变电站主变成套保护装置系统设计
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关键词：变压器保护； 双CPU成套保护；DSP；TMS320LF2407A
1 引言
大型变压器在电力系统中的地位非常重要，一旦发生故障，影响范围较大。随着计算机技术的发展，变压器微机保护越来越多，性能越来越好，使提高变压器保护的运行水平成为可能，为保证系统和变压器安全运行，对变压器的保护提出了更严格的要求：
(1)提高灵敏度。要求差动保护能灵敏动作于相间短路故障，同时，也要求灵敏动作于内部高电阻接地故障。
(2)保持高速度。接至超高压远距离输电线路的变压器发生内部故障时，由于谐振会产生谐波电流，可能引起谐波制动的差动保护延缓动作，需要采取有效的加速措施或寻求新原理的励磁涌流鉴别方法。
(3)有效地对付过励磁。当大型变压器短时过电压或频率降低时，励磁电流会激增。一方面要求此时差动保护不能误动作，另一方面要求防止变压器流过很大的励磁电流而发热烧毁，需要具备能够满足过励磁倍数要求，具有反时限特性，并能够计热累积效应的过励磁保护。
早期的主变压器微机型保护采用主保护和后备保护分开的设计方案，一套主保护加各侧后备保护、操作箱、失灵及非电量保护等，需要7或8层机箱。但随着高性能计算机芯片的出现，在一套装置中包含主保护、各侧全部后备保护的新一代主变压器微机型保护已开发并得到广泛应用。该套保护装置除了非电量保护及开关操作箱外，全套主保护与后备保护只需一层机箱，实现双重化后，一般仅需要4或5层机箱，2面屏。由于一套保护功能集中在一个机箱内，双套保护采用相同的输入输出设计，所以外围接线简洁，其外围回路要比主保护与后备保护分开的单套配置简单。
主变压器保护的双重化理由：随着计算机技术的发展，高性能计算机芯片的出现，主保护与后备保护合一的设计在技术上使保护配置双重化成为可能；有多年线路保护双重化的成功运行实践经验；对供电可靠性要求提高；双重化的保护可采用不同厂家的产品，不用原理设计，对变压器发生各类复杂故障时可靠地切除故障更有利。变压器组屏方式的基本原则是相互独立、安全可靠，并兼顾投停、检修的灵活便利。主要考虑在一套保护异常投退的情况下，另一套保护仍能担当起保护变压器的重任；其次，考虑两个屏之间的接线尽量少，以减少因二次回路接线复杂导致的差错或隐患而引发的保护误动作。
2 系统总体设计方案
2.1 总体设计的特点
根据主变成套保护装置的功能需求及市场上的成熟技术，该系统采用“硬件+应用软件”的系统构件进行设计，在此详细介绍其硬件装置。选取TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A作为主控制器，其外围硬件接口电路包括模拟信号的采集、开关信号的输入输出电路、通信模块电路等。
该变电站主变成套保护装置采用的是双CPU系统：一套为监控CPU系统，另一套为保护CPU系统。监控CPU系统有双重任务，其一为与上位机的通信管理，其二为该装置的监控测量工作，保护CPU系统仅实现单远箱内的所有保护功能。该系统具有系统故障自诊断功能，保护CPU定时向双口RAM某地址写入巡检数据，供监控CPU系统查询。当保护CPU系统出现故障时，双口RAM中的数据不变，若监控CPU在20 ms内查询巡检数据不变，则认为保护CPU出现故障，同时告知上位机系统并实施后备功能。当监控CPU系统出现故障或通信故障时，上位机接收不到小机箱的信息，发出小机箱退出运行信号。硬件系统构成如图l所示。
该双CPU系统由两套结构近似的保护测控装置组成，其主要核心模块为CPU处理系统、模拟信号的输入和转换电路、开关量输入输出电路、通信模块电路。
双CPU保护装置的设计特点：
(1)硬件的模块化设计，所有单元装置均由不同插件组成。
(2)高可靠性设计。电源插件采用隔离屏蔽高冗余设计，可降低电源系统的温度并提高抗干扰能力。
(3)简洁性设计。选用多功能高集成度芯片作为CPU插件，以简化硬件设计，提高可靠性。虽然硬件电路简单，但功能强大，它充分利用软件系统自检及通信功能，用软件实现硬件功能。
(4)系统性设计。变电站综合自动化测控系统是由上位机、通信网络和系列单元箱组成的一个完整系统。单元箱在整个系统中具有保护运行的独立性，但也可充分利用本身双CPU的优势，来完成许多新的功能。监控CPU系统通过实时网络将上述大量数据传给上位机，便可完成诸如谐波分析、小电流接地选线及故障录波等功能。
对有载调压变压器而言，单元装置将相位的电压及无功信息传给上位机，上位机根据一定的数学模型进行数据处理，然后通过遥控方式进行主变压器档位的调节或补偿电容器的投切，从而实现变电所无功电压的综合控制。
由此可知，各单元装置既有独立性，又互相联系。作为系统的一部分，其功能和作用将随着设计思想的进步而得到升华。软硬件系统采用开放式设计思想，即实现系统的微机化和网络化。
2.2 双CPU的最佳组屏方式
传统设计中有很多种组屏方式，如两屏、三屏、四屏等。有的方案是将主后备保护分开，而通过分析目前变电站主变压器出现的故障种类，可以得出一个结论，那就是为了减少变电站由于主变压器造成的故障，最为理想的是采用三屏实现方式，即两个主保护和一个辅助保护。两个保护屏之间尽量不发生横向联系，而只与辅助装置屏发生联系。两个主保护屏中都具有相同的差动保护、后备保护和非电量保护，而辅助屏只含有一些实现计量、测控和通信的保护。下面就具体设计方案作详细介绍。
主保护主要包括：
(1)差动保护装置：比率制动式差动保护、二次谐波制动、差动速断保护和CT断线闭锁差动保护。
(2)后备保护装置：复合电压闭锁方向过流(压)保护、过负荷保护和零(间)序(过流、过压)保护。
(3)电量保护装置：瓦斯保护(本体重/轻瓦斯)、有载调压保护。
辅助保护主要包括：
TA断线自锁、PT断线告警、故障录波断路器分、合操作、开关状态显示，风机启停控制、测量功能、电能计量功能。
该装置配置了2个完全相同的CPU插件，分别实现监控和保护功能。CPU共用交流变换与模数转换插件、开关量输入、输出插件、人机对话插件、跳闸与逻辑插件、告警和信号插件以及电源插件。该装置采用多机并行工作、模拟量输入、开关量输入、输出通道共享的硬件结构形式，具有抗干扰能力强、硬件冗余度好、速度快、硬件自检能力强等优点。该装置采用三屏设计，即保证了当某一线路出现故障时，变压器仍然能正常工作，这点无论对于变压器出现故障或变压器的检修都是非常重要的。
3 模块子系统详细设计方案
通常，在实现其功能的前提下，变压器主变保护装置的硬件设计应遵循以下几个原则：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；尽量采用低功耗器件；模块化设计，便于硬件发生故障后的检测和修复。按照这个原则，本文设计的主变双重CPU保护装置的硬件构成如图2所示，该装置以TMS320LF240TA芯片为核心。时钟芯片用于向系统提供当前时间，并为保存系统参数提供了空间。使用光电耦合器使系统的主要部分与外界电气信号无直接的电气连接，保证了系统在大电压、大电流环境下的安全运行。
从图中可以看出，整个硬件部分可以分为8个模块，但是考虑到双重主变保护装置的特殊性，下面将详细介绍四个模块：
(1)CPU处理系统，目前大多采用DSP器件TMS320LF2407A。
(2)模拟信号的输入和转换电路，含有电流交流模拟信号、电压交流模拟信号和直流模拟信号。电流电压模拟量通过底板上的小CT和小PT隔离，进入CPU板放大。分别进入两个CPU系统的多路开关，各CPU通过选通信号循环采集模拟信号。同时采用数字滤波器对各个模拟量滤波。
(3)开关量输入/输出电路，用于分合闸信号、分合闸位置信号、蓄电池、电容故障信号等。开关量输入采用光电隔离芯片与CPU隔离插件进行隔离，进行滤波整形后，进入CPU口。同时程序具有防抖动功能。两个CPU口输出的控制信号经过与门、光电隔离、驱动后进入I/O板。
(4)通信模块，CPU插件采用带光电隔离的通信接口芯片来实现与总线网的隔离。电流互感器件采用单孔安装方式，能有效地避免断线故障，实现了强电和弱电的隔离。采用RS-485通信接口及CAN总线接口。
3.1 DSP模块介绍
CPU是控制器的核心部分，它不仅需要处理输入信号、输出信号，而且还需要控制和协调各部分的工作等。该装置的核心处理芯片采用美国德州仪器(TI)公司推出的低功耗Flash型16位RISC精简指令集DSP芯片TMS320LF2407A。TMS320LF2407A除具有程序、数据分开的哈佛总线结构，流水线操作功能，单周期完成乘法的硬件乘法器之外，还具有以下特点：
(1)采用高性能静态CMOS技术，使供电电压降为3.3 V，减小控制器的功耗。
(2)具有高达32 KB Flash的存储器，为多种用途的产品提供经济的可编程解决方案。基于Flash的芯片中有256 KB引导ROM，使在线编程更加方便。
(3)高性能的10位模数转换器(ADC)转换时间为500 ns，提供多达16路的模拟量输入，具有自动排序功能，可使最大为16路的转换在进行同一转换时不会增加CPU的开销。
(4)提供串行通讯接口(SCI)，使之能与系统中的其他控制器进行异步通信(RS-485)。对于要求额外通信接口的系统，TMS320LF2407A提供一个16位的同步串行外围接口(SPI)，还提供CAN通信模块。
TMS320LF2407A DSP具有低成本、低功耗、高性能的特点，内部集成了几种先进的外设，成为真正的单芯片控制器。
3.2 模拟量输入及输出电路
变电站自动化系统采集的电流、电压、有功功率、无功功率、温度等都属于模拟量。模拟量输入电路是综合自动化系统中很重要的部分，变电站自动化装置的动作速度和测量精度等性能都与该电路密切相关。
模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压以及完成模/数转换，以便于与CPU接口，实现数据采集。
外部电流及电压输入经隔离互感器隔离变换后，由低通滤波器输入至模数转换器，CPU经采样数字处理后，构成各种保护继电器，并计算各种遥测量。外部开关量输入经光电隔离，送CPU处理后，发出各种遥信及保护投退信号。
模拟量输出电路的作用是把微型机系统输出的数字量转换为模拟量输出，这个任务主要由数/模(D/A)变换器来完成。
由于本系统使用的TMS320LF2407A自带16位模数转换(ADC)模块，所以不用另外设计采样电路。但是考虑到TMS320LF2407A的转换精度较低，可在TMS320LF2407A与外部电路之间连接一个MAXl280。
MAXl280是400 ksps/300 ksps、单电源、低功耗、8通道、串行12位ADC、内置电压基准。采用真差分输入，提供优异的噪声抑制，具有改进的失真特性以及单端输入时更宽的动态范围。标准接口提供了转换所必需的时钟。可以方便地与标准的数字信号处理器(DSP)同步串行接口连接。
3.3 开关量输入/输出电路
开关量输入电路的基本功能是将变电站内所需的状态信号引入微机系统。输出电路主要用来显示、控制或调节CPU输出的数字信号或数据。
开关量输入电路由信号调节电路、控制逻辑电路、驱动电路、地址译码电路、隔离电路等组成。开关量输出电路与输入电路基本一样。开关量输入电路包括断路器和隔离开关的辅助触点、跳合闸位置继电器触点、有载调压变压器的分接头位置等输入、外部装置闭锁重合闸触电输入、装置上连接片位置输入等回路。这些输入可以分为安装在装置面板上的触点和从装置外部经过端子排引入装置的触点。
由于电力系统特别是配电网中的干扰比较严重，因此开关量的输入/输出电路都需要连接光电隔离器件。
3.4 通信接口电路
目前，电力系统综合自动化装置的设计结构多采用多微机处理器，即多CPU系统。人机对话微型系统用于协调和指挥其他的微型机系统，各功能专用的微型机系统通过串行接口相互联系，用人机对话微型机系统通过串型接口相互通信。通信方式采用异步通信。其原理如图3所示。
在配电网设备庞大、种类繁多、地域分布广、运行环境恶劣等特定条件下，选择合理的通信系统是配电自动化系统的关键。由于变电站主变压器通信点多，而且分散，一般很难只采用一种通信方式解决问题。因此实际应用中，要根据满足应用要求、经济、可靠的原则，因地制宜，采用混合通信方式。经综合考虑，本设计采用以CAN总线为远程通信接口，RS-485接口为本地通信接口的通信接口设计。
CAN总线接口如图4所示。TMS320LF2407A内部集成有CAN控制器模块，只需要在TMS320-LF2407A与CAN总线之间连接CAN驱动器82C-250即可。设计中采用光电耦合器6N137，以提高电路的抗干扰能力，防止总线上的干扰信号窜入控制器，同时也完成了TMS320LF2407与82C250之间3.3 V和5V电平的转换。
图5所示为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。本设计基于TMS320LF2407A的SCI模块实现了控制器的RS-485通信接口。电路采用65LBCl84作为标准的RS-485总线驱动收发器。由于TMS320LF2407A采用+3.3 V供电，所以在TMS320LF2407A与65LBCl84之间需电平转换，这里采用6N137光电隔离器进行光电隔离和电平转换控制。
4 主变双重保护装置的软件设计
该装置除在硬件设计方面采用了新的设计思想外，软件设计上也有独特之处，具体包括：模块化设计、冗余设计、兼容性设计和灵活性设计。
对于主变双重保护装置来说，软件系统包括：主程序、数据采集与转换模块、数据处理模块、控制输出模块、通信模块等部分。
4.1 主程序
主程序在软件中是一个管理者，负责将不同功能的模块组织在一起。主程序中的初始化主要是整个系统为正常工作做好准备，对于主变保护装置来说，主程序主要包括：CPU初始化、对实时时钟X1227进行初始化和对必要的参数设置默认值。
初始化完成后主程序进入工作状态，首先判断是否需要进行定值整定工作，如果需要则转入定值整定模块，否则继续向下执行。在采集开关量和检测键盘环节中，如果检测到开关量变位或有按键被按下，则由主程序发出信息并转入信息处理模块进行处理，信息处理的结果再传送到显示打印模块进行显示、打印，否则程序继续向下执行信号采集与计算模块。逻辑判断模块根据电压无功的计算值和其他有关条件判断是否需要动作。当逻辑判断模块产生动作指令后，通过检测装置出口继电器是否动作，以及检测变压器分接头档位和控制电容器组真空断路器的状态来判断动作指令是否得到正确执行，如果正确执行则转入下一次循环，否则将此异常信息传送到信息处理模块进行处理，再将结果送给显示输出模块。
4.2 采集程序流程和实现
TMS320LF2407A内置10位ADC核，一个采样保持器，16个模拟输入通道可以切换；其A/D转换时间为500 ns；可以对序列进行自动控制，有两个自动采样队列。基于DSP的跟踪频率变化的交流采样技术，巧妙地利用该款DSP的定时器、捕获器和不可屏蔽中断(NMI)实现了跟踪频率变化的交流采样。
在使用DSP进行数字信号处理时，应用过采样技术可以增加其内置模数转换器的分辨率。实现过采样DSP软件包括：外设初始化、三角波信号产生、数据采集、数字滤波、抽取、中断服务程序。
TMS320LF2407A以其丰富的指令功能和较高的运行速度，为软件抗干扰提供了良好的条件。在本程序的设计中采用了以下抗干扰措施：软件陷阱、程序的冗余设计、软件滤波、软件“看门狗”技术，能有效地提高系统的抗干扰能力。
5 结束语
本设计介绍了目前较为先进的组屏双CPU变电站主变压器保护装置的硬件特点，同时介绍了最为理想的三屏化设计方案。设计中充分利用了高性能DSP芯片TMS320LF2407A，使系统结构简化，能有效解决目前农网变电站存在的问题，也是变电站自动化保护装置的最佳选择。
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