矿用变压器的保护设计本科毕业论文

绪论1.1课题背景在电力系统中广泛使用变压器来升压或者降压。变压器是电力系统不可或缺的重要电气设备。利用电磁感应原理把一种电压的交流电能转变成频率相同的另一种电压的交流电能，在电力系统中，需要用变压器将电压升级进行远距离传输，以降低线路损耗，当电能到达用户区后，再采用不同等级的变压器将电能降压使用，因此，变压器的正常运行对保持系统的稳定与安全有着特殊的意义。它的故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影响，同时大容量的变压器也是非常重要的设备。因此，应根据变压器的容量等级和重要程度，装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。将微型计算机技术应用于变压器保护是提高变压器保护水平的一个重要途径。采用微机保护技术构成的变压器保护系统，较现有的模拟式保护具有更加完善的功能，提高了电力系统安全运行水平。1.2电力变压器保护综述1.2.1变压器的故障电力变压器是电力系统中大量使用的重要电气设备，他的故障给供电可靠性和系统的正常运行带来严重的后果，同时大容量变压器也是非常贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度装设性能良好的、动作可靠的保护元件。电力变压器的故障分为内部和外部两种故障。内部故障指变压器油箱里面发生的各种故障，主要靠瓦斯和差动保护动作切除变压器；外部故障指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，一般情况下由差动保护动作切除变压器。速动保护（瓦斯和差动）无延时动作切除故障变压器，设备是否损坏主要取决于变压器的动稳定性。而在变压器各侧母线及其相连间隔的引出设备故障时，若故障设备未配保护（如低压侧母线保护）或保护拒动时，则只能靠变压器后备保护动作跳开相应开关使变压器脱离故障。因后备保护带延时动作，所以变压器必然要承受一定时间段内的区外故障造成的过电流，在此时间段内变压器是否损坏主要取决于变压器的热稳定性。因此，变压器后备保护的定值整定与变压器自身的热稳定要求之间存在着必然的联系。1.2.2电力变压器的异常工作状态变压器处于不正常运行状态时，继电器应根据其严重程度，发出警告信号，使运行人员及时发现并采取相应措施，以保安全。变压器不正常工作状态主要有：1.由于外部短路引起的过电流；2.由于电动机自起动或并联工作的变压器被断开及尖峰负荷等与原因引起的过负荷；3.外部接地短路引起的中性点过电压；4.油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高；5.大容量变压器在过电压或低频等异常运行工况下导致变压器过励磁，引起铁芯和其他金属构件过热。1.2.3电力变压器的保护方式根据变压器的故障和异常工作状态，其通常装设的保护装置如下：1.瓦斯保护对变压器油箱内部的各种故障及油面的降低应装设瓦斯保护。容量为800KVA及以上的油浸式变压器，对于容量为400KVA及以上的车间内油浸式变压器，匀应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，；保护装置应瞬间动作于信号：当产生大量瓦斯时，瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源侧断路器。对于高压侧未装设断路器的线路-变压器组，未采取使瓦斯保护能切除变压器内部故障的技术措施时，瓦斯保护可仅动作与信号。2.纵差保护或电流速断保护容量在10000KVA及以上的变压器应装设纵差保护，用以反应变压器内部绕组、绝缘套管及引出线相间短路、中性点直接接地电网侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路。3.过电流保护变压器的过流保护用作外部短路及变压器内部短路的后备保护。4.零序过流保护 变压器中性点直接接地或经放电间隙接地时，应补充装设零序过流保护。用以提高保护在单相接地时的灵敏度。零序过流保护主要用作外部电网接地短路的后备保护。5.过负荷保护变压器过负荷时，应利用过负荷保护发出信号，在无人值班的变电所内可将其作用于跳闸或自动切除一部分负荷。1.3电力变压器保护研究现状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,其具有电路简单的特点,抗干扰的性能进一步加强,并完善了通信功能,为实现变电站自动化提供了方便。近年来,数字信号处理技术开始广泛应用于微机保护领域。DSP的特点是计算能力强、精度高、总线速度快,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、滤序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。差动保护为变压器主保护的主要形式,长期以来受到保护工作者的关注。1931年,R.E.Cordray提出比率差动的变压器保护,标志着差动保护作为变压器主保护时代的到来。1958年R.L.Sharp和WE.GlassBurn提出了利用二次谐波鉴别变压器励磁涌流的新方法,并在模拟式保护中加以实现。目前国内外生产变压器继电保护装置的厂家很多,就主保护而言,国外保护装置基本是以二次谐波制动为主的比率差动保护,而国内则以二次谐波制动和间断角两种原理为主导,以波形对称原理为补充的格局正在形成。1.4继电保护的发展1.4.1计算机化随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。南京电力自动化研究院目前在研究32位保护硬件系统。天津大学一开始即研制以16位多CPU为基础的微机线路保护。采用32位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受A/D转换器分辨率的限制，超过16位时在转换速度和成本方面都是难以接受的；更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口。CPU的寄存器、数据总线、地址总线都是32位的，具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存（Cache）和浮点数部件都集成在CPU内。电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能。现在，同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机，因此，用成套工控机做成继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一。继电保护装置的计算机化是不可逆转的发展趋势。1.4.2网络化

计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力的通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要保证全系统的安全稳定运行，这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。对于某些保护装置实现计算机联网，也能提高保护的可靠性。天津大学1993年针对未来三峡水电站500kV超高压多回路母线提出了一种分布式母线保护的原理，初步研制成功了这种装置。其原理是将传统的集中式母线保护分散成若干个母线保护单元，分散装设在各回路保护屏上，各保护单元用计算机网络联接起来，每个保护单元只输入本回路的电流量，将其转换成数字量后，通过计算机网络传送给其它所有回路的保护单元，各保护单元根据本回路的电流量和从计算机网络上获得的其它所有回路的电流量，进行母线差动保护的计算，如果计算结果证明是母线内部故障则只跳开本回路断路器，将故障的母线隔离。在母线区外故障时，各保护单元都计算为外部故障均不动作。这种用计算机网络有较高的可靠性。微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保护发展的必然趋势。1.4.3保护、控制、测量、数据通信一体化

在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置是电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的信息和数据传送给网络控制中心或任何一终端。因此，每个微机保护装置实现保护、控制、测量、数据通信一体化。目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆不但要大量投资，而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、控制、测量、数据通信一体化的计算机装置，就地安装在室外变电站的被保护设备旁，将被保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主控室，则可免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质，还可免除电磁干扰。现在光电流互感器（OTA）和光电压互感器（OTV）已在研究试验阶段，将来必然在电力系统中得到应用。在采用OTA和OTV的情况下，保护装置应放在距OTA和OTV最近的地方，亦即应放在被保护设备附近。OTA和OTV的光信号输入到此一体化装置中并转换成电信号后，一方面用作保护的计算判断；另一方面作为测量量，通过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器的操作。1.4.4智能化近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题，距离保护很难正确做出故障位置的判别，从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法，经过大量故障样本的训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。可以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题。2变压器保护原理2.1气体保护2.1.1保护的工作原理当变压器油箱内发生各种短路故障时，由于短路点电弧和短路电流的作用，变压器油和绝缘材料受热分解，产生大量气体，从油箱流向油枕上部。故障越严重，产生气体越多，流向油枕的气流和油流速度也越快，利用这种气体来实现保护称气体保护。如图2-1所示：图2-1气体保护原理接线图图2-1气体继电器KG的上触电为轻气体触点，动作于信号；下触点为重气体触点，动作于跳闸。当变压器发生严重故障时，由于挡板在油流冲击下可能不稳，会使重气体触点抖动，影响气体保护的可靠性。为此，KCO采用具有自保持的中间继电器。此外，为防止气体继电器在变压器换油或试验时误动作，可通过连接片XB将跳闸回路断开。2.1.2气体保护的缺点不能反应变压器油箱外套管及联接战线上的故障，因此，不能作为防御变压器内部事故的唯一保护。由于构造问题，在运行中正确动作率还不高。挡板式瓦斯继电器也存在当变压器油面严重下降，需要跳闸时，动作不快的缺点。2.1.3气体保护的优点灵敏度高、结构简单，并能反应变压器油面内部各种类型的故障。特别是当绕组短路匝数很少时，故障点的循环电流虽然很大，可能造成严重的过热，但反应在外部电流的变化却很小，各种反应电流量的保护都难以动作，因此瓦斯保护对保护这种故障有特殊的优越性。2.2电流速断保护2.2.1保护的工作原理变压器的电流速断保护是反应于大电流增大而瞬间动作的保护。装于变压器的电源测，对于变压器用引出线上各种形式的短路电流进行保护。为证明选择性，速断保护只能保护变压器的一部分，一般能保护变压器的原绕组，它适合用于容量在10MVA以下小容量的变压器，当电流保护时限大于0.5S时，可在电源侧装设电流速断保护，其接线原理如图2-2所示：图2-2电流速断保护原理接线图保护动作电流可按下列条件之一选择：1.躲过外部K2短路时流过保护的最大电路电流整定，即（2-1）式中为可靠系数，为1.3~1.4；最大运行方式下，变压器低压侧母线发生短路故障时，流过保护的最大短路电流。2．躲过变压器空载投入时的励磁涌流(2-2)式中为保护安装侧变压器的额定电流。取上述两个的最大值作为整定值。保护的灵敏度校验，要求在保护安装处K1点发生两相金属性短路进行校验，即(2-3)式中为最小运行方式下，保护安装处发生两相短路时的最小短路电流。2.2.2电流速断保护的特点电流速断保护的优点是接线简单、动作迅速。但作为变压器内部故障的保护时存在以下缺点：1.当系统容量不大时，保护区伸不到变压器的内部，即保护区很短，灵敏度达不到要求。2.在无电源的一侧，从套管到断路器的一段故障要靠过电流保护跳闸，这样切除故障很慢，对系统安全运行影响很大。3.对于并列运行的变压器负荷侧故障时，将由过电流保护无选择性的切除所有变压器。2.3纵联差动保护2.3.1变压器差动保护基本原理电力变压器可能发生的内部故障包括：各侧绕组的相间短路故障，中性点直接接地的变压器的单相接地短路，绕组的匝间短路等。变压器内部的各种短路都将产生电弧，引起主绝缘烧毁，绝缘油分解，内部油压增大，有可能引起油箱爆炸起火。因此，对变压器内部故障应尽快切除。纵差动保护是变压器的电气主保护，由于变压器在电力系统中占有重要地位，纵差动保护必须满足如下要求：1.能反应保护区内各种相间和接地短路故障。2.动作速度快，一般动作时间不能大于30ms。3.在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复期间产生励磁涌流时不应误动作。4.在变压器过励磁时，纵差动保护不应该动作。5.发生外部故障时电流互感器饱和应可靠不动作。6.保护区内故障时，电流互感器饱和，纵差动保护不应拒动或延时动作。7.保护区内发生短路故障，在短路电流中含有谐波分量时，纵差动保护不应拒动或延时动作。按照反应电流和电压量变化构成的保护装置，测量元件限于装设在被保护元件的一侧，无法区别保护范围末端和相邻范围始端的故障。为了保证动作的选择性，在整定动作参数是必须与相邻元件的保护相配合，一般采用缩短保护区或延长动作时限的方法获得选择性。差动保护的原理接线图如图2-3所示。图2-3差动保护原理接线图变压器差动保护是按照循环电流原理构成的，图为差动保护的单相原理接线图。双绕组变压器，在其两侧装设电流互感器当两侧电流互感器的同极性端子在同一方向，差动继电器的工作线圈并联在电流互感器的二次端子上。由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此必须适当选择两侧电流互感器的变化，使得在正常工作时和外部故障时两侧的二次电流相等，流过差动继电器线圈的电流在理论上等于零。即：(2-4)所以两侧的CT变比应不同，且应使即：(2-5)按相实现的纵差动保护，其电流互感器变比的选择原则是两侧CT变比的比值等于变压器的变比。2.3.2变压器差动保护不平衡电流分析1.稳态情况下不平衡电流变压器在正常运行时纵差保护回路中不平衡电流主要是由电流互感器、变压器接线引起：（1）由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生。正常运行时变压器各侧电流的大小是不相等的。为了满足正常运行或外部短路时流入继电器差动回路的电流为零，则应使高、低压两侧流入继电器的电流相等，即高、低侧电流互感器变比的比值应等于变压器的变比。但是，实际上由于电流互感器的变比都是根据产品目录选取的标准变比，而变压器的变比是一定的，因此上述条件是不能得到满足的，因而会产生不平衡电流。（2）由变压器两侧电流相位不同而产生。变压器常常采用两侧电流的相位相差30°的接线方式（对双绕组变压器而言）。此时，如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式（即均采用Ｙ形接线方式），则二次电流由于相位不同，也会在纵差保护回路产生不平衡电流。（3）由变压器两侧电流互感器型号不同而产生。电流互感器是一个带铁心的元件，在变换电流的过程中，需要一定的励磁电流，所以一次电流和二次电流的关系如式（2-6）：（2-6）当变压器两侧电流互感器的型号不同时，它们的饱和特性、励磁电流等也就不同，即使两侧电流互感器的变比符合要求，流入差动继电器的差电流为，如式（2-7）：（2-7）差电流也不会为零，即在正常运行或外部短路时，会有不平衡电流流入差动继电器。2.暂态情况下的不平衡电流（1）由变压器励磁涌流产生正常运行情况下，铁芯未饱和，相对导磁率很大，变压器绕组的励磁电感也很大，因而励磁电流很小，一般不超过额定电流的3%5%。当投入空载变压器或外部故障切除后的电压回复时，一旦铁芯饱和后，想对导磁率接近于1，变压器绕组的电感降低，相应出现数值很大的励磁电流，称为励磁涌流，其值可能达到变压器额定电流的68倍。励磁涌流具有如下特征：①励磁涌流数值很大，最大可达变压器额定电流的68倍；②励磁涌流包含有很大成分的非周期分量，波形呈尖顶波形且偏于时间轴的一侧；③励磁涌流包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主；④励磁涌流相邻波形是不连续的，因而波形之间出现了间断角。由于励磁涌流的存在，使变压器差动回路产生很大的不平衡电流，常常导致纵差保护的误动作，给变压器纵差保护的实现带来困难。（2）由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生纵差保护是瞬动保护，它是在一次系统短路暂态过程中发出跳闸脉冲。因此，必须考虑外部故障暂态过程的不平衡电流对它的影响。在变压器外部故障的暂态过程中，一次系统的短路电流含有非周期分量，它对时间的变化率很小，很难变换到二次侧，而主要成为互感器的励磁电流，从而使互感器的铁心更加饱和。本来按10%误差曲线选择的电流互感器在变压器稳态外部短路时，就会处于饱和状态，再加上非周期分量的作用，则铁心将严重饱和。因而，电流互感器的二次电流的误差更大，暂态过程中的不平衡电流也将更大。2.3.3变压器纵差保护中不平衡电流的克服方法从上面的分析可知，构成纵差保护时，如不采取适当的措施，流入差动继电器的不平衡电流将很大，按躲开变压器外部故障时出现的最大不平衡电流整定的纵差保护定值也将很大，保护的灵敏度会很低。若再考虑励磁涌流的影响，保护将无法工作。因此，如何克服不平衡电流，并消除它对保护的影响，提高保护的灵敏度，就成为纵差保护的中心问题。1.由电流互感器变比产生的不平衡电流的克服方法对于由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流可采用2种方法来克服:一是采用自耦变流器进行补偿。通常在变压器一侧电流互感器（对三绕组变压器应在两侧）装设自耦变流器，将LH输出端接到变流器的输入端，当改变自耦变流器的变比时，可以使变流器的输出电流等于未装设变流器的LH的二次电流，从而使流入差动继电器的电流为零或接近为零。二是利用中间变流器的平衡线圈进行磁补偿。通常在中间变流器的铁心上绕有主线圈即差动线圈，接入差动电流，另外还绕一个平衡线圈和一个二次线圈，接入二次电流较小的一侧。适当选择平衡线圈的匝数，使平衡线圈产生的磁势能完全抵消差动线圈产生的磁势，则在二次线圈里就不会感应电势，因而差动继电器中也没有电流流过。采用这种方法时，按公式计算出的平衡线圈的匝数一般不是整数，但实际上平衡线圈只能按整数进行选择，因此还会有一残余的不平衡电流存在，这在进行纵差保护定值整定计算时应该予以考虑。目前微机继电保护已被广泛应用，对于变压器纵差保护中由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流可以通过软件补偿，也可采用在模数变换（VFC）板上直接调整变压器各侧电流的硬件调整平衡系数的方法，把各侧的额定电流都调整到保护装置的额定工作电流（5A或1A2.由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流的克服方法对于由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流可以通过改变LH接线方式的方法（也称相位补偿法）来克服。对于变压器Y形接线侧，其LH采用△形接线，而变压器△形接线侧，其LH采用Y形接线，则两侧LH二次侧输出电流相位刚好同相。但当LH采用上述连接方式后，在LH接成△形侧的差动一臂中，电流又增大了3倍，此时为保证在正常运行及外部故障情况下差动回路中没有电流，就必须将该侧LH的变比扩大3倍，以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等。接线图如图2-4图2-4纵差保护原理接线图差动臂中的同相位了，但。为使正常运行或区外故障时，，则应使故此时选择LH变比的条件如式（2-8）：（2-8）在采用微机保护的变压器中，变压器各侧LH均可接成Y形，因相位不同而产生的不平衡电流可以通过软件进行相位校正。3.由电流互感器型号不同和由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流的克服方法该不平衡电流均可在变压器纵差保护定值整定计算中予以考虑。在稳态情况下，为整定变压器纵差保护所采用的最大不平衡电流可如式（2-9）确定：（2-9）为LH的同型系数，当LH型号相同时取0.5，不同时取1.0；为变压器带负荷调压引起的相对误差，一般采用变压器调压范围的一半；为平衡线圈整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差。2.3.4实施纵差动保护遇到的问题实施变压器纵差动保护，除应满足继电保护的要求外，应解决几个问题。1.正确识别励磁涌流和内部短路故障时的短路电流。变压器空载合闸或外部短路故障切除电压突然恢复时，变压器有很大的励磁电流即励磁涌流流过，因该励磁涌流仅在变压器的一侧流通，故流入差动回路。变压器内部短路故障时，差动回路通过的是很大的短路电流，应正确识别励磁涌流和短路电流。2.应解决好区外短路故障时差动回路中的不平衡电流和保护灵敏度间的矛盾。区外短路故障时，由于纵差动保护各侧电流互感器变比不匹配、调压变压器分接头的改变、电流互感器误差特别是暂态误差的影响，差动回路中流过数值不小的不平衡电流，为保证纵差动保护不动作，动作电流应高于区外短路故障的最大不平衡电流，这势必要影响内部短路故障时保护的灵敏度。作为纵差动保护，既要保证区外短路故障差动回路流过最大不平衡电流时不误动，又要在内部短路故障时保证一定的灵敏度。3.电流互感器饱和不应影响纵差动保护的正确动作。特别是在保护区外短路故障时，一侧电流互感器的饱和导致差动回路电流增大，若不采取措施，很容易使差动保护误动作。此外，变压器内部短路故障时一侧电流流出以及内部短路故障时二次谐波。2.4过电流保护变压器相间短路的保护既是变压器主保护的后备保护，又是相邻母线或线路的后备保护。根据变压器容量大小和系统短路电流的大小，变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压起动的过电流保护和复合电压起动的过电流保护等。2.4.1不带低电压起动的过电流保护过电流宜用于降压变压器，过电流保护采用三相式接线，且保护应该装设在电源侧。不带低电压起动的过电流保护的原理接线图如图2-5：图2-5变压器过电流单相原理接线图保护的动作电流应按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，如式（2-10）：（2-10）—可靠系数，一般为1.21.3； —为返回系数。2.4.2低电压起动的过电流保护低电压起动的过电流保护的原理接线图如图2-6图2-6低电压起动过电流保护原理接线图对于升压变压器或容量较大的降压变压器，当过电流保护另名都不够时，可以考虑并列变压器跳闸或电动机自起动等因素引起的最大可能的负荷电流，而可以按躲过变压器的额定电流来整定。这样可以降低过电流保护的整定值，从而提高保护的灵敏度。对升压变压器，如果低电压继电器只接在一侧电压上则当另一侧发生短路时，往往不能满足灵敏度的要求。为此，可采用两套低电压继电器，分别接在变压器的高、低压侧。当采用低电压起动的过流保护时，其动作电流按躲开变压器的额定电流整定。低电压及电器的动作电压应小于正常运行情况下的最小工作电压。双侧电源的变压器或多台并列运行的变压器，一般均采用低电压起动的过流保护或复合电压起动的过流保护。2.4.3负序电流和单相低电压启动的过电流保护对于大型变压器，为提高后备保护灵敏度，必要时可装设负序电流和单相低电压起动的过电流保护。其优点是保护装置的构造简单，在不对称短路时灵敏度高，如图2-7所示图2-7负序电流和单相过电压启动原理接线图负序电流继电器的动作电流，应躲过变压器正常运行时负序电流滤过器输出的最大不平衡电流，即(2-11)还应躲过与变压器连接线路之一发生单相断线时通过变压器的负序电流。此外负序电流继电器的动作电流还应与相邻元件上的后备保护在灵敏度上配合。负序电流继电器的灵敏系数为(2-12)式中，为后备保护范围末端发生不对称短路故障时流过保护最小负序电流。2.5零序电流保护在大电流接地的系统中，一般在变压器上装设接地保护。作为便宜变压器本身主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护。当系统接地短路时，零序电流的大小和分布是与系统中变压器中性点接地的数目和位置有关。对于有一台变压器的升压变电站，变压器都采用中性点接地运行方式。对于若干台变压器并联运行的变电站，则采用一部分变压器中性点接地运行，而另一部分变压器中性点不接地运行。2.5.1中性点直接接地变压器的零序电流保护图2-8为中性点直接接地双绕组变压器的零序电流保护原理接线图。保护用电流互感器接于中性点引出线上。其额定电压可选择低一级，其变比根据接地短路电流的热稳定和动态稳定条件来选择。图2-8中性点直接接地的变压器零序电流保护保护灵敏系数按后备保护范围末端接地短路校验，灵敏系数不小于1.2。保护动作时限应比引出线零序电流后备段的最大动作时限大一个阶梯时限。为了缩小接地故障的影响范围及提高后备保护动作的快速性，通常配置为两段式零序电流保护，每段各带两级时限。零序段作为变压器及母线的接地故障后备保护，其动作电流以与引出线零序电流保护段在灵敏系数上配合整定，以较短延时（通常为0.5S）作用于断开母联断路器或分段断路器；以较长延时（0.5+）作用与断开变压器的断路器。零序段作为引出线接地故障的后备保护，其动作电流按上式选择，第一级延时与引出线零序后备段动作延时配合，第二级延时比第一级延时长一个阶梯时限。（2-14）式（2-13）中—变压器零序过电流保护的动作电流；—配合系数，取1.1~1.2；—零序电流分支系数；—引出线零序电流保护后备段的动作电流。2.5.2中性点可能接地或不接地变压器的保护当变电站部分变压器中性点接地运行时，如图（2-9）所示，当两台变压器并列运行时，其中T1中性点接地运行，T2中性点不接地运行。当线路上发生单相接地时，有零序电流流过QF1、QF3、QF4和QF5的四套零序过电流保护。按选择性要求应满足t1>t3，即应由QF3和QF4的两套保护动作于QF3和QF4跳闸。若因某种原因造成QF3拒绝跳闸，则应由QF1的保护动作跳闸。当QF1和QF4跳闸后，系统成为中性点不接地系统，而且T2仍带着接地故障继续运行。T2的中性点对地电压将升高为相电压，两非接地相的对地电压将升高倍，如果在接地故障点出现间歇性电弧过电压，则对变压器T2的绝缘危害更大。如果T2为全绝缘变压器，可利用在其中性点不接地运行时出现的零序电压，实现零序过电压保护，作用于断开QF2。如果T2是分级绝缘变压器，则不允许上述出现情况，必须在切除T1之前，先将T2切除。2-9中性点接地运行图因此，中性点有两种运行方式的变压器，需要装设两套相互配合的接地保护装置：零序过电流保护－用于中性点接地运行方式；零序过电压保护－用于中性点不接地运行方式。并且还要按下面的原则进行保护：对于分级绝缘变压器应先切除中性点不接地运行的变压器，后切除中性点接地运行的变压器；对于全绝缘变压器应先切除中性点接地运行变压器，后切除中性点不接地运行变压器。1.分级绝缘变压器图2-10为分级绝缘变压器的零序过电流和零序过电压保护原理接线图。当系统发生接地故障时，中性点不接地运行变压器的TAN无零序电流，装置中的KA不动作，零序过电流保护动作，KV因有零序电压3U0而动作。这时，与之并列运行的中性点接地运行变压器的零序过电流保护则因TAN有零序电流，KA动作并经其时间继电器1KT的瞬时闭合常开接地将正电源加到小母线WB上。此正电源经中性点不接地运行变压器的KV接点和KA的常闭接点使KT2起动零序过电压保护。在主保护拒绝动作的情况下，经过较短时限使KCO动作，先动作于中性点不接地运行变压器的两侧断路器跳闸。与之并列运行的中性点接地运行变压器的KV虽然也已动作，但由于KA已处于动作状态，其常闭接点已断开，故小母线上的正电源不能使KT2动作，其零序过电压保护不能起动，要等到整定时限较长的KT1延时接点闭合时，才动作于中性点接地运行变压器的两侧断路器跳闸。图2-10分级绝缘变压器的零序过电流和零序过电压保护原理接线图2.全绝缘变压器图2-11为全绝缘变压器的零序过电流和零序过电压保护原理图。当发生接地故障时，中性点接地运行变压器的零序过电流保护和零序过电压保护都会起动。因KT1的整定时限较短，故在主保护拒绝动作的情况下先动作于中性点接地运行变压器的两侧断路器跳闸。与之并列运行的中性点不接地运行变压器，则只有零序过电压保护动作，其零序过电流保护并不起动作。因KT2的整定时限较长，故后切除中性点不接地运行变压的两侧短路器。图2-11全绝缘变压器的零序过电流和零序过电压保护原理图2.6过负荷保护当变压器过负荷电流三相对称，过负荷保护装置只采用一个电流继电器，经过较长的延时后发出信号。对于三绕组变压器，三侧都装有过负荷启动元件；对于双绕组变压器，过负荷保护应装设在电源侧。其原理如图2-12所示。图2-12变压器过负荷保护原理接线图变压器过负荷电流大多数情况下三相是对称的，因此只装设对称过负荷保护。即用一个电流继电器接于任一相电流之中，动作经延时作用于信号。过负荷保护应能反应变压器各绕组的过负荷情况。对于双绕组升压变压器应装在发电机电压侧；对于三绕组升压变压器，当一侧无电源时，过负荷保护应设在低压主电源侧和无电源侧，当三侧都有电源时，则三侧都应装过负荷保护。对于单侧电源的三绕组降压变压器，若三侧绕组容量相同，则过负荷保护只装在电源侧；若三绕组容量不同，则在电源侧和容量较小的一侧分别装设过负荷保护；对于双侧电源的三绕组降压变压器或联络变压器，三侧均应设过负荷保护。过负荷保护的动作电流应躲过变压器额定电流，即(2-15)式中，为可靠系数，取1.05为返回系数，去0.85为保护安装侧变压器额定电流2.7过励磁保护变压器过励磁情况可用过励磁倍数来表示(2-16)过励磁倍数定义为工作磁密与额定磁密之比，也等于电压标么值与频率标么值的比值。由于各种变压器采用的绝缘材料和制造工艺不完全相同，所以允许的过励磁倍数与时间的关系曲线有差异,当励磁倍数n越大时，变压器过励磁允许持续时间t就越短；反之，n越小则t越长。即过励磁倍数曲线呈反时限特性。如图2-13所示。图2-13变压器允许过励磁倍数曲线要实现过励磁保护，应测量值，测量原理如图2-14所示。其中T为中间继电器，输入电压取自电压互感器，其二次侧接R、C串联回路。电容C上电压可表示为(2-17)式中为变压器高压侧母线电压；为中间变压器T的变比；为电压互感器变比。选择电路参数时，有，则式可改写成(2-18)(2-19)式中为变压器高压侧母线额定电压；为电网额定频率；为系数，V。可见，的大小可反应变压器的过励磁状况。在过励磁保护方式上，可以是顺势特性，如图2-14中所示。当大于整定电压时，执行元件动作，发出过励磁信号或作用于跳闸。过励磁保护也可以是定时限特性，通常分为两段。第一段，n=1.11.2、t=5s,动作于减励磁；第二段，n=1.21.4、t=120s，动作于跳闸。当然，过励磁保护采用反时限特性，更符合过励磁实际情况，且实现并不困难，只要增加一级反时限特性形成电路即可。图2-14变压器过励磁保护原理接线图3DSP原理简介3.1DSP的基本概述数字信号处理(DigitalSignalProcessing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。3.2DSP的发展DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段：第一阶段，DSP意味着数字信号处理，并作为一个新的理论体系广为流行。随着这个时代的成熟，DSP进入了发展的第二阶段，在这个阶段，DSP代表数字信号处理器，这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变化。接下来又催生了第三阶段，这是一个赋能（enablement）的时期，我们将看到DSP理论和DSP架构都被嵌入到SoC类产品中。”第一阶段，DSP意味着数字信号处理。80年代开始了第二个阶段，DSP从概念走向了产品，TMS32010所实现的出色性能和特性备受业界关注。方进先生在一篇文章中提到，新兴的DSP业务同时也承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到了适合于商用的低于10美元范围时，DSP在军事、工业和商业应用中不断获得成功。到1991年，TI推出价格可与16位微处理器不相上下的DSP芯片，首次实现批量单价低于5美元，但所能提供的性能却是其5至10倍。到90年代，多家公司跻身DSP领域与TI进行市场竞争。TI首家提供可定制DSP——cDSP，cDSP基于内核DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度，大大加速了产品的上市时间。同时，TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域。到90年代中期，这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。这时，DSP业务也一跃成为TI最大的业务，这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围。21世纪DSP发展进入第三个阶段，市场竞争更加激烈，TI及时调整DSP发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。成就这一进展的前提就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。3.3DSP芯片的特点1采用哈佛结构DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构，比传统的冯۰诺依曼结构有更快的指令执行速度。1）冯۰诺依曼，采用单存储空间，即程序指令和数据指令公用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的。2）哈佛结构采用双存储空间，程序存储和数据存储分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立的编址和独立访问，可对程序和数据进行独立的传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大的提高了数据处理的能力和指令执行的速度，非常适合于实时的数字信号处理。3）改进型的哈佛结构改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点如下：①允许在程序空间和数据空间传送数据，使这些数据可以由算术运算指令直接调用，增强了芯片的灵活性。②提供了存储指令的高速缓冲器（Cache）和相应的指令，当重复执行这些指令时，只需读入一次就可连续使用，不需要再次从程序存储器中读出，从而减少了指令执行所需要的时间。2采用多总线结构DSP芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址，使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问，大大提高了DSP的运行速度。3采用流水线技术每一条指令可通过片内多功能单元完成指令、译码、取操作数和执行等多个步骤，实现多条指令并行执行，从而在不提高时钟频率的条件下减少每条指令执行的时间。4配有专用的硬件乘法-累加器为了适应数字信号处理的需要，当前的DSP芯片都配有硬件乘法-累加器，可以一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的硬件乘法-累加操作。如矩阵运算、FIR、IIR、FFT变换等专用信号处理。5具有特殊的DSP指令为了满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令。如：TMS320C54x中的FIRS和LMS指令,专门完成系数对称的FIR滤波器和IIR滤波器。6快速的指令周期由于采用哈佛结构、流水线操作、硬件乘法-累加器、特殊指令和集成的优化设计，使指令周期可在20ns以下。如TMS320C54x的运算速度为100MIPS7硬件配置强新一代的DSP芯片具有较强的接口功能，除了具有串行口、定时器、主机接口音（HPI）、DMA控制器、软件可编程等待状态发生器等片内外设外，还配有中断处理器、PLL、片内存储器、测试接口等单元电路，可以方便地构成一个嵌入式自封闭的处理器。8支持多处理器结构尽管当前的DSP芯片已达到了较高的水平，但一些实时性要求很高的场合，单片DSP的处理能力还不能满足要求。如在图象压缩、雷达定位等应用中，若采用单处理器将无法胜任。因此，支持多处理器系统就成为提高DSP应用性能的重要途径之一。9省电管理和低功耗DSP功耗一般为0.5-4W,若采用低功耗技术可使功耗降到0.25W,可用电池供电,适用于便携式数字终端设备。3.4DSP芯片的分类1.按基础特性分类

这种分类是依据DSP芯片的工作时钟和指令类型进行的。可分为静态DSP芯片和一致性DSP芯片。如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类DSP芯片被称之为一致性的DSP芯片。例如，TI公司的TMS320C54x。2.按用途分类

按照用途，可将DSP芯片分为通用型和专用型两大类。

通用型DSP芯片：一般是指可以用指令编程的DSP芯片，适合于普通的DSP应用，具有可编程性和强大的处理能力，可完成复杂的数字信号处理的算法专用型DSP芯片：是为特定的DSP运算而设计，通常只针对某一种应用，相应的算法由内部硬件电路实现，适合于数字滤波、FFT、卷积和相关算法等特殊的运算。主要用于要求信号处理速度极快的特殊场合。

3.按数据格式分类

根据芯片工作的数据格式，按其精度或动态范围，可将通用DSP划分为定点DSP和浮点DSP两类。若数据以定点格式工作的——定点DSP芯片。若数据以浮点格式工作的——浮点DSP芯片。不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式有所不同，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。3.5DSP微机保护的优越性目前，微机保护已取得了现场运行经验，为电力系统安全稳定运行发挥了作用。它具有以下优点：（1）体积小、功能全。由软件实现多种保护功能，可大大简化装置的硬件结构，可以在事故后，打印出各种有用数据，例如故障前后电压、电流的采样值、故障点距离、保护的动作过程和出口时间等。（2）灵活性强。由于微机保护装置是由软件和硬件结合来实现保护功能的，因此在很大程度上，不同原理的继电保护的硬件可以是一样的，换以不同的程序即可改变继电保护功能。（3）可靠性高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要部件、部件的工况以及功能软件本身。（4）综合判断能力强。利用微计算机的逻辑判断能力，很容易解决常规继电保护中当需要考虑的因素太多时，用模拟电路很难实现的问题，因而可以使继电保护的动作规律跟合理。（5）可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控的特性。3.6DSP技术在微机保护中应用的意义目前，随着电力系统的不断发展，电力系统对保护设备的实时性、计算能力及大量数据运算速度等各方面的要求不断提高，传统的微机保护装置因其硬件资源及功能过于简单，运算能力弱、冗余度低、开发平台不完善等问题，已不能很好地满足系统要求。而新一代处理器——数字信号处理器（DSP），具有丰富的硬件资源、强大的数据处理能力以及先进的开发平台等优势。快速的指令周期哈佛结构、专用的乘法器、特殊的指令，加上集成电路优化设计，可以使DSP得指令周期达到200ns。在相同的主频下，比目前最先进的个人计算机快。将DSP应用于微机继电保护，极大地缩短了数字滤波和傅立叶算法的计算时间，不但可以完成数据采集、信号处理的功能，还可以完成以往主要由CPU完成的计算功能，甚至完成独立的继电保护功能，这些都极大地提高了保护产品的性能。因此将DSP芯片应用于微机保护装置中，有着传统单片机不可比拟的优势。随着DSP芯片的性价比不断提高，开发工具越来越广，它将逐步取代单片机。将DSP芯片应用于微机保护装置不仅可行，而且很有必要，具有重要的现实意义。3.6.1DSP2407结构和引脚介绍如图3-1所示图3-1dsp的应用TMS320LF2407A是TMS320F/C24x的改进型，最重要的改进是低功耗设计采用3.3V电压，最高运算速度达到40MIPS,其主要特点为：1.片内具有2K字的单口RAM，32K字的程序存储器，544字的双口RAM。2.两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器，8个PWM通道。3.高达40个可单独编程或复用通用输入/输出引脚。4.片内集成：16路10位A/D转换通道，最小转换时间为500ns；控制局域网络2.0B模块；串行通信接口模块；串行外设接口模块；看门狗定时器模块。各引脚功能可分为以下8个部分：1.事件管理器（EVA和EVB）引脚；2.ADC模块转换器引脚；3.通信模块（CAN/SPI/SCI）引脚；4.外部中断与时钟引脚；实时时钟RTC采用DS12887并行时钟，DS12887直接和dsPIC30FI6总线相连，能够提供精确到ms的计时，数据直接从D812887的RAM缓冲区中读取。DS12887自带电池，能够在无电源情况下工作10年，保证了掉电情况下数据不会丢失。为了更好的适应高速信息传输的要求，本系统配置了以太网通信接口。其主要芯片采用REALTEK半导体公司的RTL8019AS，该芯片支持即插即拔功能，片内自带16Kbyte的静态RAM。该芯片具有全双工的传输功能，这使得其带宽从IOMbps变为20Mbps，提高了传输效率。Microchip公司提供了一组专门针对本公司微处理器的可执行标准TCP/IP协议的程序，这套封装的程序源代码公开，可以让用户不需要了解TCP/IP协议而直接调用提供的函数，程序用Microchip的C18或者C30编写，能够很好的集成到调用它们的主函数。4变压器的硬件保护硬件设计总体框图：4-1硬件设计总体框图微机保护装置硬件设计目前国内外广泛采用插件式结构，这种结构是把所有硬件划分成插拔的若干个子模块，各个子模块之间通过总线连接成一个一个有机的整体，CPU模块、模拟量输入模块、开关量输入输出模块、人机监控模块、电源和总线模块。将各个子模块做成插件式结构，插在相应的印刷电路板上，板上与外界联系通过插头引出。印刷电路板也可以插在一个机箱内的背板上以方便安装，同时背板还可以作为液晶显示器、键盘、外部通信电路的联系桥梁，通过这种插拔式结构把各个印刷电路板连接成一个整体，使得硬件结构清晰，方便结构调整升级。整个微机保护系统的硬件结构原理图如图4-2所示。图4-2微机保护系统硬件结构由图4-2可以看出，整个装置的核心是CPU插件，主变压器原、副线圈边各相电压、电流信号通过模拟量输入插件进行转换、滤波，变换为适合CPU处理的模拟信号，然后输入A/D采样模块。所有的开关量输入信号经开关量输入插件电平转换、隔离到CPU的I/O口。这些输入信号经CPU控制算法、处理，最后通过开关量输出插件中的出口继电器来控制主变压器的投切。再根据实际的情况将图4-2的微机原理图刻画成现实的硬件接线图，如图4-3所示，这就是实际操作中我们所需要的硬件图。图4-3变压器综合保护硬件接线原理图4.1电源插件电源插件为保护装置提供工作电源，其重要性不言而喻。该装置中电源插件主要提供以下几组电源：电源、电源以及电源。其中，主要提供一些芯片的工作电源，电源用于集成运放以及通信等，电源主要提供开关量输出插件上面中间继电器工作电源以及开关量输入电源。为了提供一套可靠性高、稳压效果好、抗干扰能力强的电源，本装置采用了两个开关稳压电源HAT15-05V12-NFCI和HAS10-24-N。两个电源的输入均为DC220V+10%/AC220V+10%，其中，HAT15-05V12-NFCI的输出为直流5V和电源，并且这两组电源工地。HAS10-24-N的输出为直流电源。4.2CPU插件本次设计的主变压器微机继电保护装置要实现的任务是，首先要求在一个时钟周期内完成8通道模拟量的24点数据采样，然后利用多种算法对这些采样数据进行数字信号处理，控制开关量逻辑的输入输出，同时监控其状态变化；还要保持与上位机的通信，使上位机对保护装置随时访问控制。特点是数据处理量大、精度要求高、算法复杂、实时性要求高，如果用一般单片机无法完成。故选用DSP作为保护装置的硬件核心进行数据处理运算。4.3模拟量输入插件主变压器微机保护装置所能测量到的主变压器两端的电流、电压信号是经过相应的电流互感器（TA）转化的0~5A的电流信号和电压互感器（TV）转化的0~100V的电压信号，这远远超过了装置微控制器系统0~3.3V的荣许输入范围。所以，本装置中模拟量输入插件的作用就是将电流互感器和电压互感器转化出的模拟电流电压量再经过变换，全部转换为可直接供给DSP模数转换用的弱电信号；同时也可实现微机保护装置与外部电力系统二次回路的隔离，具有一定的保护作用。（1）交流电压变换电路交流电压变换电路图如图4-4所示，本设计选用一个变比为100V/4V的TV将接线端子的高电压变换为低电压。其中电感L和电容C组成LC滤波，滤除高频交流分量，电阻R1和R2构成分压电路。VT1和VT2合在一起组成瞬变电压抑制器，防止瞬态高电压的冲击而损坏后面的电路元件。变换后的电压信号就可以直接进入DSP进行A/D转换。图4-4交流电压变换电路图（2）交流电流变换电路交流电流变换电路图如图4-5所示，本设计选用一个变比为50A/4V的TA将接线端子输入的高电流变换为低电压。后面的滤波电路，分压电路和保护电路与上面的电压变换电路中的相同。变换后的电压信号也是直接进入DSP进行A/D转换。图4-5交流电流变换电路4.4A/D转换主变压器保护装置所采集的主变压器二次部分的电流、电压都属于模拟量，经过模拟量输入电路隔离、规范输入电压和模/数变换后，才能转换成数字信号供DSP处理。在完成数据采集任务过程中，A/D转换器是模/数转换电路中的核心器件，模数转换电路的精度也主要取决于A/D转换器的分辨率，该环节对整个装置的测量精度起着很重要的作用。根据模/数变换原理的不同，目前大部分主变压器保护装置中模拟量输入电路有两种方式：一是基于逐次逼近型A/D转换方式；二是基于电压—频率变换型A/D转换方式。（1）逐次逼近型A/D转换逐次逼近型A/D转换（ADC）的原理就是将输入模拟信号与不同的参考电压进行多次比较，使转换后得到的数字量在数值上逼近输入模拟量的对应值。逐次逼近性A/D转换器具有电路结构简单，构思巧妙，转换速度快，精度高等特点。（3）电压—频率变换型A/D转换电压/频率变换（VFC）的原理是对输入电压不断积分，在一个确定的时间间隔内，输入脉冲个数正比于这段时间内输入电压的一块确定面积，简单的说即VFC是将输入模拟电压变换成为出现在其输出端的一串等幅度的频率脉冲量，然后通过脉冲计数变换为数字量，并进行标度变换以获得实际的采样值。其主要优点是：通过光电耦合器与CPU接口，可以抑制串模干扰，抗干扰能力强，工作可靠。缺点是VFC变换器的转换精度和转换速度比较低，不适合用在高速数据采集系统中。由于TMS320LF2407A的DSP芯片集成有10位高速A/D转换模块，A/D转换模块可以对16路模拟量进行转换，转换速度为500ns，其精度和转换速度已经满足了本次设计的模拟量采集要求，故无需增加外设A/D转换电路，使系统设计简单可靠。4.5开关量输入输出插件微机继电保护装置在运行时，微机经常需要接收或发送一些以开关量形式出现的控制信号。在接收这些开关量信号时，微机不能直接接受，而是必须经过专用的开关量输入电路转换成微机接口元件可以接受的电平信号后，才允许进入微机；在微机发送出这类开关量信号时，这类数字信号也不能直接去驱动相关的执行元件，而是将这种输出的数字信号经过专门的开关量输出电路转换成模拟电压信号后，才能驱动相应的执行元件，完成微机发出的继电保护命令；所谓的开关量就是触点状态接通或断开或是逻辑电平的高低等。开关量输入电路如图4-6所示：其接点回路保护装置中常用的有跳合闸位置继电器的输出、断路器或隔离开关的辅助触点输出、轻重瓦斯继电器的输出，光耦电路采用TLP521-1型号，光耦输出后经过去除开关量抖动的施密特滞回电路进入DSP通用I/O端口，提高了系统抗干扰能力。利用开关量输入回路使得外部接线回路中的电磁干扰信号与数字电路之间能够有效的隔断，使夹杂在开关量输入信号的各种干扰脉冲信号不能进入数字系统，抑制干扰提高了系统的稳定性。同时光耦电路TLP521-1的耐压值很高，对装置起到了保护作用。图4-6开关量输入电路开关量输出信号向保护装置断路器跳闸出口等发出信号，开关量输出信号同样需经光耦电路TLP521-1隔离放大，首先将继电器的电源与数字系统隔离，然后使信号能够发出控制跳、合闸命令、驱动继电器动作、声光报警等功能。开关量输出电路如图4-7所示。图4-7开关量输出电路5变压器微机保护的软件设计5.1软件设计的总体架构软件是主变压器微机保护装置的灵魂，它决定保护装置的动作规律及特性，是整个微机保护系统的核心。本装置的软件设计采用结构化程序设计思想，即将整个系统按功能划分为几个独立的模块，每个程序单入口、单出口的控制结构。这种程序设计方法的优点是模块的功能分配明确，有利于软件的调试、修改和维护。图5-1系统数据图矿用主变压器微机主保护软件设计总体架构可以按照主程序模块、采样中断服务程序模块和实时故障处理模块等。系统上电复位后，主程序完成各种初始化和自检后不断的调用采样中断服务程序来完成整个主变压器微机主保护系统的正常运行。5.2主程序模块系统主程序模块主要包括系统初始化，开启中断，系统自检，数据采集模块，数据处理模块和故障判断处理程序等。系统主程序流程图如图5-2所示。5.2.1系统初始化其中系统初始化模块主要是TMS320LF2407A首先对自身工作环境进行设置，包括基址寄存器、状态寄存器、内部SRAM及Flash的初始化，数据区、系统时钟中断矢量和堆栈指针额初始化等；然后再对所有用到的功能模块进行初始化，包括I/O端口、定时器和A/D转换等。系统的全面自检模块是对系统自身的硬件进行一次检查，包括片内RAM、EEPROM、Flash以及数据采集通道、各开关量的输入输出通道等，若发现硬件电路有故障则报警显示。数据采集模块主要是调用A/D转化功能子程序及中断服务子程序，主要完成对主变压器电压电流参数的采集。数据处理模块是在数据采集模块采样到所需参数后，将辨识得出的参数值和系统整定参数值进行比较，从而判断是否发生故障，若发生故障则进入故障处理程序作相关处理。故障处理程序模块主要完成当主变压器高压侧绕组参数辨识超出整定的范围时继电器跳闸或发出报警信号。显示模块主要负责各种数据和信息的液晶显示、键盘处理、用于人员和CPU之间交换信息。图5-2主程序流程图5.2.2自检项目(1)RAM区自检基于DSP的变帐器后备保护装置的研究与设计比较RAM的某一地址的写入和读回值是否一致，若不一致则在RAM事件报告区存入特征符“RAMERROR"，并发装置异常信号且驱动告警继电器闭锁保护。人机接口软件将循环检杳事件报告区，如发现该特征符则将事件用汉字方式显示在液晶屏上。(2)定值自检本装置的定值固化在FLASH中，对当前定值区所有定值进行累加和运算，计算出的累加和与FLASH中的校验码比较，如果不相同则认为定值区校验错。(3)开出自检RAM自检成功否定值自检成功否开出自检成功否A/D自检成功否装置异常装置正常RAM自检成功否定值自检成功否开出自检成功否A/D自检成功否装置异常装置正常YYYYNNNN图5-3自检功能框图①在发跳闸指令前，保证启动令已经收回。因启动和跳闸信号分别接跳闻继电器线圈的两端，故仅发跳闻令不会使跳闻继电器动作。②跳令发出后，应在检测到自检输出信号后，立即将跳令收回(不超过10us)。否则发信时间太长，可能会使继电器动作。(4)A/D自检开始系统初始化开定中断A/D转换是否结束，INT端是否为低电平读A/D换数据数据处理返回YN图5-4DSP数据采集单元框图开始系统初始化开定中断A/D转换是否结束，INT端是否为低电平读A/D换数据数据处理返回YN图5-4DSP数据采集单元框图5.2.3模拟量采集DSP单元进行数据采集时由DSP2407片上定时器输出信号作为A/D转换的启动信号。两片MAX125转换完成后产生DSP2407的中断信号。DSP接收到中断信号即可执行采样中断服务程序，进行相应的数字量处理。数据采集如图5-4所示:5.2.4数据处理数据处理模块主要是对数据采集单元得到的离散化信号进行处理，运用各种比较成熟的算法来实现电参数的计算与分析，比如电流、电压、功率、功率因子的计算。5.2.5事件处理基于DSP的变压器后备保护装食的研究与设汁事件处理包括保护、事件判断、报文形成等功能性事务的处理。

5.3采样中断服务程序模块变压器微机主保护的采样中断服务程序是保护软件的主要部分，其总体流程图如图5-5所示。采样部分接受主变压器各侧电流经A/D转换来的数字信号。在进入采样中断服务程序后即进行数字滤波及预处理过程，并形成保护判别所需的各个量。若DSP的起动元件动作，则进入保护各元件动作测量程序。首先进入差动速断元件，该元件较简单，实质上是一个差动电流速断元件，不需经涌流闭锁判别环节，但需经TA断线闭锁元件判别才能进入跳闸逻辑。若差动速断元件不动作则进入比率制动特性的差动元件测量判断是否动作，若动作再经涌流判别元件，以区分内部短路电流或励磁涌流。比率差动元件动作后若未被涌流判别元件