其功能可以分为两大部分，一是借助键盘、液晶显示实现的人机对话功能，运行人员可以通过人机对话接口进行整定值维护、开入开出调试、正常运行时电气参量监测、故障报告和SOE报告的上传等。二是通讯功能，实现管理单元对各个保护DSP的通信任务，实现上层管理软件（如综合自动化系统）和保护装置之间的通讯任
9、务。保护管理单元的绝大部分的功能的实现都需要依靠通讯规约与保护CPU进行数据交互。2.2 保护装置通信系统的实现 10KV干式变压器通用微机保护装置的通信系统从结构上可分为对外和对内两个部分，前者为变压器保护系统与厂站局域网或远方调度端的通信连接，后者为装置管理插件与保护DSP插件之间的内部通信。对于微机型保护装置的外部通信，为了方便与厂站等外部网络进行数据传输，通常采用标准化的通信规约IEC 60870-5-103配套标准。在现代新型微机型保护装置系统除了保护功能外，还兼具录波、测量、控制等诸多辅助功能。而一方面我国电力行业标准 DL/T 667（即 IEC60870-5-103）的前言中指
10、出“本配套标准未必一定适用于将继电保护和测量、控制功能组合在一个装置内并共用一个通信口的设备的信息接口”。因而IEC60870-5-103 配套标准并不完全适应于保护系统的内部通信。另一方面，由于整个保护系统与外部的数据交互通过管理单元的 对外通信接口进行，即装置的内部通信与外界是完全隔离的，可以选择非标准的通信规约而不会影响外部正常通信。鉴于以上分析，对于装置内部的管理板插件和保护插件之间的内部通信，在本装置中采用 MODBUS 通信协议，其既能满足微机保护系统内部通信的需要，又利于在内部通信与外部通信实现便捷的报文格式转换。图3：保护装置的通信系统结构2.3模数转换电路微机保护装置中数据采
11、集的精度、速度及动态范围直接关系到保护功能实现的稳定性及可靠性。因此,通过对比专门的A/D转换芯片和DSP自带的A/D转换模块在精度、速度和价格等方面的优劣性,本微机保护装置模数转换电路采用DSP自带的ADC模块及其相应的控制电路构成。该模块是一个12位带流水线的模数转换器,模数转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关(MUXs)、采样保持电路(S/H)电路、变换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路。ADC模块的功能主要包括:12位的ADC核,内含采样/保持电路;同时采样或者顺序采样模式;16通道,多路选通输入;可在一次采样中同时实现16路自动转换的自动排序能力;多个触发源可以启动A/D转换;
12、采样保持获得时间窗有单独的预分频时钟等。模数转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口、与芯片外设总线的接口以及同其他片上模块的接口。模数转换模块ADC有16个通道,可配置为2个独立的8通道模块,分别服务于时间管理器A和B,两个独立的8通道模块也可以级联成一个16通道模块。尽管在模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器,但仅有一个转换器,F2812的ADC模块的功能框图如图4所示。图4.ADC模块功能框图两个8位通道能够自动排序,每个模块可以通过多路选择器(MUX)选择8通道中的任何一个通道。在级联模式下,自动排序器变成16通道。对于每个通道而言,一旦ADC转换完成,
13、将会把转换结果存储到结果寄存器(ADCRESULT)中。自动排序器允许对同一个通道进行多次采样,用户可以完成过采样算法,这样可以获得更高的采样精度。为获得更高精度的模数转换结果,正确的PCB板设计是非常重要的。连接到ADCINxx引脚的模拟量输入信号线要尽可能地远离数字电路信号线。减少因数字信号的转换产生的耦合干扰,需要将ADC模块的电源输入同数字电源隔离开来。2.4CAN通信电路微机保护装置在其应用环境中,为满足整体控制、协调运作的要求,必然要与控制主站进行通信,以往的微机保护系统一般采用RS-422或RS-485总线,但它只有物理层,构成的通信系统也只能采用主从结构,给使用带来不便,另外在
14、通信速度、通信距离和可靠性等方面己经不能满足现代电力系统对通信的要求,因此本文采用现场总线技术中性能良好的CAN总线与上位机进行通信。CAN总线是一种串行通信协议,有很多优点,诸如具有较强的抗干扰能力,直接通信距离最远可达10km(传输速率为5kb/s),通信速率最高可达1Mb/s(传输距离为40m),结点可达10个之多。另外,CAN总线可实现全分布式多机系统,且无主、从之分,网络上任意一个结点均可在任意时刻、主动地向其他结点发送信息,通信方式灵活,可以点对点、一点对多点及全局广播几种方式传送和接收数据。且CAN总线用户接口简单,编程方便,很容易构成用户系统等。本文利用在TMs320F2812
15、DSP片上集成的eCAN模块来实现与上位机的通信,eCAN模块是TI公司新一代32位内部结构的高级CAN控制器,它完全兼容CAN2.OB协议,并可以在有干扰的环境里使用上述协议与其它控制器进行串行通信。另外,eCAN模块具有32个可以完全控制的邮箱和时间标识特性,提供了一个通用可靠的串行通信接口。CAN通信硬件电路图5.CAN通信硬件电路图图5中,CANTX和CANRX接DSP的动芯片才能与外部的CAN控制器进行通信。SN65HVD230是为3.3V供电CAN管脚,CANH和CANL接外部CAN总线。DSP内的CAN控制器必须通过CAN驱的DSP设计的CAN总线收发器,具有增大通信距离,提高系
16、统的瞬间抗干扰能力,保护总线,降低射频干扰、实现热防护等功能,与CAN总线控制器相配合,至少可以连接110个节点,达到1Mbit/s的数据传输率。6N137是高速光祸,对DSP和外部电路进行光电隔离,降低干扰,提高系统的可靠性。因为DSP是+3.3V供电,而6N137内部的比较器需要SV供电,所以在接收端加了R1和R3,来实现电平的转换。3.保护装置的软件设计软件设计是变压器微机保护装置的灵魂,是保证系统工作的核心,对软件整体的理解是软件设计的首要条件。软件设计方法有两种设计方法,其中结构化程序设计是常用的程序设计方法,其大体思路是将一个复杂的系统按功能划分为几个独立的模块,每个程序再用单入口
17、、单出口的控制结构,模块划分遵循“功能独立”原则,每个模块的功能分配明确,有利于软件的调试、修改和维护。软件系统设计需要满足简洁性、易维护修改性、实时性和准确可靠性等要求。本保护装置采用双CPU结构,一个作为主保护用,另一个作为辅助保护用。因此可根据他们各自的不同功能将变压器微机保护装置的软件分为两大部分:保护程序软件和辅助程序软件。其中保护程序软件包括系统主程序、采样中断服务程序和故障处理程序。辅助程序软件主要包括键盘输入、显示、通讯和故障报警等。本装置的软件编写主要使用C语言,方便程序的维护修改。3.1保护单元软件设计10KV干式变压器通用微机保护装置DSP的软件一般由主程序和定时中断处理
18、程序两个部分构成，具体的结构框图如图4所示。 主程序主要包括上电过程硬件和软件的初始化和正常运行两部分。当装置上电或复位后，运行进入应用程序时，首先要进行初始化，对相应的地址，寄存器、常量、变量进行设置，并对相关硬件和缓冲区进行检测，从而为程序的主循环体的运行做好准备。初始化部分主要包括 DSP 初始化、定值初始化、上电全面自检，通用型的转换、保护相关指针初始化、保护元件初始化等。如果自检不正常，则进入故障处理程序，包括启动装置故障继电器，闭锁保护，接收管理机故障处理命令等，如果是整定值出错则等待管理机调整整定值。反之，自检正常则进入正常处理程序包括初始化各变量、通用型的转换、模拟通道的映射、
19、开入和开出通道映射，初始化保护元件等，最后开定时中断，保护进入定时中断程序。保护主程序的正常运行部分，主要进行通信处理任务。 图6：保护单元程序控制框图软件的主程序是个死循环，每一次定时器中断来临，都打断主程序，进入定时器中断函数。定时中断服务程序主要包括采样模块：通过AD转换依次采集各相电压、电流的瞬时值，经过前期处理后放在缓冲区内排队，以便后续计算；电气量计算模块：根据采样所获得的瞬时值，经过差分滤波，利用傅氏算法以及半周傅氏算法计算各相电压、电流相量、序量及其突变量的实、虚部；保护判据计算模块：利用前面计算出的各种相量、序量、突变量来计算保护元件的判据；保护逻辑运算模块：由前面算出的各种
20、保护元件的结果，根据保护动作逻辑方案，进行逻辑运算，由最终结果决定是否发信、跳闸或给信号等等；扰动数据记录以及SOE事件记录：当系统发生扰动使保护启动，保护将保存启动前后的暂态数据；若保护动作如跳闸等也将保存这些事件前后的暂态数据以便于事故分析。3.2管理单元软件设计该保护装置的管理与监控软件在管理板插件上运行，它控制与协调键盘、显示屏LCD等外部硬件资源以实现人机交互并承担对内对外进行通信联接的任务。其功能模块主要由两大块组成，即监控分析模块和通信模块，监控分析模块又分为运行监控模块和故障报告分析模块。运行监控模块主要对保护设备的在线运行进行监控和调试，其主要功能包括:模拟量和开关量的在线监
21、测、定值服务、模拟通道调试、开入和开出调试、文件服务、系统参数设定、时间调整等。故障报告分析模块主要实现故障数据分析和保护动作流程分析。通信模块主要用于与保护CPU交换数据，系统的监控分析功能依赖于通信模块实现。 在微机保护装置中管理监控系统承担着协调装置保护 CPU 的工作、管理装置的数据以及对内对外进行通信联系的重要任务。为了便于使保护装置成为一个智能节点，接入自动化通信网络中，需要扩展装置监控系统的管理、通讯、多任务等多方面的功能。因此在本装置中的管理系统软件在嵌入式 Linux 操作系统平台上采用Qt/Embedded 嵌入式用户界面 GUI (Graphics User Interf
22、ace)系统进行开发，该管理软件采用多线程技术实现，主线程运行图形用户界面处理，通信分为三个子线程，包括：一个对保护 DSP 的通信线程（MODBUS 协议，CAN 网），对综合自动化系统通信线程（标准 103 协议，以太网），对本地上层调试系统的通信线程（MODBUS 协议，以太网），其中对综合自动化系统的通信线程采用基于连接的通信方式，对 DSP 的通信为常驻线程。应用程序运行环境基于 ARM920T 内核的 AT9200 芯片的嵌入式 Linux系统，选用 Qt/ Embedded free 3.3.5 为开发工具。图7：管理板程序线程框架图3.3软件系统抗干扰措施在前面的微机保护装置硬
23、件电路方案中,采取了诸多措施来增强装置的可靠性和抗干扰能力,硬件抗干扰措施虽能有效的抑制干扰源,阻断干扰的传输信道,但由于干扰信号产生的原因很复杂,且有很大的随机性,因此在采取硬件抗干扰措施的基础上,软件抗干扰也是必不可少的。而且,软件抗干扰有实现容易,设计灵活,不增加硬件成本等优点。因此在本文中,用到的软件抗干扰措施有软件自检、指令冗余、软件陷阱、看门狗、数字滤波等。（1）软件自检系统在上电复位后,调用软件自检程序,检测DSP内部资源和外部电路能否正常工作,自检正常后才执行应用程序,如出现较严重自检错误,则根据不同的情况提示故障点,以确保硬件电路能正常和稳定的工作。通过自检程序能够及时地发现
24、系统存在的问题,为检修提供参考依据。（2）指令冗余指令由操作码和操作数组成,CPU在取指令的时候是先取操作码再取操作数,判断取的是操作码还是操作数就是通过取指令的顺序。而取指令的顺序完全由指令计数器PC来控制,因此,一旦PC受干扰出现错误,程序便会脱离正常轨道,出现“跑飞”想现象,造成判断混乱,但只要PC指针落在单字节指令上程序就可纳人正轨,所以为了快速将程序纳入正轨,应该多用单字节指令,并在关键的地方人为插入一些单字节指令NOP,或将有效的单字节指令重写等,这就称之为指令冗余。（3）软件陷阱软件陷阱,是指一些可以使失控程序恢复到正常运行或恢复到初始状态的一系列指令,通常可采用空指令(NOP)
25、及跳转指令充当软件陷阱。当系统执行程序过程中,如果受到某种干扰,出现程序执行错误,而导致程序失控或者陷入死循环时,为了能将程序引入到正常运行,即将PC值引入错误处理程序首地址或复位地址,保证系统的正常工作。而在程序正常工作时,软件陷阱并不影响系统的正常工作。（4）数字滤波数字滤波是在对模拟信号多次采样的基础上,通过软件算法提取最逼近真实值数据的过程。数字滤波的算法灵活,可选择权限参数,其效果往往是硬件滤波电路无法达到的。常用的数字滤波方式有:程序判断滤波、中位值滤波、算术平均滤波、递推平均滤波、防脉冲干扰平均值滤波、一阶滞后滤波等。考虑到微机保护装置应用于电磁干扰比较大的场合,因此,本文采用防
26、脉冲干扰平均值滤波方式,其基本方法是:对N个值进行采样后,去掉数据中的最大值和最小值,得到N-2个数据,求这N-2个数据的平均值,这样处理的结果是可以消除由于脉冲干扰而引起的误差。（5）看门狗看门狗技术主要用来检测软件和硬件的运行状态,当发现程序循环运行的时间,超过正常的循环时间,则认为系统陷入了死循环,或检测到CPU的程序运行到了不确定的程序空间。这时强迫系统执行一段出错处理程序,使系统脱离死循环,转入正轨运行;或产生一个复位信号,使CPU复位,程序从系统软件的开始执行。DSP芯片TMS320LF2812内有一个看门狗定时器模块。当8位的看门狗计数器计数到最大值时,看门狗模块产生一个输出脉冲
27、。4.模块化编程的实现 4.1 保护装置程序的构成 在大型高压变压器通用微机保护装置中为了保证程序有较强的可读性，在程序的编制过程中，要对程序进行合理地划分。对于保护程序，就程序的流程结构而言，可划分为程序的初始化和主循环体两大部分；就程序编制而言，可分为：程序系统文件、驱动文件、算法功能文件、保护功能文件、保护出口和故障保护处理文件、通信功能文件这 6 部分。 （1）程序系统文件（System 目录） 该部分文件构成了保护装置程序运行的整体架构，为程序的主干。在该部分文件中，应该包括：主程序、硬件初始化与自检程序、相关头文件和辅助程序。以下将分别做介绍： 1)主程序(Main.c) 主程序的
28、结构力求简单，在主程序中，调用相关头文件和子程序，构成程序的两大部分：初始化和主循环体。 2)硬件初始化与自检程序(Self_check.c) 该程序对保护装置的相关硬件进行自检，在初始化、主循环体和中断中均被调用。包括 AD、EPROM、EEPROM 等硬件芯片和开出、定值的自检程序。 3)中断程序(Timer0_interrupt.c) 程序中只采用 1 个中断：定时器中断，每隔 0.8333ms 产生中断（即一周波采样24 点）。中断程序中应包括以下部分： a.AD、开出和内存中定值的自检，以及各通道的采样； b.相应数值的计算，包括所有相关电气量的幅值、实部、虚部、相角的计算； c.频
29、率的测量和跟踪； d.各保护元件的逻辑判断； e.保护出口的处理，和故障报告的记录。 4.2 保护单元模块化编程的实现 从上文可以看出程序的主体部分和中断部分仍然采用传统的流程方式，但是可以将流程中的相关部分进行模块化，需要模块化的地方主要集中在数据计算、保护逻辑判断这两部分。 在实现模块化编程时可以使每个模块仅完成一个或几个功能，再由若干个模块完成一个复杂的功能，即采用“搭积木”的方法。在编程时，力求主体部分和中断部分结构简单，各级模块被主体部分和中断部分调用。这里存在着参数的传递，当需要传递的参数的数量不多时，可以直接采用形参、实参进行传递（例如：数据计算模块）；而对于保护元件模块，由于需
30、要传递的参数较多，可以将需要传递的参数组成一个结构体，采用指针（指向结构体的首址）或首地址进行传递。 采用模块化的编程技术，把保护按功能区分位不同的模块，各个模块分别用结构体封装起来编程实现，模块对外接口简单、易操作。这种模块化的技术使得保护程序不仅具有极强的可读性、可移植性，而且使得各个模块之间的协作脉络清晰透明，有利于提高保护的可靠性。 各个保护模块的内部实现以逻辑透明化为原则，严格按照既定的保护逻辑编程，简单可靠，便于测试。5.总结随着电力系统规模的不断扩大，电网结构日趋复杂，现代系统对大型高压变压器保护也提出了更高的要求，研究开发具有良好适应性的通用型变压器保护装置，对降低开发和维护成
31、本，提高装置的稳定性具有十分重要的作用。本文在综述了当前变压器保护原理的研究现状和变压器微机保护发展趋势的基础上，对大型高压变压器通用型微机保护系统进行了研究，针对其现场应用的特点，就研制和开发中面临的关键技术问题进行了分析和研究，并对保护装置的基本硬件结构和相关设计问题进行了讨论，完成了保护软件的开发。针对围绕实现通用型变压器微机保护装置的设计目标，根据干式高压变压器通用微机保护的应用特点和装置的设计原则和功能要求，采用了按保护功能最大化进行设计的总体方案，使其保护装置系统能够兼顾10KV电压等级的高压、超高压变压器主、后备保护的配置要求，并可适应两绕组变压器、三绕组变压器自耦变压器和普通变压器以及高、中、低压不同接线形式的要求，并且具有良好的适应性。评分表：
