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1、摘 要 在我国，110kV变压器微机保护得到了广泛的应用，微机式继电保护在70年代出现以后发展迅速，已逐渐代替了传统的模拟式继电保护，微机保护给继电保护带来了一些新的概念和新的原理。如何进一步提高110kV变压器微机保护的性能，仍然有很多课题需要深入的研究。本文在全面介绍和评述电力系统微机保护原理及其发展趋势的基础上，对电力系统中大量应用的110kV电压等级的电力变压器的微机保护进行了专门研究。以所制定的保护方案为依据，提出了以80C196KC单片机为核心的微机变压器保护装置的具体实现方法。并对保护装置的硬件系统设计和软件模块设计进行了详细的研究。在硬件设计方面，采用了集成度高的数据采集芯片M
2、AX125，满足了变压器对保护装置的要求。在软件设计方面，采用了优化的快速算法，使该装置具有很高的准确性和可靠性，并在操作上更加简明方便。本装置将变压器运行工况监测与继电保护相结合，体现了新一代微机保护装置的设计思想。经有关部门实验测试，本装置测量精确，动作快速准确，性能达到设计要求。【关键词】 变压器；微机保护；继电保护；单片机ABSTRACTIt is widely used that transferring electric power with 110kV transformers in China. Since s computer play a more and more imp
3、ortant role in protective relaying，new ideas and new theories also come along with it。And now the protections using computers have taken the place of the traditional protections，but there are many problems needing further research，such as how to improve the properties when use computers to realize t
4、he protection of 110kV transformers.This dissertation give a special research in microcomputer relay protection for power transformer of 110kV , According to this scheme，a design method of power transformer protection device is also advanced. This device uses 80C196KC microcomputer chip as the centr
5、al processor. Hardware and software are designed in details. On the ways of hardware design, The new type of liquid crystal display, serial communication interface are so this device can meet the demand of Automatic control on power system. On the way of software design, the optimal fast algorithm,
6、technology of menu in man-computer interface and function of self-diagnosis are combined .All these characters give the device great accuracy and reliability and make it easier to operate.The device that combines measurement with protection shows the modern design concept .The experiment results sho
7、w that this device has accurate measuring, fast and correct response. In a word, its feature qualifies the requirements.【Keywords】 Transformer；Microprocessor-based Protection； Relay protection；Microcomputer目 录1 绪 论.51.1继电保护技术的发展及其微机继电保护的特.51.2变压器保护的要求及特点.61.2.1变压器保护的要求.61.2.2计算机变压器保护的特点.61.2.3变压器保护原
8、理的分析.71.3本论文研究的主要内容.82 微机保护及变压器微机保护特点.92.1.1 微机保护特点.92.1.2 变压器微机保护的特点.10 3 论文最终方案的确立.133.1 变压器微机保护的特点及其现状.133.2 变压器微机保护方案的确定.143.2.1保护功能配置方案.144 微机变压器保护装置硬件设计.154.1 总体框图.154.2.1 数据采集单元.154.2.2 模拟输入量的采集.164.2.3 前置模拟低通滤波器.174.2.4 采样系统80C196KC与MAX125的接口.184.3.1微机主控单元.204.3.2 80C196KC单片机的扩展电路和扩展芯片.204.3
9、.3继电保护整定值固化电路.234.3.4并行接口扩展.244.3.5 单片机80C196KC的时钟及系统复位电路.264.3.6 硬件时钟电路.264.4.1 人机接口单元.274.4.2键盘/显示器接口回路.284.4.3人机接口与系统机的通讯功能.294.5.1. 开关量(数字量)输入/输出单元.314.5.2 开关量输入电路.314.5.3 开关量输出电路.325 保护电源部分.34 附录1.36附录2.38附录3.42参考文献.45 1 绪 论1.1 继电保护技术的发展及其微机继电保护的特点继电保护装置，就是安装在被保护元件上，反映被保护元件的故障并用于被保护元件断路器跳闸或反映不正
10、常状态并发出信号的一种自动装置.它是电力系统自动化的重要组成部分，是保证电力系统安全运行的重要措施之一。继电保护的构成方式虽然很多，但一般均由测量元件、逻辑元件和执行元件组成:测量元件的作用是测量被保护设备的物理量，以确定电力系统是否发生故障或出现不正常工作情况，而后输出相应的信号至逻辑元件;逻辑元件的作用是根据测量元件送来的信号进行逻辑判断，以决定保护是动作还是不动作，瞬时动作还是延时动作;执行元件的作用是根据逻辑元件的判断，执行保护的任务，跳闸或发信号。继电保护装置随着电力系统生产的发展由最初的机电型、整流型发展到晶体管型;而后随着微电子学的飞速发展及大规模集成电路的生产，使分立元件的晶体
11、管保护逐渐为集成电路保护代替，成为第二代静态型保护装置，也是目前广泛采用的模拟式保护装置。近三十年来，数字式电子计算机技术发展很快，计算机的应用己经广泛而深入地影响着科学技术、生产和生活的各个领域，继电保护技术的发展也不例外10。早期的计算机保护受到计算机硬件的制造水平和经济实用性的限制，研究工作多以小型计算机为基础;到了70年代末期，随着计算机本身的重大突破、大规模集成电路技术的飞速发展，微型处理机和微型计算机进入了实用阶段，而且价格大幅度下降，可靠性又大为提高，这一切都极大程度地推动着计算机继电保护的发展。自1997年日本人首次投运以微处理器为基础的继电保护装置以来，微机保护己经走过二十个
12、春秋。与传统模拟型的继电保护装置相比，传统保护中诸如动作速度慢，选择性弱，自动更改定值困难之类的问题在微机保护中已基本不存在。微机保护由于微机自身有很强的记忆功能和运算能力，并可实时跟踪计算系统运行方式的变化，从而提高了保护装置的自适应能力，同时微机保护可以实现自我监视与监测，大大提高了装置的安全性，也使得维护和操作更为简便。随着我国近年来微机保护研究开发工作的飞速发展，同时随着微机保护装置在保护算法，理论方面的发展以及硬件装置的日趋成熟，微机保护的发展前景十分诱人10。1.2 变压器保护的要求及特点1.2.1变压器保护的要求现代大型变压器的特点是容量人，电压等级高，而且价格昂贵和修理困难。大
13、型变压器在电力系统中的地位非常重要，一旦发生故障，影响范围很大。为保证系统和变压器安全运行，减少事故损失，对变压器继电保护提出了更苛刻的要求：1.提高灵敏度:要求差动保护能灵敏动作于瞬间短路故障，同时亦要求灵敏动作于内部高电阻接地故障。2.保持高速度:对于接于超高压远距离输电线路的变压器，当发生内部故障时，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.有效的对付过励磁:大型变压器的工作磁通密度常取得较高，短时过压或频率降低，励磁电流会激增。一方面要求此时差动保护不能误动作，另一方面为防止变压器流过很大的励磁电流而发热烧损，
14、需要装置满足过励磁倍数要求和具有反时限制性，并能计算过热累积效应的过励磁保护。另外，对于三绕组变压器，以及今年出现的变压器双开关接线所引起的多侧差动问题，以及原来遗留的CT. PT断线问题等，也需要予以考虑。1.2.2 计算机变压器保护的特点计算机技术具有的记忆功能和优越的信息处理功能，以及在结构上的特点，提供了比常规保护更有效处理手段，表现在以下几个方面5:1、差动保护中可将CT二次侧电流直接改为数字差。由于CT副边不再并接在一起，可进一步减小因不匹配及特性不同而引起的环境所造成的不平衡电流增大，对于多侧差动的情况，比起采用平衡线圈更为合理和有效。2、变压器各侧绕组中因联接组关系而引起的电流
15、相位移可由CT副边Y-变换改变为数字计算补偿。3、可应用更多复杂的原理来改善励磁涌流鉴别能力。提出各种磁制动及图象识别方法来鉴别励磁涌流的原理，这需要更复杂的数学运算和逻辑处理，若用传统接线来实现是不可能的。4、可通过采用灵活的算法，同时获得高速度和高灵敏度。计算机差动保护除可继续沿用传统的差动速断和低电压加速措施外，还可通过长短数据窗算法的配合，提高严重故障时的动作灵敏度。5、采用运算和逻辑处理实现CR和PT断线的报警和闭锁。1.2.3 变压器保护原理的分析电力变压器是电力系统中十分重要的供电设备，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。针对变压器内部故障，目前普遍采用差动保护
16、和瓦斯保护。差动保护有着悠久的历史，积累了丰富的经验。差动保护需要解决的一个突出问题，就是要能够可靠地躲过励磁涌流；同时又能正确反映各种区内短路，保证差动保护可靠动作。当变压器空载投入(差动区内无故障)或差动区外故障切除后的恢复时间，均会产生励磁涌流，变压器的励磁涌流一般是额定电流的6-10倍，一般小容量的变压器有较大的倍数，大容量变压器涌流倍数相对较小。变压器正常的励磁电流是很小的，一般约为3-5%，现代大型变压器采用冷轧硅钢片后，其励磁涌流则更小，约为1%左右11。一般而言，采用以下方法可以防止变压器差动保护励磁涌流而引起误动作：一、利用涌流中的非周期分量；二、利用涌流中的二次谐波分量；三
17、、利用励磁涌流波形具有明显的间断角特征；四、利用励磁涌流波形微分后的前半周和后半周的不对称的特征；五、利用神经网络控制模式识别。利用涌流中的非周期分量对差动保护进行制动，即在常规保护中采用带速饱和变流器的差动保护，但由于变压器内部短路电流中含有非周期分量，而造成保护动作延缓。目前实际应用的微机变压器保护具体可分为以下三个原理的差动保护:1、二次谐波制动原理的差动保护：普遍采用二次谐波制动的比例差动保护，利用变压器励磁涌流中的二次谐波分量来实现制动，由于三相电力变压器剩磁的离散性，三相合闸角的不同以及Y-变换的原因使得变压器产生涌流时，会有某一相的二次谐波含量很小。为了解决这一问题，都采用或门制
18、动方式，即三相电流中有一相制动，则对三相全部制动。这样虽解决了涌流时的误动问题，但当变压器涌流时，发生单相或两相内部故障，差动保护因涌流制动而不动作。大型变压器时间常数都很长，一般涌流振荡过程超过一定次数，在发生上述故障时主保护等到振荡消失才能输出，实际就是拒动。二次谐波原理变压器差动保护，当合闸或切除外部故障电压恢复时，发生变压器内部单相故障或匝间故障会拒动；随着电网电压等级的提高和系统规模的扩大以及变压器单台容量的增大，大型变压器内部严重故障时，由于暂态过程使短路电流过程中的二次谐波含量明显增大，有可能使二次谐波制动，引起差动保护延时动作；变压器端部接长线路或静补电容串联电抗后接入系统，变
19、压器内部故障时，暂态电流的频率可能接近二次谐波，同样有可能使二次谐波制动，引起保护延时动作。2、间段角原理差动保护：国内尚未有比较成熟的间段角原理的比例差动保护，该原理是利用励磁涌流波形具有明显的间断角特征进行判别，装置对硬件要求较高，实现方法较困难。CT饱和时，间断角中将产生反向电流，使得间断角消失，小电流情况下电流中的谐波含量以及频率的变化对间断角的测量影响较大，因此在系统振荡时可能误动。3、波形对称原理差动保护：波形对称原理的比例差动保护在国内刚刚起步，利用微分后差流的前半波和后半波作对称比较，来将变压器在空栽合闸时产生的励磁涌流和故障电流区分开，由于投入运行装置不多，目前尚未有成熟的运
20、行经验。最近，国内外开始研究用于变压器运行状态识别的神经网络模型，但仍停留在理论阶段。1.3 本论文研究的主要内容目前已开发并投入运行的电力变压器微机保护装置多适用于110KV、220kV及500kV等高压等级，本课题从装置上说，是要以Intel公司的高性能16位微处理器8OC196KC为核心，研制出适用于110kV电力变压器的微机保护装置，并研究该装置的各种性能;同时，本课题在理论上，要针对变压器故障类型多、问题复杂的特点，在现有的变压器微机保护理论和实践水平基础上，联系本课题的特点，在算法以及保护原理上进行一些突破性的研究，具体工作如下:一、针对电力变压器实际运行中可能发生的各种类型的故障
21、和不正常运行情况对 电力变压器的各种保护原理进行了研究分析，制定了具体的保护方案。三、在吸取以往各类微机保护优点的基础上，对电力变压器的微机保护装置进行了全面的硬件系统设计。包括以Intel公司的高性能16位单片机8OC196KC为核心的主模块、输入/输出模块和相应的外围模块。四、根据电力变压器装置的功能要求，编制并调试了软件系统:包括变压器主保护和各功能模块。2. 微机保护及变压器微机保护特点2.1.1 微机保护特点微机保护与常规保护相比具有以下特点。(1) 常规保护是布线逻辑的，保护的功能完全依赖于硬件，而微机保护装置则除硬件外，还必须具备相应的软件，因此微机保护可以实现智能化。(2) 常
22、规保护的完好性是依赖于定期检验时发现的，在正常运行时保护装置的隐患不能及时发现，一旦系统发生故障，将产生严重的后果，而微机保护装置可利用程序对其硬件进行在线自检，一旦发现问题，可立即报警。对于软件的异常及干扰的影响，可自动识别并排除。因而，与常规保护相比，微机保护装置的可靠性大大提高了。(3) 常规保护装置的功能单一，仅仅是保护功能，而微机保护装置除了能够做到与常规保护完全相同的功能外，还可以提供一些附加功能，例如距离保护的故障类型判别，故障测眨，故障录波，事件记录，零序电流方向保护的开口三角电压的极性判断。电压互感器的二次是否发生断线等信息。(4) 与常规保护相比，微机保护具有调试维护方便的
23、特点。例如，晶体管型集成电路型距离保护、高频保护由于其构成复杂，调试工作员很大，而微机型保护装置由于具备友好的人机界面，依靠软件可在较短的时间内完成调试工作，特别是某些保护具有专用的调试仪器，除交流变换器部分，可自动对保护的功能进行快速检查。(5) 微机保护具有完善的网络通信功能，可适应无人值守或少人值守的自动化变电站。(6) 利用微机的智能特点，可以采用一些新原理，解决一些常规保护难以解决的问题。例如，采用模糊识别原理或波形对称原理识别判断励磁涌流，利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障，采用自适应原理改善保护的性能等。(7) 对于同一类型的保护对象，微机保护装置可采用相同的硬件结构，不同
24、的保护功能体现在软件上，缩短了新产品的研制和开发周期。(8) 微机保护装置本身消耗功率低，降低了对电流互感器和电压互感器的要求。另外，正在研究的数字式电压、电流传感器更便于与微机保护实现接口。2.1.2 变压器微机保护的特点研究变压器保护，首先就要分析变压器可能发生的故障和异常情况。电力变压器本体一般没有旋转设备，运行起来比较可靠，故障机会较少;但是变压器是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境条件的影响较大。另外，变压器时刻受到外接负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大。因此，变压器在实际运行中有可能发生各种类型的故障和不正常运行情况。变压器的故障可分为内部故障
25、和外部故障两种。内部故障系指变压器油箱里面发生的各种故障，主要故障类型有:各相绕组之间发生的相间短路、单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路、单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障等。内部故障危害性很大，发生时应立即将变压器切除。变压器的外部故障，系指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，主要故障类型有:绝缘套管闪络或破碎而发生的单相接地(通过外壳)短路、引出线之间发生的相间故障等。发生这类故障时一般也应迅速切除变压器，以尽量减少或消除短路电流造成的危害。变压器的不正常运行情况主要包括:由于外部短路或过负荷而引起的过电流、油箱漏油而造成的油面降低、变压器中性点电压升高或由于外电压过高而引
26、起的过励磁等。针对上述变压器的各种故障和不正常运行情况，根据继电保护和自动装置设计技术规程的规定，变压器继电保护装置一般应具有如下保护功能:防御变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护；防御变压器绕组和引出线多相短路、单相接地短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护；防御压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护(电流速断保护)后备的过电流保护(或复合电压起动的过电流保护、或负序过电流保护)；防御大接地电流系统中变压器外部接地短路的零序电流保护；防御变压器对称过负荷的过负荷保护；防御变压器过励磁的过励磁保护。在上述变压器各种保护中，作为变压器主保护的(纵联)差动保护是变压器保护装置的
27、关键，而差动保护中的一个关键问题就是励磁涌流判别问题。变压器在正常运行情况下的励磁电流很小，当空载变压器投入电网或变压器外部故障切除后电压恢复时，励磁电流大大增加，其值有可能达到变压器额定电流的6-8倍，该电流称为励磁涌流。由于励磁涌流在数值上可与变压器内部故障时的短路电流相比拟，因此容易造成继电保护装置误动作;所以变压器差动保护需要解决的一个突出问题就是要能够可靠地躲过励磁涌流，同时对短路电流又能正确反应，使差动保护可靠动作。这是变压器微机保护面临的首要问题，针对该问题提出的各种区分励磁涌流与内部故障的判别原理的研究和分析也是当前变压器微机保护相关问题的研究重点。此外，CT断线判别原理也是变
28、压器微机保护提出的一个新课题。变压器微机差动保护为了提高灵敏度，其差动门槛一般整定值较低，因此运行中如发生CT断线，势必引起差动误动，因此关于CT断线的判别原理也是变压器差动保护需要解决的一个问题6。1. 关于变压器微机保护装置差动保护涌流判别原理的比较和分析在变压器差动保护中，励磁涌流判别是一个关键问题。用于区分励磁涌流与内部故障的原理主要有二次谐波判别原理、间断角判别原理、磁通量判别原理和波形对称原理。下面分别就其原理、优缺点进行分析:1) 二次谐波判别原理主要是应用励磁涌流中含有较大的二次谐波含量来构成的，无论双绕组或三绕组电力变压器的励磁涌流中，均含有较大成分的二次谐波分量(约30%-
29、70%)12，但在变压器内部故障或外部故障的短路电流中，二次谐波分量所占比例较小。因此，可利用上述特点构成二次谐波制动的差动保护 ， 使之有效地躲过励磁涌流的影响。但该原理存在着如下缺陷: 这种采用二次谐波制动的差动保护都是采用或门制动，即三相电流中有一相判断为 涌流制动时即对三相全部制动。在空载投入变压器、或外部故障切除后电压恢复时，如果变压器某相发生匝间短路故障，健全相的励磁涌流产生的二次涌流将制动保护，使保护延时动作或拒动； 随着电网电压等级的提高和系统规模的扩大以及变压器单机容量的增大，大型变压器内部严重故障时，由于谐振使短路电流中的二次谐波含量明显增大，有可能使二次谐波制动，引起差动
30、保护延时动作； 变压器端部接长线或静补电容串联电抗器后接入系统，变压器内部故障时，暂态自由电流的频率可能接近二次谐波，同样有可能使二次谐波制动，引起差动保护延时动作。2) 国内比较成熟的间断角判别原理主要是利用励磁涌流波形具有明显的间断角特征进行判别的，对硬件要求较高。变压器内部故障时，非周期分量电流迅速衰减后，流入差动保护回路的是周期电流。当变压器出现励磁涌流的起始阶段 ，涌流波形偏于时间轴一侧，且相邻波形间出现间断角。根据上述特点即可构成间断角判别原理的差动保护。但该原理存在着如下缺陷: 当CT饱和时，间断角中将产生反向电流，饱和越严重，间断角中的反向电流越大 ，使得间断角消失； 小电流情
31、况下电流中的谐波含量以及频率的变化对间断角的测量影响较大 ，因此 在系统振荡时可能误动。3) 磁通量判别原理，主要是利用磁通量电流特性或者磁通量变化率电流特性来区分内部故障和励磁涌流的。但该原理需要引进电压量且必须知道变压器各侧绕组的漏感(漏抗)，这在实际工作中是困难的。4) 国内刚刚起步的波形对称原理的比率差动保护，利用微分后差流的前半波和后半波 作对称比较，将变压器在空载合闸时产生的励磁涌流和故障电流区分开。 但由于运用该原理的装置投入运行并不多，所以现在尚无成熟的运行经验 。从上述对这几种判别原理的比较和分析可以看出，它们在原理上均不是非常完善；在做动模实验时，在某种条件下均出现过一定程
32、度的误动或拒动。究竟应采用何种原理的主保护，应根据变压器装置本身的特性及其运行条件、运行环境而定。2. 关于变压器微机差动保护CT二次回路断线判别原理的研究CT 断线判别原理是微机变压器保护提出的新课题。为了不至于因CT二次回路断线引起变压器保护误动，必须设置相应的CT二次回路断线闭锁功能。目前CT断线判别原理主要有相电流判别、负序电流判别和零序电流判别原理。相电流判别原理，主要是将CT断线分为Y型侧断线和侧断线，根据断点在CT的不同位置时的相电流的变化来判别；负序电流判别原理，主要依据断线侧有负序电流，而非断线侧无负序电流的方法来判别11。该原理在变压器空投内部故障时正好满足，因此可能将内部
33、故障误判为CT断线而拒动，故必须增加其它判据:零序电流判别原理，主要依据三相电流之和同零序电流的关系，如果CT断线的话，那么该关系就会遭到破坏。该原理涉及到变压器一侧CT和零序CT，如为自祸变则涉及到变压器二侧CT和零序CT，所以当变压器发生故障，各CT饱和程度不一样时，该原理所依据的方法就不成立，因此也有可能产生误判而拒动，此外零序CT断线时也会拒动。据此，零序电流判据也必须增加其它判据。因此从可靠性的角度分析，一般采用相电流判别原理。另外 ，CT接线问题也是一个比较值得注意的问题。常规的变压器差动保护为了保证Y/接法变压器差流的平衡，一般将Y侧CT接成型，而将侧CT接成Y型。Y型接法CT断
34、线的判断比较简单，而型接法CT断线的类型较多，有的难以与故障区别开，使判断十分复杂。使用微机实现变压器保护后，CT的Y-变换完全可以用软件实现，而且这有利于CT断线的判别和现场接线。因此在本论文中采用了两侧CT均接成Y型的CT接线方式，Y/的变换由数学运算完成;由于Y/变换的数学运算量很小，而且这种接法又具有现场接线简单、又可优化故障时的电流分布的特点，因此可进一步提高CT断线判断的可靠性。3 论文最终方案的确立3 .1 变压器微机保护的特点及其现状目前国内外生产变压器微机保护的厂家很多，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
35、主导，以波形对称原理为补充的格局正在形成。国内外微机保护装置主要分为下述两类:1. 变压器微机保护装置同时实现变压器的主保护和后备保护由于此类装置最多只有3组电流模拟量入口，因此会受到电力系统接线清况的限制，此外，该类保护装置对于主保护和后备保护采用同一组CT，一旦CT出问题，主保护和后备保护均不能正确动作。2. 只实现变压器的主保护，同时采用独立的变压器后备保护目前国内外大部分的变压器保护装置均采用此种方式。这类变压器微机保护装置国外以德国西门子公司的微机保护为代表，变压器保护型号为7UT512/513型差动保护，其主保护包括差动速断保护，带二次谐波制动特性和防止变压器过饱和的5次谐波制动特
36、性的比率差动保护及零序差动、CT二次断线检测，同时还带有轻、重瓦斯保护及外部信号接点;西门子公司没有为变压器保护提供相对独立的后备保护装置，只是用一些电流型保护装置作为其后备保护，如7SJ511、7SJ512型过流保护；7TU99型过压欠压保护。另外，国外其它一些公司的保护装置如英国GEC公司的KBCH120、130、140型差动保护装置以及ABB公司的变压器保护，其原理及功能与西门子保护装置相似。这类变压器微机保护装置国内生产厂家以南京电力自动化设备总厂、电力自动化研究院、北京四方公司、许昌继电器厂为代表，其功能相似10。主保护包括差动速断保护、带二次谐波制动特性或间断角原理和防止变压器过饱
37、和的5次谐波制动特性的比率差动保护及零序、CT二次断线检测。3.2 变压器微机保护方案的确定本论文是根据110kV电压等级配电系统的特点，结合上述电力变压器微机保护的特点而研制的新型微机保护装置，与以往保护相比，本保护在原理和算法上有新的突破，在一定程度上解决了变压器保护整定困难、动作选择性差的问题。本保护主要有以下特点:CPU采用Intel高性能16位单片机80C196KC，主频可达16MHz15，运算速度快，处理能力强；采用了内部含采样保持器的高速、8通道、14位的数据采集系统芯片MAX125；差动保护原理成熟可靠，灵敏度高，功能完善;通过软件实现变压器各侧差动CT的平衡调节、CT全Y型接
38、入；开关量保护以中间继电器转接的方式实现出口跳闸及发信，工作可靠；3.2.1保护功能配置方案主保护方案:差动速断电流保护 二次谐波制动的比率差动保护 差动CT二次断线闭锁判据本体瓦斯保护 变压器油温保护 以上各种保护可根据变压器在系统中的不同位置、接线情况与相邻保护的配合的要求来具体选用。4 微机变压器保护装置硬件设计4.1 总体框图硬件部分主要包括数据采集单元、微机主控单元、开关量(数字量)输入/输出单元、人机接口单元和通信接口单元。图2-1示出了硬件系统的总体框图。图2 - 1 微机保护硬件系统总体框图4.2.1 数据采集单元数据采集单元是将从被保护元件的电流互感器、电压互感器或其它变换器
39、上取得的二次模拟电量，变换成微机主控单元能够处理的数字量。图2 - 2表示了常用的数据采集单元的框图。与一般的晶体管保护类似，计算机保护也是一个对电磁干扰很敏感的设备。为了防止来自电流、电压输入回路的干扰，在引入CT和PT的电流、电压时，在CT和PT二次侧装设起隔离、变换的变换器，它除了起屏蔽作用外，还将输入的电流、电压的最大值变换成微机设备所允许的最大电压值(例如15V):同时应在变换器两端跨接电容，以吸收随导线而来的干扰。为使采样后的离散信号可以不失真地还原为输入信号，根据采样定理，模拟量在采样前，应采用低通滤波器滤掉/2 (为采样频率)以上的高频分量，以防止频谱混叠现象的发生。图2 -
40、2 数据采集单元框图微机主控单元的基本功能是进行数值及逻辑运算，为此就必须将输入的模拟量转变成数字量，这就需经过“采样/保持电路”及“模/数(A/D)转换”两个环节，即将模拟量在时间上离散化和在量值上离散化。其中，采样保持电路将在采样时刻上所得到的模拟量的瞬时幅度记录下来，并按A/D转换过程的需要保持其值不变，同时还可保证各通道同步采样，使各模拟量的相位关系在采样前后保持不变;出于减少A/D转换器的数量、降低成本的需要，全部通道合用一个A/D转换器，同时采样，依次A/D转换，这就需要多路转换开关将各采样保持环节中的模拟信号分时地接通A/D转换器的输入端，轮流进行A/D转换;最后得到微机所需的数
41、字量。A/D 转换器的种类很多，按工作原理可分为逐次逼近型、计数器型和积分型等;微机保护装置中通常采用逐次逼近的A/D转换器，以提高A/D转换的速度和精度。4.2.2 模拟输入量的采集模拟输入量的采集本设计构思如下图，用了10个互感器分别采集电压、电流，中性点的信号13。4.2.3 前置模拟低通滤波器采样过程总是在一定的采样频率下进行的，为了满足采样定理，必须限定输入信号的最高频率、也就是给输入信号一定的带宽。前置模拟低通滤波器的日的也在于此。在微机继电保护装中，采样频率fs受到数据处理和相应的硬件设备自检程序的限制。采样频率越高，采样周期就越短。而数据处理和相应的设备自检程序必须在一个采样周
42、期内完成，否则将造成采样数据的积压。因此，采样频率的过高将造成数据处理等程序执行的时间太短，难以在一个采样周期内完成。所以必须对采样频率的最高选值有一定的限制。在电力系统发生故障时，故障电压和电流信号中含有一定的高次谐波分量，而这些较高频率的高次谐波分量并不都是继电保护原理所要求获取的反映系统故障的主要特征量，如不加以滤除，将要求采样频率过高。因此，为了保证采样过程满足采样定理，必须将频率高于某一频率的信号加以滤除，确保采样数据的质量。具体采取的措施是在各模拟信号的输入通道上，在对各模拟信号采样之前装设模拟低通滤波器。模拟低通滤波器可以分为无源滤波器和有源滤波器两种。在微机继电保护中常采用阻容RC低通滤波器，滤波器的阶数则根据具体的要求来确定。图2-2给出了一个二阶阻容RC低通滤波电路及其频率特性。模拟低通滤波器的幅频特性的最大截止频率，必须根据采样频率fs的取值来确定。例如当采样频率是600Hz时，要求必须虑除输入信号中频率大于300Hz以上的高频分最。 图2-2：二阶阻容RC低通滤波电路及其频率特性4.2.4 采样系统80C196KC与MAX125的接口1) 80C196KC与MAX125数据接口以16位方式连接，见图4 - 5。为了保证采样得到的所需的电压和电流，为此电路中使用了2片MAX125。MAX125都工作于
