kv变压器微机保护原理的研究

220kv变压器微机保护技术的研究摘要作为电力系统继电保护重要组成部分的变压器继电保护，对保障变压器的安全运行具有十分重要的作用。本文在介绍电力系统微机保护原理及其发展趋势的基础上,对电力系统中大量应用的220/35KV电压等级的变压器的继电保护进行了专门研究,分析了影响变压器差动保护可靠性和灵敏度的不平衡电流的产生原因和特点，利用微机技术补偿不平衡电流的影响。根据这一类变压器的运行特点，吸取以往各种保护方法的长处，制定了一套适合于220/35KV电压等级的电力变压器保护方案，以差动保护和瓦斯保护为主保护，低电压启动的过电流保护为后备保护。以所制定的保护方案为依据，选择了以MCS-96系列16位单片机8098为核心的变压器微机保护装置的硬件平台,进行保护装置的硬件系统设计和软件模块设计。在硬件设计方面，主要包括数据采集系统、CPU主系统、开关量输入/输出系统及跳闸出口部分等电路的设计。在软件设计方面,对现有主要的微机保护算法进行了比较、分析，选择具有计算简便、收敛速度快、收敛过程稳定等优点的递推最小二乘算法，满足了变压器保护对算法估计精度和估计速度的要求。关键词：变压器；差动保护；继电保护；微机保护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目录TOC\o"1-3"\h\z\u第1章绪论1第2章变压器微机保护原理及整定7第3章变压器微机保护的硬件原理283.3CPU主系统设计343.5.2信号回路39第4章变压器微机保护的算法研究41第5章微机变压器保护软件设计45总结55参考文献57致谢58第1章绪论电力工业担负着为工农业生产和人民生活提供能源的重要性。因为电力系统故障引发的电力系统事故是非常严重的，它可能造成对用户少送电或电能质量变坏以至到不能容许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏，带来巨大的经济损失。可以说，电力系统故障是国民经济的灾难。因此提高电力系统运行的可靠性和保证安全是极其重要的。电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是各种形式的短路。在发生短路是可能产生以下的后果：通过故障点很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件遭到破坏；短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命。电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏了用户工作的稳定性或影响产品质量。破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。造成停电事故，会对人们生活、生命财产造成重大损失。电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运行状态。例如，因负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高（一般又称过负荷），就是一种最常见的不正常运行状态。由于过负荷，使元件载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，就有可能发展成故障。此外，系统发生功率缺额而引起的频率降低，发电机突然甩负荷而产生的过电压，以及电力系统发生振荡等，都属于不正常运行状态。故障和不正常运行状态，都可能在电力系统中引起事故。在电力系统中，除了应采取各项积极措施消除或减少发生事故的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一，切除故障的时间常常要求小到几十毫秒甚至十几毫秒，实践证明只有装设在每个电气元件上的继电保护装置才有可能满足这个要求。继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于短路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是：1.自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行，使故障元件免于继续遭到破坏。2.反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件（例如有无经常值班人员），而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是带有一定的延时，以保证选择性。继电保护系统是电力系统自动化的重要组成部分，是保证电力系统安全可靠运行的主要措施之一。在现代电力系统中，如果没有专门的继电保护系统，要想维持系统的正常可靠工作是不可能的。近三十年来，计算机技术的飞速发展深入地影响了科学技术、生产、生活的各个领域，计算机技术同样影响到继电保护技术的发展。始于四十年代的静态型继电器保护经历了半导体、晶体管、集成电路的发展阶段，已进入以微机处理器控制为核心的时期。计算机在继电保护领域里的应用是一个重要的里程碑，自六七十年代计算机保护概念提出后，继电保护装置的技术才真正有可能进入真正的自动化，智能化、高性能的新阶段。二十年来，各国都在微机继电保护方面进行了不懈的研究。国外在微型计算机应用于继电保护方面研究较早。1965年初，英国剑桥大学的P.C.Maclaren等提出了利用采样技术实现输电线路的距离保护。接着1966年下半年，澳大利亚新南威尔士大学的I.F.Morrison预测了输电线路和变电站采用计算机控制的前景，包括利用计算机作为继电保护的前景，接着他们对计算机保护的理论进行了更深的研究。1969年，美国西屋公司的G.D.Rockeffeler等开始进行具体装置的研究，并于1972年发表了该装置的运行样机的原理结构和现场实验结果。这是第一套比较完整的用于现场的计算机继电保护装置。1972年在P.G.Maclaren指导下，剑桥大学的G.K.Lagcock完成了以计算机继电保护为题的博士论文，研究了计算机继电保护中的信息处理技术。1977年英国Bath大学的M.A.Martin在其博士论文中对计算机继电保护中信号的有限变换的频谱分析方法进行了研究。七十年代大规模集成电路的发展对计算机继电保护有实质性的推动作用。特别是八十年代以来，高性能价格比的微处理器问世以来，继电保护技术得到了飞速发展，各种基于微处理器的继电保护装置从实验室走向实际现场，使电力系统保护产生质的飞跃。微处理器技术的飞速发展使传统的保护原理得以数字化实现，各种数字信号处理技术被应用于对电网复杂信号的分析和高速计算，为新的和复杂的保护方法的应用提供了丰富的手段。建国初期，我国电力工业基础十分薄弱，使用的继电保护装置也十分简陋。我国电力部门所使用的主要是进口的美国GE、瑞典ABB、英国GECM和日本等国的一些简单的保护继电器。五十年代后期东北120/220kv电网中引进了苏联制造的保护设备。六十年代中后期，我国研制成功成套330kv晶体管高压电网保护装置，成功迈出了由机电型保护向静态型发展的关键一步。随后推出的220kv成套线路保护设备标志着我国的电网保护已经进入电子技术时代。七十年代后期，我国开始研制500kv超高压电网保护设备并投入运行，1985年，我国第一套集成电路距离保护在南京自动化研究所研制成功，标志着我国电力系统继电保护技术已经进入了微电子时代。八十年代末，我国第一套采用微电子技术的数字式距离保护装备研制成功，揭开了各高等院校集中研制微机保护的时代。九十年代初，我国微机主设备（变压器、发电机）保护成套装置开始问世，1989年开始研制发电机全套微机保护，1994年研制成我国第一套用于60万kw及以下容量水火发电机变压器组成套微机保护，随后国内又研制成用于水轮发电机变压器组的微机保护。总的看来，我国在微机保护方面的研究试验起步较晚，虽然发展较快，各种线路和主设备微机保护在投入运行或试运行中，都取得了肯定的效果，为今后进一步的发展应用创造了有利条件，但与世界先进水平相比还有很大的差距。因此对微机保护装置开展研究，开发出适合于我国国情的微机保护装置是非常有必要的。变压器保护成套设备由主保护和后备保护构成。主保护是变压器保护的核心，主要是由差动保护来完成的，对其中心要求有两个方面，即防止外部短路时的不平衡电流以及防止励磁涌流所致的误动。防止外部短路时的不平衡电流造成的误动，普遍采用比率制动方法，但它对高阻故障（低电流故障）不灵敏。美国McCleer等提出新的△差动继电保护方法，即将制动电流及差动电流中的故障前电流出去，这在微机保护中是易于实现的。这种保护在高阻故障时的灵敏度大于常见的比率差动保护，而在外部短路时仍保持相同的选择性。对于防止励磁涌流导致的误动作，国内外多年一直进行研究，提出了不同的鉴别涌流与内部故障的方法，二次谐波制动法提出较早，在模拟式及微机保护中均应用较多，虽然由于内部故障时CT饱和，分布电容等影响，短路电流谐波分量很大但持续时间短将引起延时动作而使二次谐波制动有明显缺点，但因为二次谐波制动技术成熟，制动可靠，仍不失为一个实用的解决方案。间断角原理由我国率先提出，它利用励磁涌流波形特征，但对硬件要求较高，技术上实现较困难，美国和荷兰提出磁制动方案，根据工作点与磁化曲线的距离差别来鉴别涌流及内部短路，实时计算负担小，检测速度较快，而依据变压器导纳型等值电路检测变压器故障的方法对判别励磁涌流波形也有一定的应用价值，但均离实用化还有一定距离，需要在实践中加以验证和完善。国内外还将各种数字信号处理技术应用于差动保护中，加拿大Murty在理论上证明了基于Kalman滤波的算法可以在半周波内滤取所需的差流基波及谐波分量从而实现快速保护，并且在实验室中利用TMS320数字信号处理芯片实验了基于Kalman滤波的变压器差动保护实验装置。在印度进行了应用Harr函数，Walsh函数及Hartley变换算法用于微机变器差动保护的研究，利用小波变换对变压器差动保护的研究尝试也取得一定成效。此外国外学者还将专家系统，模糊逻辑和神经网络等人工智能方法引入变压器差动保护。各种新理论、新方法的应用使变压器等主设备继电保护系统正向着数字化，智能化，分布式保护控制一体化的方向发展。现代电力变压器的特点是容量大，电压等级高，而且价格昂贵和修理困难。大型变压器在电力系统中的地位非常重要，一旦发生故障，影响范围很大。为保证系统和变压器安全运行，减少事故损失，对变压器继电保护提出了更苛刻的要求:(1)提高灵敏度要求差动保护能灵敏动作于匝间短路故障，同时亦要求灵敏动作于内部高电阻接地故障。(2)保持高速度对于接于超高压远距离输电线路的变压器，当发生内部故障时，由于谐振亦会产生谐波电流，可能引起谐波制动的差动保护延缓动作，需要采取有效的加速措施或寻求新原理的励磁涌流鉴别方法。计算机技术具有的长记忆功能和优越的信息处理功能，以及在结构上的特点，为解决这些难题提供了手段，主要表现在：(1)在差动保护中可将CT二次侧电流直接差接改为数字差由于CT副边不再并接在一起，可进一步减少因变比不匹配及特性不同而引起的环流所造成的不平衡电流增大，对于多侧差动的情形，比起采用平衡线圈更为合理和有效。(2)变压器各侧绕组中因连接组关系而引起的电流相位移可由CT副边Y—△变换改变为数字计算补偿。传统差动保护对于Y/△变压器将Y侧三相CT副边接成△形，以保证变压器两侧同相电流相位一致。当变压器Y侧保护区发生不对称路时，故障相与非故障相流过的电流大小悬殊，各相CT工作条件可能极不相同。因它们各自工作点存在较大差异，会在△形相连的CT副边回路中引起额外的不平衡环流，导致差动回路中不平衡电流增大。对于计算机差动保护，Y/△变压器Y侧CT仍然可以Y接，而用数值计算完成Y—△变换，这样便可以消除不平衡环流的影响。(3)可应用更多更复杂的原理来改善励磁涌流鉴别能力，目前提出鉴别励磁涌流的各种原理，需要更复杂的数学运算和逻辑处理，若用传统技术来实现可能会遇到困难。(4)可通过采用灵活的算法来获得高速度和高灵敏度。例如，计算机差动保护除可继续沿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的获取故障分量，进一步提高内部故障时的动作灵敏度。(5)采用复杂的运算和逻辑处理在一定程度上实现CT和PT断线的报警和闭锁。(6)由CT变比标准化带来的误差可用数字运算进行补偿。这种补偿方法较之常规补偿方法更为准确，从而进一步减少了不平衡电流。计算机变压器保护的优点远远不止这些，通过进一步研究，计算机技术所带来的益处会不断地被挖掘出来。本文针对220/35KV电压等级的变压器进行了微机保护设计，提出了以MCS-96系列16位单片机8098为核心的变压器微机保护装置的硬件平台,并对保护装置的硬件设计和软件设计进行了详细的研究。同时介绍了变压器主保护和后备保护的原理及整定计算。根据变压器保护的特点对现有主要的微机保护算法进行了比较、分析，研究表明应用递推最小二乘法具有计算简便，收敛速度快,实用性强等优点。第2章变压器微机保护原理及整定研究变压器保护，首先就要分析变压器可能发生的故障和异常情况。电力变压器本体一般没有旋转设备，运行起来比较可靠，故障机会较少。但是变压器是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境条件的影响较大。另外，变压器时刻受到外接负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大。因此，变压器在实际运行中有可能发生各种类型的故障和不正常运行情况。变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。内部故障是指变压器油箱里面发生的各种故障，主要故障类型有:各相绕组之间发生的相间短路、单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路、单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障等。内部故障危害性很大，发生时应立即将变压器切除。变压器的外部故障，是指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，主要故障类型有:绝缘套管闪络或破碎而发生的单相接地短路、引出线之间发生的相间故障等。发生这类故障时一般也应迅速切除变压器，以尽量减少或消除短路电流造成的危害。变压器的不正常运行情况主要包括：由于外部短路或过负荷而引起的过电流、油箱漏油而造成的油面降低、变压器中性点电压升高或由于外电压过高而引起的过励磁等。针对上述变压器的各种故障和不正常运行情况，变压器继电保护装置一般应具有如下保护功能：·防御变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护；·防御变压器绕组和引出线多相短路、单相接地短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护；·防御变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护(电流速断保护)后备的过电流保护(或复合电压起动的过电流保护、或负序过电流保护)；·防御大接地电流系统中变压器外部接地短路的零序电流保护；·防御变压器对称过负荷的过负荷保护；·防御变压器过励磁的过励磁保护。A、差动保护中励磁性涌流判别在上述变压器各种保护中，作为变压器主保护的〔纵联〕差动保护是变压器保护装置的关键，而差动保护中的一个关键问题就是励磁涌流判别问题。变压器在正常运行情况下的励磁电流很小，当空载变压器投入电网或变压器外部故障切除后电压恢复时，励磁电流大大增加，其值有可能达到变压器额定电流的6-8倍;该电流称为励磁涌流。由于励磁涌流在数值上可与变压器内部故障时的短路电流相比拟，因此容易造成继电保护装置误动作:所以变压器差动保护需要解决的一个突出问题就是要能够可靠地躲过励磁涌流，同时对短路电流又能正确反应，使差动保护可靠动作。这是变压器微机保护面临的首要问题，针对该问题提出的各种区分励磁涌流与内部故障的判别原理的研究和分析也是当前变压器微机保护相关问题的研究重点。用于区分励磁涌流与内部故障的原理主要有二次谐波判别原理、间断角判别原理、磁通量判别原理和波形对称原理。下面分别就其原理进行简要分析：1)二次谐波判别原理主要是应用励磁涌流中含有较大的二次谐波含量来构成的，无论双绕组或三绕组电力变压器的励磁涌流中，均含有较大成分的二次谐波分量(约占30%-70%)，但在变压器内部故障或外部故障的短路电流中，二次谐波分量所占比例较小。因此，可利用上述特点构成二次谐波制动的差动保护，使之有效地躲过励磁涌流的影响。2)国内比较成熟的间断角判别原理主要是利用励磁涌流波形具有明显的间断角特征进行判别的，对硬件要求较高。变压器内部故障时，非周期分量电流迅速衰减后，流入差动保护回路的是周期电流。当变压器出现励磁涌流的起始阶段，涌流波形偏于时间轴一侧，且相邻波形间出现间断角。根据上述特点即可构成间断角判别原理的差动保护。3)磁通量判别原理，主要是利用磁通量一电流特性或者磁通量变化率一电流特性来区分内部故障和励磁涌流的。但该原理需要引进电压量且必须知道变压器各侧绕组的漏感(漏抗)，这在实际工作中是困难的。4)国内刚刚起步的波形对称原理的比率差动保护，利用微分后差流的前半波和后半波作对称比较，将变压器在空载时产生的励磁涌流和故障电流区分开。但由于运用该原理的装置投入运行并不多，所以现在尚无成熟的运行经验。上述几种判别原理均不是非常完善，各有其优缺点:二次谐波制动原理主要是利用励磁涌流中含有较大的二次谐波分量来构成的，这一原理的提出时间最早，在国内外的应用也最为广泛。传统上的“或”门制动的二次谐波原理有如下缺陷:(1)三相中有一相全部制动，因此故障相除了受本相中的谐波的影响，还受到其它相涌流的制动，具体表现为空投内部故障时，差动保护动作速度不稳定，会延缓动作。(2)随着电网电压等级的提高和系统规划的扩大以及变压器单机容量的增大，大型变压器内部严重故障时，由于谐振使短路电流中的二次谐波含量明显增加，有可能使二次谐波制动的差动保护延时动作。针对以上两点有人提出了涌流加速判据，它包括电流加速判据和电压加速判据两种;电流加速判据的理论依据时:变压器的励磁涌流一般只会在变压器空载投入或近距离外部故障被切除后，变压器端电压恢复过程中产生，因此可以通过记忆变压器暂态发生前一周波电流来判别变压器是否处在励磁涌流产生的条件中，若不是则不必经过二次谐波判别。电流加速在某些情况下，会引起差动保护误动，已被证明是不可靠的。电压加速判据的理论依据是:变压器的端电压低于一定值时，不可能产生涌流，这一理论在变压器内部轻微故障时会无效，且需引入电压量增加保护复杂性。间断角原理，主要是根据励磁涌流波形出现间断特征来区分内部故障和励磁涌流的。从物理上看，二次谐波只反映了励磁涌流的频域特征且很单一(只反映二次谐波)，而间断角原理，则反映了时域，频域两方面的特征，这就决定了间断角原理相对于二次谐波原理的优越性。针对二次谐波原理的弱点，间断角原理可大大提高变压器合闸于内部故障时的动作速度。国内模拟式间断角原理变压器差动保护的大量应用实践也证明了这一点。但该原理存在着如下缺陷:1)当CT饱和时，间断角中将产生反向电流，饱和越严重，间断角中的反向电流越大，使得间断角消失;2)小电流情况下电流中的谐波含量以及频率的变化对间断角的测量影响较大，因此在系统振荡时可能误动。对上述的反向电流问题和间断角测量精度问题，利用微机的记忆、强大的运算、分析能力，可以很好地解决。实践证明，微机间断角原理保护可以实现快速，稳定的差动保护，其动作速度20-25ms。在设计大型变压器差动保护的双重化配置时，往往采用成熟的二次谐波原理，在变压器空投于内部故障时，采用间断原理和分相差动式的差动保护来弥补二次谐波原理保护的缺点，这两种原理具有互补性。B、外部故障和内部故障的区分对如何区分外部故障和内部故障，理论方面的研究是较为成熟的，普通比率差动原理在实际装置中应用最为广泛，且最成功。而突出变量差动原理等存在一些缺点。:在做实验时，在某种条件下均出现过一定程度的误动或拒动。究竟应采用何种原理的主保护，应根据变压器装置本身的特性及其运行条件、运行环境而定。C、变压器微机差动保护CT二次回路断线判别原理CT断线判别原理是微机变压器保护提出的新课题。为了不至于因CT二次出口断线引起变压器保护误动，必须设置相应的二次回路断线闭锁功能。目前CT断线判别原理主要有相电流判别、负序电流判别和零序电流判别原理。相电流判别原理，主要是将CT断线分为Y型侧断线和△侧断线，根据断点在CT的不同位置时的相电流的变化来判别;负序电流判别原理，主要依据断线侧有负序电流，而非断线侧无负序电流的方法来判别。该原理在变压器空投内部故障时正好满足，因此可能将内部故障误判为CT断线而拒动，故必须增加其它判据;零序电流判别原理，主要依据三相电流之和同零序电流的关系，如果CT断线的话，那么该关系就会遭到破坏。该原理涉及到变压器一侧CT和零序CT，如为自祸变压器则涉及到变压器二侧CT和零序CT,所以当变压器发生故障，各CT饱和程度不一样时，该原理所依据的方法就不成立，因此也有可能产生误判而拒动，此外零序CT断线时也会拒动。据此，零序电流判据也必须增加其它判据。因此从可靠性的角度分析，一般采用相电流判别原理。另外CT接线问题也是一个比较佰得汁意的问题。常规的变压器差动裸护为了保证Y/△接法变压器差流的平衡，一般将Y侧CT接成△型，而将△侧CT接成Y型。Y型接法CT断线的判断比较简单，而△型接法CT断线的类型较多，有的难以与故障区别开，使判断十分复杂。使用微机实现变压器保护后，CT的Y/△变换完全可以用软件实现，而且这有利于CT断线的判别和现场接线。因此在本论文中采用了两侧CT均接成Y型的CT接线方式，Y/d的变换由数学运算完成:由于Y/△变换的数学运算量很小，而且这种接法具有现场接线简单，又可优化故障时的电流分布的特点，因此可进一步提高CT断线判断的可靠性。D、差动保护的硬件可靠性对微机保护装置这类长时间连续工作的系统，其核心部分如CPU、模数转换模块的可靠性，对装置的可靠性影响很大。装置因环境变化、电源干扰、元器件性能波动、电磁干扰等因素引起的偶然性故障往往会产生误动作或拒动。由可靠性理论可知，瞬时故障—包括间歇性故障和偶然性故障，在整个故障中所占比例很大，是系统出错的主要根源。随着各类系统尤其是数字系统不断扩大，为了提高可靠性，人们总结出两种方法:一种方法是避错，试图构出一个不包含故障的“完美”系统，但绝对做到这一点是不可能的，同时还将大大提高系统的造价:第二种方法叫做容错(FaultTolerance),所谓容错是指当出现某些指定的硬件故障或软件错误时，系统仍能执行规定的功能，并且执行结果也不包括系统中故障所引起的差错。容错的基本思想是在系统体系结构上精心设计，利用外加资源的冗余技术来达到当系统故障时掩蔽故障的影响，从而保持正常服务。外加资源可以是硬件、信息、时间和软件。实践中应用较广的三模块冗余法(TMR,TripleModularRedundancy)由J.Von.Neuman最先提出，是硬件冗余中静态冗余法的一种。论文根据220KV/35KV电压等级配电系统的特点，结合上述变压器微机保护的机理研究，配置保护功能如下：1).主保护方案：·差动电流保护（二次谐波制动的比率差动保护）·瓦斯保护2).后备保护方案：·过电流保护(低电压闭锁的过电流保护)目前我国变压器的差动保护装置大多数采用带短路线圈的加强型速饱和变流器构成的差动继电器(如BCH-2和DCD-2型差动继电器)。该继电器利用励磁涌流中的非周期分量使速饱和变流器迅速饱和，以防止误动作。但是该继电器存在下列缺陷:(1)由于外部短路时在差动回路中有较大的不平衡电流以及空投变压器时三相励磁涌流中的一相有时无非周期分量，这将使该相的速饱和变流器失去作用。为了防止误动，需要提高装置的动作电流整定值，其结果使装置的灵敏度降低，甚至有时不能满足要求。另外动作电流整定值提高以后，当变压器出现轻微故障(如匝间短路)时，因短路电流较小，不足使装置动作，将使故障继续扩大，造成变压器的损坏程度愈来愈严重。(2)变压器内部发生故障时，暂态短路电流中也含有非周期分量，由于速饱和变流器的作用会延迟装置的动作时间，其结果也会使故障的影响扩大。鉴于以上原因，近年来国内有些变压器开始采用带二次谐波制动的比率差动保护装置(以下简称比率差动保护装置)。该装置为了避开励磁涌流的影响，利用励磁涌流中含有大量的二次谐波的独有特点，设有二次谐波制动。为了避免外部短路电流在差动回路引起不平衡电流的影响，该装置还设有与变压器两侧电流向量之和成正比的比率制动，其起动电流小，灵敏度:高，加之该装置的思维方式在微机由很容易!实现，因此该装置愈来愈得到人们为青睐。为了合理地应用该装置，本文将其原理予以介绍。目前比率差动保护装置的型式有晶体型、整流型和微机型。虽然各自的构造有所不同，但是原理基本相同，现以下图所示的整流型比率差动装置原理方框图为例予以说明和差流形成回路和差流形成回路比率制动二次谐波制动差流动作速断比较出口比率差动保护装置原理方框图上图中的、为变压器差动回路高、低压臂的电流，、分别称为制动电流、差动电流。流进比率制动回路后转化为与其成正比的制动电压。正常运行或外部短路时，若=，则=2，即制动电流为负荷电流(折算至装置侧——下同)或外部短路电流的2倍;内部出现故障时，制动电流于短路电流(变压器为两侧电源供电时)或等于短路电流(变压器为单侧电源供电时)。分别流进动作回路、二次谐波制动回路和速断元件。流进动作回路后将中的基波含量转化为与其成正比的动作电压,正常运行或外部出现故障时理论上为零;内部出现故障时等于短路电流。流进二次谐波制动回路后将中的二次谐波含量转化为与其成正比的制动电压。由上述各回路形成的、和进入差动元件的比较回路。当正常运行或外部故障或有励磁涌流时，<或<该元件不动作;当内部故障时，>,>，该元件动作。当变压器内部故障出现很大的短路电流时可能引起电流互感器饱和，使中也有较大的二次谐波含量，致使差动元件拒动，但是由于比率差动装置设有速断元件，当达到一定值时该元件动作。比率差动装置中差动元件的动作电流与制动电流的关系用下图中曲线1所示的比率制动特性曲线表示。上图中的称为差动元件的动作电流，为有比率制动作用的最小制动电流。当。时，无比率制动作用，=。当>。时，与的增量△成正比，其斜率称为比率制动系数。由于变压器两侧电流互感器的选择无法使=，为此在采用晶体型和整流型装置时需在差动回路高压臂(或在低压臂或在高、低压臂—本文是以在高压臂进行说明的)加装自耦变流器。微机型装置由于本身的功能无需加装自耦变流器。由于变压器调压范围、电流互感器误差以及自耦变流器误差等因素的影响，在正常运行或外部故障时，中总有一个不大的不平衡电流(见上图中的曲线2)。为了防止误动作，在选择差动元件的动作电流。和比率制动系数时要避免不平衡电流的影响，即如图所示，所选择的比率制动特性曲线上各点的动作电流均比对应的不平衡电流要大。.变压器差动保护虽然能保护变压器内部和外部故障,动作迅速，灵敏度高，但接线复杂，多用于大容量重要的变压器作主保护，它并不能保护所有内部故障,如变压器油面降低,匝间短路等，因为匝间电流常小于动作电流,因此,常采用瓦斯保护,对变压器内部故障全面保护。在油侵式变压器油箱内发生故障时，由于故障点的局部高温使变压器油温升高油内空气被排除形成上升气泡,若故障点产生电弧，则变压器和其他绝缘材料分解出大量气体，这些气体自油箱流向油枕上部,故障越严重，产生气体越多，流向油枕气流速度越快.利用这种气体实现的保护叫瓦斯保护。当气体继电器KG轻瓦斯触点闭合，通过继电器1KS，延时发出预警信号,重瓦斯触点闭合后,经信号继电器2KS，连接片XB接通中间继电器KM,作用于断路器跳闸，切除变压器.为避免气体继电器下触点受油流冲击出现跳动现象造成失灵,出口中间继电器KM具有自保持功能，利用KM第三对触点进行自锁,以保证断路器可靠跳闸，其中按钮SB用于解除自锁,如不用按钮，也可用断路器1QF辅助常开触点实现自动解锁.但这种办法只有出口中间继电器KM距高压配电室的断路器距离较近时才采用，否则连线太长不经济.连接片XB用以将气体继电器下触点切换到信号灯，使重瓦斯保护退出工作。瓦斯保护动作后，应从气体继电器上部排出口收集气体。根据气体的数量、颜色、化学成分、可燃性等，判断保护动作的原因和故障的性质。瓦斯保护和差动保护均为变压器的主保护，在较大容量的变压器上需同时采用，瓦斯保护接线非常简单，灵敏度高，动作迅速，但它不能保护油箱外的引出线和套管上的故障，只能靠差动保护动作于跳闸，因此，瓦斯保护不能单独作为变压器的主保护，必须和差动保护共同作为变压器的主保护。变压器后备保护变压器相间短路的后备保护既是变压器主保护的后备保护，又是相邻母线或线路的后备保护。根据变压器容量的大小和系统短路电流的大小，变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压启动的过电流保护和复合电压启动的过电流保护。变压器过电流保护的装设可按以下原则确定：1、对于单侧电源的变压器，后备保护装设于电源侧，作为差动保护、瓦斯保护的后备保护或相邻元件的后备保护。2、对于多侧电源的变压器。后备保护应装设于变压器各侧。其作用为：（1）、作为变压器差动保护的后备。要求它动作后起动总出口继电器。对于零序过电流保护，由于变压器中性点接地而使零序电流分布发生变化，往往会使零序电流的灵敏度降低，因此要求在变压器的两侧均装设能动作于出口的零序电流保护段。但该保护段对变压器各侧的故障均能满足灵敏度的要求。（2）、变压器各侧装设的后备保护，主要作为各侧母线和线路的后备保护，故要求只动作于跳开本侧的断路器。（3）、作为变压器断路器与其电流互感器之间死区故障的后备保护。一、低电压闭锁起动的过电流保护简单的过电流保护的动作值，是按躲过变压器可能出现的最大负荷电流整定的，因此保护装置的灵敏度不高，而且受保护接线方式和故障类型的影响较大。低电压起动的过电流保护，其过电流元件动作值是按大于变压器额定电流整定的，而低电压元件动作值是按正常运行时最低工作电压整定的，因此它的灵敏度有所提高。低压元件的作用是保证在一台变压器突然切除或电动机自起动时不动作，因而电流元件的整定值就可以不再考虑可能出现的最大负荷电流，而是按大于变压器的额定电流整定，即=低压元件的起动值应小于在正常运行情况下母线上可能出现的最低工作电压，同时，外部故障切除后，电动机自起动的过程中，保护须返回，根据运行经验，低电压继电器的动作电压为=0.7—变压器的额定线电压。对低压元件进行灵敏度校验，应为=——在220KV母线上发生三相短路时计算得流经保护的最大短路电流。对于升压变压器，如果低压元件只接于某一侧的电压互感器上，则当另一侧故障时，往往不能满足上述灵敏度的要求。此时可考虑采用两套低压元件分别接在变压器两侧的电压互感器上，其触点采用并联方式。当电压互感器回路发生断线时，低压继电器将误动作。因此，在低压保护中一般应装设电压回路断线的信号装置，以便及时采出信号，由运行人员加以处理。已知如图所示,某变压器一次接线图,其中变压器参数为:容量=120MVA接线yn，d11电压242﹪/35KV=14%发电机参数为：容量P=100MW电压U=35KV基准容量=100MVA图2.41、计算变压器各侧额定电流，并选择电流互感器变比对于yn，d11变压器===286;===1983式中——变压器额定容量（KVA），——变压器高、低压侧的额定电流（A），——变压器高、低压侧的额定电压（KV）电流互感器变比选择：220KV侧=选35KV侧选2、计算差动回路各臂在额定负荷下的电流===4.13==式中，——高、低压臂的额定电流（A）。，——高、低压侧电流互感器二次接线系数。，——高、低压侧电流互感器一次额定电流（A）。因为>所以选220KV侧为基本侧。3、短路计算1）当220KV侧发生三相短路故障时的最大短路电流==262（A）(1)==819（A）(2)——基准容量。——220KV电压级基准电流。2）当35KV侧发生三相短路故障时的最大短路电流==1652（A）(3)==14120（A）(4)——基准容量。——35KV电压级基准电流。归算到基本侧的电流为=2042.15（A）(5)<所以,变压器发生三相短路时最大的电流为2042.15A4、确定差动元件的动作电流正常运行时，为防止装置在制动电流为时误动作，要求大于负荷电流为时的不平衡电流，即==（）(6)式中——可靠系数，可取1.3。——变压器调压范围引起得误差，取0.05。——正常运行时电流互感器的误差，取0.03。——正常运行时自耦变压器的误差，取0.03。将上述各值代入式中得=0.072目前我国各型保护装置的=5~7.5A因此=0.36~0.54A实取=1A(更偏向安全)5、确定比率制动系数外部故障发生最大短路电流时，为了防止误动作，要求装置的动作电流大于差动回路的最大不平衡电流，即==（++）(7)式中一故障时电流互感器的误差(取=0.1)一故障时自耦变流器的误差(取=0.1)其余参数同前将上述各值代入(7)式得=0.325(8)此时装置的制动电流=2，根据比率制动系数的定义，在图中可求出:=(9)将(8)式代入上式得=0.163（10）由前述得知=lA;=5~7.5A并考虑>15A将上述各值代入(10)式得>0.159实取=0.2(更偏向安全)6、校验差动元件最小灵敏系数按下式计算=（11）式中一保护范围内发生两相金属性短路时的最小短路电流。一发生时，差动元件的动作电流。由于牵引变压器一般为单侧电源供电，内部故障时差动元件的制动电流=，因此此时可由图求出:=(—}+(12)将上式代入(11)式得=（13）由前述得知:=lA，=5~7.5A，=0.2因此≥(14)根据“规范”要求不得小于2，由(14)式可见:只要≤,就能满足要求。将=0.2代入(14)式得≥5所以满足灵敏度的要求。从图所示的比率制动特性曲线可见，差动元件的起动电流将减小，因此，根据(11)式，其将更高。这说明采用比率差动保护装置时灵敏度是相当高的。7、确定二次谐波制动系数根据有关试验数据表明:励磁涌流中的二次谐波含量与基波含量之比均在20%以上，因此取=0.208、确定速断元件动作电流,为了防止空投变压器时发生误动作，应大于最大的励磁涌流，一般按下式计算：对于220KV侧=8=84.13=33.04（A）——高压臂的额定电流。对于35KV侧=8=83.35=26.8（A）——低压臂的额定电流1、220KV侧方向低电压闭锁过电流保护整定计算1)、电流元件定值整定计算按躲过变压器额定电流整定，即===403.26（A）(15)式中，—可靠系数，取1.2—1.3。—返回系数，取0.85。—变压器高压侧额定电流。2)、电压闭锁元件定值整定计算低电压元件的起动值应小于在正常运行情况下母线可能出现的最低工作电压。同时，在外部故障切除后电机自起动过程中，保护必须返回。根据运行经验，低电压继电器的动作电压为=0.7=0.7220=154（KV）(16)—变压器的额定线电压。3)、灵敏度校验对于电流元件，当35KV侧为正常运行方式，在220KV母线上发生三相短路时计算得流经保护的最小短路电流为=713.4A，则==>1.2(17)4)、动作时间整定已知220KV及35KV后备保护动作时间为3.5s。低电压闭锁过电流保护的整定动作时间应与出线后备保护动作时间相配合，为了留有余度，取=4s作用于220KV侧断路器。=4.5s作用于主变压器两侧断路器。2、35KV侧方向低电压闭锁过电流保护整定计算1)、电流元件定值整定计算===2756.2（A）(18)继电器动作电流==0.93（A）—变压器低压侧额定电流。2)、电压闭锁元件定值整定计算按正常系统运行工作电压计算，取=154（KV）3)、灵敏度校验对于电流元件，当35KV侧为正常运行方式，在220KV母线上发生两相短路时计算得流经保护的最小短路电流为=4940A，则==>1.5(19)4)、动作时间整定动作时间应与各侧相间后备保护段最长时间3.5(s)配合，取=4s作用于主变压器35KV侧断路器。=4.5s作用于主变压器两侧断路器。第3章变压器微机保护的硬件原理变压器微机保护装置的硬件系统结构采用模块化结构，如图3.1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。在图3.1中，交流输入模块是由1个电压互感器和2个电流互感器组成，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)电压变换为士5V、12V和24V直流电压，供给主控制板模块、开关量1/0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、逻辑信号判断、通信以及输入/输出等功能。开关量1/0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、1/0、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。本次设计主要对数据采集系统；CPU主系统；开关量输入\输出回路，跳闸出口及信号回路进行简单的设计及研究。键盘显示模块键盘显示模块处理器模块出口模块电源模块互感器模块电压、电流量输入开关量输入、输出数据采集系统（模拟量输入系统）作用是将输入至保护装置的电压和电流等模拟量准确的转换成微机系统所需的数字量。包括电流电压采集、电压形成、VFC型A/D转换两部分。1.概述由继电保护的构成可知，继电保护动作与否的判断来自于电力系统的电参数，如电流、电压等，这些原始数据的模拟量非常大，为了设备安全和人身安全，一般需先经过电压互感器，电流互感器将高电压，大电流变换为较低数量级。如100V，5A等。电力系统连接如图3.2所示:图2.电压采集电压互感器接线如图3.3所示:电流互感器的接线如图3.4所示：互感器包括电压互感器和电流互感器,是一次电路和二次电路的联络元件,用以分别向测量仪表和继电器的电压绕组和电流绕组供电,正确反映电气元件的正常运行和故障情况.互感器的作用是,将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电流(5A或1A)和低电压(100V),使测量仪表和保护装置标准化、小型化,并使其结构轻巧、价格便宜,便于屏内安装。此外在中间变流器、中间变压器二次侧加入了屏蔽措施，以提高微机保护的抗干扰性能，还可用来电气隔离。保证了电气设备和人员的人身安全。其原理图如图所示：电压回路5个变换器TV，分别对应三相UA、UB、UC，零序电压3Uo和线路电压Ux(变压器保护不用)，其副方接成星形。电流回路有四路变换器TA其副方均有两个参数完全相同的电阻并联，利用线路跨县可以得到两种不同的阻值，从而得到不同的电流测量范围，只用一个时，电流测量范围：0.5-100A，两个电阻时，电流测量范围：1-200A。在一般的A/D变换过程中,CPU要保持电路、模拟量多路转换开关和A/D三个芯片之间协调好。因此接口电路复杂,成本高。在要求转换速度快、精度高,同时采样的模拟量较多的场合,ADC变换方式就很不适用。而VFC型的模数转换方式要比ADC变换方式好的多,它具有以下优点:1）、精度高;2）、与CPU的接口简单;3）、易于为多CPU共享;4）、抗干扰能力强;5）、VFC与常规A/D系统完全等效。数据采集系统中采用VFC型A/D变换方式，电压互感器二次侧电压、电流互感器二次电流经电压形成回路后，进行VFC变换，将电压变换为脉冲电压，该脉冲电压的频率预测输入电压成正比，经快速光耦隔离后由计数器8253对脉冲电压进行计数，CPU读取的计数值就等于输入模拟量的数字量，从而完成模拟量的A/D转换。典型的电荷平衡式V\F转换器的电路结构如图所示：脉冲发生器脉冲发生器计数器定时器这种方法的原理是产生频率正比于输入电压的脉冲序列，然后再固定的时间内进行计数出计数器和定时器外，该电路实际上可视为一个震荡频受输入电压控制的多谐振荡器。A1和C组成一个积分器，A2为零电压比较器。当积分器的输入电压Ua下降到0V时，零电压比较器发生跳变，触发脉冲发生器，使之产生一个宽度为的To脉冲。在To期间，模拟开关S打向负参考电压-Ur。由于电路设计成Ur/R2>/R1,因此在To期间，积分器以反充电为主，使Ua上升到某一电压。To结束后开关S打向地，由于只有正的输入电压的作用使积分器充电，输出电压Ua因负斜线下降。当下降到0V时，比较器翻转，再次触发脉冲发生器产生一个To脉冲，再次反充电。如此反复，振荡不止。3.3CPU主系统设计单片机系统是主控制板的核心，而作为该系统首先要考虑的问题就是CPU的选择。在CPU的选择问题上，应该结合所需完成的功能进行选择，而不一定要求越高档越好。过强的处理能力必然造成成本的提高以及CPU资源的浪费。CPU选择的出发点主要有两点:一是CPU的处理速度是否能满足装置的需要;二是接口扩展能力及可扩充性。目前，8位、16位、32位的单片机都己出现，但占据主流的仍是8位机及16位机(含准16位机)，其二次开发工具也较成熟，所以应成为首选。考虑到电路的成熟性、实用性、可靠性、调试的方便性以及保护装置的实时处理和控制要求，本装置选用了工Intel公司的16位高性能CHMOS单片机8098作为主控制板模块的CPU，配以相应的外围电路构成单片机应用系统。8098单片机是MCS—96系列的准16位机（内部数据总线为16位，外部数据总线为8位）。与MCS—96系列的其它芯片相比，8098单片机具有性能高、功能强、售价低廉、使用方便等特点，同时它既有16位单片机的强大的运算功能，又有8为单片机接口简单等特点。8098不仅能用在低速、中速控制场合，而且更擅长高速控制，就性价比而言，8098单片机在同类单片机中名列前茅，所以受到用户的普遍欢迎。8098单片机的主要性能特点包括一个16位中央处理器CPU，232字节寄存器文件，4路带采样保持器的10位A/D转换器，2个4位和2个8位并行I/O接口,4路高速输入，6路高速输出，1个脉冲调制输出，1个全双工串行通讯接口，2个16位硬件定时器，1个计数器，1个监视跟踪定时器和4个软件定时器，可进行8位/16位算术逻辑运算。外部使用8位数据总线，仅有48个引脚，体积小，结构简单，使用方便灵活，易于开发使用，因此近年来已广泛应用于智能化仪器仪表和工业自动化控制中。考虑到8098没有片内程序存贮器且外接存贮器及外部设备接口大多为8位方式，故系统采用8位总线方式。在存储器及1/0的扩展方面，8098具有一个逻辑上完全统一的存储空间，它采用的是程序存储器与数据存储器合二为一的普林斯顿结构，总的寻址范围为64K字节。它不象采用哈佛结构的MCS—96系列那样存在不同的访问外存储器的指令，从整体空间的寻址上看比较统一;缺点是缺少64K的存储器空间，但8098的高效指令系统弥补了这一不足。由8098构成的CPU主系统如图3.8所示：在外部扩展了地址锁存器74LS373,译码器74LS138，容量为8K的RAM6264，32K的EEPROM28256A，32K的EPROM27256，一个并行口8255和3片计数器8253。微机保护装置中，除了有模拟量输入外，还有大量的开关量输入与输出回路。所谓开关量，就是触点状态或是逻辑电平的高低等。在微机保护中，有许多外部触点的通断状态需要输入到微机中参与空置和保护。这类触点大致分为两类：一类是内部开关量输入回路，如装置整定，调试用的或在运行中定期检查装置的键盘触点，以及切换装置工作方式用的转换开关等。另一类是从装置外部经端子排引入装置的触点，如需要运行人员不打开装置外壳而在运行切换各种连接点，转换开关、其他保护装置的保护出触点和操作继电器的触点。对于装在装置板上的触点，可接至微机的并行口，对于这类触点只要在初始化时规定可编程的并行口PAo为输入口，则CPU就可以通过软件查询，随时知道触点K的状态。如下图所示。当K未被按下时，通过上拉电阻使PAo输入电压为5V,K按下时，PAo输入电压为0V。因此CPU通过查询PAo的输入电压，就可以判断K是处于断开还是闭合。并行接口并行接口对于装置外部引入的触点，为了避免给微机保护系统引入干扰，通常采用耦合器实现电器隔离，如图所示：PAo为并行接口的输入口，S为装置的外部触点，虚线框内为光耦合器，其中，V1为光二极管，V2为光敏三极管集成在一个芯片内,当外部\S闭合时，由电流流过光电二极管V1回路，使光敏三极管V2导通，当外部触点S断开时，光电二极管V1回路断电光敏三极管截止。因此，光敏三极管的导通和截止完全反应了外部接点的状态。如同将外部触点接到光敏三极管的位置一样。开关量输出回路在微机保护中，开关两输出回路主要包括保护的跳闸出口，合闸出口以及本地和中央信号等，一般都采用并行口的输出来控制所有触点继电器的方法，为提高抗干扰能力也要经过光耦隔离，如图所示：只要由软件是并行口的PBo输出“0”，PB1口输出“1”，便可使与非门Y2输出低电平，发光二极管导通，光敏三极管激发导通，使继电器动作，其触点闭合，启动后级电路。微机保护插件总共提供了8路经光耦隔离的开出量，其中6路开出量由于并行口8255的PB口驱动，2路由8098单片机本身的口线P1.2、P1.5驱动。微机保护插件装设了个跳闸出口继电器、启动继电器、及停信继电器，接线如图所示：启动继电器动作后启动发信，同时兼并作总开放继电器，由其敞开触点对跳闸回路及停信继电器24V电源的负极实现闭锁。3.5.2信号回路本插件上的信号继电器均为磁自保持继电器，其驱动线圈同对应的出口继电器线圈并联。本插件信号由手动复归，可以由装置上的复归按钮SB复归，亦可由屏上按钮复归。信号插件原理图如下第4章变压器微机保护的算法研究微机继电保护是用数学运算方法实现故障的测量、分析和判断的。而运算的基础是若干个离散的量化了的数字采样序列。因此微机继电保护的一个基本问题是寻找适当的离散运算方法，使运算结果的精确度能满足工程的要求。微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护的功能的方法称为算法。保护算法的关键指标是计算的精度和速度，选择算法应从这两方面考虑。从算法的精度看，应注重算法的滤波特性和抑制非周期分量的能力;从算法的速度来看，应关心算法所用数据窗的长短和算法涉及的运算量。微机继电保护装置的大多数算法可被视为参数估计的过程，使用最多的全波傅氏算法能有效的消除高次谐波和直流分量，其响应时间是一个周波，故不能做到保护的快速动作，特别存在衰减直流分量时，算法的精度将下降。其实对于微机保护的参数估计是一个线性模型的参数估计，可采取最小二乘法估计或卡尔曼滤波估计。卡尔曼滤波估计需了解噪声的统计参量，由于电力系统的结构不同，这通常十分难于了解，虽然有文章提出利用最大似然函数进行再线估计，但计算量大，对于使用8098的保护装置难以承担这样的运算量。而最小二乘法估计不需要了解噪声的统计特性，利用最小方差估计的原理进行参数估计，计算量小，易于实用化。设含随机故障信号的形式为y（t）=++W（1）对式中y（t）离散化，得令观测向量为，则式中:衰减直流分量的起始值Td:衰减直流分量的起使值:基频角频率:采样周期、:第n次谐波分量的余弦和正弦幅值W:随机噪声矩阵则式(1)可写成矩阵形式（2）由最小方差估计的原理，可得（3）假设新增数据点为，则有（4）令（5）由公式（6）得（7）其中（8）故==（9）因为故（10）（11）在递推公式(11)中，增益矩阵是与采样值无关的量，可事先求出。因此实时计算可利用公式(11)中一式进行，计算量小，速度快，适于在计算机继电保护采用。当递推数据窗达到一个周期时，递推最小二乘算法的频响特性与全周傅氏分析相同，并且与观测向量中包含的最大次谐波分量无关。选择观测向量中包含基频、二次谐波和非周期分量，则递推最小二乘算法的频响特性见图1。当递推数据窗达到一个周期时，无论观测向量中包含的最大次谐波分量如何，只要包含整次谐波分量，则算法的估计精度与全周傅氏分析相同。换而言之，全周傅氏分析是用基频余弦分量对暂态信号在一个基频周波内进行最小二乘算法拟合。从以上结果可以看出，递推最小二乘算法具有较快的收敛速度，并且收敛过程十分稳定。当数据窗大于6ms时，估计误差不超过15%，当数据窗超过lOms时，估计误差小于2%。由此可见递推最小二乘算法十分适于实现变压器差动保护等高速保护。在保护程序的编制中，我们充分结合故障量差动保护原理，在突变量启动的情况下，开始对信号进行逐点递推最小二乘计算，当连续三次计算结果超越整定值时即可判定发生故障，这样既进一步降低CPU平时的计算量又保证了判断结果的可靠性。第5章微机变压器保护软件设计软件是整个装置系统的灵魂，为实现快速、直接、实时的保护功能要求，程序编制采用了汇编语言。根据本保护装置数据采集、数字滤波、动作判别、信号输出、人机接口等功能不同的实时性要求，保护系统软件由主程序、中断服务子程序和故障处理子程序三大部分组成。其中，主程序完成整个保护装置基本功能包括保护装置的初始化、自检、数值处理计算等;中断服务子程序包括键盘中断程序、定时采样、A/D转换中断程序及串行通信中断程序,故障处理子程序包括故障判断、出口动作。下面就部分主要程序设计作说明。主程序流程图如图5.1所示。首先，系统进行初始化，然后进行硬件部分自检，若自检无异常则系统进入数值处理计算、故障判断、出口动作、实时显示、动态自检的循环处理，在此过程中，系统定时进入采样、A/D转换中断程序，对各路采集量进行实时采集，以供系统进行实时数值处理计算。若装置出口动作，系统进入故障电量数值、故障时间和保护动作类型的循环显示中，以待工作人员进行处理.1、初始化及自检程序设计初始化模块的功能主要完成保护装置的中断方式规定、堆栈指针设定。内存单元初始化及整定参数调入和I/0口、LCM等外设的初始化工作，确保装置中的各部件达到正常的工作状态，为装置的正常工作做好软、硬件资源的准备。流程图如图5.2所示.上电或复位上电或复位初始化模块自检模块数值处理计算动态自检有无故障显示刷新出口动作、报警显示故障类型闭锁出口、报警图5.1主程序流程图YNNY清中断悬挂寄存器清中断悬挂寄存器开始置中断量设置栈顶指针关中断开中断初始化I/O口置中断屏蔽字参数读入并重置初始化时钟电路置中断控制字结束图5.2初始化程序流程图自检是微机型继电保护装置的一个重要功能，自检功能由软件和硬件相互配合实现。本保护自检功能包括对CPU,RAM,EPROM、,数据采集通道、开关量输入、输出通道及整定值的自检，若自检异常，装置则闭锁出口。报警并显示故障点和故障性质，从而保证各部分以正常状态投入工作，提高了装置的可靠性。本保护装置的自检功能包括开机自检和周期自检两种方式。开机自检是每当装置上电或复位后，对所有部件进行的一次自检，该自检程序一般都位于主程序的最前面，作为装置投入正常工作前的全面检测。而周期自检则安排在装置工作过程中周期地、重复地进行，以确保装置始终工作在良好状态;本保护装置在主监控程序循环流程周期性地对RAM、EPROM、数据采集通道、开关量输入进行动态自检，值得注意的是该部分自检程序应对系统数据采样中断、键盘中断和通信中断程序开放，并应不影响保护功能模块的正常执行。自检子程序流程如图5.3所示。对CPU的自检主要是对8098内部232字节的通用寄存器进行的，不考虑其核心控制部分的故障。因为CPU控制部分的故障将导致系统崩溃。无从自检;另一方面，CPU在出厂时己进行了严格的测试，一般非人为因素造成的CPU故障几率很小，故可不考虑。对片内232字节的寄存器自检一般通过对其进行读写比较即可，具体步骤为:首先备份待检测的字单元，然后写入5555H，读出比较是否与写入的相同，再写入OAAAAH，读出比较是否相同，两次都相同，恢复备份单元，再进行其它单元的检测直至全部通过。这种方格交错算法可测试每个存储单元的每一位的两种二进制状态，对于检测坏单元数据线的粘接(粘0或粘1)均有较好的效果。对片外RAM的自检同CPU内的寄存器自检方法相同，必须注意的是在程序正常运行时，都应采用非破坏性测试，即应先对自检单元内容备份，待读写检查完毕后再恢复原始数据;此外还应注意检测期间发生中断而导致的检测错误。EPROM中存放程序代码和数据，其状态好坏直接影响装置的正确工作。为了检查EPROM中数据的完好性，一般采用“和校验”方法进行自检，即将EPROM中的应用软件全部代码按字节累加，将结果和预先存放在EPROM中某地址的己知和数进行比较，以判别固化内容是否改变。显示出错信息显示出错信息自检开始自检结束闭锁出口、报警CPU自检RAM自检数据采集通道自检EORAM自检整定值自检开关通道自检NNN出错出错出错NNN出错出错图5.3自检子程序流程图对A/D转换通道的自检要采用硬件方式，本装置在模拟多路开关输入通道中专设了一路通道作为自检专用，将该路通道接入一路+5V电压作为固定电压信号，自检时对其进行检测，若测量结果在正常的误差范围内，则认为A/D通道正常，否则说明A/D转换通道发生异常，需硬件调整或更换方能投入使用。对开关量输出通道的自检同样通过装置中专设的一路开关量通道进行。在自检时通过软件使其置“1”或置“0”，再通过输入口信号判断其正误。由于这一自检过程很短(约1ms以内)，出口继电器来不及动作，装置不会误动。本微机保护装置是一个实时多任务处理系统，在执行主程序的同时，必须采用中断服务程序对特定的实时任务做出及时响应，中断服务程序的执行会直接影响主程序的运行，它是人为干预软件运行的一种手段，但它同时又是在主程序支持的基础上执行的，与主程序共同构成了整个系统软件;另外，本保护装置采用了多个中断程序，这就要求在软件设计中根据实际要求，灵活地安排各个中断的优先级，从而保证装置高效、高速地运行。1、交流采样中断程序设计s，并在软件设计中始终保证其中断优先级，使其不受其它中断影响，可实现高精度定时采样，保证了数值处理程序所需数据更新的要求，从而保证了算法的精度和速度。程序流程图如图5.4所示。采样数据经数值处理模块处理后，进入保护功能判断模块，与保护整定值进行比较，从而判断当前保护对象的工作状况，并针对不同情