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大型电力变压器热保护系统的研究与实现 学科：计算机应用技术 研究生签字： 指导教师签字：于叭 摘要 本文在全面介绍和评述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1 2 0 k v 电压等级的电力变压器的热保护进行了专门研究。根据这一类电力变 压器的运行特点，吸取以往各种保护方法的长处，提出了一套适合于1 2 0 k v 电压等级的 电力变压器热保护方案。 该方案进一步优化了变压器热保护的配置原则，提高了热保护的可靠性；同时还在此 基础上，通过对最小二乘算法及其适用范围的分析和仿真计算，提出了一种适用于电力变 压器数字信号处理的算法。该监测系统采用单总线数字温度传感器d s l 8 8 2 0 作为温度传 感器。根据发电厂变压器分布实际情况，提出“分散一集中一再集中”的监测系统总体设 计方案。设计了以a t 8 9 s 5 2 单片机为控制核心的终端数据采集器，用以采集各传感器的 数据，并将数据送至工控机内进行显示和处理。每个终端采集器可驱动8 路温度传感器单 线，每路单线可驱动多只d s l 8 8 2 0 。终端采集器还具有数据显示、报警线设定和紧急控 制等功能，具备独立运行的功能。终端采集器配备r s 4 8 5 串行口，采用串行传输协议与 工控机通讯。 本文从主电源电路、温度传感器数据采集电路、显示电路、通讯电路等几个方面对终 端采集器硬件组成进行了细致的描述，同时阐述了终端采集器和上位机软件设计的思路， 采用了优化的快速算法，人机会话中采用了菜单技术，增加了完善的自诊断功能，使该装 置具有很高的准确性和可靠性，在操作上更加简明方便。并对系统的抗干扰问题进行了认 真的探讨。 本装置将变压器运行工况监测与继电保护相结合，体现了新一代微机保护装置的设计 思想。经有关部门实验测试，本装置测量精确，动作快速准确，性能达到设计要求。 关键字：电力变压器；热保护：最小二乘；单片机：抗干扰 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no nt h e r m a lp r o t e c t i o ns y s t e m d i s c j p o 呻出y ，a f 曙乱帅 k s t u d e n ts i g n a t u r e ：q i 匕f 泓l s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：7 勿玩 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sas p e c i a lr e s e a r c ho nt h e r m a lp r o t e c t i o nf o rp o w e rt r a n s f o r m e ro f 1 2 0 k v v o l t a g er a t i n g sb a s e do nw i d e l ys u m m a r i z i n gt h et h e o r yo fp o w e rs y s t e mt h e r m a l p r o t e c t i o na n di t sa d v a n c e dt r e n d a f t e ra n a l y z i n gt h ew o r k i n gc h a r a c t e ro ft h et r a n s f o r m e ri n d e t a i la n dd r a w i n ga d v a n t a g e si no t h e rp o w e rt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n ，as c h e m ew h i c hi sf i tt o p o w e rt r a n s f o r m e ro f1 2 0 k vv o l t a g er a t i n g si sp r o p o s e d t h es c h e m eo p t i m i z e st h ec o n f i g u r i n gp r i n c i p l ea n de n h a n c e st h er e l i a b i l i t yo f t r a n s f o r m e rt h e r m a lp r o t e c t i o n f u r t h e r m o r e ，t h r o u i g ht h ea n a l y z i n ga n de m u l a t i n gc a l c u l a t i o n o fr l s ，t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sa na l g o r i t h mw h i c hi sf i tt od i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n go fp o w e r t r a n s f o r m e r i nt h i sm o n i t o r i n gs y s t e m ，d i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o r sd s l 8 8 2 0w i t hs i n g l el i n e a r ei m p l e m e n t e da st h ed e t e c t o r so ft e m p e r a t u r e a no v e r a l ld e s i g ns c h e m eo ft h es y s t e m ， “d i s t r i b u t i o n c o n c e n t r a t i o n r e c o n c e n t r a t i o n ”，i sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lt r a n s f o r m e r d i s t r i b u t i o ni nt h ep o w e rp l a n t at e r m i n a ld a t ac o l l e c t i n gd e v i c ew i t ha na t 8 9 s 5 2m c ua si t s c o n t r o lc o r ei sd e s i g n e dt og a t h e rt h ed a t af r o mt h es e n s o r sa n dt r a n s f e rt h e mt oap cf o r p r o c e s s i n ga n dd i s p l a y i n g e a c ht e r m i n a lc o l l e c t i n gd e v i c ec a nd e a lw i t h8s i n g l el i n e so f t e m p e r a t u r es e n s o r s ，a n de a c hs i n g l el i n ec a nb eu s e dt od r i v es e v e r a ld s l 8 8 2 0s e n s o r s t h e c o l l e c t i n gd e v i c ea l s oh a sf u n c t i o n so fd a t ad i s p l a y i n g , a l a r ml i n es e t t i n ga n de m e r g e n c y c o n t r o l l i n g , e t c t h u si th a st h ea b i l i t yt oo p e r a t ei n d e p e n d e n t l y ar s 一4 8 5p o r ti se q u i p p e di n t h ec o l l e c t i n gd e v i c e ，b yw h i c hs e r i a lc o m m u n i c a t i o nw i t ht h ep cc a nb er e a l i z e d t h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o no ft h et e r m i n a lc o l l e c t i n gd e v i c ei so u t l i n e di nd e t a i l sf r o mt h e a s p e c t so fp o w e rc i r c u i t s ，d a t as a m p l i n gc i r c u i t so ft e m p e r a t u r es e n s o r s ，d i s p l a y i n gc i r c u i t s ， c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t sa n ds oo n t h es o f t w a r ed e s i g nf o rt h et e r m i n a lc o l l e c t i n gd e v i c ea n d p ca r ea l s os e tf o r t h ，a n dt h eo p t i m a lf a s ta l g o r i t h m ，t e c h n o l o g yo fm e n ui nm a n - c o m p u t e r i n t e r f a c ea n df u n c t i o no fs e l f - d i a g n o s i sa r ec o m b i n e d a l lt h e s ec h a r a c t e r sg i v et h ed e v i c eg r e a t a c c u r a c y , r e l i a b i l i t ya n do p e r a b i l i t y b e s i d e s ，t h ea n t i i n t e r f e r e n c ep r o b l e m si nt h em o n i t o r i n g s y s t e ma r es e r i o u s l yd i s c u s s e d t h ed e v i c et h a tc o m b i n e sm e a s u r e m e n tw i t hp r o t e c t i o ns h o w st h em o d e r nd e s i g nc o n c e p t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h i sd e v i c eh a sa c c u r a t em e a s u r e m e n t ，f a s ta n dc o r r e c t r e s p o n s e i naw o r d ，i t sf e a t u r eq u a l i f i e st h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r , t h e l m a lp r o t e c t i o n ，r l s ，m i c r o c o m p u t e r , a n t i - i n t e r f e f e n c e 盯岣 船 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或用 学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学院有权保留送交的学位论 文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 日期： 2 0 0 套f a ；矗 嗄一 夼雪 名签 ： 者 名 作 签 文 师 论 教 位 导 学 指 学位论文独创性声明 学位论文独创- 生声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人已经申请学位 或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：乡斧毒 i 指导教师签名： j 、b 叉 e t 期：乞岬劾仰z 7 日 1 绪论 1 1 课题来源及名称 1 绪论 课题来源：国电公司宝鸡第二发电有限责任公司 课题名称：大型电力变压器热保护系统的研究和实现 1 2 电力变压器热保护系统研究的意义 变压器是整个电力系统的发、变、送、用环节中最重要、最昂贵的设备之一，其运行 的安全性和可靠性直接影响整个电力系统的运行链完整性、关系到变电企业，广大用户利 益和人民群众的生活。电力变压器的故障，不仅会造成供电系统意外停电而导致电力企业 经济效益减少，且可能造成用户的重大经济损失和抱怨，因此这些设备的可靠性及运行状 况直接决定整个系统的稳定和安全，也决定了电力企业的经济效益及供电质量和可靠性。 电力变压器状态监测及故障诊断为电力系统的安全稳定运行提供了依据。 电力变压器的内部故障主要有过热性故障、放电性故障及绝缘受潮等。统计表明1 1 、2 】 在全部故障中过热性故障占6 3 ；高能放电性故障占1 8 1 ；过热兼高能放电性故障占 1 0 ；火花放电占7 ；受潮或局部放电占1 9 ，因此研究变压器的过热故障具有很大实 用价值。 1 3 电力变压器热保护现状及分析 1 3 1 电力变压器热保护技术国外发展现状 随着科学技术的发展，计算机控制技术已渗透到各工业领域，并且以其独特的优势占 据着工业控制领域的主导地位。例如，以单片机、可编程逻辑控制器作为中央控制单元， 配合必要的外围信号检测与处理电路，可完成电力变压器的两极选择性漏电、对称短路、 过载、过热和过欠电压等保护功能，而且动作指标完全符合设计要求。可见，由于微机控 制系统的引入，它使电力变压器热保护技术乃至综合保护技术都产生了质的飞跃，为电力 变压器综合保护的进一步发展奠定了坚实的基础。 近年来，英国、德国等国家在变压器热保护方面均采用微型计算机控制方式，因此它 使电力变压器热保护具有功能多、智能化、动作速度快的优点。例如，英国b r u s h 变压器 两安l 业人学硕十学位论文 公司生产的移动变电站就是这一领域的典型代表。它以单片机作为中央处理单元，采用模 块化功能设计方法，实现了过热、过压等多项保护功能，是一种比较完善的保护系统，并 能非常方便地实现就地控制及远方控制功能。再如英国华莱公司的双速开关变压器保护系 统，由8 0 c 1 9 6 c p u 实现了微机保护，保护系统采用模块插件式结构，由输入板、主控板、 输出板、显示板和电源板组成，能同时实现多种保护功能。此外，德国s i e m e n s 公司生产 的s i p r o t e c 4 系列多功能保护继电器，不仅具有完善的保护功能，而且具有良好的人机界 面，广泛的应用于电力变压器热保护系统。 随着电力变压器热保护技术的不断发展和对安全运行要求的逐步提高，常规的继电保 护和故障诊断技术不能完全适应复杂变化的电网运行工况，于是研究人员提出了自适应继 电保护和自动故障诊断的人工智能技术，为电力变压器热保护系统的研究开辟了新的方 向。 1 3 2 我国传统变压器热保护措施的缺点 几十年来我国高压电气设备的技术管理一直采用的是设备预防性试验+ 设备计划性 大修的维护方式p 】。这种检修方式既有利更有弊，其优点是：1 、能够发现和处理设备缺 陷减少设备运行中的损坏，保证电力生产的安全；2 、能够减少设备事故或者障碍造成的 非计划性停电，保证供电的质量和可靠性。但这种维修方式不能事先掌握设备的状态，而 且采用一刀切的方式：到期必修。实践表明其中相当量的检修是没有实际意义的，多余的。 由此造成了设备的“过度检修”，结果是：1 、浪费了大量人力和检修费用：2 、增加检 修停电时间和停电次数，造成频繁的运行操作，增加了误操作的事故率；3 、过度检修造 成设备频繁拆装，难免在检修过程中产生新的设备隐患；4 、检修后按要求对设备应进行 的耐压等试验也会对设备造成不可逆损伤，使设备总体寿命下降。 1 3 3 电力变压器热保护系统研制的必要性和可能性 实践证明，过去的设备计划性检修方式己与现在的电力生产不相适应，有必要采用新 的设备维修方式，因此产生了“设备状态检修”的新思路i ”。 变压器的在线状态监测可以实时监测变压器在实际运行状况下的健康状况，为系统的 安全稳定运行提供保证；同时它还可为变压器的状态检修提供依据，是实现状态检修的前 提和重要组成部分。因此，研究和应用大型变压器的状态监测与故障诊断技术，保证变压 器安全可靠运行，保障送变电的安全，这不仅仅是局部的经济问题，也是社会公共利益问 题，必然成为学术界和产业界关注的重大课题。虽然变压器的状态检监测与故障诊断技术 已经取得了一定的进展，但还不能很好地满足实际送变电安全的需要，因此，利用现代科 技发展的最新成果，进一步研究开发大型变压器的状态监测与保护系统，保证变压器以及 电网的长期、安全、可靠、高效运行，具有重要的意义。 2 两安t 业大学硕十学位论文 本文所研究的电力变压器热保护系统具很多优点，主要表现如下： ( 1 ) 通过降低维修次数，延长大修时间间隔，缩短维修时间，可以减少停运损失，提 高电力变压器可靠性和运行有效度，节约电力变压器维护费用，降低电力变压器全寿命周 期成本。 ( 2 ) 由于电力变压器热保护系统是以电力变压器运行状态下的在线监测结果为依据 进行维修，所以能够预报电力变压器热故障发生的时间和起因，可以有效地防止突发事故 的发生。 1 4 本论文研究的主要内容 本课题从装置上说，是要以a t m e l 公司的高性能8 位微处理器a t 8 9 s 5 2 为核心， 研制出适用于1 2 0 k v 电力变压器的微机保护装置，并研究该装置的各种性能；同时，本 课题在理论上，要针对变压器故障类型多、问题复杂的特点，在现有的变压器微机保护理 论和实践水平基础上，联系本课题的特点，在算法以及保护原理上进行一些研究，具体工 作如下： 一、针对电力变压器实际运行中可能发生的各种类型的故障和不正常运行情况，对电 力变压器的各种保护原理进行了研究分析，制定了具体的保护方案。 二、根据对电力系统微机保护和监控系统中经常采用的各种采样算法的分析比较，并 结合本装置的特点，确定了1 2 0 k v 电压等级的变压器微机保护装置中采用最d , - - 乘算法， 在实现快速高精度测量的基础上，保证了算法的速度和精度。并编制了该算法的仿真程序 和相应的实用程序。 三、在吸取以往各类微机保护优点的基础上，对电力变压器的微机保护装置进行了全 面的硬件系统设计。包括以a t m e l 公司的高性能8 位单片机a t 8 9 s 5 2 为核心的主模块、 人机接口模块、输入，输出模块和相应的外围模块。在分析装置功能要求及各电路工作原 理的基础上，选择合理的电路结构，采取了相应的抗干扰措施。 四、根据电力变压器装置的功能要求，编制并调试了软件系统；包括主监控软件及各 功能模块的软件编制。微机保护系统的软件设计主要是以硬件为基础，完成各种保护算法 和比较，并提供丰富灵活的手段对保护装置进行监视维护。根据用户的需要，设计出了可 显示波形分析和故障分析等操作的图形用户界面，以及功能比较完善的数据库系统。 五、完成了装置的制作、调试和测试，对其技术性能测试结果进行了分析，并在此基 础上，采取了一些进一步提高其性能的措施。 2 电力变乐器热保护系统分析 2 电力变压器热保护系统分析 2 1 变压器运行温度概述 变压器是一种按电磁感应原理工作的电气设备，变压器的两个相互绝缘着的绕组，绕 在一个铁芯上，通过电磁耦合达到改变电压，输送电能的目的。变压器在运行中由于存在 着铜损和铁损，因此运行中的变压器不可避免的存在着发热问题。为了监视变压器的温度， 变压器都设有温度指示仪表，目前变压器温度计指示的是变压器顶层油温，一般不得超过 9 5 ，运行中的监视油温定为8 5 “1 。运行中的变压器在环境温度为4 0 时，其温升不 得超过5 5 ( 温升是指变压器的顶层油温减去环境温度1 ，顶层油温如果超过了9 5 ，其 内部绕组的温度就要超过绕作绝缘物的顶层油温界限，长期过负荷运行时要适当降低监视 温度，具体数值由试验确定。顶层油温一般油温规定值见表2 1 1 5 1 表2 1油浸式变压器顶层油温一般规定值 一般变压器的主绝缘( 绕组的绝缘) 是a 级绝缘( 纸绝缘) ，最高使用温度为1 0 5 。c ，一 般绕组温度比油面温度高1 0 一1 5 。我国变压器的温升标准，均以环境温度4 0 为准， 同时确定平均温度为1 5 ，故变压器顶层油温不得超过9 5 ，温度过高，绝缘老化严重， 绝缘油劣化快，影响使用寿命，变压器的各部分温升极限值见表2 2 表22 变压器各部分温升的极限值 变压器部位最高温升( 1 2 ) 绕组 铁芯 油( 顶部) 6 5 7 0 5 5 2 2 变压器测温方法介绍 目前常用的温度监测方法主要有以下几种m 。 ( 1 ) 感温电缆式测温：将感温电缆与被测元件平行安放，当电缆温度超过固定温度值 时，感温电缆被短路。 ( 2 ) 热敏电阻式测温：利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温 度。可以根据电阻变化值来显示温度值。 4 西安。t ：业人学硕士学位论文 ( 3 ) 热电偶式测温：根据热电效应原理，将两个成分不同的导体连接在一起，由温度 差产生电动势来测量温度。 ( 4 ) 数字温度传感器测温：数字温度传感器是在2 0 世纪8 0 年代中期问世的。目前， 数字温度传感器已成为集成温度传感器中最具活力和发展前途的一种新产品。数字温度传 感器内部包含温度传感器、a d 转换器、存储器( 或寄存器) 和接口电路。 下面对上述四种方法进行比较： 感温电缆式测量方法，一方面造价高，另一方面系统仅能一次性使用，不能测出被测 元件的实际温度值，同时电缆数量多，系统安装及维护工作不够方便，设备易损坏。 热敏电阻式和热电偶测温方式，虽然已可以进行在线测量设备温度值，但每个元件都 需要独立的接线，布线复杂且热敏电阻易损坏、维护量大，传感器不具各自检功能，需要 经常校验，不适于总线布置。 数字温度传感器，它不仅可实现温度测量的实时性，更由于它有较高的集成度，能将 温度信号直接转换成串行数字信号，直接与数字控制设备接口，适合于总线布置，因此可 以大大降低系统设计和布置的复杂性。它是当前温度传感器中最为先进的一种。因此，本 系统采用美国d a l i a s 公司的产品可编程单总线数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 实现变压器 温度信号的采集，进而实现变压器的温度监测。 2 3 变压器绕组的热源和散热分析 电力变压器是输变电系统中的主要设备，而绕组温度直接决定其使用寿命。对于a 级绝缘的变压器，温度每增加6 ，绝缘老化速度增加一倍，变压器工作寿命减少一半。 随着电力事业的发展，大容量超高压变压器得到了迅速的发展和应用。为了保障变压器运 行安全可靠，延长变压器的使用寿命，测量变压器绕组的温度己显得十分重要。本节对变 压器绕组的热源和散热进行分析 6 - - 9 1 。 2 3 1 变压器绕组的热源 变压器绕组的热源主要是绕组的电阻和绕组内部的涡流损耗，其表达式为： p = ，；+ ，耽一12 r + ， ( 2 1 ) 其中，、r 、p 觋分别为变压器绕组的电流、电阻和涡流损耗。计算中，单位热源 q = p v ，p 为测量得到的有功损耗；v 为绕组体积。 2 3 2 变压器绕组的散热分析 变压器绕组的散热主要是对流换热，包括箱壁外侧与外界空气的自然对流散热和油流 与箱壁内侧和绕组的强制对流散热。对流散热主要取决于两者之间的温差、对流换热系数 曲安f 。业人学硕十学传论文 和换热而积。由于箱壁的几何形状比较规则，自然对流换热系数口采用均值对计算结果影 响不大。a 由下式得到1 1 0 】： a c ( z h ) ( g r ，p , ) “，( 2 2 ) 其中，日为箱壁高度；g o 为葛拉晓夫数；c 为普朗特数；c 和n 为常数；a 为空气 导热系数。 由于受许多因素的影响，如油的物理特性、绕组的生热率和几何形状、各绕组的空间 位置、边界条件和油的流动方式等，油流与绕组的强制对流散热相对复杂一些，其中各绕 组的空间位置决定了它们和油之间的a 相差很大，不能用均值近似。油的流动方式决定了 换热的效果，可分为层流和湍流，两者流动状态和换热效果相差较大，须通过雷诺数r 判 断： r e p 比，l( 2 3 ) 其中，p 为流体密度： 为流体流速；l 。为特征尺寸；芦为流体绝对粘度。当r 。 ：p 。h 。o t ) ( 3 1 6 ) 铝 将式( 3 1 ) 中的正弦函数展开后，就可得最小二乘估计的计算式： y 一即) 。a xt h x( 3 1 7 ) 式中：h 为计算矩阵：x i x ( 1 ) ，工( 2 ) ，x ( n ) 1 7 ，y 一【x o c o s q ，o ，x os i n q ，o ，| 口l ，p x l t 分别为采样值和估计参数向量；基波向量计算公式为j 。一x 。c o s q ，o + 。s i nc p 。；系数矩 阵a 定义为： fs i n ( w j , ) c o s ( o , j )岛伍) h x ( t ) 1 a = l ；!i i l( 3 1 8 ) l s i n ( n o j o t , ) c o s ( s o , j , ) 啊( 们：) k ( i ) i 最小二乘算法的系数矩阵a 和计算矩阵h 都可以通过离线计算获得。并保存在保护 装置中。如果只求取基波向量，则只需h 矩阵的前2 行，此时完成一次最小二乘算法的 计算量为2 n 次乘法加2 n 一2 次加法，完全可以满足保护算法的实时性要求。 五、其它算法的简介 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 _ 一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。 就微机保护而言，保护的算法决定了保护的性能，提高保护算法的精度和速度可以使 保护准确、高速、灵敏地检出故障。尽管当今计算机芯片运算速度和计算精度得到了大幅 度的提高，但计算精度和速度的问题仍然是保护算法要解决的关键。在保护中得到广泛应 用的傅氏算法，滤波特性好、精度高，但数据窗长，保护的响应时间长。与傅氏算法相比， 最小二乘算法除具有滤波特性好、精度高的特点之外，其数据窗可变，滤波结果取决于计 算中所用的样本数。在计算过程中，最 b - - 乘是一种批处理方法，这种滤波器通过一个数 据块接一个数据块的重复计算来适应非平稳数据。因此其运算量比较大，不过，由于计算 1 6 两安t ：业人学硕十学位论文 能力已不再像以前那样成为这种方法的障碍。 通过对以上介绍的各种算法的性能比较，再联系本课题对保护功能的具体要求，可以 看出，最小二乘滤波算法能较好的适用于本保护装置。最小二乘算法在应用中的主要问题 是如何选择算法的噪声模型1 2 8 1 。算法在不同噪声模型下的滤波性能是不一样的，其估计 精度与实际系统的暂态过程特点有关。下面通过对各种噪声模型下最小二乘算法的综合性 能进行对比研究，确定使本系统误差达到最小的最佳噪声模型。 3 2 最, j 、- - 乘算法的噪声模型 最小二乘算法的精度取决于所选择的噪声模型与实际信号的差异程度。如果噪声模型 与实际信号完全一致，则估计值没有误差，两者差异越大，误差也越大。因此，合适地选 择噪声模型是提高估计精度的关键。 故障暂态噪声的般形式可表示为： 卫 j - o ) 暑x , s i n ( t 厅l + 钆弦h 且 j ，”善p ( 3 1 9 ) 式中：峨为各次谐波的频率；l ， e i 为各次谐波和非周期分量的衰减时问常数。 由于式( 3 1 9 ) 是非线性的，不能直接作为最小二乘法的模型。实际使用中的模型要对 此进行简化。 对于噪声中的谐波分量，由于实际继电保护装置的数据采样系统中都装设抗混叠模拟 低通滤波器，频率很高的谐波己被滤除，所以在谐波分量模型中一般只考虑5 次以内的谐 波分量，并且假设是不衰减的整数次谐波。谐波分量模型可表示为： 式中：仇为整数，且2 s 脚ts5 ；ms 4 。 ( 3 2 0 ) 根据m 。与m 的不同，有多种不同组合。也可将噪声谐波分量看成是随机噪声，即 t 0 ) ；0 。 对于噪声中的非周期分量，由于衰减时间常数对算法精度的影响相当大，需在模型中 考虑，但一般假设只有一个时间常数。根据时间常数取值不同，有以下4 种模型： a 直线模型：工，o ) 一p 。一n p ：。这是最基本的非周期分量模型，它用一阶泰勒级数对 指数函数进行近似。 b 直流模型：毒，o ) p 。这是假设时间常数为无穷大的情况。 1 7 、，i妒 + t 忍 0 i如 ns i z y 自 暑 、joi z 西安i ：业大学硕十学位论文 c 预设时阳j 常数模型：z ，o ) = p e “。其中_ r 。是根据系统参数预先假定的，一般取 线路电感与电阻的比值，或比它略小。 d 随机噪声模型：x ，) = 0 。即在噪声模型中不考虑非周期分量。也可认为假设时间 常数为0 。 非周期分量模型与谐波分量模型的任意一种组合就构成了一种最小二乘算法的暂态 噪声模型，总共有6 0 种。 3 3 各种噪声模型的- 性能比较 由于算法采用简化的噪声模型，与实际信号不一致，算法的估计结果存在误差。但也 并非噪声模型越复杂误差就越小。因为模型复杂后系数矩阵a 的条件数会增大，造成误差 的放大。因此，要对它们进行综合分析，寻找出最佳的噪声模型。 3 3 1 评价方法 从滤波器的角度，算法是由2 个正交的带通滤波器组成的，通带以基波为中心。频谱 的通带越窄，阻带的旁瓣越小，算法的性能越好。因此，可以通过算法的频谱来比较各种 模型的滤波能力。 设对于输人信号：u ( n ) ；vs i n ( 2 s r f n t , + 9 ) ，算法计算得到的基波相量为u 。e m ，算法 的频谱可定义为： w 一等- ”( 3 2 1 ) 与滤波器的频谱不同，算法的频谱一般与输人信号的初相角有关，所以算法的频谱是 一族以初相角为参量的曲线。这使算法频谱的比较很困难。为此，定义算法的最大频谱为： h 一( ，) 2m a x i m l ，伊_ ( 3 2 2 ) 最大频谱是算法所有频谱的晟大包络线，它反映了算法最大可能的误差。由于继电保 护要求在最严酷的情况下不超越，因此最大频谱有实际意义。 本文用平均虽大频谱“来比较算法滤除谐波分量的能力。考虑到实际保护中的抗混 叠模拟滤波器的作用，算法的输入信号中不会含有很高次的谐波分量，因此定义平均最大 频谱，。为： “一面1 加h ( d d f ( 3 2 3 ) ，。可以直观地表示算法滤除谐波分量的能力。对于非周期分量，它的频率成分非常 丰富，而且频率的能量总体上从低频段向高频段逐渐减小，而，。只能反映算法在某一频 段的平均滤波效果。因此，频率积分的方法不能用来衡量算法滤除非周期分量的能力。 1 8 明安i = 业大学硕十学位论文 设算法的输入信号为“= e 一咖，算法的输出与衰减时间常数r 有关，表示为d 。( r ) 。 5 0 0 k v 线路的阻抗角一般在8 6 0 左右，相应的f = o 0 4 5 s 。本文用下式表示算法滤除非周期 分量的能力，即： 小志厂哺肌 ( 3 2 4 ) 3 3 2 最小二乘算法各种模型的比较 根据式( 3 2 3 ) 和式( 3 2 4 ) 对各种模型的最小二乘算法进行计算，得到表3 1 和表3 2 。 表3 1 各种噪声模型下的 非周期分 量模型 随机噪声 预设时 间常数 直线模型 直流模型 注：4 ，6 谐波分量， 模型了1 1 广石西i 吾百面一 随机噪声1 9 8o 8 40 4 80 2 70 1 9 0 1 90 1 80 1 50 1 3 3 次、5 次一一 0 5 40 2 70 1 5 0 1 7o 1 60 1 50 1 3 2 次6 次 一一一一一 0 3 70 2 lo 1 90 1 3 随机噪声一4 7 02 0 6 1 0 80 6 3o 3 7 0 2 50 1 70 1 3 3 次、5 次一 一 一 1 1 8 0 6 20 3 40 2 10 1 80 1 3 2 次5 次一一一一一一 o 9 7o 3 20 1 3 随机噪卢 一一一4 9 82 4 3 1 3 90 7 90 5 00 3 3 3 次、5 次一一一一 3 1 21 3 80 7 60 4 90 3 6 2 次巧次一一一一 一 一 2 4 7o 7 9 随机噪卢一4 6 72 0 51 0 6 3o 3 70 2 50 1 7 0 1 3 3 次、5 次一一一 1 1 70 6 10 3 40 2 00 1 80 1 3 2 次巧次一一一一一一0 9 60 3 2 0 1 3 2 0 为时间窗长度( 璐) ；。一”表示，很大( 1 日硝) 的情况，在此情况下模 型肯定是不佳的。 表2 各种非周期分量模型的i 值 非周期分量 ! l 模型4 68 1 01 21 41 61 8 2 0 随机噪声0 9 50 9 5 0 9 60 9 4 0 8 40 6 40 4 0 0 2 40 1 9 预设时间常数0 1 7 0 1 4o 1 30 1 20 1 1 0 1 1 0 i io 1 10 1 0 直线模型0 1 50 1 10 0 90 0 8o 0 70 0 60 0 6o 0 60 0 5 直流模型0 2 40 2 10 2 00 1 90 1 9 0 1 9 0 i g0 2 0o 1 9 注：4 ，6 2 0 为时间窗长度( m s ) 。 由于谐波分量的模型类型太多，表l 中不可能将所有模型的结果都列出，仅列出最简 单的谐波分量模型( 随机噪声模型) 、最复杂的谐波分量模型( 2 次5 次谐波模型) 和有可 能达到最佳的谐波分量模型。 根据表1 和表2 的结果，可以得到以下的结论： 两安下业火学硕十学位论文 a 直流模型与预设时间常数模型相比，滤除谐波分量的能力相当而滤除非周期分量的 能力较差。 b 复杂的2 次5 次谐波分量模型滤除谐波分量的能力较差。虽然此模型的频谱在整 周期处为0 ，但因其在非整周期处的旁瓣更大，频谱特性，e j , 体较差。 c 直线模型滤除非周期分量能力最强，但滤除谐波分量的能力最差。 d 当时间窗小于1 0m s 时，随机噪声谐波模型滤除谐波分量的能力最好。当时间窗大 于1 0m s 时，3 次、5 次谐波模型总体上较好。 e 随机噪声非周期分量模型滤除谐波能力最强，但滤除非周期分量能力最差。 f 时白】窗小于6m s 时，因时间窗太小，随机噪声非周期分量模型加随机噪声谐波分 量模型最佳。 g 由于故障条件不断变化，预设时间常数模型中预设的时间常数不可能总与实际衰减 时间常数相同，这引入了一定的误差。但实际误差时间常数的变化范围有限( 约为 0 - 0 0 4 5 s ) ，如果能够适当选取预设时间常数，则误差能够控制在较小范围内。 3 3 3 本系统数字滤波噪声模型的选取 电力变压器热保护系统中，数据滤波模块采用最小二乘算法计算温度信号中的基波相 量，然后依据数据分析模块保护判据对系统构成保护。虽然算法使用的各模型为相应时间 窗下的最佳模型，但由于最4 - - 乘算法的误差随着时日j 窗的减小逐渐增大，当时间窗较短 时，保护必须根据算法最大误差缩小保护的范围。随着时l 日j 窗增长，保护范围逐渐扩大， 当时间窗为2 0 m s 时，保护范围扩大为正常范围。 电力变压器热保护系统中，来自传感器的温度信号为数字信号，谐波分量噪声较多。 为使滤波的效果最佳，保护中最d , - - 乘算法时削窗采取2 0 m s ，使用上文得出的相应时间 窗下的噪声模型。因此对于该信号，比较好的方案是：时l 日j 窗长度采取2 0 m s ，采用直线 非周期分量和3 次、5 次谐波模型。 、 2 0 4 电力变压器热保护系统硬什实现研究 4 电力变压器热保护系统硬件实现研究 电力变压器热保护系统完成对各变压器测温点的实时监测。系统的硬件设计中既要 考虑完成系统的总体任务，又要力求使用尽可能少的部件并确保编程简单化，以提高系统 的可靠性。本章介绍了电力变压器热保护系统的总体硬件构成，对传感器选型进行了介绍， 并详细讲解了采集器的硬件电路的设计方案【3 5 句7 l 。 4 1 系统的总体构成 根据发电厂变压器分布的实际情况和特点，本文研制的电力变压器热保护系统的总体 硬件设计采用“分散一集中一再集中”的方案。系统硬件的总体结构设计如图4 1 所示。 它包括以下几个部分。 ( 1 ) 传感器 处于系统最基层的是各传感器，即温度传感器。根据变压器的实际分布情况，将它们 以“分散”的形式布置在需要检测的变压器的各测温点处，采集各点温度。 ( 2 ) 终端采集器 终端采集器是监测系统中信息传输和处理的关键环节，处于承上启下的地位，即：一 方面，它对一定数量的温度传感器输出的信息进行收集整理，并完成必要的保护功能，起 着“集中”的作用；另一方面，为了完成对来自所有传感器的信息的处理，监测系统中需 要适当分散布置多个终端采集器，这些终端采集器输出的信息再传送给其上位机。 为了实现和上位机的通讯，终端采集器需要具有数据通讯接口。考虑到传输距离和抗 干扰能力等因素，在终端采集器上采用了r s - 4 8 5 串行接口，以r s - 4 8 5 串行通讯协议与 上位机进行通讯【彻。 终端采集器按其容量范围、变压器实际分布状况合理分布。整个系统所允许的终端采 集器最大数量是由所使用r s - 4 8 5 通讯芯片的驱动能力来决定的。 考虑到对终端采集器可能有不依赖上位机而独立工作的要求，还为各终端采集器配置 了数字显示单元，以循环显示各传感器采集到的数据和时间等信息。 ( 3 ) 上位机 上位机接收来自各终端采集器的数据，并进行必要的分析、判断和显示，对整个监测 系统的运行进行统一调度管理，以实现“再集中”。它完成的任务有：循环访问各终端 采集器，并对采集器的数据进行收集：显示发电厂内电力变压器及相应温度传感器分布 位置；实时显示各传感器数据；通过程序扩展，可完成全厂变压器管理。 2 1 两安l ：业大学硕十学位论文 温度传赌器 图4 1 电力变压器热保护系统总体结构示意圉 本监测系统中，上位机采用的是工控机。由于工控机的标准配置为r s 2 3 2 接口，而 终端采集器采用的是r s 4 8 5 串行接口，因此需要配置一个接口转换装置，实现r s 一4 8 5 和r s 2 3 2 接口问的转换。 4 2 单线数据温度传感器 数字温度传感器，它不仅可实现温度测量的实时性，更由于它有较高的集成度，能将 温度信号直接转换成串行数字信号，直接与数字控制设备接口，适合于总线布置，因此可 以大大降低系统设计和布置的复杂性。 本系统采用的是美国d a l l a s 半导体公司生产的单线总线式数字温度传感器 d s l 8 8 2 0 ，它是在2 0 世纪9 0 年代中期问世的。单线数字温度传感器d s l 8 8 2 0 可把温度 信号直接转换成串行数字信号供微机处理，每片d s l 8 8 2 0 含有唯一的系列号，在一条总 线上可挂接多个d s l 8 8 2 0 芯片。从d s l 8 8 2 0 读出的信息或写入d s l 8 8 2 0 的信息，仅需 要条数据线( 单线) 来传输。读写及温度变换功率来源于单线。下面对d s l 8 8 2 0 特性和 工作原理作以简要介绍1 3 9 4 ”。 1 ) d s l 8 8 2 0 的特性 单线接口：仅需一根单线与m c u 连接。 无需外围元件。 供电电压范围为3 0 v 巧5 v 。 测温范围为一5 51 2 1 2 5 ( 2 ，当电源电压在3 o v 5 5 v 时，在1 0 c 一+ 8 5 范围内， 可确保测量误差小超过o 5 ；在5 5 一+ 1 2 5 范围内，最大测量误差也不超过2 。 9 - 1 2 位二进制温度读数，可通过r a m 中的c o n f i g 寄存器的可编程温度分辨率 位r 0 r 1 进行选择。 用户可自设定温度报警上下限，且其值是非易失性的。 2 2 两安r 业人学硕十学位论文 报警搜索命令可识别哪片d s l 8 8 2 0 超温度限值。 具有电源反接保护电路。 2 ) d s l 8 8 2 0 引脚及功能 d s l 8 8 2 0 的封装如图4 2 所7 示, , ( p r 3 5 封装1 。 图4 2d $ 1 8 8 2 0 封装 三个引脚的意义为： g n d ：地： d q ：数据输入，输出脚( 单线接口，可作