电力变压器微机保护

1、前 言电力变压器在电力系统中是非常重要的设备，它的故障将会给整个系统带来严重的后果。目前，随着超高压、特高压输变电技术在全国范围的广泛运用，对于确保电网安全运行的继电保护装置也由传统的电磁型向微机型发展。而电力变压器作为电业行业系统中重要的变换电压、联络系统、传送功率的设备之一，作为它的保护装置，要求更加可靠和快速。而如何进一步提高电力变压器微机保护的性能，则需要深入研究。本文的内容就是针对变压器保护的要求，围绕着变压器微机保护系统的研究展开设计工作。对电力变压器微机保护的理论和实际情况多方面分析，最后以DSP芯片TMS320LF2407A 为主控制器设计了变压器微机保护的硬件保护系统。目 录

2、摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1课题的理论价值与现实意义11.2 课题内容的发展现状和趋势1第2章 电力变压器与微机继电保护32.1 电力变压器的常见故障及其分析32.1.1 变压器的常见故障及产生原因32.1.2 合理的预防措施52.2 电力系统的微机继电保护52.2.1 微机保护装置的特点52.2.2 微机继电保护系统62.2.3 提高微机保护装置可靠性的措施9第3章 微机型继电保护的算法123.1 交流电量的采样123.2 微机保护的常用算法123.3 其他算法的简介17第4章 电力变压器微机保护系统硬件设置184.1 微机保护的硬件系统组成184.2 保护测控装置的硬件

3、设计194.2.1 DSP模块204.2.2模拟量输入及转换回路204.2.3开关量输入输出回路204.2.4通信接口214.2.5人机接口回路22致 谢25总 结26参考文献27附录：1电气工程与自动化专业毕业设计摘 要电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，它在整个电力系统中起着能量和电压转换的作用。它的运行是否安全，直接关系到电力系统能否连续稳定地运行。它的故障将会给整个系统带来严重的后果，通常变压器故障分为油箱内部故障和油箱外部故障，我们在对变压器进行保护时，应该找出发生故障的本质原因，根据相应的规则做出可靠、合理的保护。本论文针对变压器保护的要求，围绕着变压器微机保护系统的研究展开

4、设计工作。论文首先就变压器的常见故障切入分析，引入微机继电保护的概念，并着重介绍了微机继电保护的基本要求、微机保护技术和电力变压器接地保护；之后对于微机型继电保护的算法进行了详细说明；最后对变压器保护的配置给出了讲解。关键词：微机保护，电力变压器，继电保护ABSTRACTPower transformer is in power system extremely important electrical equipment, it in the whole power system plays the role of energy and voltage conversion. The ope

5、ration is safe, relates directly to the power system stability can continuous operation. Its failure will give the whole system have serious consequences, usually transformer faults are divided into the tank internal fault and external fuel tank fault, we in the transformer protection, should identi

6、fy the failure of the essential reason, according to the relevant rules make reliable and reasonable protection. This thesis aims to the requirements of transformer protection, around the transformer microcomputer protection system of research work on design.Firstly the common faults of transformer

7、is cut into the analysis, the introduction of the microcomputer relay protection concept, and introduces mainly the microcomputer relay protection of the basic requirements, the microcomputer protection technology and power transformer grounding protection; For microcomputer relay protection type ar

8、ithmetic of detail; Finally the configuration of transformer protection are explained.Key words: Protect power Transformer microcomputer Relay protectionI第1章 绪论1.1 课题的理论价值与现实意义电力变压器在电力系统中是非常重要的设备，它的故障将会给整个系统带来严重的后果，通常变压器故障分为油箱内部故障和油箱外部故障，我们在对变压器进行保护时，应该找出发生故障的本质原因，根据相应的规则做出可靠、合理的保护。目前，随着超高压、特高压输变电技术

9、在全国范围的广泛运用，对于确保电网安全运行的继电保护装置也由传统的电磁型向微机型发展。而电力变压器作为电业行业系统中重要的变换电压、联络系统、传送功率的设备之一，作为它的保护装置，要求更加可靠和快速。70年代出现以后微机保护发展迅速，已逐渐替代了传统的模拟式继电保护，微机保护给继电保护带来了一些新的概念和新的原理。如何进一步提高电力变压器微机保护的性能，仍然有很多课题需要深入的研究。1.2 课题内容的发展现状和趋势继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。电力系统的短路是不可避免的。由于电力系统的发展，用电设备的功率、发电机的容量不断增大，发电厂、变电站、和供电网的结线不断复杂化，电力系统

10、中正常工作电流和短路电流都不断增大，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求，于是出现了作用于专门的断流装置的继电器。本世纪初随着电力系统的发展，继电器才开始广泛应用于电力系统的保护。这个时期可认为是继电保护技术发展的开端。本世纪20年代初，距离保护装置出现，50年代，微波中继通讯开始应用于电力系统继电保护。经过20余年的研究，诞生了行波保护装置。在继电保护原理的发展过程中，与此容是，构成继电保护装置的元件、材料等也发生了巨大的变革。从机电式保护装置，到晶体管式继电保护装置，再到集成电路继电保护装置。在60年代末，微型计算机应用到微机保护被提上日程，拥有巨大的潜力。继电保护技术的发展现状继电保护技

11、术是随着电力系统的发展而发展的，它与电力系统对运行可靠性要求的不断提高密切相关。熔断器就是最初出现的简单过电流保护，时至今日仍广泛应用于低压线路和用电设备。由于电力系统的发展，用电设备的功率、发电机的容量不断增大，发电厂、变电站和供电网的结线不断复杂化，电力系统中正常工作电流和短路电流都不断增大，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求，于是出现了作用于专门的断流装置的过电流继电器。本世纪初随着电力系统的发展，继电器才开始广泛应用于电力系统的保护。这个时期可认为是微机保护技术发展的开端。微机继电保护技术的成熟与发展是近三十年来继电保护领域最显著的进展。经过长期的研究和实践，现在人们已普遍认可了微机

12、保护在电网中无可替代的优势。微机保护具有自检功能，有强大的逻辑处理能力、数值计算能力和记忆能力，并且具备很强的数字通信能力，这一切都是电磁继电器、晶体管继电器所难以匹敌的。计算机技术的进步，更高性能、更高精度的数字外围器件的采用，一直是微机继电保护不断发展的强大动力。随着计算机技术、微电子技术、网络通信技术、信息技术的不断发展，最新研制的微机继电保护的体积更小，功能更强，性能更优，如硬件结构方面，采用具有强大数据处理功能的ASP微处理芯片，低功耗可编程逻辑芯片(CPLD)和高集成度专用芯片(ASIC)后，使装置的体积，功耗，可靠性等方面得到很大提升。我国微机继电保护正向微型化、网络化、智能化和

13、人性化方面高速发展。第2章 电力变压器与微机继电保护2.1 电力变压器的常见故障及其分析2.1.1 变压器的常见故障及产生原因变压器的常见故障可分为内部故障和外部故障两类。内部故障是指发生在变压器油箱内部的故障，包括绕组的相间短路、层间短路、匝间短路、以及由高低压绕组间绝缘击穿而形成的短路等。外部故障是指发生在变压器油箱外部的故障，主要有由套管的污脏、破裂或异物的影响而造成的相间短路和单相接地。发生短路时，由于电源供电回路的阻抗减小以及突然短路时的暂态过程，使短路回路中的电流大大增加，故障点产生的电弧，会烧坏变压器绕组的绝缘和铁芯，引起绝缘材料和变压器油的强烈汽化，从而导致油箱的爆炸，危及人身

14、安全，致使电网中电压降低，造成大片地区停电。对于单系列连续性生产的石油、化工企业来说，一旦停电将使产品特性遭到破坏，致使大幅减产，甚至停产。严重情况下还有可能破坏电力系统并列运行的稳定性，造成电网的波动，直接危及到带有全厂主要装置，重大负荷的中央变电所，甚至导致整个系统瓦解。为了防止这些严重后果的发生，我们就需要一套准确可靠的保护监控系统，来确保及时切除故障点，并对变压器的不正常工作状态进行报警，提示运行维护人员及时处理。变压器外部短路引起短路的过电流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等，这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行

15、的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过电励磁，引起铁芯和其他金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应该根据其严重程度，发出告警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。变压器发生故障可能产生的原因有以下几点：一、避雷器接地电阻高由于避雷器接地电阻高，所以雷电流流过接地电阻时导致变压器外壳电位增高。当其超过一定数值时，就会引起变压器绝缘击穿损坏。二、避雷器接地引下线截面太小或长度太长截面太小在雷击时易被烧断，起不到保护作用，长度太长在某一陡度电流通过时，接地引下线上

16、的压降与避雷器的残压叠加在一起，作用到变压器绕组上有可能破坏变压器绝缘。三、变压器本身缺陷根据原北京电力建设科学技术研究所调查、分析，14800台年配电变压器的运行经验表明：在雷击损坏事故中，大约有37%是因绝缘存在缺陷而引起的。四、过载由于电流的增加，变压器线圈温度迅速增加，造成绝缘材料变脆弱，加速老化，形成大量裂纹甚至脱落，严重时使线体裸露，而造成匝间短路。或者由于外部故障冲击力导致绝缘破损，进而发生故障。五、线路涌流现在，除非明确属于雷击事故，一般的冲击故障均被列为“线路涌流”。线路涌流（或称线路干扰）在导致变压器故障的所有因素中被列为首位。这一类中包括合闸过电压、电压峰值、线路故障/闪

17、络以及其他输配方面的异常现象。其中以变压器出口突发性短路危害最大，当变压器二次侧发生短路接地等故障时，一次侧将产生高于额定电流20-30倍的短路电流，而在一次侧必然要产生很大的电流来抵消二次侧短路电流的消磁作用，如此大的电流作用于高电压绕组上，线圈内部将产生很大的机械应力，致使线圈压缩，其绝缘衬垫、垫板就会松动脱落，铁芯夹板螺丝松驰，高压线圈畸变或崩裂，变压器极易发生故障。六、分接开关故障(1)变压器漏油使分接开关裸露在空气中，裸露的分接开关绝缘受潮一段时间后性能下降，导致放电短路，损坏变压器。(2)变压器分接开关在频繁的调动中会造成触头之间的机械磨损、电腐蚀和触头污染，电流的热效应会使弹簧的

18、弹性变弱，从而使动、静触头之间的接触压力下降。七、引线接头过热引线接头过热是常见的故障之一，一旦发生将造成导电杆与接线端子间打火，甚至损坏导电杆丝扣，烧断接头，同时发热会造成桩头密封圈老化渗油，油溢至套管，沾粘吸附上导电性的金属尘埃，当遇到潮湿天气、系统谐磁、雷击过电压等就可能发生套管闪络放电或爆炸。八、其他原因(1)工艺、制造不良有少部分变压器故障是由于本身存在故障，例如：出线端松动或无支撑，垫块松动，焊接不良，铁芯绝缘不良，抗短路强度不足等。(2)维护不良变压器保护装置不正确，冷却剂泄漏，污垢淤积以及腐蚀受潮，连接松动等都属于维护不良范畴。保养不够被有关统计列为第四位导致变压器故障的因素。

19、2.1.2 合理的预防措施变压器故障有相当部分是完全可以避免的，还有一些只要加强设备巡视严格按章操作，随时可以把事故消除在萌芽状态，这样不但将显著地减少变压器故障的发生以及不可预计的电力中断，而且可大量节约经费和时间。一、严格按照有关检修技术标准做好变压器运行前的检查和试验，防患于未燃。二、运行维护(1)保持瓷套管及绝缘子的清洁。定期清理变压器上的污垢，检查套管有无闪络放电，接地是否良好，有无断线、脱焊、断裂现象，定期遥测接地电阻不大于4，或者采取防污措施，安装套管防污帽。(2)在油冷却系统中，检查散热器有无渗漏、生锈、污垢淤积以及任何限制油自由流动的机械损伤。同时，应经常检查变压器的油位、油

20、色，有无渗漏，发现缺陷及时消除。(3)保证电气连接的紧固可靠。(4)定期检查分接开关。并检验触头的紧固、灼伤、疤痕、转动灵活性及接触的定位。(5)每三年应对变压器线圈、套管以及避雷器进行介损的检测。(6)每年检验避雷器接地的可靠性。接地必须可靠，而引线应尽可能短。引线应符合规定，无断股现象，旱季应检测接地电阻，其值不应超过5。应坚持每年一度的预防试验，将不合格的避雷器更换，减少因雷击过电压损坏变压器。(7)变压器应定时大、小修，在运行中或发生异常情况时，可及时大修。(8)应考虑将在线检测系统用于最关键的变压器上。大型变压器在线监测系统（氢气、局部放电及绝缘在线监测）能预先发现运行中变压器的异常

21、状态。在线监测与专家系统结合起来对变压器绝缘进行预测，把变压器的异常发现于萌芽之初。2.2 电力系统的微机继电保护2.2.1 微机保护装置的特点随着电子技术和计算机技术的发展，电力系统的继电保护也突破了传统的继电保护形式，出现了以微处理器为核心的电力系统继电保护形式。我们把以微处理器为核心组成的电力系统继电保护称为电力系统微机保护。微机继电保护装置具有以下特点：调试工作量小；可靠性高；能够记录和输出故障时的有关信息量，方便事故分析和处理；在不改变硬件条件下，只改变程序就可以改变保护的特性和功能，可灵活地适应电力系统运行方式的变化；提供了一些解决问题的新方法和新原理。电力变压器是电力系统的重要组

22、成元件之一，它的安全运行是电力系统工作可靠性的必要条件。由于电力变压器的重要性，特别是大型变压器在电力系统中的重要地位及本身的贵重价值，一旦发生故障，将造成严重后果，其保护也得到较大的关注。目前，微机变压器保护的研究成果主要集中在差动保护方面。计算机具有的长记忆功能和高智能的信息处理能力，使微机变压器保护具有以下特点：一、变压器各侧绕组中因连接组关系而引起的电流相位差可由TA副边Y/d补偿改为数字计算补偿。二、可通过采用灵活的算法来获得高速度和高灵敏度。计算机差动保护除可继续延用传统的差动速断和低电压加速措施外，还可通过长短数据窗算法的配合提高严重故障时的动作速度。利用计算机长记忆功能还可方便

23、地获取故障分量，进一步提高内部故障时的动作灵敏度。三、采用复杂的运算和逻辑判断可实现TA和TV断线报警和闭锁。四、由TA变比标准化带来的误差可用数字计算进行补偿。较之常规继电器差动保护的补偿方法更准确，从而进一步减小了不平衡电流。2.2.2 微机继电保护系统计算机保护装置目前主要是以微处理器（或单片微处理器）为基础的数字电路构成的，所以通常又称为微机保护。它的核心是中央处理单元及其数逻辑电路和实时处理程序微机保护一般包含硬、软件两部分，硬件包括从被保护元件取得信息的传感器（如CT,PT,DKB等）、模拟量滤波、采样保持、A/D转换和微机主控系统、出口回路、打印接口、通讯接口以及开关量输入部分等

24、。软件包括监控程序、功能程序、打印程序等。以下就硬、软件系统各单元的结构及功能进行具体说明。一、硬件部分：硬件部分主要包括数据采集单元、微机主控单元、开关量（数字量）输入/输出单元、人机接口单元和通信接口单元。图2-1示出了硬件系统的总体框图。数据采集单元微机主控单元输入/输出单元人机接口单元通信接口单元图2-1 微机保护硬件系统总体框图(1)数据采集单元数据采集单元是将从被保护元件的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得的二次模拟电量，变换成微机主控单元能够处理的数字量。图2-2表示了常用的数据采集单元的框图。与一般的晶体管保护类似，计算机保护也是一个对电磁千扰很敏感的设备。为了防止来自电

25、流、电压输入回路的干扰，在引入CT和PT的电流、电压时，在CT和PT二次侧装设起隔离、变换的变换器，它除起屏蔽作用外，还将输入的电流、电压的最大值变换成微机设备所允许的最大电压值（例如15V）；同时应在变换器两端跨接电容，以吸收随导线而来的干扰。为使采样后的离散信号可以不失真地还原为输入信号，根据采样定理，模拟量在采样前，应采用低通滤波器滤掉fs/2（fs为采样频率）以上的高频分量，以防止频谱混叠现象的发生。模拟量输入变换器低通滤波器采样保持电路多路转换开关A/D转换微机主控单元图2-2 数据采集单元框图微机主控单元的基本功能是进行数值及逻辑运算，为此就必须将输入的模拟量转变成数字量，这就需经

26、过“采样/保持电路”及“模/数（AID）转换”两个环节，即将模拟量在时间上离散化和在量值上离散化。其中，采样保持电路将在采样时刻上所得到的模拟量的瞬时幅度记录下来，并按A/D转换过程的需要保持其值不变，同时还可保证各通道同步采样，使各模拟量的相位关系在采样前后保持不变：出于减少A/D转换器的数量、降低成本的需要，全部通道合用一个A/D转换器，同时采样，依次A/D转换，这就需要多路转换开关将各采样保持环节中的模拟信号分时地接通A/D转换器的输入端，轮流进行A/D转换；最后得到微机所需的数字量。A/D转换器的种类很多，按工作原理可分为逐次逼近型、计数器型和积分型等；微机保护装置中通常采用逐次逼近的

27、A/D转换器，以提高A/D转换的速度和精度。(2)微机主控单元微机主控单元是微机保护装置的核心部分，其典型组成如图2-3所示。当实时的采样数据经数据采集单元进入微机系统后，微机根据由给定的数学模型编制的计算、逻辑程序对采样数据作实时的计算分析、判断是否发生故障，故障的范围、性质，是否应该跳闸等，然后决定是否发出跳闸命令，是否给出相应信号，是否应打印结果等等。由微机主控单元所执行的上述功能，决定了一般采用EEPROM或EPROM来保存程序、整定值和常数，用RAM来存放采样数据、实时计算处理的数据和结果。时钟电路为保护装置的实时显示和各种事件记录提供时间基准，它具有独立的振荡器及专用的充电电池，当

28、保护装置掉电时，它依然能正常运行。键盘、显示器、串行口和打印机作为人一机信息交流的接口，用于操作人员控制和监测装置的工作状况。CPU是微机主控单元的核心，近年来单片机以其可靠性高、性能优越、体积小、价格低和工作温限宽等优点，成为各档次微机保护的理想中央处理单元。CPU打印机串行口时钟EPROMRAMEEPROM键盘、显示器总线图2-3 微机主控单元框图(3)人机接口单元人机接口单元主要是由打印机、键盘、液晶显示器或数码管等组成，完成打印、整定值的设定、修改及显示、装置功能设置、状态显示和指令设置等人机交互任务。(4)开关量（数字量）输入/输出单元微机保护装置输入的开关量经光祸隔离接入微机主控单

29、元；保护装置发出的跳闸命令和中间信号等经光电隔离器件带动中间继电器，最后由中间继电器的触点再带动输出继电器执行相应的功能。(5)通信接口单元近年来随着变电站综合自动化的逐步实现，对保护装置的通信要求越来越高。在综合自动化的分层系统中，微机保护装置除完成保护功能外，还要向站主机传送其动作信息、事件记录和故障报告等信息。在变电站无人值班时，调度所可通过站内主机对微机保护实现远方控制，如软件投退、修改定值等；变电站内的各种微机控制、测量、监控装置之间还可以实现数据共享。二、软件部分：软件部分可分为两大组成部分：监控程序和功能程序。监控程序主要实现微机系统的初始化、硬件部分的自检、人机对话等；功能程序

30、应完成整个保护及数据记录功能，一般包括数据采集、数字滤波、数值计算、动作判断和出口、发信及通信功能等。2.2.3 提高微机保护装置可靠性的措施可靠性是对继电保护装置的基本要求之一，它包括两个方面一一不误动和不拒动。运行中的微机保护装置的可靠性主要面临两个问题，一是元器件损坏，二是干扰引起的功能障碍。一、对元器件损坏引起装置可靠性问题的分析和相应措施微机保护装置是一个电路和结构都非常复杂的装置，其主要电路部件均采用中大规模和超大规模的集成电路器件，虽然这些器件在其它领域中的大量实践已表明其损坏率是很低的，但由于继电保护装置是在强电磁环境中长期连续工作，并且责任重大，对万一出现的元器件损坏仍需考虑

31、对策:而且除了起主要作用的数字部件外，还有为数不少的模拟元器件，所以提高元器件可靠性的措施应考虑数字部件和模拟元器件两个方面。一个高可靠性的系统，首先要求原理正确，设计合理，并通过筛选采用优质元器件。元器件可能导致的任何拒动和误动都是不能接受的。所以在设计上要求元器件损坏时不能误动，并且能立即发现和报警，以便迅速采取措施予以修复，使保护在该动作时不至于拒动。微机保护装置对其元器件进行自动检测的目的便在于此。微机保护装置特有的工作方式和很强的处理能力为实现自动检测提供了方便。对装置中平时工作在“静态”的外围部件，如出口驱动电路、出口继电器等，由于微机保护中这部分的电路比较简单，制造时容易保证其较

32、高的可靠性，同时还可以利用微机的强处理功能对其进行定时功能检查;对装置中平时工作在“动态”的核心部件，如CPU，A/D转换器、EPROM，EEPROM，RAM，译码电路等等，无论电力系统有无故障，这些硬件都处在同样的工作状态中，也就是说，总在不停地进行数据采集、传递、运算和判断，因此元器件损坏会及时表现出来;同时，由于有了CPU这种“智能”部件，可以“主动地”去查找和发现问题，使得微机保护装置可以具有较完善的自动检测功能。总之，由于微机可以实现功能很强的在线甚至实时的自动检测，在绝大多数情况下，元器件的故障都能及时被检测出来，并且可以自动采取相应措施，不会引起保护误动或拒动。二、对因千扰引起装

33、置可靠性问题的分析和相应措施由于微机保护装置整机电路日趋微型化，元件拥挤，线路复杂，加上工作频率较高（达数兆赫兹），且工作电平很低（如数字部件工作电压仅5V），所以自身干扰不容忽视；此外，由于继电保护装置的工作环境，电磁干扰是极其严重的。这些千扰的特点是频率高，幅度大，因而可以顺利躲过各种分布电容的祸合；另一方面这些干扰持续时间短，模拟式静态保护装置可以用延时来躲过这些干扰，而微机保护装置由于计算机的工作是在时钟节拍的严格控制下以较高速度同步进行的，不能简单地设置延时电路，这就增加了千扰问题的严重性。所以提高微机保护装置可靠性的重点是在抗干扰上。微机保护装置既有作为核心部分的数字部分又有作为外

34、围部分的模拟部件，干扰对模拟电路和数字部件所造成的后果是不同的。模拟电路在干扰作用下往往使开关电路误翻转，在没有完善闭锁措施时会导致误操作；数字电路受作用往往造成数据或地址传送错误，从而导致微机运行故障或功能障碍。针对上述情况，微机保护装置一般应采取如下的防干扰措施：(1)采取各种隔离、屏蔽、接地、合理布局和配线以及减弱电源线传递干扰等方法，使微机保护装置不受外界干扰；(2)利用数字电路软硬件技术的长处，采取以下针对性措施，防止窜入的干扰导致误动和拒动等严重后果：通过输入通道的冗余对采样数据进行干扰辩识；通过设置超时自动复归电路防止程序运行出轨导致的CPU进入死循环或卡死（飞掉）；在保护各个功

35、能程序执行过程中，反复进行校核。这是因为干扰是随机和短时的，如果事先规定满足多重条件时才能发出出口命令，干扰造成多重条件都能满足的概率就会非常小。第3章 微机型继电保护的算法3.1 交流电量的采样在电力系统微机保护和监控系统中，需要对电力系统各元件的交流电气量进行处理，为实施保护和监控提供必需的数据和信息;获取这些数据和信息的方法是对电力系统各元件的交流电量进行数据采样，因此，交流电量的数据采样是微机保护的最基本环节，它应满足微机保护装置的实时性要求，从而使保护装置能及时响应现场各种状态变化，迅速准确地做出保护动作，消除或降低故障引起的严重后果。因此，快速准确地获得各交流电量，对电力系统微机保

36、护和监控系统起着至关重要的作用。对交流电量的采样主要有直流采样法和交流采样法两种。直流采样法采用变送器将各交流电量转换为0-5V的直流电压供微机采集。此法主要优点是软件设计简单，精度易于保证，可采用单极性A/D，对转换速度要求低:但也存在着不能及时反应被测量的突变，具有较大的时间常数和测量精度直接受变送器精度和稳定性的影响、测量谐波有误差等缺陷。因此，目前交流电量的快速测量都采用交流采样法。交流采样法具有响应速度快、投资省、工作可靠和维护简单等优点，但交流采样所得到的是信号的瞬时值，是随时间而变化的交变量，人们无法识别其大小和传送方向(指功率)，这就需要通过一定的算法对采样数据进行处理和计算，

37、从而实现保护的功能。3.2 微机保护的常用算法算法是研究微机保护的重点之一。目前己提出的算法有很多种，分析和评价各种不同算法优劣的标准是精度和速度。速度又包括两个方面：一是算法所要求的采样点数（数据窗长度），二是算法的运算工作量。精度和速度又总是矛盾的，若要计算精确则往往要利用更多的采样点和进行更多的计算工作量，所以研究算法的实质是如何在速度和精度两方面进行权衡。此外，有些算法本身具有数字滤波的功能，有些算法则需配以数字滤波器一起工作，因此评价算法时还要考虑它对数字滤波的要求。微机保护的算法有很多种，任何一种算法必须根据被保护元件的数学模型、故障信号的特征及保护功能的要求来确定。现有的微机保护

38、算法大体可分为以下几大类：一、正弦函数模型算法该算法是假设被采样的电压、电流信号都是纯正弦特性，既不含非周期分量，又不包含高频分量，这样就可以利用正弦函数的一系列特性，从若干个采样值中计算出电压、电流的幅值、相位以及功率和测量阻抗的量值。(1)采样值计算法采样值计算法是利用采样值的乘积来计算电流、电压、阻抗的幅值和相角等电气参数的方法，由于这种方法是利用2-3个采样值推算出整个曲线情况，所以属于曲线拟合法。这种算法的特点是计算的判定时间较短（小于T/2）。两采样值积算法以电流为例，设时刻电压、电流的采样值为 而另一时刻（为两采样值的时间间隔）的采样值为 取两采样值的乘积经适当的组合、变换、化简

39、可得 为简化计算，可选择适当的采样间隔，使，则有 如同时测出和时刻的电流和电压、和、，同上述推导类似可得出电压的有效值U，从而可求出测量阻抗的模Z和幅角。这种算法要求采样间隔时间精确等于T/4，否则若采用任意两点相邻的采样值，从原理上说虽然也可算出相应的有效值，但算式复杂，势必延长算法的计算时间，从而限制了这种算法应用的广泛性;而且该算法没有滤波作用，且受直流分量影响最大。三采样值积算法此算法是利用三个连续的等时间间隔的采样值中两两相乘，通过适当的组合消去项以求出采样值的幅值和相位的方法。同上，设在后再隔一个为，此时的电流采样值为 这三个采样值的乘积经组合，再考虑简化计算的缘故，取，可得 依照

40、前述同样的方法，可求得Z值和值。三采样值积算法比二采样值积算法的计算量大，但所需的数据窗短一些；另外，此法能消除直流分量影响，但对三次谐波敏感。(2)半周积分算法半周积分算法的依据是: 即正弦量的半周绝对值积分正比于幅值Um，从而半周积分算法可用下式表示 式中半周内k个采样值的总和；第i个采样值，且；半周内的采样数；第一个采样值的初相角；S与Um的比值，且这种算法由于用采样值求和来代替积分，所以会带来误差，此误差随而变化；而且所需的数据窗长度为10ms显然较长；但该算法有一定的滤除高频分量的能力，因为叠加在基频成份上的幅度不大的高频分量在半波积分过程中，其对称的正负半周互相抵消，剩余未被抵消的

41、部分占总和的比重就减少了，但它不能抑制直流分量，因此对于一些要求不高的电流、电压保护可采用这种算法。(3)Mann-Morrison导数算法该算法是利用正弦函数的导数为余弦函数的特点计算出正弦电压、电流的幅值等电量。设 则 于是可以得出 和 在对电压、电流采样后，利用采样数据进行上述计算时，导数值采用下式近似代替： 这种算法因为采用了导数的近似代替，所以误差较大；但这种算法最大的优点是它的“数据窗”即算法需要的相邻采样数据是三个，这对于加快保护的动作速度是有利的。综上所述，正弦函数模型的算法都是基于被采样的电压和电流是纯正弦变化的，而实际在电力系统发生故障时，往往是在基波的基础上叠加有衰减的非

42、周期分量和各种高频分量，因此要求微机保护装置对输入的电流、电压信号进行预处理，即尽可能地滤掉非周期分量和高频分量，否则计算结果将会出现较大的误差。针对上述情况，在算法研究过程中，另外提出了一些基于较复杂的数学模型的算法。此时不再假设输入的电压、电流为纯正弦量，而是假设它们是由非周期分量、基频和倍频分量所组成。这些方法中除解方程组的算法外，最常见的是傅氏算法和与之相似的沃尔什函数算法。由于这些算法本身带有很强的滤去高次谐波的功能，所以一般不再另外采用数字滤波；但是算法本身不能滤去衰减的非周期分量，这种算法一般称之为周期函数模型的算法。二、周期函数模型算法该算法是以周期函数模型为基础的，即假设输入

43、信号是周期函数，或者是近似地作为周期函数处理。当信号是周期函数时，它可以被分解为一个函数序列之和，或者说是一个级数。微机保护由于计算多为基频分量和倍频分量，所以通常采用可将周期函数分解为正弦和余弦函数的傅氏级数;如果采用其它函数，例如沃尔什函数时，最后也将其结果转换为傅氏级数的系数。上述两种函数都是正交函数，可以很方便地利用正交函数性质来提取某一频率的分量。(1)傅氏算法傅氏算法假定被采样的信号是一个周期性时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波，可表示为 式中谐波的次数，n=0，1，2，；基波角频率；第n次谐波的正弦和余弦分量的幅值。由傅里叶变换，可得n次谐波分量的实、虚部的模值为

44、 由此则可得模值Un，即 这种算法在计算机上实现时，是对离散的采样值进行运算，则有 其中，为第k个采样值；N为一个周期中的采样数。该算法具有有效滤除各次谐波的优点，但由于是用离散值累加代替连续积分，所以计算结果要受到频率变化的影响；此外，该算法的数据窗是一个周期T，计算必须在一个周期后才能得到结果，响应速度较慢。(2)沃尔什函数算法周期性电压或电流函数可分解为无穷项的各阶沃尔什函数之和，即 沃尔什函数族为幅值是士1、单位时间过零点数目不同的方波构成的正交函数组。当横轴取周期T=1时满足 式中m，n为沃尔什函数的顺序。由此，可算出相应项的系数如下： 再由距阵变换算出对应的傅氏级数各阶系数，从而算

45、出电压、电流量各次谐波的幅值和相位。因为沃尔什函数具有正交性，且模值只有+1或-1，所以利用它对待测函数作相关处理时，乘法运算大部分都变为加减运算，从而使计算速度加快，但计算时间仍嫌过长，精度较差。综上所述，傅氏算法的前提是周期函数，即输入信号可分解为基频的整倍数频率分量。在这种前提下，计算结果精度是很高的，对非主频的抑制效果也很好；但实际上电力系统中送至继电保护装置的输入信号除存在非周期分量外，还包含有许多随机的高频分量，这将使计算结果有不同程度的误差。为此，除采用较完善的滤波措施外，还提出了一些减少误差的方法，例如对计算结果采取平滑措施，采用最小二乘曲线拟合算法等随机模型算法进行补偿。3.

46、3 其他算法的简介除了上述种种算法，针对电力系统距离保护中的阻抗计算，还有相应的一些阻抗算法，它们一类是从输电线路物理模型出发建立数学模型的算法，包括R-L模型的微分方程算法和R-L模型的积分方程算法;另一类是按阻抗元件的动作特性建立的以采样值描述的动作方程的算法，这种算法绕过了计算电流、电压的幅值和相位等步骤，而将继电器动作方程中的幅值比较或相位比较转换为采样值运算的直接比较，因而，这种算法有其独特的优越性。考虑到本论文不涉及到阻抗计算，在此不再赘述这些算法的具体内容。第4章 电力变压器微机保护系统硬件设置4.1 微机保护的硬件系统组成传统的变压器装置是由电压继电器、电流继电器、时间继电器、

47、中间继电器以及信号继电器构成，由于继电器种类繁多，体积大，接线和整定调试复杂，精度低，无法实现在线整定等，难以满足日益增长的综合自动化和无人值守变电站的运行要求。利用单片机为核心构成的微机变压器保护装置，克服了传统的继电式变压器装置的缺点，不仅能可靠地完成全部保护功能，还增加了遥控、遥测、遥信和故障录波等功能，具有实时监控功能，这更能适应迅速发展的变电站等电力系统综合自动化系统的要求。微机变压器装置的硬件系统结构采用模块化结构，如图4-1所示，主要由五个模块组成，每个模块作为一个子系统设计在一块印制板上或集中在一个单元上，最后安装在标准机箱中，这样做，一方面能充分利用有限的机箱空间，使装置体积

48、小，结构紧凑，另一方面，也方便了调试与维护工作，尤其是对紧急修复的情况，只需更换相应的模块即可，大大减少了维护人员的现场工作量，提高装置的可靠性和可维护性。主控制板开关量I/O接线端子键盘/显示电源交流输入图4-1 微机变压器保护装置的硬件系统结构在图4-1中，交流输入模块是由4个电压互感器和3个三相电流互感器组成，其作用是将现场交流电流、电压量变换成在主控制板模块的采集范围内的交流电流及电压。电源模块的作用是将220V直流（或交流）电压变换为+5V、士12V和24V直流电压，供给主控制板模块、开关量I/O模块和信号指示模块作为电源。主控制板模块包含信号的调理滤波、模拟/数字转换、数据处理、逻

49、辑信号判断、通信以及输入/输出等功能。开关量I/O模块将主控制板模块的逻辑输入进行隔离驱动，完成出口动作等功能。信号指示模块具有简明指示装置运行状态的功能。显示键盘模块可以实时显示装置的工作状态、故障等详细信息，进行各项整定值的修改和查询。端子模块将装置所有的电源、I/O、通信等接线端子汇总，便于安装调试，使装置具有模块化的特点，便于扩展使用。4.2 保护测控装置的硬件设计根据主变压器保护测控装置的功能需求及现有的成熟技术，设计选择美国德州仪器( TI ) 公司的数字信号处理( Digital Signal Processing, 简称DSP ) 芯片TMS320LF2407A 为主控制器,

50、并设计了这款芯片的接口电路, 包括电源模块、模拟信号采集器、开关信号的输入输出回路、人机接口及通信模块。所设计变压器的保护测控装置的硬件构成如图4-2所示。该装置以TMS320LF2407A芯片为核心。时钟芯片向系统提供当前时间，并为保存系统参数提供空间。光电耦合器使系统的主要部分与外界电气信号无直接的电气连接，保证了系统在大电压、大电流环境下安全运行。中央控制计算机RS485接口CAN驱动接口键盘操作面板液晶显示面板实时时钟控制及电源监控交流模拟量采集A/D转换电路交流模拟量采集DSPTMS320LF2407ASRAMCPLD(复杂可编程逻辑器件)光电隔离光电隔离开关量输入开关量输出图4-2

51、 变压器保护测控装置的硬件整体框图由图4-2可见，整个硬件部分可分为7个功能模块：(1)以DSP芯片TMS320LF2407A为核心的处理系统，包括共享RAM；(2)模拟信号的输入和转换电路，交流模拟量有电流信号（含三路保护）和电压信号，直流模拟量有电容器和蓄电池端电压信号及温度检测信号；(3)开关量输入输出电路，用于处理分合闸信号、分合闸位置信号及蓄电池和电容器的故障信号等；(4)通信模块，采用RS485 通信接口及CAN 总线接口；(5)时钟模块，含非易失性RAM；(6)键盘操作和显示模块；(7)电源模块，电压等级分别为24V，12V 和5V。4.2.1 DSP模块该装置的核心处理芯片是采

52、用TI公司生产的低功耗Flash型16位RISC精简指令集DSP芯片TMS320LF2407A，它具有程序和数据分开的哈佛总线结构、流水线操作功能和单周期完成乘法的硬件乘法器。另具有如下特点：（1)采用高性能静态CMOS技术，电源电压为3.3V，控制器的功耗小。(2)具有32K字节Flash储存器，为多种用途的产品提供经济的可编程解决方案。基于Flash的芯片中有256K字节引导ROM使在线编程更加方便。(3)高性能的10位模数转换器(ADC)，转换时间为500ns，提供16路模拟量输入，具有自动排序功能，即使16路模拟输入量在同一期间进行转换也不会额外占用CPU资源。(4)除了提供串行通讯接

53、口(SCI)，使之能与系统中的其他控制器进行异步通信(RS-485)外，还提供了CAN通信模块。另外，2407A还提供了一个16位的同步串行外围接口芯片(SPI)，用于要求额外通信接口的系统。由此可见，TMS320LF2407A具有低成本、低功耗、高性能的特点。4.2.2模拟量输入及转换回路变电站自动化系统所采集的主变压器的电流、电压、有功功率、无功功率及温度等信号均为模拟量。变电站自动化装置的动作速度和测量精度等都与模拟量输入电路密切相关，其主要作用是隔离、规范输入电压及完成A/D转换，以便与CPU接口，完成数据采集。在实际运行中，电力系统特别是配电网中的干扰比较严重，为提高抗干扰能力，模拟

54、量的输入输出回路都需要加接隔离变压器或光电耦合器进行隔离。4.2.3开关量输入输出回路开关量输入电路由信号调节电路、逻辑控制电路、驱动电路、地址译码电路、隔离电路等组成，其功能是将变电站所需的状态信号引入微机系统。开关量输出电路的组成基本上和输入电路是一样的。开关量输出信号主要包括跳闸出口及本地和中央信号等，一般都采用并行串口的输出来控制继电（器干簧管或密封小型中间继电器)。开关量输出电路的主要作用是将CPU送出的数字信号或数据进行显示、控制或调节。为提高抗干扰能力，开关量的输入输出回路都需要加接光电隔离器件。4.2.4通信接口变电站主变压器的通信点多，而且分散，采用一种通信方式不能解决问题。 在实际应用中，采用CAN总线为远程通信接口, RS485为本地通信接口的混合通信方式。CAN总线接口如图4-3所示。由于TMS320LF2407A内部集成了CAN控制器模块，所以只需在TMS32