kv變壓器微機保護原理的研究

220kv變壓器微機保護技術(shù)的研究摘要作為電力系統(tǒng)繼電保護重要組成部分的變壓器繼電保護，對保障變壓器的安全運行具有十分重要的作用。本文在介紹電力系統(tǒng)微機保護原理及其發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上,對電力系統(tǒng)中大量應(yīng)用的220/35KV電壓等級的變壓器的繼電保護進行了專門研究,分析了影響變壓器差動保護可靠性和靈敏度的不平衡電流的產(chǎn)生原因和特點，利用微機技術(shù)補償不平衡電流的影響。根據(jù)這一類變壓器的運行特點，吸取以往各種保護方法的長處，制定了一套適合于220/35KV電壓等級的電力變壓器保護方案，以差動保護和瓦斯保護為主保護，低電壓啟動的過電流保護為后備保護。以所制定的保護方案為依據(jù)，選擇了以MCS-96系列16位單片機8098為核心的變壓器微機保護裝置的硬件平臺,進行保護裝置的硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件模塊設(shè)計。在硬件設(shè)計方面，主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)及跳閘出口部分等電路的設(shè)計。在軟件設(shè)計方面,對現(xiàn)有主要的微機保護算法進行了比較、分析，選擇具有計算簡便、收斂速度快、收斂過程穩(wěn)定等優(yōu)點的遞推最小二乘算法，滿足了變壓器保護對算法估計精度和估計速度的要求。關(guān)鍵詞：變壓器；差動保護；繼電保護；微機保護AbstractTransformerrelayingprotectionisoneimportantpartofpowersystemrelayprotection,itisveryimportanttothetransformers'safeoperation.Thispaperisonintroducethemicroprocessor-basedprotectionpowersystemtoprotectthefoundationoftheprincipleanditsdevelopmenttrend,topowersysteminsidelargequantityapplicationof220/35KVelectricvoltagethegrade'stransformerofrelayprotectionthespecializedresearched,andanalyzetheproducecauseandcharacteristicoftheunbalancedcurrentwhichinfluencethereliabilityandsensitivityoftransformerdifferentialprotection,somemicrocomputer-basedmethodsarecompensatingtheunbalancedcurrent.Accordingtothisthetransformers'movementcharacteristics,absorbthestrengthoftheeverykindofprotectionmethodbefore,formulationasuitablefor220/35KVelectricvoltagethegrade’stransformerprotecttheproject,withdifferentialprotectionandprotectwithgastomainprotection,andthelowelectricvoltageisafterstartingofprotectovertheelectriccurrentfortohavetheprotection.Withtheestablishedprotectiontheprojectisabasis,andwiththetransformermicrocomputer-basedprotectionthatMCS-96series16single-chipmachine8098forthecoretochoice,hardwarethatprotectthedeviceterracehardwarethatcombinetherightprotectthedevicethesystemdesignandsoftwaremoldthepiecedesigned.Designtheaspectinthehardware,includedatacollectingsystem,CPUmainsystem,switchamounttoimport/outputthesystemandtriptoexportthedesignofsuchcircuitassome,etc.mainly.Designtheaspectinthesoftware,protectalgorithmstocompare,analyzetotheexistingmaincomputer,isitcalculatesimpleandfastconvergencespeed,convergencecoursetoisitrecursiveminimum2algorithmtopassadvantagingsuchasbeingsteadytohavetochoose,andsatisfytherequestthatthetransformerprotectsandestimatestheprecisionandestimatesthespeedtothealgorithm.Keywords:TransformerDifferentialProtectionRelayProtectionMicroprocessor-basedProtection目錄TOC\o"1-3"\h\z\u第1章緒論1第2章變壓器微機保護原理及整定7第3章變壓器微機保護的硬件原理283.3CPU主系統(tǒng)設(shè)計343.5.2信號回路39第4章變壓器微機保護的算法研究41第5章微機變壓器保護軟件設(shè)計45總結(jié)55參考文獻57致謝58第1章緒論電力工業(yè)擔負著為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活提供能源的重要性。因為電力系統(tǒng)故障引發(fā)的電力系統(tǒng)事故是非常嚴重的，它可能造成對用戶少送電或電能質(zhì)量變壞以至到不能容許的地步，甚至造成人身傷亡和電氣設(shè)備的損壞，帶來巨大的經(jīng)濟損失?？梢哉f，電力系統(tǒng)故障是國民經(jīng)濟的災(zāi)難。因此提高電力系統(tǒng)運行的可靠性和保證安全是極其重要的。電力系統(tǒng)在運行中，可能發(fā)生各種故障和不正常運行狀態(tài)，最常見同時也是最危險的故障是各種形式的短路。在發(fā)生短路是可能產(chǎn)生以下的后果：通過故障點很大的短路電流和所燃起的電弧，使故障元件遭到破壞；短路電流通過非故障元件，由于發(fā)熱和電動力的作用引起它們的損壞或縮短它們的使用壽命。電力系統(tǒng)中部分地區(qū)的電壓大大降低，破壞了用戶工作的穩(wěn)定性或影響產(chǎn)品質(zhì)量。破壞電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)振蕩，甚至使整個系統(tǒng)瓦解。造成停電事故，會對人們生活、生命財產(chǎn)造成重大損失。電力系統(tǒng)中電氣元件的正常工作遭到破壞，但沒有發(fā)生故障，這種情況屬于不正常運行狀態(tài)。例如，因負荷超過電氣設(shè)備的額定值而引起的電流升高（一般又稱過負荷），就是一種最常見的不正常運行狀態(tài)。由于過負荷，使元件載流部分和絕緣材料的溫度不斷升高，加速絕緣的老化和損壞，就有可能發(fā)展成故障。此外，系統(tǒng)發(fā)生功率缺額而引起的頻率降低，發(fā)電機突然甩負荷而產(chǎn)生的過電壓，以及電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩等，都屬于不正常運行狀態(tài)。故障和不正常運行狀態(tài)，都可能在電力系統(tǒng)中引起事故。在電力系統(tǒng)中，除了應(yīng)采取各項積極措施消除或減少發(fā)生事故的可能性以外，故障一旦發(fā)生，必須迅速而有選擇地切除故障元件，這是保證電力系統(tǒng)安全運行的最有效方法之一，切除故障的時間常常要求小到幾十毫秒甚至十幾毫秒，實踐證明只有裝設(shè)在每個電氣元件上的繼電保護裝置才有可能滿足這個要求。繼電保護裝置，就是指能反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于短路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置。它的基本任務(wù)是：1.自動、迅速、有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，保證其它無故障部分迅速恢復(fù)正常運行，使故障元件免于繼續(xù)遭到破壞。2.反應(yīng)電氣元件的不正常運行狀態(tài)，并根據(jù)運行維護的條件（例如有無經(jīng)常值班人員），而動作于發(fā)出信號、減負荷或跳閘。此時一般不要求保護迅速動作，而是帶有一定的延時，以保證選擇性。繼電保護系統(tǒng)是電力系統(tǒng)自動化的重要組成部分，是保證電力系統(tǒng)安全可靠運行的主要措施之一。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，如果沒有專門的繼電保護系統(tǒng)，要想維持系統(tǒng)的正?？煽抗ぷ魇遣豢赡艿摹＝陙?，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展深入地影響了科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域，計算機技術(shù)同樣影響到繼電保護技術(shù)的發(fā)展。始于四十年代的靜態(tài)型繼電器保護經(jīng)歷了半導(dǎo)體、晶體管、集成電路的發(fā)展階段，已進入以微機處理器控制為核心的時期。計算機在繼電保護領(lǐng)域里的應(yīng)用是一個重要的里程碑，自六七十年代計算機保護概念提出后，繼電保護裝置的技術(shù)才真正有可能進入真正的自動化，智能化、高性能的新階段。二十年來，各國都在微機繼電保護方面進行了不懈的研究。國外在微型計算機應(yīng)用于繼電保護方面研究較早。1965年初，英國劍橋大學(xué)的P.C.Maclaren等提出了利用采樣技術(shù)實現(xiàn)輸電線路的距離保護。接著1966年下半年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的I.F.Morrison預(yù)測了輸電線路和變電站采用計算機控制的前景，包括利用計算機作為繼電保護的前景，接著他們對計算機保護的理論進行了更深的研究。1969年，美國西屋公司的G.D.Rockeffeler等開始進行具體裝置的研究，并于1972年發(fā)表了該裝置的運行樣機的原理結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場實驗結(jié)果。這是第一套比較完整的用于現(xiàn)場的計算機繼電保護裝置。1972年在P.G.Maclaren指導(dǎo)下，劍橋大學(xué)的G.K.Lagcock完成了以計算機繼電保護為題的博士論文，研究了計算機繼電保護中的信息處理技術(shù)。1977年英國Bath大學(xué)的M.A.Martin在其博士論文中對計算機繼電保護中信號的有限變換的頻譜分析方法進行了研究。七十年代大規(guī)模集成電路的發(fā)展對計算機繼電保護有實質(zhì)性的推動作用。特別是八十年代以來，高性能價格比的微處理器問世以來，繼電保護技術(shù)得到了飛速發(fā)展，各種基于微處理器的繼電保護裝置從實驗室走向?qū)嶋H現(xiàn)場，使電力系統(tǒng)保護產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展使傳統(tǒng)的保護原理得以數(shù)字化實現(xiàn)，各種數(shù)字信號處理技術(shù)被應(yīng)用于對電網(wǎng)復(fù)雜信號的分析和高速計算，為新的和復(fù)雜的保護方法的應(yīng)用提供了豐富的手段。建國初期，我國電力工業(yè)基礎(chǔ)十分薄弱，使用的繼電保護裝置也十分簡陋。我國電力部門所使用的主要是進口的美國GE、瑞典ABB、英國GECM和日本等國的一些簡單的保護繼電器。五十年代后期東北120/220kv電網(wǎng)中引進了蘇聯(lián)制造的保護設(shè)備。六十年代中后期，我國研制成功成套330kv晶體管高壓電網(wǎng)保護裝置，成功邁出了由機電型保護向靜態(tài)型發(fā)展的關(guān)鍵一步。隨后推出的220kv成套線路保護設(shè)備標志著我國的電網(wǎng)保護已經(jīng)進入電子技術(shù)時代。七十年代后期，我國開始研制500kv超高壓電網(wǎng)保護設(shè)備并投入運行，1985年，我國第一套集成電路距離保護在南京自動化研究所研制成功，標志著我國電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)已經(jīng)進入了微電子時代。八十年代末，我國第一套采用微電子技術(shù)的數(shù)字式距離保護裝備研制成功，揭開了各高等院校集中研制微機保護的時代。九十年代初，我國微機主設(shè)備（變壓器、發(fā)電機）保護成套裝置開始問世，1989年開始研制發(fā)電機全套微機保護，1994年研制成我國第一套用于60萬kw及以下容量水火發(fā)電機變壓器組成套微機保護，隨后國內(nèi)又研制成用于水輪發(fā)電機變壓器組的微機保護?？偟目磥恚覈谖C保護方面的研究試驗起步較晚，雖然發(fā)展較快，各種線路和主設(shè)備微機保護在投入運行或試運行中，都取得了肯定的效果，為今后進一步的發(fā)展應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件，但與世界先進水平相比還有很大的差距。因此對微機保護裝置開展研究，開發(fā)出適合于我國國情的微機保護裝置是非常有必要的。變壓器保護成套設(shè)備由主保護和后備保護構(gòu)成。主保護是變壓器保護的核心，主要是由差動保護來完成的，對其中心要求有兩個方面，即防止外部短路時的不平衡電流以及防止勵磁涌流所致的誤動。防止外部短路時的不平衡電流造成的誤動，普遍采用比率制動方法，但它對高阻故障（低電流故障）不靈敏。美國McCleer等提出新的△差動繼電保護方法，即將制動電流及差動電流中的故障前電流出去，這在微機保護中是易于實現(xiàn)的。這種保護在高阻故障時的靈敏度大于常見的比率差動保護，而在外部短路時仍保持相同的選擇性。對于防止勵磁涌流導(dǎo)致的誤動作，國內(nèi)外多年一直進行研究，提出了不同的鑒別涌流與內(nèi)部故障的方法，二次諧波制動法提出較早，在模擬式及微機保護中均應(yīng)用較多，雖然由于內(nèi)部故障時CT飽和，分布電容等影響，短路電流諧波分量很大但持續(xù)時間短將引起延時動作而使二次諧波制動有明顯缺點，但因為二次諧波制動技術(shù)成熟，制動可靠，仍不失為一個實用的解決方案。間斷角原理由我國率先提出，它利用勵磁涌流波形特征，但對硬件要求較高，技術(shù)上實現(xiàn)較困難，美國和荷蘭提出磁制動方案，根據(jù)工作點與磁化曲線的距離差別來鑒別涌流及內(nèi)部短路，實時計算負擔小，檢測速度較快，而依據(jù)變壓器導(dǎo)納型等值電路檢測變壓器故障的方法對判別勵磁涌流波形也有一定的應(yīng)用價值，但均離實用化還有一定距離，需要在實踐中加以驗證和完善。國內(nèi)外還將各種數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于差動保護中，加拿大Murty在理論上證明了基于Kalman濾波的算法可以在半周波內(nèi)濾取所需的差流基波及諧波分量從而實現(xiàn)快速保護，并且在實驗室中利用TMS320數(shù)字信號處理芯片實驗了基于Kalman濾波的變壓器差動保護實驗裝置。在印度進行了應(yīng)用Harr函數(shù)，Walsh函數(shù)及Hartley變換算法用于微機變器差動保護的研究，利用小波變換對變壓器差動保護的研究嘗試也取得一定成效。此外國外學(xué)者還將專家系統(tǒng)，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能方法引入變壓器差動保護。各種新理論、新方法的應(yīng)用使變壓器等主設(shè)備繼電保護系統(tǒng)正向著數(shù)字化，智能化，分布式保護控制一體化的方向發(fā)展。現(xiàn)代電力變壓器的特點是容量大，電壓等級高，而且價格昂貴和修理困難。大型變壓器在電力系統(tǒng)中的地位非常重要，一旦發(fā)生故障，影響范圍很大。為保證系統(tǒng)和變壓器安全運行，減少事故損失，對變壓器繼電保護提出了更苛刻的要求:(1)提高靈敏度要求差動保護能靈敏動作于匝間短路故障，同時亦要求靈敏動作于內(nèi)部高電阻接地故障。(2)保持高速度對于接于超高壓遠距離輸電線路的變壓器，當發(fā)生內(nèi)部故障時，由于諧振亦會產(chǎn)生諧波電流，可能引起諧波制動的差動保護延緩動作，需要采取有效的加速措施或?qū)で笮略淼膭畲庞苛麒b別方法。計算機技術(shù)具有的長記憶功能和優(yōu)越的信息處理功能，以及在結(jié)構(gòu)上的特點，為解決這些難題提供了手段，主要表現(xiàn)在：(1)在差動保護中可將CT二次側(cè)電流直接差接改為數(shù)字差由于CT副邊不再并接在一起，可進一步減少因變比不匹配及特性不同而引起的環(huán)流所造成的不平衡電流增大，對于多側(cè)差動的情形，比起采用平衡線圈更為合理和有效。(2)變壓器各側(cè)繞組中因連接組關(guān)系而引起的電流相位移可由CT副邊Y—△變換改變?yōu)閿?shù)字計算補償。傳統(tǒng)差動保護對于Y/△變壓器將Y側(cè)三相CT副邊接成△形，以保證變壓器兩側(cè)同相電流相位一致。當變壓器Y側(cè)保護區(qū)發(fā)生不對稱路時，故障相與非故障相流過的電流大小懸殊，各相CT工作條件可能極不相同。因它們各自工作點存在較大差異，會在△形相連的CT副邊回路中引起額外的不平衡環(huán)流，導(dǎo)致差動回路中不平衡電流增大。對于計算機差動保護，Y/△變壓器Y側(cè)CT仍然可以Y接，而用數(shù)值計算完成Y—△變換，這樣便可以消除不平衡環(huán)流的影響。(3)可應(yīng)用更多更復(fù)雜的原理來改善勵磁涌流鑒別能力，目前提出鑒別勵磁涌流的各種原理，需要更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算和邏輯處理，若用傳統(tǒng)技術(shù)來實現(xiàn)可能會遇到困難。(4)可通過采用靈活的算法來獲得高速度和高靈敏度。例如，計算機差動保護除可繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的差動速斷和低電壓加速措施外，還可通過長短數(shù)據(jù)窗算法的配合提高嚴重故障時的動作速度，利用計算機長記憶功能還可方便的獲取故障分量，進一步提高內(nèi)部故障時的動作靈敏度。(5)采用復(fù)雜的運算和邏輯處理在一定程度上實現(xiàn)CT和PT斷線的報警和閉鎖。(6)由CT變比標準化帶來的誤差可用數(shù)字運算進行補償。這種補償方法較之常規(guī)補償方法更為準確，從而進一步減少了不平衡電流。計算機變壓器保護的優(yōu)點遠遠不止這些，通過進一步研究，計算機技術(shù)所帶來的益處會不斷地被挖掘出來。本文針對220/35KV電壓等級的變壓器進行了微機保護設(shè)計，提出了以MCS-96系列16位單片機8098為核心的變壓器微機保護裝置的硬件平臺,并對保護裝置的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計進行了詳細的研究。同時介紹了變壓器主保護和后備保護的原理及整定計算。根據(jù)變壓器保護的特點對現(xiàn)有主要的微機保護算法進行了比較、分析，研究表明應(yīng)用遞推最小二乘法具有計算簡便，收斂速度快,實用性強等優(yōu)點。第2章變壓器微機保護原理及整定研究變壓器保護，首先就要分析變壓器可能發(fā)生的故障和異常情況。電力變壓器本體一般沒有旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運行起來比較可靠，故障機會較少。但是變壓器是連續(xù)運行的，停電機會很少，而且絕大部分安裝在室外，受自然環(huán)境條件的影響較大。另外，變壓器時刻受到外接負荷的影響，特別是受電力系統(tǒng)短路故障的威脅較大。因此，變壓器在實際運行中有可能發(fā)生各種類型的故障和不正常運行情況。變壓器的故障可分為內(nèi)部故障和外部故障兩種。內(nèi)部故障是指變壓器油箱里面發(fā)生的各種故障，主要故障類型有:各相繞組之間發(fā)生的相間短路、單相繞組部分線匝之間發(fā)生的匝間短路、單相繞組或引出線通過外殼發(fā)生的單相接地故障等。內(nèi)部故障危害性很大，發(fā)生時應(yīng)立即將變壓器切除。變壓器的外部故障，是指油箱外部絕緣套管及其引出線上發(fā)生的各種故障，主要故障類型有:絕緣套管閃絡(luò)或破碎而發(fā)生的單相接地短路、引出線之間發(fā)生的相間故障等。發(fā)生這類故障時一般也應(yīng)迅速切除變壓器，以盡量減少或消除短路電流造成的危害。變壓器的不正常運行情況主要包括：由于外部短路或過負荷而引起的過電流、油箱漏油而造成的油面降低、變壓器中性點電壓升高或由于外電壓過高而引起的過勵磁等。針對上述變壓器的各種故障和不正常運行情況，變壓器繼電保護裝置一般應(yīng)具有如下保護功能：·防御變壓器油箱內(nèi)部各種短路故障和油面降低的瓦斯保護；·防御變壓器繞組和引出線多相短路、單相接地短路及繞組匝間短路的縱聯(lián)差動保護或電流速斷保護；·防御變壓器外部相間短路并作為瓦斯保護和差動保護(電流速斷保護)后備的過電流保護(或復(fù)合電壓起動的過電流保護、或負序過電流保護)；·防御大接地電流系統(tǒng)中變壓器外部接地短路的零序電流保護；·防御變壓器對稱過負荷的過負荷保護；·防御變壓器過勵磁的過勵磁保護。A、差動保護中勵磁性涌流判別在上述變壓器各種保護中，作為變壓器主保護的〔縱聯(lián)〕差動保護是變壓器保護裝置的關(guān)鍵，而差動保護中的一個關(guān)鍵問題就是勵磁涌流判別問題。變壓器在正常運行情況下的勵磁電流很小，當空載變壓器投入電網(wǎng)或變壓器外部故障切除后電壓恢復(fù)時，勵磁電流大大增加，其值有可能達到變壓器額定電流的6-8倍;該電流稱為勵磁涌流。由于勵磁涌流在數(shù)值上可與變壓器內(nèi)部故障時的短路電流相比擬，因此容易造成繼電保護裝置誤動作:所以變壓器差動保護需要解決的一個突出問題就是要能夠可靠地躲過勵磁涌流，同時對短路電流又能正確反應(yīng)，使差動保護可靠動作。這是變壓器微機保護面臨的首要問題，針對該問題提出的各種區(qū)分勵磁涌流與內(nèi)部故障的判別原理的研究和分析也是當前變壓器微機保護相關(guān)問題的研究重點。用于區(qū)分勵磁涌流與內(nèi)部故障的原理主要有二次諧波判別原理、間斷角判別原理、磁通量判別原理和波形對稱原理。下面分別就其原理進行簡要分析：1)二次諧波判別原理主要是應(yīng)用勵磁涌流中含有較大的二次諧波含量來構(gòu)成的，無論雙繞組或三繞組電力變壓器的勵磁涌流中，均含有較大成分的二次諧波分量(約占30%-70%)，但在變壓器內(nèi)部故障或外部故障的短路電流中，二次諧波分量所占比例較小。因此，可利用上述特點構(gòu)成二次諧波制動的差動保護，使之有效地躲過勵磁涌流的影響。2)國內(nèi)比較成熟的間斷角判別原理主要是利用勵磁涌流波形具有明顯的間斷角特征進行判別的，對硬件要求較高。變壓器內(nèi)部故障時，非周期分量電流迅速衰減后，流入差動保護回路的是周期電流。當變壓器出現(xiàn)勵磁涌流的起始階段，涌流波形偏于時間軸一側(cè)，且相鄰波形間出現(xiàn)間斷角。根據(jù)上述特點即可構(gòu)成間斷角判別原理的差動保護。3)磁通量判別原理，主要是利用磁通量一電流特性或者磁通量變化率一電流特性來區(qū)分內(nèi)部故障和勵磁涌流的。但該原理需要引進電壓量且必須知道變壓器各側(cè)繞組的漏感(漏抗)，這在實際工作中是困難的。4)國內(nèi)剛剛起步的波形對稱原理的比率差動保護，利用微分后差流的前半波和后半波作對稱比較，將變壓器在空載時產(chǎn)生的勵磁涌流和故障電流區(qū)分開。但由于運用該原理的裝置投入運行并不多，所以現(xiàn)在尚無成熟的運行經(jīng)驗。上述幾種判別原理均不是非常完善，各有其優(yōu)缺點:二次諧波制動原理主要是利用勵磁涌流中含有較大的二次諧波分量來構(gòu)成的，這一原理的提出時間最早，在國內(nèi)外的應(yīng)用也最為廣泛。傳統(tǒng)上的“或”門制動的二次諧波原理有如下缺陷:(1)三相中有一相全部制動，因此故障相除了受本相中的諧波的影響，還受到其它相涌流的制動，具體表現(xiàn)為空投內(nèi)部故障時，差動保護動作速度不穩(wěn)定，會延緩動作。(2)隨著電網(wǎng)電壓等級的提高和系統(tǒng)規(guī)劃的擴大以及變壓器單機容量的增大，大型變壓器內(nèi)部嚴重故障時，由于諧振使短路電流中的二次諧波含量明顯增加，有可能使二次諧波制動的差動保護延時動作。針對以上兩點有人提出了涌流加速判據(jù)，它包括電流加速判據(jù)和電壓加速判據(jù)兩種;電流加速判據(jù)的理論依據(jù)時:變壓器的勵磁涌流一般只會在變壓器空載投入或近距離外部故障被切除后，變壓器端電壓恢復(fù)過程中產(chǎn)生，因此可以通過記憶變壓器暫態(tài)發(fā)生前一周波電流來判別變壓器是否處在勵磁涌流產(chǎn)生的條件中，若不是則不必經(jīng)過二次諧波判別。電流加速在某些情況下，會引起差動保護誤動，已被證明是不可靠的。電壓加速判據(jù)的理論依據(jù)是:變壓器的端電壓低于一定值時，不可能產(chǎn)生涌流，這一理論在變壓器內(nèi)部輕微故障時會無效，且需引入電壓量增加保護復(fù)雜性。間斷角原理，主要是根據(jù)勵磁涌流波形出現(xiàn)間斷特征來區(qū)分內(nèi)部故障和勵磁涌流的。從物理上看，二次諧波只反映了勵磁涌流的頻域特征且很單一(只反映二次諧波)，而間斷角原理，則反映了時域，頻域兩方面的特征，這就決定了間斷角原理相對于二次諧波原理的優(yōu)越性。針對二次諧波原理的弱點，間斷角原理可大大提高變壓器合閘于內(nèi)部故障時的動作速度。國內(nèi)模擬式間斷角原理變壓器差動保護的大量應(yīng)用實踐也證明了這一點。但該原理存在著如下缺陷:1)當CT飽和時，間斷角中將產(chǎn)生反向電流，飽和越嚴重，間斷角中的反向電流越大，使得間斷角消失;2)小電流情況下電流中的諧波含量以及頻率的變化對間斷角的測量影響較大，因此在系統(tǒng)振蕩時可能誤動。對上述的反向電流問題和間斷角測量精度問題，利用微機的記憶、強大的運算、分析能力，可以很好地解決。實踐證明，微機間斷角原理保護可以實現(xiàn)快速，穩(wěn)定的差動保護，其動作速度20-25ms。在設(shè)計大型變壓器差動保護的雙重化配置時，往往采用成熟的二次諧波原理，在變壓器空投于內(nèi)部故障時，采用間斷原理和分相差動式的差動保護來彌補二次諧波原理保護的缺點，這兩種原理具有互補性。B、外部故障和內(nèi)部故障的區(qū)分對如何區(qū)分外部故障和內(nèi)部故障，理論方面的研究是較為成熟的，普通比率差動原理在實際裝置中應(yīng)用最為廣泛，且最成功。而突出變量差動原理等存在一些缺點。:在做實驗時，在某種條件下均出現(xiàn)過一定程度的誤動或拒動。究竟應(yīng)采用何種原理的主保護，應(yīng)根據(jù)變壓器裝置本身的特性及其運行條件、運行環(huán)境而定。C、變壓器微機差動保護CT二次回路斷線判別原理CT斷線判別原理是微機變壓器保護提出的新課題。為了不至于因CT二次出口斷線引起變壓器保護誤動，必須設(shè)置相應(yīng)的二次回路斷線閉鎖功能。目前CT斷線判別原理主要有相電流判別、負序電流判別和零序電流判別原理。相電流判別原理，主要是將CT斷線分為Y型側(cè)斷線和△側(cè)斷線，根據(jù)斷點在CT的不同位置時的相電流的變化來判別;負序電流判別原理，主要依據(jù)斷線側(cè)有負序電流，而非斷線側(cè)無負序電流的方法來判別。該原理在變壓器空投內(nèi)部故障時正好滿足，因此可能將內(nèi)部故障誤判為CT斷線而拒動，故必須增加其它判據(jù);零序電流判別原理，主要依據(jù)三相電流之和同零序電流的關(guān)系，如果CT斷線的話，那么該關(guān)系就會遭到破壞。該原理涉及到變壓器一側(cè)CT和零序CT，如為自禍變壓器則涉及到變壓器二側(cè)CT和零序CT,所以當變壓器發(fā)生故障，各CT飽和程度不一樣時，該原理所依據(jù)的方法就不成立，因此也有可能產(chǎn)生誤判而拒動，此外零序CT斷線時也會拒動。據(jù)此，零序電流判據(jù)也必須增加其它判據(jù)。因此從可靠性的角度分析，一般采用相電流判別原理。另外CT接線問題也是一個比較佰得汁意的問題。常規(guī)的變壓器差動裸護為了保證Y/△接法變壓器差流的平衡，一般將Y側(cè)CT接成△型，而將△側(cè)CT接成Y型。Y型接法CT斷線的判斷比較簡單，而△型接法CT斷線的類型較多，有的難以與故障區(qū)別開，使判斷十分復(fù)雜。使用微機實現(xiàn)變壓器保護后，CT的Y/△變換完全可以用軟件實現(xiàn)，而且這有利于CT斷線的判別和現(xiàn)場接線。因此在本論文中采用了兩側(cè)CT均接成Y型的CT接線方式，Y/d的變換由數(shù)學(xué)運算完成:由于Y/△變換的數(shù)學(xué)運算量很小，而且這種接法具有現(xiàn)場接線簡單，又可優(yōu)化故障時的電流分布的特點，因此可進一步提高CT斷線判斷的可靠性。D、差動保護的硬件可靠性對微機保護裝置這類長時間連續(xù)工作的系統(tǒng)，其核心部分如CPU、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的可靠性，對裝置的可靠性影響很大。裝置因環(huán)境變化、電源干擾、元器件性能波動、電磁干擾等因素引起的偶然性故障往往會產(chǎn)生誤動作或拒動。由可靠性理論可知，瞬時故障—包括間歇性故障和偶然性故障，在整個故障中所占比例很大，是系統(tǒng)出錯的主要根源。隨著各類系統(tǒng)尤其是數(shù)字系統(tǒng)不斷擴大，為了提高可靠性，人們總結(jié)出兩種方法:一種方法是避錯，試圖構(gòu)出一個不包含故障的“完美”系統(tǒng)，但絕對做到這一點是不可能的，同時還將大大提高系統(tǒng)的造價:第二種方法叫做容錯(FaultTolerance),所謂容錯是指當出現(xiàn)某些指定的硬件故障或軟件錯誤時，系統(tǒng)仍能執(zhí)行規(guī)定的功能，并且執(zhí)行結(jié)果也不包括系統(tǒng)中故障所引起的差錯。容錯的基本思想是在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)上精心設(shè)計，利用外加資源的冗余技術(shù)來達到當系統(tǒng)故障時掩蔽故障的影響，從而保持正常服務(wù)。外加資源可以是硬件、信息、時間和軟件。實踐中應(yīng)用較廣的三模塊冗余法(TMR,TripleModularRedundancy)由J.Von.Neuman最先提出，是硬件冗余中靜態(tài)冗余法的一種。論文根據(jù)220KV/35KV電壓等級配電系統(tǒng)的特點，結(jié)合上述變壓器微機保護的機理研究，配置保護功能如下：1).主保護方案：·差動電流保護（二次諧波制動的比率差動保護）·瓦斯保護2).后備保護方案：·過電流保護(低電壓閉鎖的過電流保護)目前我國變壓器的差動保護裝置大多數(shù)采用帶短路線圈的加強型速飽和變流器構(gòu)成的差動繼電器(如BCH-2和DCD-2型差動繼電器)。該繼電器利用勵磁涌流中的非周期分量使速飽和變流器迅速飽和，以防止誤動作。但是該繼電器存在下列缺陷:(1)由于外部短路時在差動回路中有較大的不平衡電流以及空投變壓器時三相勵磁涌流中的一相有時無非周期分量，這將使該相的速飽和變流器失去作用。為了防止誤動，需要提高裝置的動作電流整定值，其結(jié)果使裝置的靈敏度降低，甚至有時不能滿足要求。另外動作電流整定值提高以后，當變壓器出現(xiàn)輕微故障(如匝間短路)時，因短路電流較小，不足使裝置動作，將使故障繼續(xù)擴大，造成變壓器的損壞程度愈來愈嚴重。(2)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，暫態(tài)短路電流中也含有非周期分量，由于速飽和變流器的作用會延遲裝置的動作時間，其結(jié)果也會使故障的影響擴大。鑒于以上原因，近年來國內(nèi)有些變壓器開始采用帶二次諧波制動的比率差動保護裝置(以下簡稱比率差動保護裝置)。該裝置為了避開勵磁涌流的影響，利用勵磁涌流中含有大量的二次諧波的獨有特點，設(shè)有二次諧波制動。為了避免外部短路電流在差動回路引起不平衡電流的影響，該裝置還設(shè)有與變壓器兩側(cè)電流向量之和成正比的比率制動，其起動電流小，靈敏度:高，加之該裝置的思維方式在微機由很容易!實現(xiàn)，因此該裝置愈來愈得到人們?yōu)榍嗖A。為了合理地應(yīng)用該裝置，本文將其原理予以介紹。目前比率差動保護裝置的型式有晶體型、整流型和微機型。雖然各自的構(gòu)造有所不同，但是原理基本相同，現(xiàn)以下圖所示的整流型比率差動裝置原理方框圖為例予以說明和差流形成回路和差流形成回路比率制動二次諧波制動差流動作速斷比較出口比率差動保護裝置原理方框圖上圖中的、為變壓器差動回路高、低壓臂的電流，、分別稱為制動電流、差動電流。流進比率制動回路后轉(zhuǎn)化為與其成正比的制動電壓。正常運行或外部短路時，若=，則=2，即制動電流為負荷電流(折算至裝置側(cè)——下同)或外部短路電流的2倍;內(nèi)部出現(xiàn)故障時，制動電流于短路電流(變壓器為兩側(cè)電源供電時)或等于短路電流(變壓器為單側(cè)電源供電時)。分別流進動作回路、二次諧波制動回路和速斷元件。流進動作回路后將中的基波含量轉(zhuǎn)化為與其成正比的動作電壓,正常運行或外部出現(xiàn)故障時理論上為零;內(nèi)部出現(xiàn)故障時等于短路電流。流進二次諧波制動回路后將中的二次諧波含量轉(zhuǎn)化為與其成正比的制動電壓。由上述各回路形成的、和進入差動元件的比較回路。當正常運行或外部故障或有勵磁涌流時，<或<該元件不動作;當內(nèi)部故障時，>,>，該元件動作。當變壓器內(nèi)部故障出現(xiàn)很大的短路電流時可能引起電流互感器飽和，使中也有較大的二次諧波含量，致使差動元件拒動，但是由于比率差動裝置設(shè)有速斷元件，當達到一定值時該元件動作。比率差動裝置中差動元件的動作電流與制動電流的關(guān)系用下圖中曲線1所示的比率制動特性曲線表示。上圖中的稱為差動元件的動作電流，為有比率制動作用的最小制動電流。當。時，無比率制動作用，=。當>。時，與的增量△成正比，其斜率稱為比率制動系數(shù)。由于變壓器兩側(cè)電流互感器的選擇無法使=，為此在采用晶體型和整流型裝置時需在差動回路高壓臂(或在低壓臂或在高、低壓臂—本文是以在高壓臂進行說明的)加裝自耦變流器。微機型裝置由于本身的功能無需加裝自耦變流器。由于變壓器調(diào)壓范圍、電流互感器誤差以及自耦變流器誤差等因素的影響，在正常運行或外部故障時，中總有一個不大的不平衡電流(見上圖中的曲線2)。為了防止誤動作，在選擇差動元件的動作電流。和比率制動系數(shù)時要避免不平衡電流的影響，即如圖所示，所選擇的比率制動特性曲線上各點的動作電流均比對應(yīng)的不平衡電流要大。.變壓器差動保護雖然能保護變壓器內(nèi)部和外部故障,動作迅速，靈敏度高，但接線復(fù)雜，多用于大容量重要的變壓器作主保護，它并不能保護所有內(nèi)部故障,如變壓器油面降低,匝間短路等，因為匝間電流常小于動作電流,因此,常采用瓦斯保護,對變壓器內(nèi)部故障全面保護。在油侵式變壓器油箱內(nèi)發(fā)生故障時，由于故障點的局部高溫使變壓器油溫升高油內(nèi)空氣被排除形成上升氣泡,若故障點產(chǎn)生電弧，則變壓器和其他絕緣材料分解出大量氣體，這些氣體自油箱流向油枕上部,故障越嚴重，產(chǎn)生氣體越多，流向油枕氣流速度越快.利用這種氣體實現(xiàn)的保護叫瓦斯保護。當氣體繼電器KG輕瓦斯觸點閉合，通過繼電器1KS，延時發(fā)出預(yù)警信號,重瓦斯觸點閉合后,經(jīng)信號繼電器2KS，連接片XB接通中間繼電器KM,作用于斷路器跳閘，切除變壓器.為避免氣體繼電器下觸點受油流沖擊出現(xiàn)跳動現(xiàn)象造成失靈,出口中間繼電器KM具有自保持功能，利用KM第三對觸點進行自鎖,以保證斷路器可靠跳閘，其中按鈕SB用于解除自鎖,如不用按鈕，也可用斷路器1QF輔助常開觸點實現(xiàn)自動解鎖.但這種辦法只有出口中間繼電器KM距高壓配電室的斷路器距離較近時才采用，否則連線太長不經(jīng)濟.連接片XB用以將氣體繼電器下觸點切換到信號燈，使重瓦斯保護退出工作。瓦斯保護動作后，應(yīng)從氣體繼電器上部排出口收集氣體。根據(jù)氣體的數(shù)量、顏色、化學(xué)成分、可燃性等，判斷保護動作的原因和故障的性質(zhì)。瓦斯保護和差動保護均為變壓器的主保護，在較大容量的變壓器上需同時采用，瓦斯保護接線非常簡單，靈敏度高，動作迅速，但它不能保護油箱外的引出線和套管上的故障，只能靠差動保護動作于跳閘，因此，瓦斯保護不能單獨作為變壓器的主保護，必須和差動保護共同作為變壓器的主保護。變壓器后備保護變壓器相間短路的后備保護既是變壓器主保護的后備保護，又是相鄰母線或線路的后備保護。根據(jù)變壓器容量的大小和系統(tǒng)短路電流的大小，變壓器相間短路的后備保護可采用過電流保護、低電壓啟動的過電流保護和復(fù)合電壓啟動的過電流保護。變壓器過電流保護的裝設(shè)可按以下原則確定：1、對于單側(cè)電源的變壓器，后備保護裝設(shè)于電源側(cè)，作為差動保護、瓦斯保護的后備保護或相鄰元件的后備保護。2、對于多側(cè)電源的變壓器。后備保護應(yīng)裝設(shè)于變壓器各側(cè)。其作用為：（1）、作為變壓器差動保護的后備。要求它動作后起動總出口繼電器。對于零序過電流保護，由于變壓器中性點接地而使零序電流分布發(fā)生變化，往往會使零序電流的靈敏度降低，因此要求在變壓器的兩側(cè)均裝設(shè)能動作于出口的零序電流保護段。但該保護段對變壓器各側(cè)的故障均能滿足靈敏度的要求。（2）、變壓器各側(cè)裝設(shè)的后備保護，主要作為各側(cè)母線和線路的后備保護，故要求只動作于跳開本側(cè)的斷路器。（3）、作為變壓器斷路器與其電流互感器之間死區(qū)故障的后備保護。一、低電壓閉鎖起動的過電流保護簡單的過電流保護的動作值，是按躲過變壓器可能出現(xiàn)的最大負荷電流整定的，因此保護裝置的靈敏度不高，而且受保護接線方式和故障類型的影響較大。低電壓起動的過電流保護，其過電流元件動作值是按大于變壓器額定電流整定的，而低電壓元件動作值是按正常運行時最低工作電壓整定的，因此它的靈敏度有所提高。低壓元件的作用是保證在一臺變壓器突然切除或電動機自起動時不動作，因而電流元件的整定值就可以不再考慮可能出現(xiàn)的最大負荷電流，而是按大于變壓器的額定電流整定，即=低壓元件的起動值應(yīng)小于在正常運行情況下母線上可能出現(xiàn)的最低工作電壓，同時，外部故障切除后，電動機自起動的過程中，保護須返回，根據(jù)運行經(jīng)驗，低電壓繼電器的動作電壓為=0.7—變壓器的額定線電壓。對低壓元件進行靈敏度校驗，應(yīng)為=——在220KV母線上發(fā)生三相短路時計算得流經(jīng)保護的最大短路電流。對于升壓變壓器，如果低壓元件只接于某一側(cè)的電壓互感器上，則當另一側(cè)故障時，往往不能滿足上述靈敏度的要求。此時可考慮采用兩套低壓元件分別接在變壓器兩側(cè)的電壓互感器上，其觸點采用并聯(lián)方式。當電壓互感器回路發(fā)生斷線時，低壓繼電器將誤動作。因此，在低壓保護中一般應(yīng)裝設(shè)電壓回路斷線的信號裝置，以便及時采出信號，由運行人員加以處理。已知如圖所示,某變壓器一次接線圖,其中變壓器參數(shù)為:容量=120MVA接線yn，d11電壓242﹪/35KV=14%發(fā)電機參數(shù)為：容量P=100MW電壓U=35KV基準容量=100MVA圖2.41、計算變壓器各側(cè)額定電流，并選擇電流互感器變比對于yn，d11變壓器===286;===1983式中——變壓器額定容量（KVA），——變壓器高、低壓側(cè)的額定電流（A），——變壓器高、低壓側(cè)的額定電壓（KV）電流互感器變比選擇：220KV側(cè)=選35KV側(cè)選2、計算差動回路各臂在額定負荷下的電流===4.13==式中，——高、低壓臂的額定電流（A）。，——高、低壓側(cè)電流互感器二次接線系數(shù)。，——高、低壓側(cè)電流互感器一次額定電流（A）。因為>所以選220KV側(cè)為基本側(cè)。3、短路計算1）當220KV側(cè)發(fā)生三相短路故障時的最大短路電流==262（A）(1)==819（A）(2)——基準容量。——220KV電壓級基準電流。2）當35KV側(cè)發(fā)生三相短路故障時的最大短路電流==1652（A）(3)==14120（A）(4)——基準容量?！?5KV電壓級基準電流。歸算到基本側(cè)的電流為=2042.15（A）(5)<所以,變壓器發(fā)生三相短路時最大的電流為2042.15A4、確定差動元件的動作電流正常運行時，為防止裝置在制動電流為時誤動作，要求大于負荷電流為時的不平衡電流，即==（）(6)式中——可靠系數(shù)，可取1.3。——變壓器調(diào)壓范圍引起得誤差，取0.05?！＿\行時電流互感器的誤差，取0.03?！＿\行時自耦變壓器的誤差，取0.03。將上述各值代入式中得=0.072目前我國各型保護裝置的=5~7.5A因此=0.36~0.54A實取=1A(更偏向安全)5、確定比率制動系數(shù)外部故障發(fā)生最大短路電流時，為了防止誤動作，要求裝置的動作電流大于差動回路的最大不平衡電流，即==（++）(7)式中一故障時電流互感器的誤差(取=0.1)一故障時自耦變流器的誤差(取=0.1)其余參數(shù)同前將上述各值代入(7)式得=0.325(8)此時裝置的制動電流=2，根據(jù)比率制動系數(shù)的定義，在圖中可求出:=(9)將(8)式代入上式得=0.163（10）由前述得知=lA;=5~7.5A并考慮>15A將上述各值代入(10)式得>0.159實取=0.2(更偏向安全)6、校驗差動元件最小靈敏系數(shù)按下式計算=（11）式中一保護范圍內(nèi)發(fā)生兩相金屬性短路時的最小短路電流。一發(fā)生時，差動元件的動作電流。由于牽引變壓器一般為單側(cè)電源供電，內(nèi)部故障時差動元件的制動電流=，因此此時可由圖求出:=(—}+(12)將上式代入(11)式得=（13）由前述得知:=lA，=5~7.5A，=0.2因此≥(14)根據(jù)“規(guī)范”要求不得小于2，由(14)式可見:只要≤,就能滿足要求。將=0.2代入(14)式得≥5所以滿足靈敏度的要求。從圖所示的比率制動特性曲線可見，差動元件的起動電流將減小，因此，根據(jù)(11)式，其將更高。這說明采用比率差動保護裝置時靈敏度是相當高的。7、確定二次諧波制動系數(shù)根據(jù)有關(guān)試驗數(shù)據(jù)表明:勵磁涌流中的二次諧波含量與基波含量之比均在20%以上，因此取=0.208、確定速斷元件動作電流,為了防止空投變壓器時發(fā)生誤動作，應(yīng)大于最大的勵磁涌流，一般按下式計算：對于220KV側(cè)=8=84.13=33.04（A）——高壓臂的額定電流。對于35KV側(cè)=8=83.35=26.8（A）——低壓臂的額定電流1、220KV側(cè)方向低電壓閉鎖過電流保護整定計算1)、電流元件定值整定計算按躲過變壓器額定電流整定，即===403.26（A）(15)式中，—可靠系數(shù)，取1.2—1.3?！祷叵禂?shù)，取0.85?！儔浩鞲邏簜?cè)額定電流。2)、電壓閉鎖元件定值整定計算低電壓元件的起動值應(yīng)小于在正常運行情況下母線可能出現(xiàn)的最低工作電壓。同時，在外部故障切除后電機自起動過程中，保護必須返回。根據(jù)運行經(jīng)驗，低電壓繼電器的動作電壓為=0.7=0.7220=154（KV）(16)—變壓器的額定線電壓。3)、靈敏度校驗對于電流元件，當35KV側(cè)為正常運行方式，在220KV母線上發(fā)生三相短路時計算得流經(jīng)保護的最小短路電流為=713.4A，則==>1.2(17)4)、動作時間整定已知220KV及35KV后備保護動作時間為3.5s。低電壓閉鎖過電流保護的整定動作時間應(yīng)與出線后備保護動作時間相配合，為了留有余度，取=4s作用于220KV側(cè)斷路器。=4.5s作用于主變壓器兩側(cè)斷路器。2、35KV側(cè)方向低電壓閉鎖過電流保護整定計算1)、電流元件定值整定計算===2756.2（A）(18)繼電器動作電流==0.93（A）—變壓器低壓側(cè)額定電流。2)、電壓閉鎖元件定值整定計算按正常系統(tǒng)運行工作電壓計算，取=154（KV）3)、靈敏度校驗對于電流元件，當35KV側(cè)為正常運行方式，在220KV母線上發(fā)生兩相短路時計算得流經(jīng)保護的最小短路電流為=4940A，則==>1.5(19)4)、動作時間整定動作時間應(yīng)與各側(cè)相間后備保護段最長時間3.5(s)配合，取=4s作用于主變壓器35KV側(cè)斷路器。=4.5s作用于主變壓器兩側(cè)斷路器。第3章變壓器微機保護的硬件原理變壓器微機保護裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，如圖3.1所示，主要由五個模塊組成，每個模塊作為一個子系統(tǒng)設(shè)計在一塊印制板上或集中在一個單元上，最后安裝在標準機箱中，這樣做，一方面能充分利用有限的機箱空間，使裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，另一方面，也方便了調(diào)試與維護工作，尤其是對緊急修復(fù)的情況，只需更換相應(yīng)的模塊即可，大大減少了維護人員的現(xiàn)場工作量，提高裝置的可靠性和可維護性。在圖3.1中，交流輸入模塊是由1個電壓互感器和2個電流互感器組成，其作用是將現(xiàn)場交流電流、電壓量變換成在主控制板模塊的采集范圍內(nèi)的交流電流及電壓。電源模塊的作用是將220V直流(或交流)電壓變換為士5V、12V和24V直流電壓，供給主控制板模塊、開關(guān)量1/0模塊和信號指示模塊作為電源。主控制板模塊包含信號的調(diào)理濾波、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、邏輯信號判斷、通信以及輸入/輸出等功能。開關(guān)量1/0模塊將主控制板模塊的邏輯輸入進行隔離驅(qū)動，完成出口動作等功能。信號指示模塊具有簡明指示裝置運行狀態(tài)的功能。顯示鍵盤模塊可以實時顯示裝置的工作狀態(tài)、故障等詳細信息，進行各項整定值的修改和查詢。端子模塊將裝置所有的電源、1/0、通信等接線端子匯總，便于安裝調(diào)試，使裝置具有模塊化的特點，便于擴展使用。本次設(shè)計主要對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；CPU主系統(tǒng)；開關(guān)量輸入\輸出回路，跳閘出口及信號回路進行簡單的設(shè)計及研究。鍵盤顯示模塊鍵盤顯示模塊處理器模塊出口模塊電源模塊互感器模塊電壓、電流量輸入開關(guān)量輸入、輸出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（模擬量輸入系統(tǒng)）作用是將輸入至保護裝置的電壓和電流等模擬量準確的轉(zhuǎn)換成微機系統(tǒng)所需的數(shù)字量。包括電流電壓采集、電壓形成、VFC型A/D轉(zhuǎn)換兩部分。1.概述由繼電保護的構(gòu)成可知，繼電保護動作與否的判斷來自于電力系統(tǒng)的電參數(shù)，如電流、電壓等，這些原始數(shù)據(jù)的模擬量非常大，為了設(shè)備安全和人身安全，一般需先經(jīng)過電壓互感器，電流互感器將高電壓，大電流變換為較低數(shù)量級。如100V，5A等。電力系統(tǒng)連接如圖3.2所示:圖2.電壓采集電壓互感器接線如圖3.3所示:電流互感器的接線如圖3.4所示：互感器包括電壓互感器和電流互感器,是一次電路和二次電路的聯(lián)絡(luò)元件,用以分別向測量儀表和繼電器的電壓繞組和電流繞組供電,正確反映電氣元件的正常運行和故障情況.互感器的作用是,將一次回路的高電壓和大電流變?yōu)槎位芈窐藴实牡碗娏?5A或1A)和低電壓(100V),使測量儀表和保護裝置標準化、小型化,并使其結(jié)構(gòu)輕巧、價格便宜,便于屏內(nèi)安裝。此外在中間變流器、中間變壓器二次側(cè)加入了屏蔽措施，以提高微機保護的抗干擾性能，還可用來電氣隔離。保證了電氣設(shè)備和人員的人身安全。其原理圖如圖所示：電壓回路5個變換器TV，分別對應(yīng)三相UA、UB、UC，零序電壓3Uo和線路電壓Ux(變壓器保護不用)，其副方接成星形。電流回路有四路變換器TA其副方均有兩個參數(shù)完全相同的電阻并聯(lián)，利用線路跨縣可以得到兩種不同的阻值，從而得到不同的電流測量范圍，只用一個時，電流測量范圍：0.5-100A，兩個電阻時，電流測量范圍：1-200A。在一般的A/D變換過程中,CPU要保持電路、模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和A/D三個芯片之間協(xié)調(diào)好。因此接口電路復(fù)雜,成本高。在要求轉(zhuǎn)換速度快、精度高,同時采樣的模擬量較多的場合,ADC變換方式就很不適用。而VFC型的模數(shù)轉(zhuǎn)換方式要比ADC變換方式好的多,它具有以下優(yōu)點:1）、精度高;2）、與CPU的接口簡單;3）、易于為多CPU共享;4）、抗干擾能力強;5）、VFC與常規(guī)A/D系統(tǒng)完全等效。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用VFC型A/D變換方式，電壓互感器二次側(cè)電壓、電流互感器二次電流經(jīng)電壓形成回路后，進行VFC變換，將電壓變換為脈沖電壓，該脈沖電壓的頻率預(yù)測輸入電壓成正比，經(jīng)快速光耦隔離后由計數(shù)器8253對脈沖電壓進行計數(shù)，CPU讀取的計數(shù)值就等于輸入模擬量的數(shù)字量，從而完成模擬量的A/D轉(zhuǎn)換。典型的電荷平衡式V\F轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖所示：脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器計數(shù)器定時器這種方法的原理是產(chǎn)生頻率正比于輸入電壓的脈沖序列，然后再固定的時間內(nèi)進行計數(shù)出計數(shù)器和定時器外，該電路實際上可視為一個震蕩頻受輸入電壓控制的多諧振蕩器。A1和C組成一個積分器，A2為零電壓比較器。當積分器的輸入電壓Ua下降到0V時，零電壓比較器發(fā)生跳變，觸發(fā)脈沖發(fā)生器，使之產(chǎn)生一個寬度為的To脈沖。在To期間，模擬開關(guān)S打向負參考電壓-Ur。由于電路設(shè)計成Ur/R2>/R1,因此在To期間，積分器以反充電為主，使Ua上升到某一電壓。To結(jié)束后開關(guān)S打向地，由于只有正的輸入電壓的作用使積分器充電，輸出電壓Ua因負斜線下降。當下降到0V時，比較器翻轉(zhuǎn)，再次觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個To脈沖，再次反充電。如此反復(fù)，振蕩不止。3.3CPU主系統(tǒng)設(shè)計單片機系統(tǒng)是主控制板的核心，而作為該系統(tǒng)首先要考慮的問題就是CPU的選擇。在CPU的選擇問題上，應(yīng)該結(jié)合所需完成的功能進行選擇，而不一定要求越高檔越好。過強的處理能力必然造成成本的提高以及CPU資源的浪費。CPU選擇的出發(fā)點主要有兩點:一是CPU的處理速度是否能滿足裝置的需要;二是接口擴展能力及可擴充性。目前，8位、16位、32位的單片機都己出現(xiàn)，但占據(jù)主流的仍是8位機及16位機(含準16位機)，其二次開發(fā)工具也較成熟，所以應(yīng)成為首選。考慮到電路的成熟性、實用性、可靠性、調(diào)試的方便性以及保護裝置的實時處理和控制要求，本裝置選用了工Intel公司的16位高性能CHMOS單片機8098作為主控制板模塊的CPU，配以相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成單片機應(yīng)用系統(tǒng)。8098單片機是MCS—96系列的準16位機（內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為16位，外部數(shù)據(jù)總線為8位）。與MCS—96系列的其它芯片相比，8098單片機具有性能高、功能強、售價低廉、使用方便等特點，同時它既有16位單片機的強大的運算功能，又有8為單片機接口簡單等特點。8098不僅能用在低速、中速控制場合，而且更擅長高速控制，就性價比而言，8098單片機在同類單片機中名列前茅，所以受到用戶的普遍歡迎。8098單片機的主要性能特點包括一個16位中央處理器CPU，232字節(jié)寄存器文件，4路帶采樣保持器的10位A/D轉(zhuǎn)換器，2個4位和2個8位并行I/O接口,4路高速輸入，6路高速輸出，1個脈沖調(diào)制輸出，1個全雙工串行通訊接口，2個16位硬件定時器，1個計數(shù)器，1個監(jiān)視跟蹤定時器和4個軟件定時器，可進行8位/16位算術(shù)邏輯運算。外部使用8位數(shù)據(jù)總線，僅有48個引腳，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便靈活，易于開發(fā)使用，因此近年來已廣泛應(yīng)用于智能化儀器儀表和工業(yè)自動化控制中?？紤]到8098沒有片內(nèi)程序存貯器且外接存貯器及外部設(shè)備接口大多為8位方式，故系統(tǒng)采用8位總線方式。在存儲器及1/0的擴展方面，8098具有一個邏輯上完全統(tǒng)一的存儲空間，它采用的是程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的普林斯頓結(jié)構(gòu)，總的尋址范圍為64K字節(jié)。它不象采用哈佛結(jié)構(gòu)的MCS—96系列那樣存在不同的訪問外存儲器的指令，從整體空間的尋址上看比較統(tǒng)一;缺點是缺少64K的存儲器空間，但8098的高效指令系統(tǒng)彌補了這一不足。由8098構(gòu)成的CPU主系統(tǒng)如圖3.8所示：在外部擴展了地址鎖存器74LS373,譯碼器74LS138，容量為8K的RAM6264，32K的EEPROM28256A，32K的EPROM27256，一個并行口8255和3片計數(shù)器8253。微機保護裝置中，除了有模擬量輸入外，還有大量的開關(guān)量輸入與輸出回路。所謂開關(guān)量，就是觸點狀態(tài)或是邏輯電平的高低等。在微機保護中，有許多外部觸點的通斷狀態(tài)需要輸入到微機中參與空置和保護。這類觸點大致分為兩類：一類是內(nèi)部開關(guān)量輸入回路，如裝置整定，調(diào)試用的或在運行中定期檢查裝置的鍵盤觸點，以及切換裝置工作方式用的轉(zhuǎn)換開關(guān)等。另一類是從裝置外部經(jīng)端子排引入裝置的觸點，如需要運行人員不打開裝置外殼而在運行切換各種連接點，轉(zhuǎn)換開關(guān)、其他保護裝置的保護出觸點和操作繼電器的觸點。對于裝在裝置板上的觸點，可接至微機的并行口，對于這類觸點只要在初始化時規(guī)定可編程的并行口PAo為輸入口，則CPU就可以通過軟件查詢，隨時知道觸點K的狀態(tài)。如下圖所示。當K未被按下時，通過上拉電阻使PAo輸入電壓為5V,K按下時，PAo輸入電壓為0V。因此CPU通過查詢PAo的輸入電壓，就可以判斷K是處于斷開還是閉合。并行接口并行接口對于裝置外部引入的觸點，為了避免給微機保護系統(tǒng)引入干擾，通常采用耦合器實現(xiàn)電器隔離，如圖所示：PAo為并行接口的輸入口，S為裝置的外部觸點，虛線框內(nèi)為光耦合器，其中，V1為光二極管，V2為光敏三極管集成在一個芯片內(nèi),當外部\S閉合時，由電流流過光電二極管V1回路，使光敏三極管V2導(dǎo)通，當外部觸點S斷開時，光電二極管V1回路斷電光敏三極管截止。因此，光敏三極管的導(dǎo)通和截止完全反應(yīng)了外部接點的狀態(tài)。如同將外部觸點接到光敏三極管的位置一樣。開關(guān)量輸出回路在微機保護中，開關(guān)兩輸出回路主要包括保護的跳閘出口，合閘出口以及本地和中央信號等，一般都采用并行口的輸出來控制所有觸點繼電器的方法，為提高抗干擾能力也要經(jīng)過光耦隔離，如圖所示：只要由軟件是并行口的PBo輸出“0”，PB1口輸出“1”，便可使與非門Y2輸出低電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光敏三極管激發(fā)導(dǎo)通，使繼電器動作，其觸點閉合，啟動后級電路。微機保護插件總共提供了8路經(jīng)光耦隔離的開出量，其中6路開出量由于并行口8255的PB口驅(qū)動，2路由8098單片機本身的口線P1.2、P1.5驅(qū)動。微機保護插件裝設(shè)了個跳閘出口繼電器、啟動繼電器、及停信繼電器，接線如圖所示：啟動繼電器動作后啟動發(fā)信，同時兼并作總開放繼電器，由其敞開觸點對跳閘回路及停信繼電器24V電源的負極實現(xiàn)閉鎖。3.5.2信號回路本插件上的信號繼電器均為磁自保持繼電器，其驅(qū)動線圈同對應(yīng)的出口繼電器線圈并聯(lián)。本插件信號由手動復(fù)歸，可以由裝置上的復(fù)歸按鈕SB復(fù)歸，亦可由屏上按鈕復(fù)歸。信號插件原理圖如下第4章變壓器微機保護的算法研究微機繼電保護是用數(shù)學(xué)運算方法實現(xiàn)故障的測量、分析和判斷的。而運算的基礎(chǔ)是若干個離散的量化了的數(shù)字采樣序列。因此微機繼電保護的一個基本問題是尋找適當?shù)碾x散運算方法，使運算結(jié)果的精確度能滿足工程的要求。微機保護裝置根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供的輸入電氣量的采樣數(shù)據(jù)進行分析、運算和判斷，以實現(xiàn)各種繼電保護的功能的方法稱為算法。保護算法的關(guān)鍵指標是計算的精度和速度，選擇算法應(yīng)從這兩方面考慮。從算法的精度看，應(yīng)注重算法的濾波特性和抑制非周期分量的能力;從算法的速度來看，應(yīng)關(guān)心算法所用數(shù)據(jù)窗的長短和算法涉及的運算量。微機繼電保護裝置的大多數(shù)算法可被視為參數(shù)估計的過程，使用最多的全波傅氏算法能有效的消除高次諧波和直流分量，其響應(yīng)時間是一個周波，故不能做到保護的快速動作，特別存在衰減直流分量時，算法的精度將下降。其實對于微機保護的參數(shù)估計是一個線性模型的參數(shù)估計，可采取最小二乘法估計或卡爾曼濾波估計?？柭鼮V波估計需了解噪聲的統(tǒng)計參量，由于電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，這通常十分難于了解，雖然有文章提出利用最大似然函數(shù)進行再線估計，但計算量大，對于使用8098的保護裝置難以承擔這樣的運算量。而最小二乘法估計不需要了解噪聲的統(tǒng)計特性，利用最小方差估計的原理進行參數(shù)估計，計算量小，易于實用化。設(shè)含隨機故障信號的形式為y（t）=++W（1）對式中y（t）離散化，得令觀測向量為，則式中:衰減直流分量的起始值Td:衰減直流分量的起使值:基頻角頻率:采樣周期、:第n次諧波分量的余弦和正弦幅值W:隨機噪聲矩陣則式(1)可寫成矩陣形式（2）由最小方差估計的原理，可得（3）假設(shè)新增數(shù)據(jù)點為，則有（4）令（5）由公式（6）得（7）其中（8）故==（9）因為故（10）（11）在遞推公式(11)中，增益矩陣是與采樣值無關(guān)的量，可事先求出。因此實時計算可利用公式(11)中一式進行，計算量小，速度快，適于在計算機繼電保護采用。當遞推數(shù)據(jù)窗達到一個周期時，遞推最小二乘算法的頻響特性與全周傅氏分析相同，并且與觀測向量中包含的最大次諧波分量無關(guān)。選擇觀測向量中包含基頻、二次諧波和非周期分量，則遞推最小二乘算法的頻響特性見圖1。當遞推數(shù)據(jù)窗達到一個周期時，無論觀測向量中包含的最大次諧波分量如何，只要包含整次諧波分量，則算法的估計精度與全周傅氏分析相同。換而言之，全周傅氏分析是用基頻余弦分量對暫態(tài)信號在一個基頻周波內(nèi)進行最小二乘算法擬合。從以上結(jié)果可以看出，遞推最小二乘算法具有較快的收斂速度，并且收斂過程十分穩(wěn)定。當數(shù)據(jù)窗大于6ms時，估計誤差不超過15%，當數(shù)據(jù)窗超過lOms時，估計誤差小于2%。由此可見遞推最小二乘算法十分適于實現(xiàn)變壓器差動保護等高速保護。在保護程序的編制中，我們充分結(jié)合故障量差動保護原理，在突變量啟動的情況下，開始對信號進行逐點遞推最小二乘計算，當連續(xù)三次計算結(jié)果超越整定值時即可判定發(fā)生故障，這樣既進一步降低CPU平時的計算量又保證了判斷結(jié)果的可靠性。第5章微機變壓器保護軟件設(shè)計軟件是整個裝置系統(tǒng)的靈魂，為實現(xiàn)快速、直接、實時的保護功能要求，程序編制采用了匯編語言。根據(jù)本保護裝置數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、動作判別、信號輸出、人機接口等功能不同的實時性要求，保護系統(tǒng)軟件由主程序、中斷服務(wù)子程序和故障處理子程序三大部分組成。其中，主程序完成整個保護裝置基本功能包括保護裝置的初始化、自檢、數(shù)值處理計算等;中斷服務(wù)子程序包括鍵盤中斷程序、定時采樣、A/D轉(zhuǎn)換中斷程序及串行通信中斷程序,故障處理子程序包括故障判斷、出口動作。下面就部分主要程序設(shè)計作說明。主程序流程圖如圖5.1所示。首先，系統(tǒng)進行初始化，然后進行硬件部分自檢，若自檢無異常則系統(tǒng)進入數(shù)值處理計算、故障判斷、出口動作、實時顯示、動態(tài)自檢的循環(huán)處理，在此過程中，系統(tǒng)定時進入采樣、A/D轉(zhuǎn)換中斷程序，對各路采集量進行實時采集，以供系統(tǒng)進行實時數(shù)值處理計算。若裝置出口動作，系統(tǒng)進入故障電量數(shù)值、故障時間和保護動作類型的循環(huán)顯示中，以待工作人員進行處理.1、初始化及自檢程序設(shè)計初始化模塊的功能主要完成保護裝置的中斷方式規(guī)定、堆棧指針設(shè)定。內(nèi)存單元初始化及整定參數(shù)調(diào)入和I/0口、LCM等外設(shè)的初始化工作，確保裝置中的各部件達到正常的工作狀態(tài)，為裝置的正常工作做好軟、硬件資源的準備。流程圖如圖5.2所示.上電或復(fù)位上電或復(fù)位初始化模塊自檢模塊數(shù)值處理計算動態(tài)自檢有無故障顯示刷新出口動作、報警顯示故障類型閉鎖出口、報警圖5.1主程序流程圖YNNY清中斷懸掛寄存器清中斷懸掛寄存器開始置中斷量設(shè)置棧頂指針關(guān)中斷開中斷初始化I/O口置中斷屏蔽字參數(shù)讀入并重置初始化時鐘電路置中斷控制字結(jié)束圖5.2初始化程序流程圖自檢是微機型繼電保護裝置的一個重要功能，自檢功能由軟件和硬件相互配合實現(xiàn)。本保護自檢功能包括對CPU,RAM,EPROM、,數(shù)據(jù)采集通道、開關(guān)量輸入、輸出通道及整定值的自檢，若自檢異常，裝置則閉鎖出口。報警并顯示故障點和故障性質(zhì)，從而保證各部分以正常狀態(tài)投入工作，提高了裝置的可靠性。本保護裝置的自檢功能包括開機自檢和周期自檢兩種方式。開機自檢是每當裝置上電或復(fù)位后，對所有部件進行的一次自檢，該自檢程序一般都位于主程序的最前面，作為裝置投入正常工作前的全面檢測。而周期自檢則安排在裝置工作過程中周期地、重復(fù)地進行，以確保裝置始終工作在良好狀態(tài);本保護裝置在主監(jiān)控程序循環(huán)流程周期性地對RAM、EPROM、數(shù)據(jù)采集通道、開關(guān)量輸入進行動態(tài)自檢，值得注意的是該部分自檢程序應(yīng)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣中斷、鍵盤中斷和通信中斷程序開放，并應(yīng)不影響保護功能模塊的正常執(zhí)行。自檢子程序流程如圖5.3所示。對CPU的自檢主要是對8098內(nèi)部232字節(jié)的通用寄存器進行的，不考慮其核心控制部分的故障。因為CPU控制部分的故障將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。無從自檢;另一方面，CPU在出廠時己進行了嚴格的測試，一般非人為因素造成的CPU故障幾率很小，故可不考慮。對片內(nèi)232字節(jié)的寄存器自檢一般通過對其進行讀寫比較即可，具體步驟為:首先備份待檢測的字單元，然后寫入5555H，讀出比較是否與寫入的相同，再寫入OAAAAH，讀出比較是否相同，兩次都相同，恢復(fù)備份單元，再進行其它單元的檢測直至全部通過。這種方格交錯算法可測試每個存儲單元的每一位的兩種二進制狀態(tài)，對于檢測壞單元數(shù)據(jù)線的粘接(粘0或粘1)均有較好的效果。對片外RAM的自檢同CPU內(nèi)的寄存器自檢方法相同，必須注意的是在程序正常運行時，都應(yīng)采用非破壞性測試，即應(yīng)先對自檢單元內(nèi)容備份，待讀寫檢查完畢后再恢復(fù)原始數(shù)據(jù);此外還應(yīng)注意檢測期間發(fā)生中斷而導(dǎo)致的檢測錯誤。EPROM中存放程序代碼和數(shù)據(jù)，其狀態(tài)好壞直接影響裝置的正確工作。為了檢查EPROM中數(shù)據(jù)的完好性，一般采用“和校驗”方法進行自檢，即將EPROM中的應(yīng)用軟件全部代碼按字節(jié)累加，將結(jié)果和預(yù)先存放在EPROM中某地址的己知和數(shù)進行比較，以判別固化內(nèi)容是否改變。顯示出錯信息顯示出錯信息自檢開始自檢結(jié)束閉鎖出口、報警CPU自檢RAM自檢數(shù)據(jù)采集通道自檢EORAM自檢整定值自檢開關(guān)通道自檢NNN出錯出錯出錯NNN出錯出錯圖5.3自檢子程序流程圖對A/D轉(zhuǎn)換通道的自檢要采用硬件方式，本裝置在模擬多路開關(guān)輸入通道中專設(shè)了一路通道作為自檢專用，將該路通道接入一路+5V電壓作為固定電壓信號，自檢時對其進行檢測，若測量結(jié)果在正常的誤差范圍內(nèi)，則認為A/D通道正常，否則說明A/D轉(zhuǎn)換通道發(fā)生異常，需硬件調(diào)整或更換方能投入使用。對開關(guān)量輸出通道的自檢同樣通過裝置中專設(shè)的一路開關(guān)量通道進行。在自檢時通過軟件使其置“1”或置“0”，再通過輸入口信號判斷其正誤。由于這一自檢過程很短(約1ms以內(nèi))，出口繼電器來不及動作，裝置不會誤動。本微機保護裝置是一個實時多任務(wù)處理系統(tǒng)，在執(zhí)行主程序的同時，必須采用中斷服務(wù)程序?qū)μ囟ǖ膶崟r任務(wù)做出及時響應(yīng)，中斷服務(wù)程序的執(zhí)行會直接影響主程序的運行，它是人為干預(yù)軟件運行的一種手段，但它同時又是在主程序支持的基礎(chǔ)上執(zhí)行的，與主程序共同構(gòu)成了整個系統(tǒng)軟件;另外，本保護裝置采用了多個中斷程序，這就要求在軟件設(shè)計中根據(jù)實際要求，靈活地安排各個中斷的優(yōu)先級，從而保證裝置高效、高速地運行。1、交流采樣中斷程序設(shè)計s，并在軟件設(shè)計中始終保證其中斷優(yōu)先級，使其不受其它中斷影響，可實現(xiàn)高精度定時采樣，保證了數(shù)值處理程序所需數(shù)據(jù)更新的要求，從而保證了算法的精度和速度。程序流程圖如圖5.4所示。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)值處理模塊處理后，進入保護功能判斷模塊，與保護整定值進行比較，從而判斷當前保護對象的工作狀況，并針對不同情