變電站主變成套保護裝置系統(tǒng)設(shè)計

　　1 引言

　　大型變壓器在電力系統(tǒng)中的地位非常重要，一旦發(fā)生故障，影響范圍較大。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，變壓器微機保護越來越多，性能越來越好，使提高變壓器保護的運行水平成為可能，為保證系統(tǒng)和變壓器安全運行，對變壓器的保護提出了更嚴格的要求：

　　(1)提高靈敏度。要求差動保護能靈敏動作于相間短路故障，同時，也要求靈敏動作于內(nèi)部高電阻接地故障。

　　(2)保持高速度。接至超高壓遠距離輸電線路的變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時，由于諧振會產(chǎn)生諧波電流，可能引起諧波制動的差動保護延緩動作，需要采取有效的加速措施或?qū)で笮略淼膭畲庞苛麒b別方法。

　　(3)有效地對付過勵磁。當大型變壓器短時過電壓或頻率降低時，勵磁電流會激增。一方面要求此時差動保護不能誤動作，另一方面要求防止變壓器流過很大的勵磁電流而發(fā)熱燒毀，需要具備能夠滿足過勵磁倍數(shù)要求，具有反時限特性，并能夠計熱累積效應(yīng)的過勵磁保護。

　　早期的主變壓器微機型保護采用主保護和后備保護分開的設(shè)計方案，一套主保護加各側(cè)后備保護、操作箱、失靈及非電量保護等，需要7或8層機箱。但隨著高性能計算機芯片的出現(xiàn)，在一套裝置中包含主保護、各側(cè)全部后備保護的新一代主變壓器微機型保護已開發(fā)并得到廣泛應(yīng)用。該套保護裝置除了非電量保護及開關(guān)操作箱外，全套主保護與后備保護只需一層機箱，實現(xiàn)雙重化后，一般僅需要4或5層機箱，2面屏。由于一套保護功能集中在一個機箱內(nèi)，雙套保護采用相同的輸入輸出設(shè)計，所以外圍接線簡潔，其外圍回路要比主保護與后備保護分開的單套配置簡單。

　　主變壓器保護的雙重化理由：隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，高性能計算機芯片的出現(xiàn)，主保護與后備保護合一的設(shè)計在技術(shù)上使保護配置雙重化成為可能;有多年線路保護雙重化的成功運行實踐經(jīng)驗;對供電可靠性要求提高;雙重化的保護可采用不同廠家的產(chǎn)品，不用原理設(shè)計，對變壓器發(fā)生各類復(fù)雜故障時可靠地切除故障更有利。變壓器組屏方式的基本原則是相互獨立、安全可靠，并兼顧投停、檢修的靈活便利。主要考慮在一套保護異常投退的情況下，另一套保護仍能擔當起保護變壓器的重任;其次，考慮兩個屏之間的接線盡量少，以減少因二次回路接線復(fù)雜導(dǎo)致的差錯或隱患而引發(fā)的保護誤動作。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　2.1 總體設(shè)計的特點

　　根據(jù)主變成套保護裝置的功能需求及市場上的成熟技術(shù)，該系統(tǒng)采用“硬件+應(yīng)用軟件”的系統(tǒng)構(gòu)件進行設(shè)計，在此詳細介紹其硬件裝置。選取TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A作為主控制器，其外圍硬件接口電路包括模擬信號的采集、開關(guān)信號的輸入輸出電路、通信模塊電路等。

　　該變電站主變成套保護裝置采用的是雙CPU系統(tǒng)：一套為監(jiān)控CPU系統(tǒng)，另一套為保護CPU系統(tǒng)。監(jiān)控CPU系統(tǒng)有雙重任務(wù)，其一為與上位機的通信管理，其二為該裝置的監(jiān)控測量工作，保護CPU系統(tǒng)僅實現(xiàn)單遠箱內(nèi)的所有保護功能。該系統(tǒng)具有系統(tǒng)故障自診斷功能，保護CPU定時向雙口RAM某地址寫入巡檢數(shù)據(jù)，供監(jiān)控CPU系統(tǒng)查詢。當保護CPU系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，雙口RAM中的數(shù)據(jù)不變，若監(jiān)控CPU在20 ms內(nèi)查詢巡檢數(shù)據(jù)不變，則認為保護CPU出現(xiàn)故障，同時告知上位機系統(tǒng)并實施后備功能。當監(jiān)控CPU系統(tǒng)出現(xiàn)故障或通信故障時，上位機接收不到小機箱的信息，發(fā)出小機箱退出運行信號。硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖l所示。

　　該雙CPU系統(tǒng)由兩套結(jié)構(gòu)近似的保護測控裝置組成，其主要核心模塊為CPU處理系統(tǒng)、模擬信號的輸入和轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量輸入輸出電路、通信模塊電路。

　　雙CPU保護裝置的設(shè)計特點：

　　(1)硬件的模塊化設(shè)計，所有單元裝置均由不同插件組成。

　　(2)高可靠性設(shè)計。電源插件采用隔離屏蔽高冗余設(shè)計，可降低電源系統(tǒng)的溫度并提高抗干擾能力。

　　(3)簡潔性設(shè)計。選用多功能高集成度芯片作為CPU插件，以簡化硬件設(shè)計，提高可靠性。雖然硬件電路簡單，但功能強大，它充分利用軟件系統(tǒng)自檢及通信功能，用軟件實現(xiàn)硬件功能。

　　(4)系統(tǒng)性設(shè)計。變電站綜合自動化測控系統(tǒng)是由上位機、通信網(wǎng)絡(luò)和系列單元箱組成的一個完整系統(tǒng)。單元箱在整個系統(tǒng)中具有保護運行的獨立性，但也可充分利用本身雙CPU的優(yōu)勢，來完成許多新的功能。監(jiān)控CPU系統(tǒng)通過實時網(wǎng)絡(luò)將上述大量數(shù)據(jù)傳給上位機，便可完成諸如諧波分析、小電流接地選線及故障錄波等功能。

　　對有載調(diào)壓變壓器而言，單元裝置將相位的電壓及無功信息傳給上位機，上位機根據(jù)一定的數(shù)學模型進行數(shù)據(jù)處理，然后通過遙控方式進行主變壓器檔位的調(diào)節(jié)或補償電容器的投切，從而實現(xiàn)變電所無功電壓的綜合控制。

　　由此可知，各單元裝置既有獨立性，又互相聯(lián)系。作為系統(tǒng)的一部分，其功能和作用將隨著設(shè)計思想的進步而得到升華。軟硬件系統(tǒng)采用開放式設(shè)計思想，即實現(xiàn)系統(tǒng)的微機化和網(wǎng)絡(luò)化。

　　2.2 雙CPU的最佳組屏方式

　　傳統(tǒng)設(shè)計中有很多種組屏方式，如兩屏、三屏、四屏等。有的方案是將主后備保護分開，而通過分析目前變電站主變壓器出現(xiàn)的故障種類，可以得出一個結(jié)論，那就是為了減少變電站由于主變壓器造成的故障，最為理想的是采用三屏實現(xiàn)方式，即兩個主保護和一個輔助保護。兩個保護屏之間盡量不發(fā)生橫向聯(lián)系，而只與輔助裝置屏發(fā)生聯(lián)系。兩個主保護屏中都具有相同的差動保護、后備保護和非電量保護，而輔助屏只含有一些實現(xiàn)計量、測控和通信的保護。下面就具體設(shè)計方案作詳細介紹。

　　主保護主要包括：

　　(1)差動保護裝置：比率制動式差動保護、二次諧波制動、差動速斷保護和CT斷線閉鎖差動保護。

　　(2)后備保護裝置：復(fù)合電壓閉鎖方向過流(壓)保護、過負荷保護和零(間)序(過流、過壓)保護。

　　(3)電量保護裝置：瓦斯保護(本體重/輕瓦斯)、有載調(diào)壓保護。

　　輔助保護主要包括：

　　TA斷線自鎖、PT斷線告警、故障錄波斷路器分、合操作、開關(guān)狀態(tài)顯示，風機啟停控制、測量功能、電能計量功能。

　　該裝置配置了2個完全相同的CPU插件，分別實現(xiàn)監(jiān)控和保護功能。CPU共用交流變換與模數(shù)轉(zhuǎn)換插件、開關(guān)量輸入、輸出插件、人機對話插件、跳閘與邏輯插件、告警和信號插件以及電源插件。該裝置采用多機并行工作、模擬量輸入、開關(guān)量輸入、輸出通道共享的硬件結(jié)構(gòu)形式，具有抗干擾能力強、硬件冗余度好、速度快、硬件自檢能力強等優(yōu)點。該裝置采用三屏設(shè)計，即保證了當某一線路出現(xiàn)故障時，變壓器仍然能正常工作，這點無論對于變壓器出現(xiàn)故障或變壓器的檢修都是非常重要的。

　　3 模塊子系統(tǒng)詳細設(shè)計方案

　　通常，在實現(xiàn)其功能的前提下，變壓器主變保護裝置的硬件設(shè)計應(yīng)遵循以下幾個原則：多用高集成度的元件，少用分立元件;多用通用元件，少用特殊元件;盡量采用低功耗器件;模塊化設(shè)計，便于硬件發(fā)生故障后的檢測和修復(fù)。按照這個原則，本文設(shè)計的主變雙重CPU保護裝置的硬件構(gòu)成如圖2所示，該裝置以TMS320LF240TA芯片為核心。時鐘芯片用于向系統(tǒng)提供當前時間，并為保存系統(tǒng)參數(shù)提供了空間。使用光電耦合器使系統(tǒng)的主要部分與外界電氣信號無直接的電氣連接，保證了系統(tǒng)在大電壓、大電流環(huán)境下的安全運行。

　　從圖中可以看出，整個硬件部分可以分為8個模塊，但是考慮到雙重主變保護裝置的特殊性，下面將詳細介紹四個模塊：

　　(1)CPU處理系統(tǒng)，目前大多采用DSP器件TMS320LF2407A。

　　(2)模擬信號的輸入和轉(zhuǎn)換電路，含有電流交流模擬信號、電壓交流模擬信號和直流模擬信號。電流電壓模擬量通過底板上的小CT和小PT隔離，進入CPU板放大。分別進入兩個CPU系統(tǒng)的多路開關(guān)，各CPU通過選通信號循環(huán)采集模擬信號。同時采用數(shù)字濾波器對各個模擬量濾波。

　　(3)開關(guān)量輸入/輸出電路，用于分合閘信號、分合閘位置信號、蓄電池、電容故障信號等。開關(guān)量輸入采用光電隔離芯片與CPU隔離插件進行隔離，進行濾波整形后，進入CPU口。同時程序具有防抖動功能。兩個CPU口輸出的控制信號經(jīng)過與門、光電隔離、驅(qū)動后進入I/O板。

　　(4)通信模塊，CPU插件采用帶光電隔離的通信接口芯片來實現(xiàn)與總線網(wǎng)的隔離。電流互感器件采用單孔安裝方式，能有效地避免斷線故障，實現(xiàn)了強電和弱電的隔離。采用RS-485通信接口及CAN總線接口。

　　3.1 DSP模塊介紹

　　CPU是控制器的核心部分，它不僅需要處理輸入信號、輸出信號，而且還需要控制和協(xié)調(diào)各部分的工作等。該裝置的核心處理芯片采用美國德州儀器(TI)公司推出的低功耗Flash型16位RISC精簡指令集DSP芯片TMS320LF2407A。TMS320LF2407A除具有程序、數(shù)據(jù)分開的哈佛總線結(jié)構(gòu)，流水線操作功能，單周期完成乘法的硬件乘法器之外，還具有以下特點：

　　(1)采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使供電電壓降為3.3 V，減小控制器的功耗。

　　(2)具有高達32 KB Flash的存儲器，為多種用途的產(chǎn)品提供經(jīng)濟的可編程解決方案?；贔lash的芯片中有256 KB引導(dǎo)ROM，使在線編程更加方便。

　　(3)高性能的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換時間為500 ns，提供多達16路的模擬量輸入，具有自動排序功能，可使最大為16路的轉(zhuǎn)換在進行同一轉(zhuǎn)換時不會增加CPU的開銷。

　　(4)提供串行通訊接口(SCI)，使之能與系統(tǒng)中的其他控制器進行異步通信(RS-485)。對于要求額外通信接口的系統(tǒng)，TMS320LF2407A提供一個16位的同步串行外圍接口(SPI)，還提供CAN通信模塊。

　　TMS320LF2407A DSP具有低成本、低功耗、高性能的特點，內(nèi)部集成了幾種先進的外設(shè)，成為真正的單芯片控制器。

　　3.2 模擬量輸入及輸出電路

　　變電站自動化系統(tǒng)采集的電流、電壓、有功功率、無功功率、溫度等都屬于模擬量。模擬量輸入電路是綜合自動化系統(tǒng)中很重要的部分，變電站自動化裝置的動作速度和測量精度等性能都與該電路密切相關(guān)。

　　模擬量輸入電路的主要作用是隔離、規(guī)范輸入電壓以及完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換，以便于與CPU接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

　　外部電流及電壓輸入經(jīng)隔離互感器隔離變換后，由低通濾波器輸入至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，CPU經(jīng)采樣數(shù)字處理后，構(gòu)成各種保護繼電器，并計算各種遙測量。外部開關(guān)量輸入經(jīng)光電隔離，送CPU處理后，發(fā)出各種遙信及保護投退信號。

　　模擬量輸出電路的作用是把微型機系統(tǒng)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，這個任務(wù)主要由數(shù)/模(D/A)變換器來完成。

　　由于本系統(tǒng)使用的TMS320LF2407A自帶16位模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊，所以不用另外設(shè)計采樣電路。但是考慮到TMS320LF2407A的轉(zhuǎn)換精度較低，可在TMS320LF2407A與外部電路之間連接一個MAXl280。

　　MAXl280是400 ksps/300 ksps、單電源、低功耗、8通道、串行12位ADC、內(nèi)置電壓基準。采用真差分輸入，提供優(yōu)異的噪聲抑制，具有改進的失真特性以及單端輸入時更寬的動態(tài)范圍。標準接口提供了轉(zhuǎn)換所必需的時鐘?？梢苑奖愕嘏c標準的數(shù)字信號處理器(DSP)同步串行接口連接。

　　3.3 開關(guān)量輸入/輸出電路

　　開關(guān)量輸入電路的基本功能是將變電站內(nèi)所需的狀態(tài)信號引入微機系統(tǒng)。輸出電路主要用來顯示、控制或調(diào)節(jié)CPU輸出的數(shù)字信號或數(shù)據(jù)。

　　開關(guān)量輸入電路由信號調(diào)節(jié)電路、控制邏輯電路、驅(qū)動電路、地址譯碼電路、隔離電路等組成。開關(guān)量輸出電路與輸入電路基本一樣。開關(guān)量輸入電路包括斷路器和隔離開關(guān)的輔助觸點、跳合閘位置繼電器觸點、有載調(diào)壓變壓器的分接頭位置等輸入、外部裝置閉鎖重合閘觸電輸入、裝置上連接片位置輸入等回路。這些輸入可以分為安裝在裝置面板上的觸點和從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的觸點。

　　由于電力系統(tǒng)特別是配電網(wǎng)中的干擾比較嚴重，因此開關(guān)量的輸入/輸出電路都需要連接光電隔離器件。

　　3.4 通信接口電路

　　目前，電力系統(tǒng)綜合自動化裝置的設(shè)計結(jié)構(gòu)多采用多微機處理器，即多CPU系統(tǒng)。人機對話微型系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)和指揮其他的微型機系統(tǒng)，各功能專用的微型機系統(tǒng)通過串行接口相互聯(lián)系，用人機對話微型機系統(tǒng)通過串型接口相互通信。通信方式采用異步通信。其原理如圖3所示。

　　在配電網(wǎng)設(shè)備龐大、種類繁多、地域分布廣、運行環(huán)境惡劣等特定條件下，選擇合理的通信系統(tǒng)是配電自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于變電站主變壓器通信點多，而且分散，一般很難只采用一種通信方式解決問題。因此實際應(yīng)用中，要根據(jù)滿足應(yīng)用要求、經(jīng)濟、可靠的原則，因地制宜，采用混合通信方式。經(jīng)綜合考慮，本設(shè)計采用以CAN總線為遠程通信接口，RS-485接口為本地通信接口的通信接口設(shè)計。

　　CAN總線接口如圖4所示。TMS320LF2407A內(nèi)部集成有CAN控制器模塊，只需要在TMS320-LF2407A與CAN總線之間連接CAN驅(qū)動器82C-250即可。設(shè)計中采用光電耦合器6N137，以提高電路的抗干擾能力，防止總線上的干擾信號竄入控制器，同時也完成了TMS320LF2407與82C250之間3.3 V和5V電平的轉(zhuǎn)換。

　　圖5所示為RS-485通信接口，RS-485通信是目前最常用的串行通信方式之一。本設(shè)計基于TMS320LF2407A的SCI模塊實現(xiàn)了控制器的RS-485通信接口。電路采用65LBCl84作為標準的RS-485總線驅(qū)動收發(fā)器。由于TMS320LF2407A采用+3.3 V供電，所以在TMS320LF2407A與65LBCl84之間需電平轉(zhuǎn)換，這里采用6N137光電隔離器進行光電隔離和電平轉(zhuǎn)換控制。

　　4 主變雙重保護裝置的軟件設(shè)計

　　該裝置除在硬件設(shè)計方面采用了新的設(shè)計思想外，軟件設(shè)計上也有獨特之處，具體包括：模塊化設(shè)計、冗余設(shè)計、兼容性設(shè)計和靈活性設(shè)計。

　　對于主變雙重保護裝置來說，軟件系統(tǒng)包括：主程序、數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制輸出模塊、通信模塊等部分。

　　4.1 主程序

　　主程序在軟件中是一個管理者，負責將不同功能的模塊組織在一起。主程序中的初始化主要是整個系統(tǒng)為正常工作做好準備，對于主變保護裝置來說，主程序主要包括：CPU初始化、對實時時鐘X1227進行初始化和對必要的參數(shù)設(shè)置默認值。

　　初始化完成后主程序進入工作狀態(tài)，首先判斷是否需要進行定值整定工作，如果需要則轉(zhuǎn)入定值整定模塊，否則繼續(xù)向下執(zhí)行。在采集開關(guān)量和檢測鍵盤環(huán)節(jié)中，如果檢測到開關(guān)量變位或有按鍵被按下，則由主程序發(fā)出信息并轉(zhuǎn)入信息處理模塊進行處理，信息處理的結(jié)果再傳送到顯示打印模塊進行顯示、打印，否則程序繼續(xù)向下執(zhí)行信號采集與計算模塊。邏輯判斷模塊根據(jù)電壓無功的計算值和其他有關(guān)條件判斷是否需要動作。當邏輯判斷模塊產(chǎn)生動作指令后，通過檢測裝置出口繼電器是否動作，以及檢測變壓器分接頭檔位和控制電容器組真空斷路器的狀態(tài)來判斷動作指令是否得到正確執(zhí)行，如果正確執(zhí)行則轉(zhuǎn)入下一次循環(huán)，否則將此異常信息傳送到信息處理模塊進行處理，再將結(jié)果送給顯示輸出模塊。

　　4.2 采集程序流程和實現(xiàn)

　　TMS320LF2407A內(nèi)置10位ADC核，一個采樣保持器，16個模擬輸入通道可以切換;其A/D轉(zhuǎn)換時間為500 ns;可以對序列進行自動控制，有兩個自動采樣隊列?；贒SP的跟蹤頻率變化的交流采樣技術(shù)，巧妙地利用該款DSP的定時器、捕獲器和不可屏蔽中斷(NMI)實現(xiàn)了跟蹤頻率變化的交流采樣。

　　在使用DSP進行數(shù)字信號處理時，應(yīng)用過采樣技術(shù)可以增加其內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率。實現(xiàn)過采樣DSP軟件包括：外設(shè)初始化、三角波信號產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、抽取、中斷服務(wù)程序。

　　TMS320LF2407A以其豐富的指令功能和較高的運行速度，為軟件抗干擾提供了良好的條件。在本程序的設(shè)計中采用了以下抗干擾措施：軟件陷阱、程序的冗余設(shè)計、軟件濾波、軟件“看門狗”技術(shù)，能有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　5 結(jié)束語

　　本設(shè)計介紹了目前較為先進的組屏雙CPU變電站主變壓器保護裝置的硬件特點，同時介紹了最為理想的三屏化設(shè)計方案。設(shè)計中充分利用了高性能DSP芯片TMS320LF2407A，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，能有效解決目前農(nóng)網(wǎng)變電站存在的問題，也是變電站自動化保護裝置的最佳選擇。