10千伏干式变压器微机保护

1、课程设计（论文）题 目 10kV干式变压器微机保护 学生姓名 王志伟 学 号 201214060220 班 级 电气F1206 指导教师 张华 评阅教师 张华 完成日期2014 年 12 月4 日目录摘要- 3 -1 微机保护装置的硬件系统- 3 -1.1、信号采集电路- 4 -1.2、模数转换电路- 6 -1.3、开关量输入电路- 7 -1.4、开关量输出电路- 7 -1.5、电源电路- 7 -1.6、CAN通信电路- 8 -2 微机保护装置的软件系统- 9 -2.1、系统主程序- 10 -2.2、数据采样子程序- 11 -2.3、显示子程序- 12 -2.4、双DSP通信子程序- 13 -

2、2.5、CAN通信子程序- 13 -2.6、软件系统抗干扰措施- 15 -（1）软件自检- 15 -（2）指令冗余- 15 -（3）软件陷阱- 16 -（4）数字滤波- 16 -（5）看门狗- 16 -3 总结- 16 -附录：- 18 -摘要干式变压器微机保护装置是用于测量、控制、保护、通讯一体化的一种经济型保护；针对配网终端高压配电室量身定做，以三段式无方向电流保护为核心，配备电网参数的监视及采集功能，可省掉传统的电流表、电压表、功率表、频率表、电度表等，并可通过通讯口将测量数据及保护信息远传上位机，方便实现配网自动化；装置根据配网供电的特性在装置内集成了备用电源自投功能，可灵活实现进线备

3、投及母分备投功能。干式变压器微机保护装置采用了国际先进的DSP和表面贴装技术及灵活的现场总线（CAN）技术，满足变电站不同电压等级的要求，实现了变电站的协调化、数字式及智能化。此系列产品可完成变电站的保护、测量、控制、调节、信号、故障录波、电度采集、小电流接地选线、低周减载等功能，使产品的技术要求、功能、内部接线更加规范化。产品采用分布式保护测控装置，可集中组屏或分散安装，也可根据用户需要任意改变配置，以满足不同方案要求。分析电力变压器的故障,可分为短路故障和不正常运行状态两种川,而变压器的短路故障,又可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

4、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造成的油面降低;由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁;变压器油温升高和冷却系统故障等。1 微机保护装置的硬件系统在本微机保护装置硬件构成方案中,总体电路采用DSP+DSP的双CPU结构,微控制器采用美国Tl公司生产的TMS32OLF2812DSP芯片来分别作为装置的核心控制器和数字信号处理器

5、,其为32位芯片,能够很好完成数据的采集和处理,并且可以保证算法的精确性和控制的实时性,提高了整个控制系统的可靠性。并配备一些适当的外围电路来完成整个装置的监控和保护功能。装置的硬件系统结构框图如图1所示,其中保护用DSP是保护装置的核心部分,其主要任务是完成保护所需要数据的采集与变换、保护的逻辑判断、保护故障巡检及控制开关量输入输出等功能。而监控用DSP主要是用来完成装置的事物管理、人机界面、后台通信、数据显示、按键处理、时钟处理等功能。为便于分析,在文中称保护用DSP为DSPI,监控用DSP为DSPZ,两块DSP并行工作,采用自带的串口进行通信,这样能够保证系统的实时性和可靠性,符合系统对

6、变压器保护装置的要求。图1.硬件系统结构框图1.1、信号采集电路信号采集电路主要是完成对系统电压和电流的采样和调理。因为装置在实际应用中需要采集的量都为高电压和大电流,因此需要用到一次设备,比如电流互感器CT、电压互感器PT,进行强弱电隔离,然后可根据电路板用小型电压、电流互感器转换为弱电流信号,再经过信号的调理输出为相应的电压、电流信号,送到AD进行转换。互感器实现了强弱电隔离,提高了系统的抗干扰能力。在电流采样电路中,采样原理电路如图2,电流互感器采用星格SCT254, 将一次侧交流电输入转化为对应的电流信号输出至采样板。图2.电流采样电路图图中,电流互感器二次侧接至电流采样电路的输入端,

7、这里的电流信号为有效值SA的正弦交流电,通过互感器后变成了弱电流信号,从右侧输出,通过数据线接到信号调理电路的左侧,经过调理后,即变成了0-3V的正弦电压信号,这里需要进行信号偏置,具体信号偏置电路在后面给予介绍,经过3V稳压二极管稳压后输出,最后送入DSP进行信号处理。信号调理电路的布局与互感器对应,每路经过一个互感器变成弱信号电压或电流后,即由与其位置对应的调理电路对信号进行调理。这样的布局可以使得我们在调试电路时,能够准确快速的找出电路故障,从而可以缩短电路的调试时间和产品的研发周期。电压采样电路如图3所示,输入端为高压侧电压互感器的二次侧,其信号为有效值looV的正弦交流电,通过电压互

8、感器SPT204的二次侧接至放大器输入端,其信号调理原理与电流采样电路一样,最后输出也为0-3V的电压信号,有稳压二极管稳压后直接送入DSP进行信号处理,在此不予过多说明。图3.电压采样电路图由于DSP接收的是0-3.3V的信号,因此需要对采样调理的正弦信号进行偏置,使得其满足DSP的输入信号要求。本方案单独设计了一个偏置电路,通过运算放大器LM358可以将12V的电压调理到1.5V,并且可以根据具体实际应用调制出不同的偏置电压,具体电路如图4所示,R1、R2组成分压电路,通过调节R2可以得到1.5V电压信号,通过放大器电压跟随输出偏置信号,这里C3为滤波电容。另外,采样信号不宜超过3V,否则

9、可能造成DSP的烧毁。图4.产生+1.5V的偏置电路除了对采样电路的设计以外,采样频率的选择也是微机保护硬件设计中的一个关键问题,采样频率如果过高,则会增加CPU的负担,采样频率如果过低,则将不能真实的反映被采信号的情况。因此要综合考虑各种因素,从中做出权衡。根据采样定理,采样频率关必须大于采样信号中所含的最高频率成分Fmax的二倍,否则将造成频率混叠。而对微机保护而言,在故障发生的初始阶段,电压、电流中含有相当高的频率分量,为防止混叠,fs要定得很高才能满足要求。但在实际上,目前大多数微机保护原理都是反映工频量的,在这种情况下可以在采样前用一个低通模拟滤波器将高频分量滤除,这样就可以降低。因

10、此在采样电路中每个电源处都放置了一个滤波电容,然后信号经过变换电路中的电阻R及电容C构成的RC低通滤波器。应用中,可不必用低通模拟滤波器滤掉所有的高频分量,仅用它滤掉fs/2以上的分量即可,而对于低于fs/2的其他暂态频率分量,可以通过数字滤波器来滤除。1.2、模数转换电路微机保护装置中数据采集的精度、速度及动态范围直接关系到保护功能实现的稳定性及可靠性。因此,通过对比专门的A/D转换芯片和DSP自带的A/D转换模块在精度、速度和价格等方面的优劣性,本微机保护装置模数转换电路采用DSP自带的ADC模块及其相应的控制电路构成。该模块是一个12位带流水线的模数转换器,模数转换单元的模拟电路包括前向

11、模拟多路复用开关(MUXs)、采样保持电路(S/H)电路、变换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路。ADC模块的功能主要包括:12位的ADC核,内含采样/保持电路;同时采样或者顺序采样模式;16通道,多路选通输入;可在一次采样中同时实现16路自动转换的自动排序能力;多个触发源可以启动A/D转换;采样保持获得时间窗有单独的预分频时钟等。模数转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口、与芯片外设总线的接口以及同其他片上模块的接口。模数转换模块ADC有16个通道,可配置为2个独立的8通道模块,分别服务于时间管理器A和B,两个独立的8通道模块也可以级联成一个16通道模块。尽管在

12、模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器,但仅有一个转换器,F2812的ADC模块的功能框图如图5所示。图5.ADC模块功能框图两个8位通道能够自动排序,每个模块可以通过多路选择器(MUX)选择8通道中的任何一个通道。在级联模式下,自动排序器变成16通道。对于每个通道而言,一旦ADC转换完成,将会把转换结果存储到结果寄存器(ADCRESULT)中。自动排序器允许对同一个通道进行多次采样,用户可以完成过采样算法,这样可以获得更高的采样精度。为获得更高精度的模数转换结果,正确的PCB板设计是非常重要的。连接到ADCINxx引脚的模拟量输入信号线要尽可能地远离数字电路信号线。减少因数字信号的转换产生

13、的耦合干扰,需要将ADC模块的电源输入同数字电源隔离开来。1.3、开关量输入电路开关量的输入主要是通过DSP的10口来检测断路器的状态,隔离开关的状态、外部分合闸状态、变压器本体保护的检查状态以及装置本身硬件的自检状态等,其具体原理电路如图6所示。这里N1和NZ接继电器常开触点,当继电器接收到外部信号时,常开触点闭合,经光电祸合后三极管导通,DSP检测到10口信号发生相应变化,从而判断相应的外部电气接点状态变化。这里的光电祸合器中,信息以光为介质进行传递,但输入和输出均为电信号,没有电的直接联系,因此它不受电磁信号的干扰,这样可使输入的状态量信号与主保护板在电气上隔离,具有很强的抗干扰能力。图

14、6.开关量输入电路1.4、开关量输出电路开关量的输出主要是通过DSP的IO口去控制继电器的触点的开关状态,其电路图如下图7所示,控制信号由DSP的IO口输出,通过三极管的导通控制主电路工作,从而使得继电器常开触点闭合,输出一个开关信号,LED灯起指示的作用。图7.开关量输出电路1.5、电源电路DSP供电电源为3.3V和1.8V,因此需要将系统提供的5V电源转化为DSP需要的电压电源,这里用到的转换芯片为LM117。另外还可以配合便携式电源一起使用。电源转换电路如下图8所示。图8.电源电路1.6、CAN通信电路微机保护装置在其应用环境中,为满足整体控制、协调运作的要求,必然要与控制主站进行通信,

15、以往的微机保护系统一般采用RS-422或RS-485总线,但它只有物理层,构成的通信系统也只能采用主从结构,给使用带来不便,另外在通信速度、通信距离和可靠性等方面己经不能满足现代电力系统对通信的要求,因此本文采用现场总线技术中性能良好的CAN总线与上位机进行通信。CAN总线是一种串行通信协议,有很多优点,诸如具有较强的抗干扰能力,直接通信距离最远可达10km(传输速率为5kb/s),通信速率最高可达1Mb/s(传输距离为40m),结点可达10个之多。另外,CAN总线可实现全分布式多机系统,且无主、从之分,网络上任意一个结点均可在任意时刻、主动地向其他结点发送信息,通信方式灵活,可以点对点、一点

16、对多点及全局广播几种方式传送和接收数据。且CAN总线用户接口简单,编程方便,很容易构成用户系统等。本文利用在TMs320F2812DSP片上集成的eCAN模块来实现与上位机的通信,eCAN模块是TI公司新一代32位内部结构的高级CAN控制器,它完全兼容CAN2.OB协议,并可以在有干扰的环境里使用上述协议与其它控制器进行串行通信。另外,eCAN模块具有32个可以完全控制的邮箱和时间标识特性,提供了一个通用可靠的串行通信接口。CAN通信硬件电路图9.CAN通信硬件电路图图9中,CANTX和CANRX接DSP的动芯片才能与外部的CAN控制器进行通信。SN65HVD230是为3.3V供电CAN管脚,

17、CANH和CANL接外部CAN总线。DSP内的CAN控制器必须通过CAN驱的DSP设计的CAN总线收发器,具有增大通信距离,提高系统的瞬间抗干扰能力,保护总线,降低射频干扰、实现热防护等功能,与CAN总线控制器相配合,至少可以连接110个节点,达到1Mbit/s的数据传输率。6N137是高速光祸,对DSP和外部电路进行光电隔离,降低干扰,提高系统的可靠性。因为DSP是+3.3V供电,而6N137内部的比较器需要SV供电,所以在接收端加了R1和R3,来实现电平的转换。2 微机保护装置的软件系统软件设计是变压器微机保护装置的灵魂,是保证系统工作的核心,对软件整体的理解是软件设计的首要条件。软件设计

18、方法有两种设计方法,其中结构化程序设计是常用的程序设计方法,其大体思路是将一个复杂的系统按功能划分为几个独立的模块,每个程序再用单入口、单出口的控制结构,模块划分遵循“功能独立”原则,每个模块的功能分配明确,有利于软件的调试、修改和维护。软件系统设计需要满足简洁性、易维护修改性、实时性和准确可靠性等要求。本保护装置采用双CPU结构,一个作为主保护用,另一个作为辅助保护用。因此可根据他们各自的不同功能将变压器微机保护装置的软件分为两大部分:保护程序软件和辅助程序软件。其中保护程序软件包括系统主程序、采样中断服务程序和故障处理程序。辅助程序软件主要包括键盘输入、显示、通讯和故障报警等。本装置的软件

19、编写主要使用C语言,方便程序的维护修改。2.1、系统主程序本系统的主程序主要包括上电初始化、自检、开中断(数据采集)、故障检测与报警显示和循环自检等。系统上电或者手动复位后首先要进行初始化,在初始化过程中要关全局中断,中断使能,还有中断标志都要置0,接着初始化PIE,初始化PIE中断矢量表,还有外设,以及所需配置到的资源,它主要包括各编译量的初始化、寄存器初始化、各种标志位清零等,初始化程序如图11所示。初始化结束后进入自检,包括RAM区读写检查、定值检查、输入输出回路自检等。如果自检没有错误,下一步就需要开中断,以便实现采样和串行通讯等功能。这里就包括数据采样程序、双DSP通讯程序和与上位机

20、通讯程序等几个子程序。然后需要判断有无故障,如果有就通过开关量输出进行保护,同时报警, 并通过液晶显示故障信息,若没有就循环自检,继续前面的工作。主程序流程如图12所示。软件的主程序是个死循环，每一次定时器中断来临，都打断主程序，进入定时器中断函数。定时中断服务程序主要包括采样模块：通过AD转换依次采集各相电压、电流的瞬时值，经过前期处理后放在缓冲区内排队，以便后续计算；电气量计算模块：根据采样所获得的瞬时值，经过差分滤波，利用傅氏算法以及半周傅氏算法计算各相电压、电流相量、序量及其突变量的实、虚部；保护判据计算模块：利用前面计算出的各种相量、序量、突变量来计算保护元件的判据；保护逻辑运算模块

21、：由前面算出的各种保护元件的结果，根据保护动作逻辑方案，进行逻辑运算，由最终结果决定是否发信、跳闸或给信号等等；扰动数据记录以及SOE事件记录：当系统发生扰动使保护启动，保护将保存启动前后的暂态数据；若保护动作如跳闸等也将保存这些事件前后的暂态数据以便于事故分析。图11.初始化程序流程图 图12.主程序流程图当装置上电或复位后，运行进入应用程序时，首先要进行初始化，对相应的地址，寄存器、常量、变量进行设置，并对相关硬件和缓冲区进行检测，从而为程序的主循环体的运行做好准备。初始化部分主要包括 DSP 初始化、定值初始化、上电全面自检，通用型的转换、保护相关指针初始化、保护元件初始化等。如果自检不

22、正常，则进入故障处理程序，包括启动装置故障继电器，闭锁保护，接收管理机故障处理命令等，如果是整定值出错则等待管理机调整整定值。反之，自检正常则进入正常处理程序包括初始化各变量、通用型的转换、模拟通道的映射、开入和开出通道映射，初始化保护元件等，最后开定时中断，保护进入定时中断程序。保护主程序的正常运行部分，主要进行通信处理任务。2.2、数据采样子程序数据采样程序主要完成三相电压信号和三相电流信号的同时采样和A/D转换,电压信号和电流信号都是由CT、PT过来并经过调理的0-3V正弦信号,满足DSP需要的0-3.3V信号的要求。由于终端嵌套需满足可靠性的要求,因此数据采集和转换采用查询的方式,并且

23、采用DSP本身的A/D转化模块,可在满足采样精度的要求下保证采样电路的简易性和实时性,由定时器中断启动数据采集和A/D转换。需要说明是由于采集的实时性和准确性,此中断的优先级一定为最高。数据采集处理模块在工作前需要进行初始化操作,初始化内容包括对DSP各寄存器、输入输出口工作方式的初始化,对AD及CPLD的初始化等。在初始化完成后,开始开中断,进行数据采集转换。下图13为数据采样转换程序流程图。图13.数据采样转换程序流程图2.3、显示子程序显示是人机界面最重要的环节,其具有直观和准确等特点,是每个系统必不可少的部分。液晶显示是通过液晶屏将重要的信息显示出来,以便直接观察和采取进一步的措施。本

24、装置需要显示开关量输入输出状态、系统电压、电流、有功、无功、故障信息等,同时配合报警实现系统的整体监控。其显示主体界面如下图。图14.显示主体界面2.4、双DSP通信子程序用McBSP实现双DSP间的高速通信,需分别对主机DSP1和从机DSP2进行编程。软件设计的重点是对McBSP相关寄存器的设置,以使其工作在最高数据传输速度模式下。主片DSP1的软件设计由DSP初始化,MeBSP1初始化,DSP中断设置和发送数据中断设置程序构成。相似地,从片DSP2的软件设计由DSP初始化,McBSP2初始化,DSP中断设置和接收数据中断设置程序构成。图15是主片DSPI软件程序流程图,图16是从片DSP2

25、软件程序流程图。图15.主片DSP1软件程序流程图 图16.从片DSP2软件程序流程图2.5、CAN通信子程序在使用CAN模块进行通信之前首先必须对它的内部寄存器进行初始化设置,只有CAN模块工作在初始化模式下才能进行初始化。初始化内容包括模块时钟的使能、通信引脚的定义、通信波特率的设定和收发邮箱的配置等。具体流程图如图17所示。图中,CCR为主控制寄存器(CANMC)的改变配置请求位,当其为0时CPU请求正常操作,但只有在配置寄存器(CANPTC)设置为允许的值后才可以实现该操作;为1时,CPU请求向标准模式的配置寄存器和接受屏蔽寄存器(CANGAM)写配置信息,该位置1后,CPU必须等到错

26、误和状态寄存器(CANES)的CCE标志为1后,才能对配置寄存器进行操作。CCE为错误和状态寄存器的改变配置使能位,当其为0时,禁止CPU对配置寄存器进行写操作,为1时表明已经对配置寄存器进行了写操作。图17.CAN模块初始化流程图在对CAN控制器进行初始化之后,要实现其通信功能,就是配置寄存器的相应位,实现信息的发送和信息的接受功能。信息的发送程序由配置邮箱为发送方式和发送信息两部分组成,程序流程图如图18所示。图的左半部为配置邮箱为发送方式部分,其中TRS为发送请求置位寄存器(CANTRS)的发送请求设置位,#为对应操作的0-31个邮箱,TRS置1时发送邮箱内的消息,且所有循环发送的消息的

27、TRS位可以同时置位,置O时没有任何操作;ME为邮箱使能寄存器(CANME)的邮箱使能控制位,ME置0时,相应的邮箱被屏蔽,置1时,相应的邮箱被使能。图的右半部为发送消息部分,其中TA为发送响应寄存器(CANTA)的发送响应位,TA置0时,消息没有被发出,置1时,当对应邮箱内的消息成功发送出去后,则寄存器相应位将置位。信息的接收程序由配置邮箱为接收方式和接收信息两部分组成,程序流程图如图19所示。图的左半部为配置邮箱为接收方式部分,其中AME为消息标志寄存器的接收屏蔽使能位,AME置0时,不使用接收屏蔽使能位,所有的标志位必须与接收到的消息匹配,置1时,使用相应的接受屏蔽使能位。MD为邮箱方向

28、寄存器(CANMD)的邮箱方向控制位,MD置0时,配置为发送邮箱,置1时,配置为接收邮箱,上电后所有位清零。图的右半部为接收信息部分,其中OPC为覆盖保护控制寄存器的覆盖保护控制位,OPC置0时,新的消息将邮箱中旧的消息覆盖,置1时,邮箱中原有消息被保护,不会被覆盖。RMP为接收消息挂起寄存器的接收消息挂起位,RMP置0时,邮箱内没有消息,置1时,如果对应邮箱中包含接收到的消息,则寄存器的对应位置位。 图18.发送程序流程图 图19.接收程序流程图2.6、软件系统抗干扰措施在前面的微机保护装置硬件电路方案中,采取了诸多措施来增强装置的可靠性和抗干扰能力,硬件抗干扰措施虽能有效的抑制干扰源,阻断

29、干扰的传输信道,但由于干扰信号产生的原因很复杂,且有很大的随机性,因此在采取硬件抗干扰措施的基础上,软件抗干扰也是必不可少的。而且,软件抗干扰有实现容易,设计灵活,不增加硬件成本等优点。因此在本文中,用到的软件抗干扰措施有软件自检、指令冗余、软件陷阱、看门狗、数字滤波等。（1）软件自检系统在上电复位后,调用软件自检程序,检测DSP内部资源和外部电路能否正常工作,自检正常后才执行应用程序,如出现较严重自检错误,则根据不同的情况提示故障点,以确保硬件电路能正常和稳定的工作。通过自检程序能够及时地发现系统存在的问题,为检修提供参考依据。（2）指令冗余指令由操作码和操作数组成,CPU在取指令的时候是先取操作码再取操作数,判断取的是操作码还是操作数就是通过取指令的顺序。而取指令的顺序完全由指令计数器PC来控制,因此,一旦PC受干扰出现错误,程序便会脱离正常轨道,出现“跑飞”想现象,造成判断混乱,但只要PC指针落在单字节指令上程序就可纳人正轨,所以为了快速将程序纳入正轨,应该多用单字节指令,并在关键的地方人为插入一些单字节指令NOP,或将有效的单字节指令重写等,这就称之为指令冗余。（3）软件陷阱软件陷阱,是指一些可以使失控程序恢复到正常运行或恢复到初始状态的一系列指令,通常可采用空指令(NOP)及跳转指令充当软件陷阱。当系统执行程序过程中,如果受到