电力系统继电保护1.doc

电力系统继电保护原理摘要 微机继电保护的输入信号是电力系统的模拟量，而计算机只能对数字量进行计算和判断，因此由电力系统经电压互感器和/或电流互感器输入的模拟量必先经过预处理继电保护在大部分情况下取用输入信号中的基波模拟量。根据采样定理，如被测信号频率（或要求保留的最高次谐波频率）为,则采样频率必须大于2,kg1否则由采样值不可能拟合还原成原来的曲线。对于那些大于0.5频率的谐波分量,必须在进入采样器之前，利用模拟式低通滤波器（前置模拟滤波）将其滤掉。 由于输入信号常常有多个，故设置多路转换器将输入模拟信号逐个交与A/D变换器转化成数字量这些数字量应在存储器中按先后顺序排列，以便后续功能处理程序取用。 为了保证计算机计算和判断的正确，实现以某种频率的正弦电量为基础的继电保护原理,必须将经A/D变换后的数字量再经一次滤波。由于数字滤波器精度高、可靠而且调整灵活，通过时分复用可使装置简化，因此微机保护中普遍采用数字滤波器。数字滤波器本身可理解为一个计算程序或算法，它将代表输入信号的数字时间序列转换为代表输出信号的数字时间序列，使信号按照预定的形式变化。微机继电保护中应根据电力系统信号的特点和保护原理的要求设计、选择相应的数字滤波器。数学滤波器的主要性能指标是频域特性、时延和计算量。 对离散和量化的数字式采样序列，用数学运算方法实现故障量的测量，这就是微机保护的算法问题。要求运算精度满足保护的实际需要，同时计算时间又尽可能短。微机继电保护的研究初期，一些算法是基于被采样的电压、电流均系纯正弦波的，为此应将输入信号进行预处理。稍后，相继提出傅里叶算法和沃尔什函数算法。它们假定输入信号中含有非周期分量、基波和高次谐波。这些算法本身具有很强的滤去高次谐波的功能，因此无需另设数字滤波器，但对非周期分量必须采取其他措施。由于电力系统中大量应用铁磁非线性元件，输电线路分布电容和串联、并联电容，以及电压互感器、电流互感器的暂态特性等因素的影响，使微机继电保护输入信号中还含有许多随机高频分量，它们起着干扰或噪声的作用。对此，可采用最小二乘曲线拟合算法或对计算结果采取平滑措施。上述种种算法都是先算出电压、电流的大小和相位，然后根据保护的动作判据作进一步的运算，最终实现其保护功能。也有一些算法将电量运算与保护动作判据运算直接结合在一起，例如用离散值直接实现的方向阻抗继电器的算法。 由于计算机的优越存储能力，可以方便地得到保护需要的故障分量并准确地予以保持，这是模拟式保护装置难以达到的。由于计算机的强大运算能力，可以实现一些以往模拟式保护装置无法实现的复杂保护动作特性、自适应性的定值或特性改变以及良好的自检功能。同常规继电保护相比，微机继电保护的抗电磁干扰能力较弱，因此，它的广泛应用受到一定的限制。应用微机继电保护时，应特别注意解决好电磁兼容性问题。 电量变换微机保护中通常要求输入信号为5V或10V的电压信号， 这是由所采用的模数转换器所决定的。而从被保护的电力线路或电气设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得的二次数值对微机电路是不适用的，所以需要进行电量变换。电量变换一般采用中间变换器来实现。 采样定理和模拟低通滤波由于输入信号是模拟量，因此信号在进入微型计算机之前首先进行采样并保持。采样就是把一个是时间连续函数号变换为对时间电力系统即由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置产系统转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心，通过各种设备再转换成动力、热、光等不同形式的能量，为地区经济和人民生活服务。 变压器的用途是多方面的，不但可以用于升高电压把电能送到用电地区，还可用于把电压降级为各级使用电压，以满足用电的需要。 一， 微机保护传统的继电保护是利用各种继电器等硬件构成，如定时限过电流保护是由电流继电器、时间继电器、信号继电器等组成；而微机保护是由硬件装置和软件构成。微机保护装置的硬件构成与原理1、 微机保护主要是由计算机、输入输出接口、人机联系、软件等构成。结构框图如下 数据采集系统 微机系统只能识别数字量，保护所反应的电流、电压等模拟信号需转换为相应的微机系统能接受的数字信号。 微机系统 用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后按照既定的程序动作。这是微机保护装置的核心，一般包括：微处理器(CPU)、存储器、定时器等。CPU是微机系统自动工作的指挥中枢；存储器是用于保存程序和数据；定时器用于触发采样信号，在V/F变换中，是频率信号转换为数字信号的关键部件。 开关量输入/输出系统 输入系统用于采集有接点的量（如瓦斯保护、温度信号等）作为开关量输入；执行通过开关量输出，起动信号、跳闸继电器等，完成保护各种功能。 人机对话接口 用于调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。包括：打印、显示、键盘及信号灯、音响或语言告警等。 电源电源是微机保护装置重要组成部分，通常采用逆变稳压电源2、微机保护数据采集系统 A/D式数据采集系统如图所示： 电压形成回路 微机继电保护要从被保护对象的电流、电压互感器处取得相应信息。但这些二次数值、输入范围对典型的微机继电保护电路却不适用，需要降低和变换。一般采用变换器来实现变换。（微机保护参数的输入范围：05V或420mA） 采样保持与低通滤波 由于微机保护只能对数字量进行运算和判断，所以应将连续模拟量变为离散量。采样保持电路作用就是在一个极短的时间测出模拟量在该时刻的瞬时值；并要求在AD转换期间保持不变。 同时采样：继电保护大多数原理是基于多个输入信号，如三相电流、三相电压等。在每一个采样周期对通道的量全部同时采样。 采样频率：采样间隔 的倒数称为采样频率 。采样频率的选择是微机保护中的一个关键问题。频率高，采样精确，但对A/D转换器的转换速度要求也高，投资也就越高。 为了将信号波频率限制在一定频带内，一般利用低通滤波器将高频分量滤掉，这样可降低采样频率，即降低对硬件的要求。 多路转换开关 为了保证阻抗、功率方向等不受影响，对各个模拟量要求同时采样，以准确地获得各量之间的相位关系。同时节省硬件，可利用多路开关轮流切换各通路，达到分时转换的目的，共用A/D转换器。 模数转换器 作用:将输入模拟量变为与其成正比的数字量,以便进行处理、存储、控制和显示。3、开关量输入/输出系统 开关量输入 输入方式：装置面板输入、经端子排引入。 开关量输出回路二、微机保护的软件系统配置 1、接口软件 接口软件是指人机接口部分的软件，其程序可分为监控程序和运行程序。调试运行方式下执行监控程序，运行方式下执行运行程序。 监控程序主要是键盘命令处理程序，为接口插件及各CPU保护插件进行调节和整定而设置的程序；接口的运行程序由主程序和定时中断服务程序构成。主程序完成巡检、键盘扫描和处理、故障信息的排列和打印。2、保护软件的配置 保护软件含主程序和中断服务程序。 主程序：初始化、自检；保护逻辑判断和跳闸处理。 中断程序：定时采样中断和串行口通信中断服务程序。3、保护软件的三种工作方式 运行：保护处于运行状态，执行主程序和中断服务程序。 调试：复位CPU。 不对应状态：当选择调试但不复位CPU并且接口工作在运行状态，就处于不对应状态。 国内外大型变压器保护的发展及最新技术。1， 发电机-变压器组内部短路主保护配置方案 1.1发电机-变压器内部短路包含的内容定子绕组相间短路，发电机机端引线相间短路；定子绕组匝间短路兼定子绕组分支开焊故障； 1.2发电机-变压器组内部短路主保护优选配置方案假定发电机变压器之间无断路器，发电机机端厂用变压器分支也不装设断路器2， 高灵敏单原件横差保护此保护不仅是定子绕组间的匝间短路保护，而且是定子绕组内部一切故障的最简单高灵敏的主保护。所有大型发电机均应力争装设这种保护，前提是发电机必须具备两组或三组中性点。这对于水轮发电机早已实现，对于汽轮发电机目前还仅有个别机组在中性点处引出6个端子，可以有两组中性点国内一些电机制造厂已明确表示可以做到这点，没有技术困难。（1） 横差保护用互感器变比应大幅减小，不必遵循没有科学依据的按发电机额定电流的1|4来选择变比的旧规定。（2） 加强三次谐波滤波。对于微机保护，三次谐波滤波比应大于80，他是防止外部短路误动的内部保证条件。（3） 动作电流整定应通过发电机投运前的常规短路试验确定，这是一种科学严谨的作风，是防误动的一个重要措施。3， 不完全纵差保护由于传统的纵差保护只对发电机及其引线的相间短路有效，功能太少。将传统纵差保护的中性点侧互感器改接在每相的部分并联分支绕组中，即构成不完全纵差保护。基于定子各部分间的互感作用，不完全纵差保护的功能与传统纵差保护相比有了新的发展，即不仅反映相间短路还能反映匝间短路和分支绕组开焊故障。4， 现有发电机内部故障主保护方案的主要问题与改进4.1 传统纵差保护 主要是保护功能不全面。运行中正确动作率不高的主要原因是维护管理水平低、元器件和产品制造质量差，亟需加强工作人员的思想工作和技术培训。4.2 传统横差保护对于三次谐波比小于15的老式横差继电器，应该进滤波电路将滤波比提升到30以上。应积极创造条件将传统横差保护改造成高灵敏横差保护，即更换互感器、提高三次滤波比到80以上，正确制定动作电流。4.3基波纵向零序电压保护 此保护方案采用基端对中性点的基波零序电压作为保护动作参量，必须配备专用电压互感器，其一次中性点与发电机中性点直接连接且不能接地。 应通过发电机常规短路试验测定此保护的不平衡电压，并由线性外推法估算外部短路时的最大不平衡电压，确定该保护的合理整定值。5， 发变组短路故障后备保护对于超高压输电线路除有双重保护外，还配有三段或四段的距离保护和零序电流保护，以及断路器失灵保护超高压母线也必须配有双重纵差保护。总之超高压系统没有要求发变组为其配备远后备保护。应该指出：对于装设在机端或主变高压侧的阻抗保护继电器，当短路发生在发电机或变压器内部，阻抗继电器得到的电压有时可能比较高，电流却比较小，即视在阻抗比较大，阻抗保护的灵敏度往往不能保证，并不能真正担当起发_变组内部短路的后备保护作用。至于电流、电压保护的灵敏度就更低了。6， 发电机定子绕组单相接地保护 定子绕组单相接地故障对发电机组的损伤程度与发电机中性点接地方式密切相关。接地故障电流大小和持续时间的长短将直接影响定子铁心的烧伤程度和修复周期。7， 转子绕组接地保护转子绕组一点接地故障对发电机并无危险，但是如发生在第二点接地，部分转子绕组经大轴短路，转子南北极不在对称轴系振动加大，无功减少，特别是可能引起轴系磁化现象，延误恢复正常发电。8， 低励失磁保护大型发电机的励磁系统比较复杂，由励磁系统故障造成的发电机低励或失磁，仍是发电机故障的主要成分。近年来，低励失磁保护运行情况良好，应在继电器选型和定值正定计算方面进一步提高。9， 其他异常运行保护9.1以发现国外引进的主设备过励磁能力与保护装置的过励磁动作特性严重失配的事例，失去了有效的过励磁保护目的。国产主设备应认真的科学测定他们的过励磁能力，继电器制造厂应设计制造符合主设备过励磁能力的相应保护装置。9.2误合闸保护 已有的发电机逆功率继电器、失磁阻抗继电器可以反映误合闸异常工况，但这些保护均有时限，不如另设专用误合闸保护。10， 改进主设备保护工作的其他意见（1） 切实加强各级管理部门对大机组继电保护工作的管理与领导，彻底改变上级部门不过问大机组保护的情况。（2） 认真组织各级继电保护工作人员的技术培训和考核工作，使技术培训工作经常化和制度化，建立超高压线路和大容量主设备保护的考核上岗制度。（3） 加紧编写主设备保护的整定计算和调试导测，投入足够的人力物力，确保编写质量。（4） 请制造部门科学测定发电机变压器的过励磁能力曲线和发电机转子表层负序过负荷能力。（5） 为认真总结经验教训，减免发生重复性主设备保护的误动或拒动现象，应在大机组上配备专用的故障录波分析装置，逐步更换已配置的线路用故障录波装置。比率制动差动保护特性随着计算机技术在继电保护领域日益广泛的应用，比率制动特性的差动保护作为双圈及三圈变压器的主保护具有动作可靠，实时数据采集、计算、比较、判断等较为方便简单等优点，得到用户的认可。所谓比率制动特性差动保护简单说就是使差动电流定值随制动电流的增大而成某一比率的提高。使制动电流在不平衡电流较大的外部故障时有制动作用。而在内部故障时，制动作用最小。图1中曲线1为差动回路的不平衡电流，它随着短路电流的增大而增大。根据差动回路接线方法的不同，在整定时，通过调整不平衡比例系数使得计算机在实时计算时的Ibp最小。曲线2是无制动时差动保护的整定电流，它是按躲过最大不平衡电流Ibpmax来整定的。曲线3为变压器差动保护区内短路时的差电流，它随短路电流的增大而线性的增大。曲线4为具有制动特性的差动继电器的差动保护特性。在无制动时，曲线3与曲线2相交于B点，这时保护的不动作区为OB，即保护区内短路时的短路电流必须大于OB所代表的电流值时，保护才能动作。在有制动时，曲线3与曲线4相交于A点，短路电流只要大于OA所代表的电流值，保护即能动作。OAOB，这说明在同样的保护区内短路状态下，有制动特性的差动保护比无制动特性的差动保护灵敏度要高。在实际的变压器差动保护装置中，其比率制动特性如下图2所示:图2中平行于横坐标的AB段称为无制动段，它是由启动电流和最小制动电流构成的，动作值不随制动电流变化而变化。我们希望制动电流小于变压器额定电流时无制动作用，通常选取制动电流等于被保护变压器高压侧的额定电流的二次值。即: Izd=Ie/nLH图2中斜线的斜率为基波制动斜率，当区外故障时短路电流中含有大量生产非周期分量，制动Izdo增大，当动作电流Idzo大于启动电流时，制动电流和动作电流的交点D必落在制动区内。当区内故障时，差电流即动作电流为全部短路电流，制动电流则为流过非电源侧的短路电流，数值较小，平行于纵、横轴的二直线交点必落在动作区内，差动保护可靠动作。2 比率制动式差动保护的整定在比率制动式差动保护的整定计算时，通常按以下原则选取:2.1 Icdsd即差动速断电流当变压器空载投入或变压器外部故障切除后电压恢复时，励磁涌流高达额定电流的68倍，当差动保护电流互感器选择合适时，变压器外部短路流过差动回路的不平衡电流小于变压器空载投入时的励磁涌流。因此，在整定时可只考虑躲过变压器空载投入电网时励磁涌流。在整定时可只考虑躲过变压器空载投入电网时励磁涌流，即:Icdsd=(68)Isb/nLH式中Isb变压器的额定电流（基本侧）;nLH变压器基本侧电流电流互感器的变流比。2.2 Kph即平衡系数用来对主变各侧因CT变比不同引起的误差进行校正，以变压器副边电流的二次值为基准，将变压器原边电流二次值乘以Kph来进行差流判断。Kph=I2nL/I2nH式中I2nL流入保护装置低压侧二次电流;I2nH流入保护装置高压侧二次电流。2.3 Icdqd差动启动电流应躲过变压器最大负荷情况下的不平衡电流，并要保证变压器内部故障时有足够的灵敏度，一般为0.30.4倍的额定电流值。即: Icdqd=0.30.4I2nL2.4 Izd最小制动电流一般取变压器高压侧额定电流的二次值。Izd=In/nLHIn变压器高压侧额定电流;nLH变压器高压侧电流互感器变流比。2.5 Kjzd 基波制动斜率（既比率制动系数），可按下式计算:Kjzd=Kk(ktxFi+U+0.1)Kk可靠系数，取1.31.5;Ktx电流互感器同型系数，取1。Fi电流互感器10%误差曲线。满足误差取0.1。U变压器调压引起的相对误差，一般取相邻二档变压比的百分数。2.6 Kxzd谐波制动系数根据变压器涌流的大小及系统中二次谐波在基波中的含量来整定。一般在10%25%之间选取。Kxzd=0.10.25比率制动系数的选取为比率制动式差动保护动作可靠性的关键。因不同容量、不同型号变压器的铁心，励磁特性也不同，故由Kk、Izd min等决定的差动特性不同，还要根据各自的运行经验及厂家设备说明书中的整定范围内来选项取。变压器差动保护二次谐波制动 变压器在电力系统安全运行中起着重要作用。差动保护作为主保护最关键的问题就在于励磁涌流引起的保护误动作，长期以来二次谐波原理被用于制动励磁涌流。常规采用的励磁涌流方式会出现故障变压器空投时非故障相闭锁故障相的现象，导致变压器保护延时动作。不能迅速切除故障，降低超高压系统中变压器保护的性能。而这个缺陷可以在变压器保护微机化后通过合理选择谐波制动比、制动逻辑或增补辅助判据得到较大改善。二次谐波制动比的几种计算方法目前常用的二次谐波制动比有以下几种计算方法（1） 谐波比最大相制动（2） 按故障相制动（3） 分相制动（4） 综合相制动 对于谐波比最大相制动方式而言，由于三相权系数均取为1，实际上就是不考虑各相差流基波幅值大小对谐波比选取的影响，利用此方式闭锁保护虽然可以保证励磁涌流时保护不误动，但对于超高压系统中的大型变压器而言，由于其励磁涌流衰减时间长，故在空合于故障时保护动作延时相当长，可达到100 ms以上，动模实验最恶劣的情况甚至达到200 ms；另一方面，超高压系统中故障时谐波含量较大，由于最大相制动不考虑各相基波幅值的大小对量就很容易达到闭锁定值，致使保护动作延时。对于分相制动方式，与最大相制动方式相同，也不考虑各相差流基波幅值大小对谐波比选取的影响，虽然可以使保护迅速动作，但当有一相或以上的差流谐波比过小不能闭锁保护时，容易造成误动。对于按相制动方式，其谐波比的选取实质上是选权系数最大的相的谐波比进行制动，即先比较a、b、c，取三者最大值所在的相的谐波比来判别。利用此方式闭锁保护，由于考虑了三相差流基波幅值大小对谐波比的影响，故可在较大程度上改善最大相制动方式动作延时长的不足；但另一方面，由于只以一相的谐波比来制动，当变压器发生对称性涌流时，其对称性涌流相二次谐波含量较小；同时仿真计算与动模实验均表明，在某些初始条件下，变压器发生励磁涌流时，可能同时有两相谐波比达不到制动定值，这种情况的存在使得采用故障相制动可能导致变压器励磁涌流时保护误动作。 利用此方式闭锁保护，由于既考虑了差流基波幅值大小对谐波比选取的影响（通过权系数a、b、c），又考虑了实际三相谐波比含量的数值大小，因而在保证变压器产生励磁涌流不误动的前提下，提高了变压器保护的速动性。因为即使在空合于故障变压器的情况下，虽然涌流相含有较大的二次谐波，并且可能衰减很慢，但由于故障相的存在使得谐波比计算时分母保持一较大值，且基本上不随励磁涌流的衰减而减小，故使得谐波比迅速减小至闭锁定值以下而保证故障快速切除。仿真结果分析设二次谐波制动比整定为20。从上面的仿真结果可以看出：变压器侧不带故障空投时，对二次谐波含量而言，四种判据图的变化趋势相同如（图3（b），都随时间的推移而增大，这意味着励磁涌流衰减的过程中，基波比二次谐波衰减快（仅对此模型而言）。这时只有判据一可靠制动。判据二、三、四都可能误动。并且若变压器谐波制动定值取得偏小，则出口需要的时间会更长。特别是判据二、三算出的谐波含量虽然也是随时间增加而增大，但是100 ms以后依然达不到闭锁保护所需要的值。所以其可靠性最低。因此，侧不带故障合闸时，判据一可靠性最高，判据四其次，判据二、三最差。变压器Y侧不带故障空投时，对二次谐波含量而言，四种判据的变化趋势（图4（b）与图3（b）相同。但是只有判据一能够可靠制动励磁涌流。判据二、三、四都会造成差动保护误动。但是如果为了消除对称涌流的影响，采用单相制动三相即或逻辑，很可能造成变压器带故障合闸时的拒动或带长延时动作。考虑了变压器侧带故障空投时最严重的情况（图5（b）。即在满足差动判据的前提下故障相短路电流尽量小，以便模拟出变压器带故障空投时保护的长延时动作过程。为此，将故障点设在非电源侧，利用变压器自身的电阻电感值来限制短路电流。图5（a）为高压侧内部B，C两相短路变压器空投时的情况。判据一即使在谐波制动定值取得偏小（如1517）的情况下，保护在80 ms以后都不一定能出口；判据二、三、四此时几乎是等效的：合闸后经过一个周波就能够判断出故障。综上所述，从保护的速动性来考虑，判据二、三最优，判据四次之，判据一最差。变压器带长线内部故障时，由于电感和电容发生谐振，短路电流中的谐波含量会明显增加，从而给二次谐波制动比的整定带来了困难。在图6中可以看出，故障后一段时间内，利用判据一、三、四计算出的二次谐波含量都很大，且远大于谐波制动比。大概要维持20ms以后，谐波含量才有可能会小于谐波定值，保护才有可能出口。当谐波制动比小于20%时，出口需要的时间会更长。因此带长线的变压器发生匝间故障时，二次谐波制动的判据除了判据二外均有可能将故障电流误判为励磁涌流，从而闭锁保护。 结论虽然三相涌流中可能有一相涌流的二次谐波成分小于10，但是至少会有一相涌流的二次谐波成分较大。因此，二次谐波仍然是励磁涌流的一个典型特征。对于500 kV超高压输电系统，特别是西北电网正在筹建的750 kV特高压系统，很可能将使用国外进口的大型电力变压器，这种变压器由于使用了高性能的铁芯、其磁滞的影响将大大减小。在使用时应适当降低二次谐波制动比整定值。微机变压器差动保护中，谐波比最大相制动方式由于与模拟式保护一致，故延续传统的定值选取方法应能保证保护正常工作；综合相制动方式，其定值应该小于最大相谐波比。综合相制动方式制动比宜取为1517，以保证较好的综合性能。而对按相制动方式，其定值选取要仔细考虑。二次谐波制动的变压器差动保护应用其效果是肯定的，但是对于二次谐波制动原理来说，无论采用那一种判据，均存在这方面或那方面的不足。因此实际应用中，应该寻找新的原理和依靠辅助判据来弥补二次谐波制动原理的不足，提高超高压变压器保护的综合性能。变压器保护的原理接线一、差动保护的接线原理 变压器差动保护是防止变压器内部故障的主保护。其接线方式，按回路电流法原理，把变压器两侧电流互感器二次线圈接成环流，变压器正常运行或外部故障，如果忽略不平衡电流，在两个互感器的二次回路臂上没有差电流流入继电器，即：iJibpiI-iII=0。见图1。如果内部故障，如图ZD点短路，流入继电器的电流等于短路点的总电流。即：iJ=ibp=iI2+iII2。当流入继电器的电流大于动作电流，保护动作断路器跳闸。由于变压器原副绕组联接方式不同，以双绕组变压器为例，常采用Y11接线，高低压两侧电流相位差30，即：原边电流滞后于付边电流30，见图3。虽然变压器两侧互感器二次电流大小相等，但由于相位不同，仍有差电流流入继电器。其大小为：为了消除两侧电流相位差产生的差电流ibp，必须对变压器两侧互感器采取不同的接线方式。 二、变压器差动保护的正确接线我们还以双绕组Y11变压器为例，见图4：变压器原边互感器二次线圈接成形，按减极性原边一次电流由L1流向L2为正，二次电流由K1流向K2为正，互感器二次接线按AK2与BK1连接，BK2与CK2连接，CK2与AK1连接，二次电流由AK2，BK2，CK2引出线电流。变压器副边电流互感器二次线圈接成人形，假设母线电流从L2进，按减极性，一次电流由L2流向L1为正，二次电流由K2流向K1也为正。端子ak1，bK1，CK1；连在一起引出中线，端子aK2，bK1，CK1引出线电流。根据基尔霍夫第一定律：“对于三角形联接的电路，无论是电源或是负载，线电流等于两相电流之差”。按照原边互感器接线列出电流方程式，并作向量图5和图6：由向量图可以看出变压器原边互感器二次线电流分别超前相电流30，也即超前一次电流30。变压器付边电流互感器二次线圈因入接，互感器二次电流与一次电流同相位。正好变压器两侧互感器二次线电流同相位。在差动臂上没有差电流流入继电器。随着微机继电保护技术的高速发展，微机继电保护装置已经广泛采用数字信号处理器。介绍了一种基于TMS320F2812芯片的微机型变压器后备保护装置的硬件结构及软件算法。电力变压器是电力系统中不可缺少的重要环节，在其正常运行中，可能会出现各种故障和不正常运行状态。为了保证变压器的正常而稳定地工作，必须为其配备完备可靠的继电保护措施1。目前电力变压器的继电保护普遍采用以微处理器控制技术为核心的继电保护装置，从最初的8 bit单片机、16 bit单片机、多CPU结构，再到32 bit DSP处理器构成的微机电力变压器保护装置，变压器继电保护水平已经取得了长足的进步2。但是，由于新型变压器的出现及微机保护的要求和算法的不断加强，对于微机型变压器保护装置的核心(即微处理器)的性能要求也越来越高。本文对采用一种基于DSP的微机型变压器后备保护装置进行了研究。1 硬件结构本保护装置是为35 kV及以下的配电变压器提供后备保护，安装在35 kV及以下电压等级的降压变压器的电源侧。该装置的核心微处理器采用32 bit DSP芯片TMS320F2812，其他主要电路包括：复杂可编程逻辑器件CPLD、数据量采集电路、外部扩展RAM、异步串口、CAN接口、开关量输入/输出接口电路、以太网接口电路、键盘及液晶显示等。其硬件结构系统图如图1所示。模拟量输入数字量输入数字量输出光电隔离光电隔离光电隔离DSP TMS320F2812外扩存储器异步串口CAN接口CPLD光电隔离开关量输入光电隔离开关量输出以太网显示键盘图1 硬件结构系统图1.1 DSP芯片装置的核心微处理器采用德州仪器公司推出的TMS320F2812 DSP芯片。DSP芯片工作频率达到150 MHz，为32 bit定点高性能数字信号处理器，采用经典的哈佛总线结构和指令流水线技术，保证信号处理的快速性和实时性；其内部存储器包括：18 K16 bit的RAM和118 K16 bit的Flash，芯片内部集成的外围模块也非常丰富，包括16通道12 bit的模数转换模块(ADC)、16通道的PWM输出，多达56个独立的、可编程的通用输入输出口；同时还集成有完全符合RS232标准的双通道串行接口、CAN总线模块和串行外围设备接口，大大减轻了设计的难度和节省了电路板的面积，提高了DSP系统的可靠性和稳定性。该DSP开发既可以采用C28x汇编，也可使用ANSI C/C+语言。此外，TI公司还提供有虚拟浮点数学函数库(3G数学函数库)、快速傅里叶变换(FFT)算法函数库、滤波器库等，这些函数库的应用大大方便和简化了系统的开发3。1.2 复杂可编程逻辑器件CPLDCPLD选用ISPMAC41284芯片，其功能主要有：配置开关量输入与输出的接口、以太网与DSP的接口以及液晶显示和键盘输入与DSP之间的接口等。CPLD与DSP之间，通过数据线来传递数据和地址信息，地址线负责完成逻辑译码、控制整个外围电路的工作，控制线则负责DSP与CPLD之间的同步。1.3 数据采集电路数据采集电路负责将系统所需的各模拟量信号(电压、电流、频率、相位等)经测量后，转换为与装置系统相匹配的电平，通过低通模拟滤波电路，再通过A/D转换为数字量后进行处理。由于TMS320F2812芯片自带有16通道的12 bit A/D转换ADC，因此可以同时采样16路模拟量。此ADC包含2路采样保持器和一个转换单元，可以实现双通道的同步采样，而且12 bit的采样精度也能满足装置作为配电变压器后备保护的精度要求，故不再增设专门的A/D转换电路。1.4 存储器的扩展虽然TMS320F2812芯片提供了18 K16 bit的随机存储器RAM和128 K16 bit的Flash，但在微机变压器继电保护装置中，由于系统的全部算法实现程序要写入Flash，并且在装置投入运行后，还需要足够的存储空间用来存储大量的数据和报告，需要较大的存储空间以保证系统的可靠运行。因此，对存储器进行外部的扩展是非常必要的。而TMS320F2812提供了外部存储器的扩展接口XNTF，且寻址空间可达1 MB，非常方便进行系统的扩展。1.5 开关量输入/输出模块微机型变压器保护装置中，除了大量的模拟量输入外，还有大量的开关量输入和输出(如触电状态或逻辑电平的高低等)，这就需要开关量输入/输出电路，将与微机型变压器后备保护相关的外设的开关量的状态通过开关量输入回路送给DSP，而DSP则将相关的开关量指令输出到开关量输出回路。同时，为了避免外来干扰对装置稳定性的影响，在开关量输入/输出电路前均要增加光电耦合电路，使任何开关量在进入DSP之前都要通过光电耦合电路进行光电隔离。1.6 开放性的通信设计随着电力系统自动化技术的发展，传统的通信方式已不能完全满足微机保护装置的通信需求。为增加装置对于通信的兼容性，采用了以下设计：(1)在TMS320F2812芯片内集成串行通信接口，使装置保留有2个带有RS485标准的硬件接口，通过芯片的GPIO的PB12、PB13来控制RS485的接收和发送，以完成上位机和下位机之间的数据传递。(2)TMS320F2812芯片内集成了增强型CAN总线通信接口，该接口与CAN2.0标准接口完全兼容，且最高可达1 Mb/s的速率5。(3)TMS320F2812芯片内没有集成以太网接口，