【文章內(nèi)容簡介】 自動糾錯，即自動識別和排除干擾，防止由于干擾而造成的誤動作，并具有自診斷能力，可自動檢測出保護(hù)裝置本身硬件系統(tǒng)的異常部分，配合多重化設(shè)計可有效地防止拒動；保護(hù)裝置自身的經(jīng)濟性、可擴展性強，易于獲得附加功能；保護(hù)裝置本身的靈活性大，可靈活地適應(yīng)于電力系統(tǒng)運行方式的變化；保護(hù)裝置的性能得到很好地改善，具有較高的運算和大容量的存儲能力等等。 微機保護(hù)裝置的構(gòu)成一臺完整的微機保護(hù)裝置主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件指模擬和數(shù)字電子電路，硬件提供軟件運行的平臺，并且提供保護(hù)裝置于外部系統(tǒng)的電氣聯(lián)系；軟件指計算機程序，由它按照保護(hù)原理和功能的要求對硬件進(jìn)行控制，有序地完成數(shù)據(jù)采集、外部信息交換、數(shù)字運算和邏輯判斷、動作指令執(zhí)行等各項操作。保護(hù)性能是由軟件來實現(xiàn)的。在相同硬件條件下，由于配置不同的軟件，可得到不同的保護(hù)性能，也可在同一硬件條件下實現(xiàn)多種保護(hù)性能[5]。1. 微機保護(hù)裝置的硬件主要包括：數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)、通信接口、人機接口及供電電源。微機保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)原理框圖如下圖41所示。圖41 微機保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)原理框圖2. 微機保護(hù)裝置的軟件部分主要包括：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集管理模塊、故障計算模塊、故障檢出模塊以及保護(hù)功能模塊等等。 變壓器保護(hù)裝置主系統(tǒng)的硬件設(shè)計本課題所設(shè)計的變壓器保護(hù)裝置采用ATmega16單片機為核心，系統(tǒng)的主要組成部分包括數(shù)據(jù)采集部分，信號處理部分，單片機控制部分，鍵盤、顯示及控制輸出部分等。該硬件設(shè)計原理為：數(shù)據(jù)采集電路以模擬信號形式將變壓器的溫度、電壓及電流信號傳至單片機。單片機經(jīng)采樣保持后通過自身集成A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)可用的數(shù)字量。單片機根據(jù)用戶設(shè)定的目標(biāo)報警信號，決定保護(hù)裝置的工作狀態(tài)，同時單片機與PC機通信，通過PC機來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，使系統(tǒng)達(dá)到對變壓器狀態(tài)實現(xiàn)實時測控的功能。系統(tǒng)運行過程中的現(xiàn)場各種狀態(tài)參量均由數(shù)碼管實時顯示。裝置的總體框圖如圖42所示。圖42 保護(hù)裝置總體框圖 ATmega16微處理器ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾[6]。ATmega16的主要特征有：高性能、低功耗的8位AVR174。微處理器。先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)。131條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期；32個8位通用工作寄存器；全靜態(tài)工作；工作于16MHz時性能高達(dá)16MIPS，只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash擦寫壽命10000次，有512字節(jié)的EEPROM擦寫壽命100000次；1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM，可以對鎖定位進(jìn)行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。JTAG接口（與IEEE ）符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能，通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。外設(shè)特點兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器，一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器，具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC，四通道PWM，8路10位ADC，兩個可編程的串行USART，可工作于主機/從機模式的SPI串行接口，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，片內(nèi)模擬比較器。特殊的處理器特點上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測，片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器，片內(nèi)/片外中斷源，6種睡眠模式。I/O和封裝具有32個可編程的I/O口，封裝形式有：40引腳PDIP封裝，44引腳TQFP 封裝，與44引腳MLF封裝。ATmega16的引腳如圖43所示。 圖43 ATmega16的引腳圖 多路模擬開關(guān)CD4051ATmega16有8路10位ADC，因此有多路的參量進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換的情況出現(xiàn)。對此，可采用公共的A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路。利用多路開關(guān)輪流切換各路模擬量與A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路的通道，使一個A/D轉(zhuǎn)換器能完成多個模擬信號的轉(zhuǎn)換，能夠節(jié)省硬件開銷，達(dá)到分時的目的。本系統(tǒng)采用多路模擬開關(guān)CD4051實現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。CD4051芯片有3個二進(jìn)制控制輸入端A、B、C和1個禁止輸入端INH，用3位二進(jìn)制信號來選擇8個通道中的一個通道。其真值表見表41。表41 CD4051真值表輸入狀態(tài)接通通道INHCBACD405100000000110010200113010040101501106011171－－－均不接通CD4051與ATmega16的連接電路圖如圖44所示。圖44 ADC回路切換電路本電路中溫度、電壓及電流信號分別與多路開關(guān)CD4051的X0～X2相連，而ATmega16的PB0～PB2三個引腳來控制CD4051的選擇通道以實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換回路的切換。 溫度采集系統(tǒng)變壓器在運行時所產(chǎn)生的空載損耗和負(fù)載損耗都轉(zhuǎn)化為熱能，從而使變壓器發(fā)熱。變壓器的熱量主要來源于鐵心和繞組，一般說來，繞組溫度最高，鐵心次之。而溫度過高可能是變壓器發(fā)生故障或不正常運行的一個重要信息，同時高溫也對變壓器的絕緣特性有的很大影響。因此，實時對變壓器的溫度進(jìn)行采集是變壓器保護(hù)裝置的重要措施。AD590是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的單片集成兩端式集成溫度－電流傳感器，它具有體積小、精度高、價格低、不需輔助電源、線性好、性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點，因此常用于測溫和熱電偶的冷端補償[7]。（一） AD590的工作原理流過器件電流的微安數(shù)等于器件所處環(huán)境溫度的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。即AD590當(dāng)溫度改變1度（絕對溫度）獲得1電流輸出。 （41）式中為流過器件（AD590）的電流，單位為，T為溫度，單位為K。在被測溫度一定時，AD590相當(dāng)于一個恒流源，把它和5～30V的直流電源相連，并在輸出端串接一個1k的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1mV/K的電壓信號。其基本電路如圖45所示。（二）AD590的主要特性如下：1）測溫范圍為－55～+150。 圖45 AD590基本電路圖 2）電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓從4V到6V變化，電流變化1，相當(dāng)于溫度變化1K。當(dāng)電源電壓在5～10V之間，電壓穩(wěn)定度為1％時，說產(chǎn)生的誤差只有177。3）AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓。因而器件反接也不會損壞器件。4）輸出電阻為710M。5）電阻采用激光修刻工藝，使在+25（）時。AD59精度很高，共有I、J、K、L、M五檔。其中M檔精度最高，在－55～+150范圍內(nèi)，非線性誤差在177。；I檔誤差較大，誤差為177。10，應(yīng)用時應(yīng)校正。（三）采用AD590構(gòu)成的測溫系統(tǒng)由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此在使用AD590測量溫度時要對其測量電路進(jìn)行調(diào)整。圖46是用于測量攝氏（）溫度的電路。圖中用電位器R1調(diào)零點，用R2調(diào)增益，若要改變增益，如使輸出為200mV/，就要增大反饋電阻（圖中反饋電阻R4與電位器R2串聯(lián)而成）來實現(xiàn)。調(diào)整后，在室溫下進(jìn)行校驗。圖46 AD590應(yīng)用電路圖中，AD581是高精度集成穩(wěn)壓器，輸入電壓最大為40V，輸出為10V。 電壓電流采集系統(tǒng)變壓器的主保護(hù)之一為差動保護(hù)，差動保護(hù)的判斷依據(jù)就是變壓器一、二次側(cè)的電壓、電流的平衡關(guān)系，因此，準(zhǔn)確而實時地測量電壓和電流是變壓器保護(hù)裝置的可靠運行的有力保證。三相電壓電流分別采用變壓器一、二次側(cè)的電壓互感器、電流互感器測量。通過TV、TA變換后形成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以測量的電壓，然后經(jīng)低通濾波器（ALF）、采樣保持器（S/H）及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC）轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，再由單片機對這些數(shù)字量進(jìn)行比較、判斷。（一）電壓數(shù)據(jù)采集1. 變壓器一次側(cè)電壓采用JDZ10型電壓互感器測量。JDZ10型電壓互感器是用環(huán)氧樹脂澆注的半封閉式電壓互感器，供頻率為50Hz、10kV電力系統(tǒng)作電壓，電能測量及繼電保護(hù)用。本型號互感器為環(huán)氧樹脂澆注式絕緣結(jié)構(gòu)，鐵心為疊片式，芯柱上套裝一、二次繞組、一次繞組與二次繞組為同心式，繞在同一個骨架上，整個線圈外部用環(huán)氧樹脂澆注成形。1）產(chǎn)品型號及意義為：圖47 型號意義2）其基本技術(shù)參數(shù)如表42所示。表42 JDZ10型互感器技術(shù)參數(shù)型號額定電壓比（V）額定頻率（Hz）額定輸出（VA）極限輸出（VA）額定絕緣水平（kV）JDZ1010000/10050308050012/42/753）工作環(huán)境及安裝：1. 額定二次電流5A或1A；2. 環(huán)境溫度：最高溫度+40，最低溫度－5，日平均不超過30； 3. 環(huán)境濕度：空氣相對濕度不大于85%（20）； 2. 。，適用戶內(nèi)500V及以下、額定頻率為50Hz的交流電路中作電壓、電能測量或繼電保護(hù)用?；炯夹g(shù)參數(shù)見表43。表43 型號額定電壓比（V）額定頻率（Hz）額定輸出（VA）準(zhǔn)確級極限輸出（VA）200/1005030500220/100380/100500/100變壓器一次側(cè)及二次側(cè)電壓的采集電路如圖48所示。圖48 變壓器電壓采集電路3. 單片機電路板上使用的電壓互感器選用TV10131型微型精密交流電壓互感器。1）特點：1. 體積小，精度高；2. 全封閉，機械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強，安全可靠。2）使用環(huán)境條件：1. 環(huán)境溫度：－55～＋85；2. 相對濕度：溫度為40時不大于90%；3）工作頻率范圍：20Hz～20kHz。4）絕緣耐熱等級：B級（130）。5）安全特性：1. 絕緣電阻：常態(tài)時大于1000M；2. 抗電強度：可承受工頻2000V/1分鐘；3. 阻 燃 性：符合UL94－Vo級。6）外形圖、安裝尺寸和線圈圖： 7）性能參數(shù)：TV10131是一種電流型電壓互感器，典型應(yīng)用如圖49（a）和圖49（b），性能參數(shù)見表44。 圖49（a） 圖49（b）表44 TV10131典型應(yīng)用的性能參數(shù)使用方法輸入電壓輸出電壓額定電流相移非線性度線性范圍隔離耐壓圖（a）法1000V2mA/2mA≤30176?！?≥6kV圖（b）法1000V≤1/2V倍IC電源電壓2mA/2mA≤5176?！?2倍額定≥6kV8）注意事項：本型電壓互感器其原理是電流型電壓互感器，所以次級電路不允許開路使用，也因于此，請不要在次級回路安裝熔斷器。（二）電流數(shù)據(jù)采集1. 變壓器一次側(cè)采用LZZB110（HAT）型高精度電流互感器對電流進(jìn)行測量。LZZB110（HAT）型電流互感器為支柱式結(jié)構(gòu)，采用環(huán)氧樹脂全封閉澆注成型。耐污穢、耐潮濕性能好。有兩個二次繞組，第一個二次繞組的準(zhǔn)確限值系數(shù)達(dá)5P20，（）級，可以供保護(hù)用或保護(hù)、測量共用。，可以供計量用或計量、測量共用。LZZB110（HAT）型互感器的型號及其含義如下所示。圖410 型號含義LZZB110（HAT）型互感器的結(jié)構(gòu)與規(guī)格有：本型電流互感器有多種變比：30/5A（1A）、40/5A（1A）、50/5A（1A）、75/5A（1A）、100/5A（1A）、150/5A（1A）、200/5A（1A）、300/5A（1A）、400/5A（1A）、600/5A（1A）、750/5A（1A）、800/5A（1A）、1000/5A（1A）、1200/5A（1A）、1500/5A（1A）、1600/5A（1A）、2000/5A（1A）多種。2. （500～800/5A）電流互感器。其外形見圖411所示。 、電能測量或繼電保護(hù)用。正常工作條件：周圍空氣溫度為－5~＋40，且其24h內(nèi)的平均溫度值不超過+35；40環(huán)境下空氣的相對濕度不超過50%；在較低的溫度下可以允許有較高的相對濕度，最高不超過80%。 圖411 可知。變壓器一次側(cè)及二次側(cè)的電流采集電路如圖412。圖412 變壓器電流采集電路3. 單片機電路板上使用的電流互感器選用TA10162微型精密交流電流互感器。1）特點：1．立式穿芯印刷線路板直接焊接安裝、外形美觀；2．體積小，精度高；全封閉，機械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強，安全可靠。2）使用環(huán)境條件：1. 環(huán)境溫度：－55～＋85；2. 相對濕度：溫度為40時不大于90%；3）工作頻率范圍：20Hz～20kHz。4）絕緣耐熱等級：F 級（155）。5）安全特性： 1. 絕緣電阻：常態(tài)時大于1000M；2. 抗電強度：可承受工頻6000V50Hz /1分鐘；3. 阻燃性：符合UL94－Vo級。6）外形圖、安裝尺寸和線圈圖： 7）典型應(yīng)用如圖413（a）和圖413（b），性能參數(shù)見表45。 圖413（a） 電阻法 圖413（b） IC法表45 TA10162典型應(yīng)用的性能參數(shù)產(chǎn)品型號TA10162額定輸入電流額定輸出電