【文章內容簡介】 T二次斷線檢測，同時還帶有輕、重瓦斯保護及外部信號接點。西門子公司沒有為變壓器保護提供相對獨立的后備保護裝置，只是用一些電流型保護裝置作為其后備保護，如7SJ517SJ512型過流保護；7TU99型過壓欠壓保護。另外，國外其它一些公司的保護裝置如英國GEC公司的KBCH11140型差動保護裝置以及ABB公司的變壓器保護，其原理及功能與西門子保護裝置相似。這類變壓器微機保護裝置國內生產廠家以南京電力自動化設備總廠、電力自動化研究院、北京四方公司、許昌繼電器廠為代表，其功能相似[10]。主保護包括差動速斷保護、帶二次諧波制動特性或間斷角原理和防止變壓器過飽和的5次諧波制動特性的比率差動保護及零序、CT二次斷線檢測。 變壓器微機保護方案的確定本論文是根據110kV電壓等級配電系統(tǒng)的特點，結合上述電力變壓器微機保護的特點而研制的新型微機保護裝置，與以往保護相比，本保護在原理和算法上有新的突破，在一定程度上解決了變壓器保護整定困難、動作選擇性差的問題。本保護主要有以下特點:CPU采用Intel高性能16位單片機80C196KC，主頻可達16MHz[15]，運算速度快，處理能力強；采用了內部含采樣保持器的高速、8通道、14位的數據采集系統(tǒng)芯片MAX125；差動保護原理成熟可靠，靈敏度高，功能完善。通過軟件實現(xiàn)變壓器各側差動CT的平衡調節(jié)、CT全Y型接入；開關量保護以中間繼電器轉接的方式實現(xiàn)出口跳閘及發(fā)信，工作可靠；．主保護方案:差動速斷電流保護 二次諧波制動的比率差動保護 差動CT二次斷線閉鎖判據本體瓦斯保護 變壓器油溫保護 以上各種保護可根據變壓器在系統(tǒng)中的不同位置、接線情況與相鄰保護的配合的要求來具體選用。4 微機變壓器保護裝置硬件設計 總體框圖硬件部分主要包括數據采集單元、微機主控單元、開關量(數字量)輸入/輸出單元、人機接口單元和通信接口單元。圖21示出了硬件系統(tǒng)的總體框圖。圖2 1 微機保護硬件系統(tǒng)總體框圖 數據采集單元數據采集單元是將從被保護元件的電流互感器、電壓互感器上取得的二次模擬電量，變換成微機主控單元能夠處理的數字量。圖2 2表示了常用的數據采集單元的框圖。與一般的晶體管保護類似，計算機保護也是一個對電磁干擾很敏感的設備。為了防止來自電流、電壓輸入回路的干擾，在引入CT和PT的電流、電壓時，在CT和PT二次側裝設起隔離、變換的變換器，它除了起屏蔽作用外，還將輸入的電流、電壓的最大值變換成微機設備所允許的最大電壓值(例如15V):同時應在變換器兩端跨接電容，以吸收隨導線而來的干擾。為使采樣后的離散信號可以不失真地還原為輸入信號，根據采樣定理，模擬量在采樣前，應采用低通濾波器濾掉/2 (為采樣頻率)以上的高頻分量，以防止頻譜混疊現(xiàn)象的發(fā)生。圖2 2 數據采集單元框圖微機主控單元的基本功能是進行數值及邏輯運算，為此就必須將輸入的模擬量轉變成數字量，這就需經過“采樣/保持電路”及“模/數(A/D)轉換”兩個環(huán)節(jié)，即將模擬量在時間上離散化和在量值上離散化。其中，采樣保持電路將在采樣時刻上所得到的模擬量的瞬時幅度記錄下來，并按A/D轉換過程的需要保持其值不變，同時還可保證各通道同步采樣，使各模擬量的相位關系在采樣前后保持不變。出于減少A/D轉換器的數量、降低成本的需要，全部通道合用一個A/D轉換器，同時采樣，依次A/D轉換，這就需要多路轉換開關將各采樣保持環(huán)節(jié)中的模擬信號分時地接通A/D轉換器的輸入端，輪流進行A/D轉換。最后得到微機所需的數字量。A/D 轉換器的種類很多，按工作原理可分為逐次逼近型、計數器型和積分型等。微機保護裝置中通常采用逐次逼近的A/D轉換器，以提高A/D轉換的速度和精度。 模擬輸入量的采集模擬輸入量的采集本設計構思如下圖，用了10個互感器分別采集電壓、電流，中性點的信號[13]。 前置模擬低通濾波器采樣總是在一定的采樣頻率下進行的，為了滿足采樣定理，必須限定輸入信號的最高頻率、也就是給輸入信號一定的帶寬。前置模擬低通濾波器的日的也在于此。在微機繼電保護裝中，采樣頻率fs受到數據處理和相應的硬件設備自檢程序的限制。采樣頻率越高，采樣周期就越短。而數據處理和相應的設備自檢程序必須在一個采樣周期內完成，否則將造成采樣數據的積壓。因此，采樣頻率的過高將造成數據處理等程序執(zhí)行的時間太短，難以在一個采樣周期內完成。所以必須對采樣頻率的最高選值有一定的限制。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障電壓和電流信號中含有一定的高次諧波分量，而這些較高頻率的高次諧波分量并不都是繼電保護原理所要求獲取的反映系統(tǒng)故障的主要特征量，如不加以濾除，將要求采樣頻率過高。因此，為了保證采樣過程滿足采樣定理，必須將頻率高于某一頻率的信號加以濾除，確保采樣數據的質量。具體采取的措施是在各模擬信號的輸入通道上，在對各模擬信號采樣之前裝設模擬低通濾波器。模擬低通濾波器可以分為無源濾波器和有源濾波器兩種。在微機繼電保護中常采用阻容RC低通濾波器，濾波器的階數則根據具體的要求來確定。圖22給出了一個二階阻容RC低通濾波電路及其頻率特性。模擬低通濾波器的幅頻特性的最大截止頻率，必須根據采樣頻率fs的取值來確定。例如當采樣頻率是600Hz時，要求必須慮除輸入信號中頻率大于300Hz以上的高頻分最。 圖22：二階阻容RC低通濾波電路及其頻率特性 采樣系統(tǒng)80C196KC與MAX125的接口1) 80C196KC與MAX125數據接口以16位方式連接，見圖4 5。為了保證采樣得到的所需的電壓和電流，為此電路中使用了2片MAX125。MAX125都工作于A組多路開關、4路轉換模式。為了方便讀出A/D轉換數據，2片ADC的片選套用常規(guī)方法，由連續(xù)地址線譯碼所得，若在地址0A000H～0A007H范圍內ADC1片選有效，而ADC2的片選則在0A008H～0A00FH地址范圍內有效。這樣處理僅考慮編程方便，因為MAX125無尋址概念，你可用一根地址線或I/O線作為MAX125的片選，只是操作是要注意芯片的特點。中斷信號只取轉換已結束，可以驅動中斷程序。由于ADC轉換僅接受4bit數據（A0～A3），80C196K就只需把WRL（低8位寫信號）連接到ADC的。，CPU根據工頻周期變化。信號輸入ADC前，還要進行信號調理和抗混疊濾波處理，這里就不敘述了。80C196KC的T2捕獲功能，經計算機能獲得工頻周期值。圖4 5 80C196KC與MAX125的接口2) 實現(xiàn)雙速率采樣，獲得同步采樣數據軟件同步采樣法的第一步要取得當前工頻周期，然后根據周期內的采樣點數N確定啟動ADC的時間間隔（時間常數）。對于雙速率采樣法來說，此定時常數有2個，當M次采樣的定時常數為 ，之后的N－M次的定時常數就為 。要取得工頻周期，只需每次進入T2捕獲中斷程序時暫存捕獲值，將本次捕獲值減去前一次捕獲值就能得到工頻周期值，經計算也容易得到和M。如何實現(xiàn)雙速率采樣法，關鍵在HSO的應用。HSO具有硬件可編程定時器的性能，它在什么時候觸發(fā)某時間僅取決于定時常數，這一特點很適合我們目前的應用。此外，HSO的CAM陣列可以掛號8個事件，那么我們就能提起安排ADC啟動等I/O事件。每次啟動ADC就有2個事件發(fā)生（輸出高電平，輸出低電平），對于N＝64據要安排128個I/O事件，這128個事件隊列要依次推進到HSO的CAM中就需要合理安排。由于HSO發(fā)生中斷，我們就可以推知已有2個I/O事件發(fā)生了，CAM陣列已空出2個位置，利用ADC中斷程序我們就可以掛號以后的ADC啟動事件。微機主控單元是微機保護裝置的核心部分，其典型組成如圖23所示。當實時的采樣數據經數據采集單元進入微機系統(tǒng)后，微機根據由給定的數學模型編制的計算、邏輯程序對采樣數據作實時的計算分析、判斷是否發(fā)生故障，故障的范圍、性質，是否應該跳閘等，然后決定是否發(fā)出跳閘命令，是否給出相應信號，是否應打印結果等等。由微機主控單元所執(zhí)行的上述功能，決定了一般用EEPROM或EPROM來保存程序、整定值和常數，用RAM 來存放采樣數據、實時計算處理的數據和結果。時鐘電路為保護裝置的實時顯示和各種事件記錄提供時間基準，它具有獨立的振蕩器及專用的充電電池，當保護裝置掉電時，它依然能正常運行。鍵盤、顯示器、串行口和打印機作為人機信息交流的接口，用于操作人員控制和監(jiān)測裝置的工作狀況。CPU是微機主控單元的核心，近年來單片機以其可靠性高、性能優(yōu)越、體積小、價格低和工作溫限寬等優(yōu)點，成為各檔次微機保護的理想中央處理單元。圖2 3 微機主控單元框圖 80C196KC單片機的擴展電路和擴展芯片因為單片機80C196KC的內部EPROM/ROM為16K字節(jié) ，內部RAM為488個字節(jié)，在這篇設計中只擴展數據存儲器RAM、電可擦除可編程只讀存儲器EEPROM和并行接口。RAM和EEPROM的擴展（1）選定擴展用芯片本次設計選用6264芯片來擴展RAM，2864A來擴展EEPROM6264時容量為8K8位靜態(tài)RAM芯片,其引腳如圖3－1所示：各引腳功能如3－1所示： A0～A14：地址輸入線； D0～D7：雙向數據線；Vcc:工作電壓，+5V。GND：線路地。 圖3－1 6264引腳RAM6264引腳功能與工作方式如表3－1所示：表3－1 RAM6264引腳功能與工作方式表 CE2 方式 功能 0 1 0 1寫入 D7～D0數據寫入6264 0 1 1 0讀出 讀6264到D7～D0 1 X X 0 X XXX未選中 D7～D0顯示高阻態(tài) 0 1 1 1禁止輸出 高阻抗電可擦除可編程只讀存儲器EEPROM可像EPROM一樣可以再線讀出其中的信息。由于EEPROM內部有擦除和改寫的專用電路，因此它也可在西線擦除和編程。EEPROM可擦除和改寫多達一萬次，寫入一次可保持10年。在斷電的情況下，EEPROM中的信息保持不變。EEPROM可分為并行和串行兩種。并行EEPROM在讀寫操作時數據通過8位數據總線傳輸。串行EEPROM的數據是一位一位傳輸。并行EEPROM數據傳送快，程序簡單；串行EEPROM數據傳送慢，體積小，功耗小，程序復雜。并行EEPROM的型號很多，有2812812817A、2864A、28C64A、2864B、58064等。其中2816和2817是早期型號，對它們的擦寫和寫入需外接Vpp電源；其余為改進產品，把產生Vpp的電路做在芯片內，無論擦除、寫入還是讀出，均用單一的＋5V電源，外圍電路簡單。而且2864A容量為8K8位EEPROM，和RAM6264的容量相同，因此兩個芯片都采用13根地址線，兩芯片就可進行同時擴展，使得電路進一步簡化。2864A的管腳排列如圖3－2所示：引腳功能簡介：I/O0～I/O7:雙向數據線:輸入，寫允許線，低電平有效。在和為低電平時，把8位并行數據通過I/O0～I/O7寫入2864的緩沖器中。 圖3－2 2864A引腳圖2864A在各種操作方式下應加給各管腳的信號和各引腳的狀態(tài)如表3－2所示：表3－2 2864A的操作方式及各引腳的狀態(tài) 方 式 引 腳（20）（22）(27)I/O0～I/O7 維 持VH 任意 任意高阻 讀 VLVLVH數據輸出 寫 VLVH負脈沖數據輸入數據查詢 VLVLVH（2）擴展電路圖單片機80C196KC的EEPROM和RAM擴展電路如圖3－3所示： 圖3－3 單片機80C196KC的EEPROM和RAM擴展電路首先，在擴展中只采用兩片芯片，故采用先選法?？梢约尤敕聪蚱?4LS04，用A14控制片選信號，使為0時該芯片被選中。其次，80C196KC的PP4口向片外EEPROM和RAM提供地址總線，而P3口又同時還要做數據線，這就需要分時復用 ，因此要在單片機和存儲器之間接入地址鎖存器。本次設計采用74LS373作為地址鎖存器。 繼電保護整定值固化電路如果在微機保護的面板上設置專用的整定值輸入插銷或倫、輪撥開關，會使操作面板的元件過多而不好安排，而且還會因引線過多而降低保護的抗干擾能力和工作的可靠性。應將保護裝置的定值輸入改在裝置操作面板上，采用鍵盤輸入方式，將整定值送入微機并固化在可以電改寫的EEOPROM中。定值固化電路如圖2－12所示： 圖2－12 整定值固化原理電路示意圖2864A是可電擦除、電改寫EEPROM。為了防止在正常運行時，WR上出現(xiàn)負脈沖干擾而破壞整定值的內容，對接入的寫信號加入一個與門電