变压器微机保护装置设计与调试

山东科技大学学士学位论文 摘要 摘要变压器是电力系统中的重要电气设备，它在电力系统的发电、输电、配电等各个环节广泛使用，因而其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定的工作。因此必须根据变压器的容量和重要程度并考虑到可能发生的各种类型的故障和不正常工作的情况，而装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。而微机继电保护装置由于软件设计的灵活性可实现各种故障的判断，得到普遍应用。本文介绍 35KV 变压器微机保护系统，被保护变压器采用 Y,d11 联结组别。本文在总结了变压器微机保护原理应用基础上，设计了一个基于 DSP 的变压器微机差动保护装置。首先介绍了硬件设计用到的各芯片的特性；然后具体说明了硬件的系统设计，主要分三部分：一是数据采集处理模块，二是人机接口模块，三是数据采集处理模块与人机接口模块的通信设计；其次在软件方面，先简单叙述了微机保护的算法，然后讲述了各功能模块的软件设计流程，主要包括主循环程序、中断子程序以及故障处理程序。关键词：变压器，差动保护，DSP，微机保护山东科技大学学士学位论文 摘要ABSTRACTTransformer is the important electrical equipment in power system, it is widely used in every link of the power system of power generation, transmission, distribution, and thus the safe operation of the whole electric power system can operate steadily and continuously. Therefore, must according to the transformer capacity and the importance of taking into account the various types of failures that may occur and not work normally, the installation of relay protection device has good performance, reliable work. The microcomputer relay protection device due to the flexibility of the system design and implement various fault judgment, obtains the universal application.Based on the summary of the microcomputer protection principle based on the transformer application, design a transformer differential protection device based on DSP. First introduces the characteristics of each chip used in the hardware design; then explains the system hardware design, mainly divided into three parts: one is the data acquisition and processing module, man-machine interface module is two, three is a data communication design of data acquisition and processing module and man-machine interface module; Second, in terms of software, computer protection briefly describes the algorithm, and then tells the story of each functional module of the software design process, including the main loop program, the interrupt subroutine and troubleshooting procedures.Keywords: transformer，differential protection， DSP ，Microcomputer protection山东科技大学学士学位论文 目录目 录1 绪 论 .11.1 国内外变压器微机保护的发展 .11.2 论文研究的意义 .21.3 本文的研究内容 .32 变压器保护的基本原理 .52.1 变压器的故障类型和不正常运行状态 .52.2 变压器应装设的保护类型 .62.3 变压器的差动保护的基本原理 .72.4 变压器的后备保护原理 .92.5 小结 .103 变压器微机保护装置的硬件电路设计 .113.1 系统总体设计 .113.2 DSP 技术概述 .113.3 主芯片 TMS320LF2407 性能简介 .123.4 TMS320LF2407 外围电路设计 .153.5 数据采集模块的设计 .213.6 数据采集处理模块与人机接口模块的通信设计 .253.7 开关量输入输出电路 .263.8 人机接口部分的硬件设计 .283.9 小结 .294 微机保护的算法研究 .304.1 各种算法的性能比较 .304.2 全波傅立叶算法 .32山东科技大学学士学位论文 目录4.3 半波傅立叶算法 .344.4 小结 .345 变压器微机保护装置的软件设计 .355.1 主程序 .355.2 定时采样中断子程序 .365.3 故障处理程序 .385.4 系统软件可靠性与抗干扰设计 .385.5 小结 .426 总 结 .43参考文献 .44致 谢 .46附 录 1 总原理图 .47附 录 2 英文资料 .48附 录 3 英文翻译资料 .56山东科技大学学士学位论文 绪论11 绪 论1.1 国内外变压器微机保护的发展现代大中型变压器的特点是容量大、电压等级高，而且价格昂贵和维修困难。大中型变压器在电力系统中的地位非常重要，它的安全运行直接关系到电力系统的稳定运行，一旦变压器因故障而损坏时，造成的损失将会非常大，对系统的正常运行将会带来严重的影响。因此，对变压器继电保护的要求更为苛刻，继电保护工作者必须根据电力变压器的故障和异常工作情况的特点，并结合其容量和重要程度，装设动作可靠、性能良好的继电保护装置。微机保护相比与传统的保护装置，具有更高的可靠性、快速性和灵敏度，可更大限度的保证电力系统和变压器的安全运行，减少事故的损失。电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入新的活力，而电力系统继电保护的发展在经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型这几个阶段后，现在已经发展到了微机保护阶段。微机保护指的是以数字式计算机为基础，通过相应的软件程序来实现各种复杂功能的继电保护装置。它起源于20世纪60年代，早期发表的关于微机保护的研究报告，如澳大利亚新南威尔士大学的IFMorrison预测了输电线路和变电所采用计算机控制的前景，包括计算机用来作为继电保护的前景，揭示了它的巨大潜力，引起了世界各地继电保护工作者的兴趣。而在70年代中期，微机保护的工作主要是做理论探索，也有个别部门做了一些现场试验，如美国西屋公司的G DRockefeller等对具体保护装置进行了研制，并发表了该装置的试运行样机的原理、结构与现场运行结果。但是限于计算机硬件的制造水平及价格问题，同时也无法满足高速继电保山东科技大学学士学位论文 绪论2护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际的应用，但为后来的继电保护发展奠定了基础。到70年代末期，计算机技术、大规模集成电路技术的飞速发展，极大的增强了微型计算机的功能。80年代，美国电气和电子工程师学会的教育委员会组织过一次世界性的计算机继电保护研究班，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，世界各大继电器制造商都先后推出了商业性的微机保护装置，微机保护逐渐趋于实用。我国微机保护研究起步较晚。直到70年代末期，才开始从事这方面的研究和探索。起初是由华北电力大学、华中理工大学、西安交通大学、天津大学等高等院校和南京自动化研究所的继电保护科研人员在吸收国外先进研究成果的基础上研制了不同原理、不同形式的微机保护装置。1984年由华北电力大学杨奇逊教授研制的第一代微机型高压输电线路继电保护装置投入现场运行，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的发展开辟了道路。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从20世纪90年代开始继电保护已进入微机保护的时代。1.2 论文研究的意义到目前为止，应用于我国电力系统变压器保护产品的 CPU 大多为 8 位或 16 位的单片机，它存在如下不足：(l)硬件资源及功能过于简单这些 CPU 基于 80 年代早期的技术和工艺，受结构、时钟和总线的限制，其指令功能有限，寻址空间小，运算能力弱，微机产品的优势难以充分发挥。在很多功能上(如录波、测距等)只能给出初步近似的结果，算法原理的实现上也受到一定限制。此外，电力系统自动化的进一步发展，要求保护装置具有频率、电压、电流、有功、无功、谐波分量、各序分量以山东科技大学学士学位论文 绪论3及一些辅助的控制功能，正常运行条件下的安全监视等，这些都是基于常规 CPU 的保护产品难以胜任的。(2)开发平台不完善目前变压器保护产品在软件开发上普遍采用汇编语言。然而，由于在汇编语言的程序设计中，编程人员要全面规划内存安排、数据调度、资源分配、开入、开出管理等相关条件，与高级语言(如 C 语言)相比，软件开发难度大，周期长，软件结构随意性很大，因不同编程人员的习惯、思维方式不同，相关条件约束差异很大，难以移植，难以交流，难以维护。随着计算机硬件的迅速发展，微机保护硬件也在不断发展。微机保护的硬件已由第一代单CPU硬件结构和第二代多单片机的多CPU硬件结构发展到以高性能单片机结构的第三代硬件结构，其具有总线不需引出芯片，电路简单的特点，抗干扰的性能进一步加强，并且完善了通信功能，为实现变电站自动化提供了方便。近年来，数字信号处理(Digital Signal Processor，DSP)技术开始广泛应用于微机保护领域。DSP的突出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大。将数字信号处理应用于微机继电保护，极大地缩短了数字滤波和傅立叶变换算法的计算时间，可以完成数据采集、信号处理的功能和传统的继电保护功能。针对目前变压器保护装置存在的一系列问题，基于DSP的变压器微机保护装置的研究具有理论和现实意义。1.3 本文的研究内容课题内容主要包括总体方案设计、保护方案硬件以及软件设计等方面。论文的具体章节安排如下：第一章分析了国内外变压器在微机保护方面的发展、论文研究意义和研究内容；山东科技大学学士学位论文 绪论4第二章介绍了变压器的故障类型和相应保护的基本原理；第三章设计基于 DSP 的变压器差动保护装置的硬件电路；主要是数据采集模块的设计、人机接口部分硬件设计和数据采集模块与人机接口模块的通信设计；第四章对微机保护的算法进行了简要的介绍；第五章讲述了保护装置的软件设计，主要包含了主程序、定时采样中断程序以及故障处理程序的流程设计。山东科技大学学士学位论文 变压器保护的基本原理52 变压器保护的基本原理变压器是电力系统中的一种重要的电气设备，分布于系统各不同电压阶层，它的安全可靠运行直接关系着电力系统正常供电。数字式变压器保护在硬件上与一般线路微机保护相似，但由于其结构的特殊性，因而使得用微机实现变压器保护时具有一些突出的特点。根据继电保护配置原则，变压器应装设主保护和后备保护。当主保护或有关断路器拒动时，后备保护装置应为被保护设备或相邻设备提供后备保护作用。后备保护的保护区比主保护大，动作速度较慢，一般以过电流保护为主，配以其他电气量作为辅助判据，保护要求较主保护低。下面就变压器的故障类型和各种保护原理进行论述。2.1变压器的故障类型和不正常运行状态变压器的故障，可分为短路故障和不正常运行状态两种。变压器的短路故障，按发生在变压器的内外部情况分为内部故障和外部故障。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:由于变压器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等原因引起的油面降低。这些不正常工作方式将使变压器绕组温度升高，