（电气工程专业论文）基于dsp的变压器差动保护研究.pdf

t h et r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nb a s e do nd s p b y z o uj i e x u a n b e ( h u n a nc o l l e g eo fa r t sa n ds c i e n c e ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o n o f t h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e e o f m a s t e ro ft h ee l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t esc h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rf a n gh o u h u i a n d s e n i o re n g i n e e ry a n gr u i m i n a p r i l ，2 0 11 忡55m 3 7 0例9川-m y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识剑本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：多p 唐兹够日期：多咐年f 月乃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期： 夕f 年f 月岁曰 日期： 切1 1 年岁月1 哥日 拓崦弋沙岁、寸 綮fd s p 的变脏器差幼保护研究 摘要 电力变压器是电力系统的重要组成部分之一，它的工作状态直接关系到整个 电力系统的安危状况，如何正确及时地处理变压器的故障以确保电力系统的正常 运行是电力系统维护的重要研究方向，它具有重要的理论意义和现实意义。本文 以电力系统继电保护和电力系统对继电保护装置的基本要求为研究起点，拓展出 变压器继电保护系统，针对变压器保护中的差动保护问题，从以下几个方面展开 了研究： 针对传统电磁式互感器有铁芯易饱和、绝缘结构复杂、体积大、重量大等 缺点，将电子式互感器引用到了变压器差动保护中，并提出了详细的设计方案。 该方案着重研究了合并单元应用于变压器差动保护的同步问题，及电子式互感器 与保护设备的接口问题。 针对合并单元应用于变压器差动保护的同步问题，在前人研究的基础上， 对合并单元采用了线性l a g r a n g e 插值法的采样值抽取方法。经仿真实验表明， 所提出的方法有效地解决了合并单元应用于变压器差动保护的同步问题。 通过分析励磁涌流产生的过程、原理以及励磁涌流的波形特征，研究现有 的励磁涌流鉴别的方法及其各自的优缺点，提出了一种新的基于物元分析的多判 据综合判定理论的鉴别励磁涌流的方法。利用m a t l a b 对变压器各种不同运行状 态下励磁涌流产生过程进行仿真实验，实验结果表明，所提出的励磁涌流鉴别方 法的鉴别结果更为准确，实现更为简洁方便。 通过对微机保护算法中傅旱叶算法中误差的产生过程和误差源由的研究， 归纳总结了两种改进的傅早叶算法，并对其j 下确性和有效性进行了检验。 根据目前微机保护发展对软、硬件系统要求的主流趋势，设计出了一套完 整的( 包括硬件和软件两部分) 基于双d s p 结构的变压器保护系统。 关键字：变压器；电子式互感器；傅里叶算法；励磁涌流；d s p i i t 程硕l j 学位论文 a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri sa ni m p o r t a n tp a r t so ft h ep o w e rs y s t e m ，i t ss a f ea n ds t a b l e o p e r a t i o ni sd i r e c t l yr e l a t e dt oe n t i r ep o w e rs y s t e m ，i ti sam a i n l yr e s e a r c hf i e l d si n t h e p o w e rs y s t e m m a i n t e n a n c ea n d p o s s e s sg r e a t r e a l i s t i ca n dt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c et h a th o wt od e a lw i t ht h eb u go ft h et r a n s f o r m e re f f e c t i v e l ya n dt i m e l y a n de n s u r ep o w e rs y s t e mw o r k i n gi nn o r m a ls t a t e w i t ht h ep o w e rs y s t e mr e l a y p r o t e c t i o na n di t s r e q u i r e m e n to ft h ep r o t e c t o ra st h es t a r t i n gp o i n to ft h ep a p e r ， e x p a n d i n gt h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rm a i n l yt a r g e t e d a tt h e d p ( d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ) p r o b l e mi nt h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o na n dw o r k e di nt h e f o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： t ot h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e rs h o r t c o m i n g so ft h ec o r ee a s y s a t u r a t i o n ，c o m p l e xi n s u l a t i o ns t r u c t u r e ，b u l k y , q u i t eh e a v ya n ds oo n ，t h ee l e c t r o n i c t r a n s f o r m e rw a sr e c o m m e n d e dt ot r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n t h e i m p l e m e n t a t i o nw a sm a d ei n t h i sp a p e r t h ef o r m u l ao ft h i sp a p e ri s f o c u s e do n u s i n gm e r g e d u n i tt oc o n s i d e rt h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mo ft r a n s f o r m e r d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n ，a n d e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ra n di n t e r f a c ep r o b l e mo f p r o t e c t i o ne q u i p m e n t o nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e s ，t h em e t h o do fl i n e a rl a g r a n g e i n t e r p o l a t i o ns a m p l e sv a l u e se x t r a c t i o nw a s u s e di nt h em e r g i n gu n i tt os o l v ei t s s y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m m e r g eb a s e do nt h em e r g e du n i tu s e dt o d i s c u s st h e s y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m o ft r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dc a ns o l v et h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mo ft r a n s f o r m e r d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ne f f e c t i v e l y t h e r e i san e wm e t h o db a s e do nm a t t e r - e l e m e n tt h e o r y ( m u l t i c r i t e r i a s y n t h e s i z e dj u d g m e n tt h e o r yo fi d e n t i f i c a t i o ni n r u s hc u r r e n t ) w a sp r o p o s e di n t h i s p a p e r ，b ya n a l y s i n gt h ep r o c e s so fi n r u s hc u r r e n tg e n e r a t i o n ，p r i n c i p l ea n dw a v e f o r m c h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e t i z i n gi n r u s h c u r r e n t ，a n a l y z i n g t h e a d v a n t a g e s a n d s h o r t c o m i n g so fs e v e r a ld i s c r i m i n a t i o nm e t h o d so fi n r u s hc u r r e n t u s i n gm a t l a bt o s i m u l a t et h ep r o c e s so fi n r u s hc u r r e n tg e n e r a t i o ni nd if f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n so f t r a n s f o r m e r ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h em e t h o dp r o p o s e di n t h i sp a p e rh a sa g r e a ta d v a n t a g eo fa c c u r a c y , s i m p l ea n dc o n v e n i e n t b yr e s e a r c h o nt h ef o u r i e ra l g o r i t h me r r o rg e n e r a t i n gp r o c e s sa n de r r o r 1 1 1 堆十d s p 的变j k 器差动保护研究 s o u r c e si nm i c r o - c o m p u t e rp r o t e c t i o na l g o r i t h m ，t w om o d i f i e df o u r i e ra l g o r i t h mh a s b e e ns u m m a r i z e di nt h i sp a p e r ，a n di t s c o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo ft h i sa l g o r i t h mw a s a l s ov e r i f i e d u n d e rt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fm i c r o - c o m p u t e rp r o t e c t i o ni nt h e r e q u i r e m e n t so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，ac o m p l e t es e to ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n s y s t e m ( i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ) w a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi sb a s e d o nd o u b l ed s ps t r u c t u r e k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r ；e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ；f f t ；i n r u s hc u r r e n t ；d s p t 程硕i j 学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 变压器继电保护的国内外现状与趋势1 1 3 继电保护的新技术平台2 1 3 1 电子式互感器2 1 3 2i e c 6 l8 5 0 标准3 1 3 3 合并单元4 1 4 本文结构安排5 第2 章新型变压器差动保护的实现方案7 2 1 变压器差动保护的基本原理7 2 2 基于电子式互感器的变压器差动保护方案的实现8 2 2 1 数字输出标准8 2 2 2 接口通信9 2 2 3 合并单元数字输出的同步问题1 1 2 2 4 基于线性插值法的采样值数据处理1 3 2 3 本章小结16 第3 章励磁涌流识别方法的分析与改进l7 3 1 励磁涌流的分析17 3 2 励磁涌流识别方法2 1 3 2 1 波形识别法2 l 3 2 2 谐波识别2 2 3 2 3 功率差动原理识别2 3 3 2 4 等效瞬时电感识别2 4 3 3 基于物元分析理论的励磁涌流识别方法2 5 3 3 1 物元分析学2 5 3 3 2 基于物元分析的励磁涌流的识别2 6 3 4 本章小结2 8 v 皋十d s p 的变旭器差动保护研究 第4 章微机保护算法的研究2 9 4 1 基于j 下弦函数模型的算法2 9 4 1 1 导数算法2 9 4 1 2 两点乘积算法3 0 4 1 3 半周积分算法3l 4 2 基于周期函数模型的算法3 2 4 2 1 全波傅里叶算法3 2 4 2 2 半波傅里叶算法3 3 4 2 3 递推离散傅罩叶变换算法3 4 4 3 改进的傅里叶算法3 5 4 3 1 傅罩叶算法的误差来源3 5 4 3 2 改进的全波傅罩叶算法3 6 4 3 3 改进的半波傅里叶算法一3 7 4 4 算法性能的仿真分析3 7 4 5 本章小结3 9 第5 章基于d s p 的变压器保护装置的分析与设计4 0 5 1d s p 概述4 0 5 2 基于d s p 的变压器保护装置硬件系统4 l 5 2 1 硬件电路总体方案4 1 5 2 2 信号采集插件4 2 5 2 3 开关量输入输出插件4 4 5 2 4 通信插件4 4 5 2 5 电源插件4 6 5 2 6 硬件装置的抗干扰措施4 7 5 3 基于d s p 的变压器保护装置软件系统4 8 5 3 1 保护系统主程序4 8 5 3 2 自检子程序4 9 5 3 3 故障处理子程序5 0 5 3 4 采样中断子程序5 1 5 3 5 软件系统抗干扰措施一5 2 5 4 本章小结5 4 结论5 5 参考文献5 7 致 谢6 0 v i t 程颂i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 在电力系统中电力变压器是十分重要的设备，它的安全稳定运行直接关系到 整个电力系统的安全稳定运行。若在发生故障时，变压器不能快速可靠地切除， 将会给整个系统带来不可预计的损失，其作为枢纽的重要性不言而喻。随着我国 电力事业的快速发展，整个微机继电保护，已逐步向计算机化，网络化，智能化， 保护、控制、测量、数据通信一体化的趋势发展。 早在七八十年代，我固就丌始了微机继电保护方面的研究，各科研院校在这 其中起了一个先导作用，先后研制出了不同形式、不同原理的微机继电保护装置， 八十年代初生产出了第一套微机继电保护装置，随后投入批量生产，到二十世纪 九十年代微机继电保护已经在我国得到广泛实际的运用。在此之后，随着经济的 发展我国对电的需求逐步扩大，变电站的数量也以成倍的比例增长着。而在新建 的变电站中9 0 以上都是使用微机继电保护系统，为了满足电网的运行要求， 每年都有相当数量的变电站进行了技术改革，以达到变电站自动化的水平。但是 变压器保护的发展远远落后于系统发展的速度，因此对变压器保护进行研究，防 止变压器保护误动，具有较大的理论和工程应用价值。1 。 随着微机保护的发展，不断有改善的微机保护原理和方案出现，与此同时， 新原理和新方案给微机继电保护装置的硬件提出了更高的要求。为适应这种发 展，各种新的电力系统自动化装置也相继而出。近年来，电子式互感器的研究与 发展迅速，它克服了传统电磁式互感器有铁芯易饱和、绝缘结构复杂、体积大、 重量重等缺点，是一种线性度好、无饱和现象且输出信号可直接与智能数字设备 接口的新型电力互感器。它使用的数字接口提高了整个系统的稳定性和准确性、 有利于构建光纤网络和促进电力系统综合自动化发展、较完善地避免了原来由控 制电缆传输电流电压模拟量而带来的许多问题。随着电子式互感器的使用，全数 字化变电站的实现也成为可能。 1 2 变压器继电保护的国内外现状与趋势 随着计算机技术的飞速发展，新的保护原理和方案不断被应用到计算机继电 保护中。不少学者把以模糊理论、人工神经网络、专家系统等非线性科学为主导 的智能技术引入到电力系统中，在电力变压器的继电保护中得到应用。 模糊数学应用到变压器继电保护中，主要是将多个输入量及相关保护判据给 t 甚于d s p 的变压器差动保护i i j f 究 予不同的置信度，然后通过模糊推理得到跳闸决策。而神经网络能实现非线性函 数的表征。因此，可实现判别变压器的状态。再综合考虑系统中的模糊性因素， 将能更有效地实施变压器保护。它抛弃了原来根据模型进行算法研究以及精确描 述变压器模型的方法。该方法的优点在于：更加符合客观实际，完全精确地描述 了各种情况和各种因素，更好地起到了保护作用。 小波变换哺6 1 是一门较新的理论，它克服了工程界常用的傅立叶变换不能同 时在时、频域取得局部化特性的缺点。小波变换根据信号的变化特征，通过对小 波基的伸缩和平移，可自适应地调整分析窗的宽窄来更好地分析暂态突变信号或 微弱变化信号。小波变换是一种适合分析暂态信号的算法，其具有时空域平移不 变性和时频局部化性质，将有利于提高变压器继电保护装置运行的可靠性和灵敏 度。 利用小波变换原理分析和处理变压器保护的暂态信号是最近几年彳4 展开的 新课题，但是它在暂态信号分析领域的优越性显示了其广阔的应用前景。文献 5 】 综述了小波理论在滤波与去噪、暂态信号检测与分类、谐波分析、继电保护等方 面的应用，探讨了存在的问题和有待于研究的方向。利用连续小波变换、离散小 波变换、多分辨分析、小渡包交换、奇异检测等方法，研究有效、可靠的特征提 取算法，提取电力系统故障暂态、谐波及扰动的特征信息，为故障诊断、继电保 护、谐波分析等提供了有效的预处理算法。随着电力系统的发展，变压器故障类 型变得愈加复杂，可以应用小波变换实现故障类型的自动识别和诊断。 继电保护近来也应用到了人工智能领域的一个重要分支一专家系统。但由于 专家系统的实时性不好，限制了其应用范围。现在专家系统在继电保护中的应用 一般都是那些实时性要求较低的场合，如继电保护协调、整定，故障诊断，故障 定位，高阻接地故障检测等。 智能技术发展迅速，除了以上说的这些外，也有人尝试混沌、分形技术，甚 至是将智能技术结合起来应用到继电保护中，例如：模糊专家系统、模糊神经网 络、小波神经网络等，这些结合使得保护的性能得到了有意义的提高。 1 3 继电保护的新技术平台 1 3 1 电子式互感器 互感器是由连接到电力传输系统一次和二次之间的一个或多个电流或电压 传感器组成的。它用来传输按比例变换的电压或电流量，然后供给测量仪器仪表 和继电保护或控制的装置，以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准 化、小型化。 传统的电流和电压测量是通过应用电磁感应原理构成的电流互感器、电压互 2 t 程硕l j 学位论文 感器和电容分压器将电流和电压分别转换为0 5 a 的电流信号或0 1 0 0 v 的电压信 号来实现的。然而，随着电网等级的不断提高，传统的电磁感应式互感器体积大、 制造工艺复杂、造价高、绝缘困难、动态范围小、易产生铁磁谐振、输出信号不 能直接与保护设备接口等缺点已显示出不能适应的弱点。由于光测量具有绝缘性 能好、抗电磁干扰等优点，人们开始尝试将现代光学传感技术、半导体技术和计 算机技术应用于电气测量中，这就是电子式互感器。 电子式互感器由一次传感器、一次转换器、传输系统、二次转换器、合并单 元及电源组成。通过一次传感器产生与一次端子流过的电流电压相对应的信号。 一次转换器用来将来自一个或多个一次传感器的信号转换成适合于传输系统的 信号。传输系统是一次部件和二次部件之间传输信号的耦合装置，在相关技术的 支持下，也可以传输功率。二次转换器则将传输系统传来的信号转换为供给测量 仪器、仪表和继电保护或控制装置的信号，该信号量与一次端子成i f 比。合并单 元是用于数字输出的，其二次转换器通常接至合并单元后再接二次设备，合并单 元后续会详细说明，因此这罩就不赘述了。电源是指传感器与转换器之问的电源， 通常一、二次电源可以合并，也可以与其它互感器的电源合并。 电子式互感器按高压侧是否需要供电，可分为有源型和无源型两种；按用途 和性能特点，可分为测量用和保护用两种；按照测量对象的不同，又可分为电压 型和电流型两种。 电子式电流互感器一般采用罗格夫斯基线圈，电子式电压互感器一般采用电 阻分压、阻容分压或电容分压的原理，它们完全可替代传统的电磁式电流电压互 感器，将给电力测量和保护领域带来革命性的变革。电子式电流电压互感器主体 部分是一个空心线圈，待测的电流从线圈中心流过，在线圈中产生感应电势。由 于线圈中没有铁心，其输出的电压值很低，并采用先进的电磁兼容设计，可直接 与数字化仪表和智能综合测量保护装置及计算机相连，解决了数字接口问题也完 成了对电网电气设备的在线状态监测、控制和保护。电子式互感器克服了传统电 磁式互感器有铁芯易饱和、绝缘结构复杂、体积大、重量重等缺点，是一种线性 度好、无饱和现象的新型电力互感器，且二次丌路不会产生高电压，二次短路不 会产生大电流，也不会产生铁磁谐振，根除了电力系统运行中的重大故障隐患， 保证了人身和设备安全0 。 1 3 2i e c 618 5 0 标准 为适应变电站自动化技术的快速发展，19 9 5 年开始，i e c 第5 7 技术委员会 ( i e c t c 5 7 ) 成立了三个专门负责制定i e c 6 l8 5 0 标准工作的组( 1o ，1 1 ，12 ) 。三个 工作组分工明确，其中，第10 工作组主要负责定义总体功能要求和描述变电站 数据通信协议；第1 1 工作组负责定义间隔层与变电站层之间的数据通信：第12 基于d s p 的变j 爱器差功保护研究 工作组负责定义间隔层与过程层之间的数据通信。i e c 6 1 8 5 0 标准共分为1 0 个部 分1 ： ( 1 ) i e c 6 l8 5 0 一l 。基本原则，包括i e c 6 18 5 0 的介绍和概貌。 ( 2 ) i e c 6 18 5 0 2 。术语。 ( 3 ) i e c 6 1 8 5 0 3 。一般要求，包括质量要求( 可靠性、可维护性、系统可用性、 轻便性、安全性) 、环境条件、辅助服务、其它标准和规范。 ( 4 ) i e c 6 1 8 5 0 4 。系统和工程管理，包括工程要求( 参数分类、工程工具、文 件) 、系统使用周期( 产品版本、工程交接、工程交接后的支持) 、质量保证( 责任、 测试设备、典型测试、系统测试、工厂验收、现场验收) 。 ( 5 ) i e c 6 18 5 0 5 。功能和装黄模型的通信要求，包括逻辑节点的途径、逻辑 通信链路、通信信息片的概念、功能的定义。 ( 6 ) i e c 6 18 5 0 6 。变电站自动化结构语言，包括装置和系统属性的形式语言 描述。 ( 7 ) i e c 6 18 5 0 7 1 。变电站和馈线设备的基本通信结构一原理和模式。 i e c 6 18 5 0 - 7 - 2 。变电站和馈线设备的基本通信结构一抽象通信服务接口 ( a c s i ) ，包括抽象通信服务接口的描述、抽象通信服务规范、服务数据库模型。 i e c 6 18 5 0 7 3 。变电站和馈线设备的基本通信结构一公共数据类，包括抽象 的公共数据类及其数据属性的定义。 i e c 6 l8 5 0 7 4 。变电站和馈线设备的基本通信结构一兼容的逻辑节点类和数 据类，包括逻辑节点的定义，及其包含的数据对象的定义与描述。 ( 8 ) i e c 6 1 8 5 0 - 8 。特殊通信服务映射( s c s m ) ，变电站与间隔层内及变电站层 和间隔层之间通信服务的映射。 ( 9 ) i e c 6 1 8 5 0 9 。s c s m ，间隔层和过程层内及间隔层和过程层之间的通信服 务映射。 ( 1 0 ) i e c 6 l8 5 0 1 0 。一致性检测。 i e c 6 1 8 5 0 是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系。它对变 电站自动化系统的网络和系统做了全面、详细的描述和规范。 1 3 3 合并单元 针对现在大多数使用的数字化输出，电子式互感器引进了一个新的概念一合 并单元。i e c 8l8 5 0 明确定义合并单元是用来对二次转换器的电流或电压数据进 行时间相关的物理单元。合并单元可以是互感器的一个组成件，也可以是一个分 立单元。 合并单元连接了电子式互感器二次转换器与变电站的二次设备，主要功能是 同步采集电子式互感器的多路输出信号，并按照标准的规定格式发送给保护、测 4 t 程顾 ：学位论文 控设备。合并单元汇集了多达1 2 个的二次转换器数据通道，每一个数据通道承 载一台电子式电流电压互感器采样测量值的单一数据流。1 2 个数据通道包括7 个电流互感器数据通道( 3 个测量，3 个保护，1 个中性) 和5 个电压互感器数据通 道( 3 个测量、保护，1 个母线，1 个中性) 。 合并单元主要包含有三个功能模块，模型如图1 1 所示。 图1 1 合并单元功能模型 ( 1 ) 同步功能模块。该模块在正确识别外部输入的同步脉冲时钟信号后，由 合并单元给各路a d 转换器发送同步转换信号。 ( 2 ) 多路数据采集处理功能模块。该模块是与电子式互感器进行接口的主要 功能模块。 ( 3 ) 串口发送功能模块。该模块用于将各路采样值数据进行组帧并发送给保 护和测量设备。 合并单元与电子式互感器的数字输出接口通信能同时处理多任务，通信信息 流量大，通信速度高，具有高可靠性和强实时性。 1 4 本文结构安排 根据上述研究内容，全文共分为五章，结构安排如下： 第一章绪论。首先，阐述论文的研究背景和研究意义；其次，详细介绍微 机继电保护国内外的研究动态及其发展趋势。针对变压器继电保护，详细分析国 内外变压器保护的现状和趋势。综述研究电子式互感器合并单元的重要意义、 i e c 6 18 5 0 标准简介、国内外电子式互感器及合并单元的研发情况。 第二章新型变压器差动保护的实现方案。首先，在对变压器差动保护原理 研究的基础上，提出将电子式互感器运用于变压器差动保护中的实现方案：其次， 幕十d s p 的变j 七器差动保护研究 针对合并单元应用于变压器差动保护的同步问题，采用线性l a g r a n g e 插值法的 采样值抽取方法，解决同步问题；最后，利用m a t l a b 对其进行仿真，对提出的 想法进行实验验证。 第三章励磁涌流识别方法的分析与改进。首先，在对励磁涌流产生原理研 究的基础上，提出一种新的基于物元分析一多判据综合判定理论的鉴别励磁涌流 的方法；其次，利用m a t l a b 完成在变压器各种运行状态下的励磁涌流产生过程 的近似仿真验证。 第四章微机保护算法的研究。首先，对微机保护的几种典型的算法展开研 究，分析各种算法在微机保护中的应用，并针对微机保护中常用的傅里叶算法， 分析误差的产生与来源：其次，在对已有微机保护算法研究的基础上，针对傅里 叶算法的误差问题，总结归纳两种改进的傅早叶算法；最后对归纳的改进型傅里 叶算法进行正确性和可行性的验证。 第血章基于d s p 的变压器保护装置的分析与设计。根据前面几章的理论研 究，结合d s p 原理，设计一套基于d s p 的软硬件齐全的变压器保护装置。 在文章最后，作者对本文的研究工作进行详细总结并对该领域提出一些展 望。为后续的研究工作打下基础。 6 t 程硕i j 学位论文 第2 章新型变压器差动保护的实现方案 差动保护作为变压器的主保护形式，因其可靠性高，选择性好，原理简单等 优点己被广泛运用作电力系统的主保护。差动保护的可靠性，有效性直接关系着 整个电网的可靠性。理想情况下，变压器差动保护在区外故障和f 常运行时，流 入差动继电器的电流都应为零，即保护装置不动作。 2 1 变压器差动保护的基本原理 差动保护是目前变压器内部短路故障保护的主要方式之一，它是利用比较变 压器各侧电流的差值构成的一种保护，它不但能够正确区分区内外故障，而且不 需要与其它元件的保护配合，可以无延时地切除区内各种故障，具有独特的优点， 其单相双绕组原理图如图2 1 所示。 图2 1 双绕组变压器差动保护单相原理图 电流互感器t a l 和t a 2 串联在二次绕组上，差动继电器k d 并接在差动回 路中。 当正常运行或外部故障时，如图2 1 ( a ) 所示，变压器电流由i 侧流向j i 侧， 电流互感器的二次电流，：、，：以反方向流过继电器k d ，该回路称为差回路，此 时继电器中的电流为，：和，：之差，整个保护装置称为差动保护。若忽略励磁电 7 摹十d s p 的变j k 器差动保护研究 流且电流互感器的变比理想，则z ：t ，继电器k d 中电流j ：0 ，差动保护不动 作。当发生内部故障( 如k 。点) ，且母线i 和i i 均接有电源时，如图2 1 ( b ) 所示， 流过继电器k d 线圈的电流i f 和，：为同一方向，即i = i i + i ：，此电流使k d 动作， 瞬时跳开q f l 和q f 2 。如果只有母线i 有电源，如图2 1 ( c ) 所示，：= 0 ，此时 继电器k d 仍能可靠动作。 在实际运行中，电力系统一般采用y ，y ，d l l 接线方式的三绕组变压器， 其原理图如图2 2 所示。由于三绕组变压器的差动保护原理与双绕组变压器是一 样的，在此就不再赘述。 图2 2 三绕组变压器差动保护单相原理图 2 2 基于电子式互感器的变压器差动保护方案的实现 2 2 1 数字输出标准 i e c 6 0 0 4 4 7 8 和i e c 6 18 5 0 - 9 - 1 2 两种标准都是适用于点对点，点对多点的 标准。这两种方案在物理层和链路层有一定的差别，但在应用层的规定都是一致 的，很容易在两种方案之间转换。 1 i e c 6 0 0 4 4 标准 i e c 6 0 0 4 4 是国际电工委员会第3 8 技术委员会为电子式互感器专门制定的一 个标准。该标准明确规定了电子式互感器的各个部分、模拟输出和数字输出的设 计要求、使用环境、绝缘水平、测量精度、耐热性、信噪比、电磁兼容、过电压 能力、装置接地和机械特性等方面；同时，也详细说明了电子互感器的测试方法 和测试内容。 i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准对物理层的规定：电信号和光信号是合并单元与二次设备 之问数据通信的两种数字输出形式。在链路层和应用层的规定上光信号数字输出 t 程顾f - q ：位论文 和电信号数字输出是完全一致的，不同的只是物理层的传输介质。近距离传输可 采用塑料光纤，远距离可使用玻璃光纤。 i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准对链路层帧格式的规定：链路层帧格式采用的是f t 3 帧 格式。这种帧格式的优点在于，首先高速数据处理中能进行多点同步数据的链接， 并且数据具有完整性。然后传感器连续不停地向二次设备发送采样值，而不需要 二次设备的任何应答信号，也就是链路层服务用语为发送无应答。 i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准对应用层的规定：明确规定了模块长度、模块数、数据标 识符、数据组数目、额定电压、额定电流、额定延时、各相测量保护的数据以及 状态值等各项参数。由f t 3 中的用户数据序列细化其中的用户数据，得到每帧 数据有4 字节，状态字的每一位都表示特定的意义。 2 i e c 6 1 8 5 0 标准叫 i e c 6 l8 5 0 覆盖了变电站的所有接口通讯，是个面向未来的开放性标准。按 变电站自动化系统的功能，i c e 6 18 5 0 标准将变电站通信系统分为三层：变电站 层、间隔层、过程层。站级总线主要处理变电站层和间隔层的通讯，过程总线则 处理间隔层和过程层的通讯，过程总线取代了大量的并行电缆，简单化了变电站 结构。 i e c 6 18 5 0 标准对物理层的要求：合并单元与二次设备之间的连接可以是光 纤传输系统，也可以是铜线传输系统。数据报文通过以太网传输，速度大小为 l o m 或1 0 0 m 。一般情况下，根据报文的长度与传输速度可以选择1 0 m 以太网。 i e c 6 1 8 5 0 标准对链路层的要求：i e c 6 1 8 5 0 9 1 采用了i s o i e c 8 8 0 2 3 和 i e e e 8 0 2 1q 。其中i s o i e c 8 8 0 2 3 规定了以太网的帧结构，包括前同步信号、起 始帧界定符、目的地址、源地址、长度字段、数据字段和帧校验序列字段等。 i e e e 8 0 2 1 q 要求报文的源地址和长度字段之l 、日j 增添4 个字节的优先级标签和虚 拟局域网信息。 i e c 6 1 8 5 0 标准对应用层的要求：i e c 6 18 5 0 9 1 描述的信息交换通用数据段 与i e c 6 0 0 4 4 8 定义的通用数据帧内容一致，包含了三相电压和电流、中性电压 和电流、额定相电压和相电流、额定中性电流、额定延时时间、状态字、采样率、 采样计数器等信息。 2 2 2 接口通信 i e c 6 18 5 0 使用了面向对象建模技术，其核心是信息模型和建模方法。 i e c 6 0 0 4 4 7 8 与i e c 6 1 8 5 0 9 1 中规范的是单向点对点通信，而i e c 6 1 8 5 0 9 2 中 所规范的是网络总线传输，用于自动化变电站系统过程层和间隔层之间的通信。 按i e c 6 18 5 0 对过程层和间隔层之间的定义，数据流不仅包括对数据有同步精度 要求的、流量大的电流电压采样值，也包括保护跳闸命令报文这类最重要的信 9 甚于d s p 的变压器差动f 5 l ：护研究 息，还包括重要性和实时性相对较低的状态诊断信息等。 i e c 6 18 5 0 9 1 和i e c 6 18 5 0 9 2 具有很好的兼容性，两者都是基于以太网通 信。i e c 6 18 5 0 9 1 是点对点传输，通信发送方只有一个合并单元，接收方是一 个或多个电子元器件，传输方向是单向的，且引入了虚拟局域网和数据传输优先 级的概念，这些对于i e c 6 1 8 5 0 9 2 的过程总线传输实现是必须的。这使得遵循 i e c 6 l8 5 0 9 1 标准的设备将来可以很方便地过渡融合到i e c 6 l8 5 0 9 2 所定义的 过程总线网络上。 i e c 6 1 8 5 0 9 1 所规范的合并单元的功能和i e c 6 0 0 4 4 7 8 也有许多相似之处， 在i e c 6 1 8 5 0 9 1 标准中，合并单元发送给二次设备、测控设备数据包的主要内 容仍是多路电流、电压采样数据信息，以及一些反应开关状态的二进制输入信息 和时间标签信息。此外，i e c 6 18 5 0 9 1 所定义的合并单元和二次设