基于DSP的电力变压器微机保护系统初步设计 毕业设计
基于DSP的电力变压器微机保护系统初步设计
摘要
电力变压器是电力系统中的重要电气设备，它在电力系统的发电、输电、配电等各个环节广泛使用，因而其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定的工作。因此必须根据变压器的容量和重要程度并考虑到可能发生的各种类型的故障和不正常工作的情况，而装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。而微机继电保护装置由于软件设计的灵活性可实现各种故障的判断，得到普遍应用。
本文在总结了变压器微机保护原理应用基础上，设计了一个基于 DSP 的变压器微机差动保护装置。首先介绍了硬件设计用到的各芯片的特性；然后具体说明了硬件的系统设计，主要分三部分：一是数据采集处理模块，二是人机接口模块，三是数据采集处理模块与人机接口模块的通信设计；其次在软件方面，讲述了各功能模块的软件设计流程，主要包括主循环程序、中断子程序以及故障处理程序；最后简单叙述了差分滤波器的设计，故障类型的判别和微机保护的算法。
关键词：变压器差动保护DSP 差分滤波器傅氏算法
The Preliminary Design of Microcomputer Protection System of
Power Transformer Based on DSP
Abstract
Power transformers are important facilities in power system. They are used in electricity generat ing distribution and other aspects of power system. Their safety running determines whether the wh ole power system can operate steadily and continuously. So high-performance and secure relay prote ction sets are needed for power transformers. Especially microcomputer relay protection sets, with s oftware’s agility, find a wide application in protection of power transformers.
In this paper, a microcomputer relay set for power transformer is designed under summarizing t he protection theory. Firstly the paper introduces the features of all kind of chips used in hardware d esign，and then specifies the system design of the hardware, it contains three parts: Firstly, Data Acq uisition Processing Module, and second, Human-computer Interface Module and the third is the com munication design of Data Acquisition Processing Module and Human-computer Interface Modul e secondly, on the software side, describing the process of software design of various functional mo dules ,mainly includes the main loop procedure, the interrupt routine and fault handling procedure s; Finally briefly describes the design of the differential filter, the discrimination of fault types and th e algorithms of Microcomputer Protection.
Keywords: transformer differential protection DSP differential filter Fourier algorithm
目录
一、绪论 (1)
（一）国内外变压器微机保护的发展 (1)
（二）DSP技术在微机保护中应用的意义 (1)
（三）本文的研究内容 (2)
二、变压器保护的基本原理 (2)
（一）变压器的故障类型和不正常运行状态 (2)
（二）变压器应装设的保护类型 (3)
（三）变压器的差动保护 (4)
（四）小结.................................................. 错误！未定义书签。
三、保护装置的硬件设计...................................... 错误！未定义书签。（一）芯片的选择. (6)
1.DSP的选择 (6)
2.A/D转换器的选择 (6)
3.外扩存储器的选择 (7)
（二）数据采集模块的设计 (7)
1.电压、电流变换器 (7)
2.模拟低通滤波器 (8)
3.采样保持电路 (8)
4.多路转换开关 (9)
5.利用AD7874芯片构成的数据采集系统 (9)
（三）开关量输入输出电路 (10)
1.开关量输入电路 (10)
2.开关量输出电路 (10)
（四）人机接口部分硬件的设计 (11)
1.键盘电路 (11)
2.液晶显示电路 (12)
（五）数据采集处理模块与人机接口模块的通信设计 (12)
（六）小结 (12)
四、保护装置的软件设计 (13)
（一）主程序 (13)
（二）定时采样中断子程序 (14)
（三）故障处理程序 (15)
（四）小结 (16)
五、差分滤波器的设计与故障类型的判别 (16)
（一）数字滤波器的简述 (16)
（二）差分滤波器的设计 (17)
（三）故障类型的判别 (18)
（四）小结 (22)
六、微机保护的算法的研究 (23)
（一）正弦函数模型的算法 (23)
（二）随机函数模型的算法 (24)
（三）周期函数模型的算法 (25)
1.全波傅立叶算法........................................ 2错误！未定义书签。
2.半波傅立叶算法 (27)
（四）小结 (27)
结论 (27)
参考文献 (28)
一、绪论
（一）国内外变压器微机保护的发展
现代大中型变压器的特点是容量大、电压等级高，而且价格昂贵和维修困难。大中型变压器在电力系统中的地位非常重要，它的安全运行直接关系到电力系统的稳定运行，一旦电力变压器因故障而损坏时，造成的损失将会非常大，对系统的正常运行将会带来严重的影响。因此，对变压器继电保护的要求更为苛刻，继电保护工作者必须根据电力变压器的故障和异常工作情况的特点，并结合其容量和重要程度，装设动作可靠、性能良好的继电保护装置。
微机保护指的是以数字式计算机为基础，通过相应的软件程序来实现各种复杂功能的继电保护装置。它起源于20世纪60年代，早期发表的关于微机保护的研究报告，如澳大利亚新南威尔士大学的I．F．Morrison预测了输电线路和变电所采用计算机控制的前景，包括计算机用来作为继电保护的前景，揭示了它的巨大潜力，引起了世界各地继电保护工作者的兴趣。而在70年代中期，微机保护的工作主要是做理论探索，也有个别部门做了一些现场试验，如美国西屋公司的G D．Rockefeller等对具体保护装置进行了研制，并发表了该装置的试运行样机的原理、结构与现场运行结果。但是限于计算机硬件的制造水平及价格问题，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际的应用，但为后来的继电保护发展奠定了基础。到70年代末期，计算机技术、大规模集成电路技术的飞速发展，极大的增强了微型计算机的功能。80年代，美国电气和电子工程师学会的教育委员会组织过一次世界性的计算机继电保护研究班，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，世界各大继电器制造商都先后推出了商业性的微机保护装置，微机保护逐渐趋于实用。
我国微机保护研究起步较晚。直到70年代末期，才开始从事这方面的研究和探索。起初是由华北电力大学、华中理工大学、西安交通大学、天津大学等高等院校和南京自动化研究所的继电保护科研人员在吸收国外先进研究成果的基础上研制了不同原理、不同形式的微机保护装置。1984年由华北电力大学杨奇逊教授研制的第一代微机型高压输电线路继电保护装置投入现场运行,揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的发展开辟了道路。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从20世纪90年代开始继电保护已进入微机保护的时代。
（二）DSP技术在微机保护中应用的意义
随着计算机硬件的迅速发展，微机保护硬件也在不断发展。微机保护的硬件已由第一代单CPU硬件结构和第二代多单片机的多CPU硬件结构发展到以高性能单片机结构的第三代硬件结构，其具有总线不需引出芯片，电路简单的特点，抗干扰的性能进一步加强，并且完善
了通信功能，为实现变电站自动化提供了方便。近年来，数字信号处理(Digital Signal Process or，DSP)技术开始广泛应用于微机保护领域。DSP与目前通用的CPLD不同，是一种为了达到快速数学运算而具有特殊结构的微处理器。DSP的突出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大。将数字信号处理应用于微机继电保护，极大地缩短了数字滤波、滤序和傅立叶变换算法的计算时间，可以完成数据采集、信号处理的功能和传统的继电保护功能。
（三）本文的研究内容
课题内容主要包括总体方案设计、硬件设计与选型、保护方案硬件以及软件的设计等方面。论文的具体章节安排如下：
（1）分析了国内外变压器在微机保护方面的发展以及DSP在微机保护中应用的意义；
（2）介绍了变压器的故障类型和相应保护的基本原理；
（3）设计基于 DSP 的变压器差动保护装置的硬件电路；主要是数据采集模块的设计、人机接口部分硬件设计和数据采集模块与人机接口模块的通信设计；
（4）讲述了保护装置的软件设计，主要包含了主程序、定时采样中断程序以及故障处理程序的流程设计；
（5）简单地介绍了差分滤波器的设计以及故障类型的判别方法；第六章对微机保护的算法进行了简要的介绍。
二、变压器保护的基本原理
电力变压器是电力系统中大量使用的重要电气设备，它在电力系统的发电、输电、配电等各个环节广泛使用。因而其安全运行与否是整个电力系统能否连续稳定工作的关键，是电力系统可靠工作的必要条件。对于输电线路和发电机来说，变压器的故障是比较少的，因为它无旋转部件，结构简单，运行可靠性高。但在实际运行中仍然会发生故障和不正常的工作状态。电力变压器本身造价十分昂贵，同时一旦因故障而遭到破坏，其检修难度大，检修时间长。因此必须根据变压器的容量和重要程度并考虑到可能发生的各种类型的故障和不正常工作的情况而装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。
（一）变压器的故障类型和不正常运行状态
变压器的内部故障可以分油箱内部和油箱外部故障两种。油箱内部的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的绕损等,。油箱外的故障,主要是绝缘套管和引出线上发生相间短路和接地短路。
变压器的不正常运行状态主要有:由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因引起的油面降低。对大容量的变压器，在过电压或低频率等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障。这些不正常地工作方式将使变压器绕组温度升高，绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至引起变压器内部故障，因此也必须采取措施加以消除。
（二）变压器应装设的保护类型
针对电力变压器的上述故障类型及不正常运行状态,应对变压器装设相应的继电保护装置。
（1）瓦斯保护
对于变压器油箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作，同时也能反映绕组的开焊故障。
（2）纵联差动保护或电流速断保护
为反应变压器绕组和引出线的相间短路故障、中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路故障以及绕组匝间短路故障，应装设纵联差动保护或电流速断保护。保护动作后，跳开变压器各电源侧的断路器。
（3）反映外部相间短路的后备保护
动作于变压器的外部故障和作为主保护的后备保护，根据变压器的容量和应用情况，可分别采用过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流及单相电力系统变压器微机保护的研究式低电压起动的过电流保护、阻抗保护。
（4）反映外部接地短路的接地保护
对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流时，应装设零序电流保护。当电力网中部分变压器中性点接地运行，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过电压保护，中性点装放电间隙加零序电流保护等。
（5）过负荷保护
对0．4MV A以上的变压器，当数台并列运行，或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。过负荷保护接于一相电流上，并延时作用于信号。
（6）过励磁保护
高压侧电压为500kV及以上的变压器，对频率降低和电压升高而引起的变压器励磁电流的升高，应装设过励磁保护。
本文主要研究变压器的差动保护。差动保护是变压器的主保护，反映变压器绕组和引出线的相间短路、中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路。
（三）变压器的差动保护
变压器必须装设单独的变压器差动保护。三相变压器差动保护为三侧电流差动，即高压侧电流引自高压断路器处的电流互感器。而中低压侧电流分别引自变压器中压侧电流互感器和低压侧电流互感器。差动保护范围为三组电流互感器所限定的区域(即变压器本体、高压侧的引线以及中低压侧的引线)，可以反映在这些区域内相间短路、高压侧接地短路以及主变绕组匝间短路故障。因此，变压器差动保护是最重要的保护之一。下面简单介绍了变压器差动保护的基本原理。
变压器纵差保护与线路、发电机的纵差保护原理相同，但由于变压器在结构和运行上具有一些特点，下面以双绕阻降低变压器的单相原理接线为例进行分析，如下图2.1所示。
图2.1 变压器纵差保护接线图（a、双绕组b、三绕组）图中变压器两侧装有电流互感器TA1、TA2，电流互感器的一次绕组同名端接于靠近母线的一侧，二次绕组同极性端子相互连接，差动继电器KD跨接在两条连线之间。
（1）正常运行
假设图2.1（a）是单电源供电的情况，此时流过变压器中的是穿越性电流。电流由电源I流向负荷侧II ，在图中，电流互感器二次电流以反方向流过继电器KD的线圈，即KD中的
电流等于&和之差，故该回路称为差回路，整个保护称为差动保护。若电流互感器变比选
得适当，使，则KD中电流，KD不动作。
（2）外部故障时
如图2.1（a）中K1点短路，短路电流由电源I流向负荷侧II，KD中的电流等于￠和之差，
与正常时一样。适当选择电流互感器，也可使KD中电流。亦即正常运行和外部短路时，电流互感器二次侧电流大小相等，方向相反，在继电器中流过电流等于零，因此KD不动作。
（3）保护范围内部短路故障时
所谓保护范围是指各侧电流互感器所包围的电气部分。如故障发生在保护范围内部任一位置，
且I、II侧均接有电源，则有电流和同时流向短路点K2，差动继电器中的电流，对应于流向短路点的短路电流的二次值，大于KD动作电流时，KD立即动作，跳开两侧断路器QF1和QF2，将故障变压器从系统中切除。如果只有母线I有电源，则当保护范围内部故
障时（如K2点），这时流过KD中电流，此时KD仍然正确动作，切除T。
内部故障时，流过KD中的电流一般远大于它的动作值，所以，差动保护的灵敏度很高。
（4）电流互感器变比的选择
由于变压器高低压侧额定电流不同，为了保证变压器差动保护的正确动作，就必须适当选择电流互感器的变比，使得变压器在正常运行和外部故障时，两侧电流互感器二次电流相
等，应有。此式表明和不仅要幅值大小相等，而且要相位相等。为保证幅值大小相等，应有即（变压器变比）可见应选择两侧电流互感器变比使其比值等于变压器变比，这是变压器纵差保护的基本原则，这样，在正常运行和外部故障时，继电器KD不动作。
（四）小结
本章在分析变压器故障和不正常运行状态基础上，简单地介绍了变压器应装设的保护装置，并着重分析了变压器的差动保护的基本原理。
三、保护装置的硬件设计
保护装置系统结构图如图3.1所示。系统采用了DSP芯片进行保护测控的数据处理，保证了高性能实时算法的实现，提高了装置可靠性和整体性能。
图3.1系统结构框图
（一）芯片的选择
1. DSP的选择
DSP芯片也称数字信号处理器，是一种特别适合进行数字信号运算的微处理器，其主要应用于实时快速地实现各种数字信号处理算法，以得到符合工程所需要的信号。
目前，DSP技术发展迅速，尤其是美国TI公司的TMS320系列芯片应用最为广泛，主要应用于电机控制、通信、图象处理等领域。它既有数字信号处理能力，又有强大的事件管理能力和嵌入式功能。本文选用TI公司的TMS320F2812，该芯片的主要特点有：（1）TMS320F2812 DSP采用高性能的静态技术CMOS技术；（2）高性能32位CPU；（3）片上存储器；（4）外部存储器扩展接口；（5）时钟和系统控制；（6）三个外部中断；（7）外设中断扩展模块（PIE）支持45个外设中断 ·串口通信外设（8）12位模数转换模块。
由上述特性可以看出，TMS320F2812芯片在运算处理速度、集成度和功能上都能满足实时性、可靠性。
2. A/D转换器的选择
模数转换的芯片有很多种。按输出数据的格式分有并行和串行之分；并行方式下按输出数字量得位数分有8位，10位，12位，14位和16位的芯片。在微机保护装置中，目前大多数产品均选择并行接口的12位或12位以上的AD芯片。为了满足保护装置对保护精度的要求，采用AD公司的12 位高精度AD转换器AD7874。
图3.2为AD7874内部逻辑电路图。由AD7874芯片的内部结构框图可看出，在芯片上集成了4个采样保持器，多路转换开关，12位的数模转换器，内部时钟，参考电压和控制逻辑电路。
图3.2 AD7874内部逻辑电路图
3.外扩存储器的选择
对于DSP的外部存储器的选择要考虑其存放读取时间与DSP的指令时间相匹配，这样可以提高DSP的实时处理能力，否则就要插入等待周期，影响DSP的实时运算处理效率。这里DSP的外部外扩RAM采用Cypress公司的CY7C1021，它是一款高速6416K′位的Static RAM，采用CMOS制造工艺，+5V供电，存储读取时间只要12ns，完全符合DSP指令读取时间的需要。
CY7C1021的优点：
（1）高速性，最小存取时间为12ns；（2）低功耗，最大功耗312mW ；（3）未被选通时自动进入掉电模式；（4）输入输出与TTL电平兼容。
（二）数据采集模块的设计
在微机保护系统中采用的数据采集系统主要有采用逐次逼近AD式芯片构成的数据采集系统和采用积分型AD芯片构成的数据采集系统（即VFC式数据采集系统）。他们都能实现模拟信号到数字信号的转换，但两种数据采集系统各有特点。本文采用逐次逼近AD芯片构成的数据采集系统。
采用逐次逼近A/D芯片构成的数据采集系统框图如图3.3所示。
图3.3 A/D式数据采集系统框图
1.电压、电流变换器
电压、电流变换器的作用主要有以下几点：
（1）将电压互感器二次的电压、电流互感器二次的电流进一步变换为适合A/D芯片量程的信号。
（2）变换器可起到隔离的作用。有利于防止干扰从二次回路侵入微机系统。 3.在变换器的原、副边可加一屏蔽层。有利于抗干扰。
2.模拟低通滤波器
采样频率的选择是微机保护数据采集系统中硬件设计的重要内容。需要综合考虑多种因素。首先，采样频率的选择必须满足采样定理的要求，即采样频率必须大于原始信号中最高频率的二倍，否则将造成频率混叠现象。其次，采样频率的高限受到CPU的速度、被采集的模拟信号的路数、A/D转换后的数据与存储器的数据传送方式的制约。如果采样频率太高，而被采样的模拟信号又特别多，则在一个采样间隔内难以完成对所有采样信号的处理，就会造成数据的错误。微机系统无法正常工作。
本设计所用采样频率为600Hz，采样点N=12。
在电力系统发生故障时，故障初瞬电压、电流中往往含有频率很高的分量，为了防止频率混叠，必须选择很高的采样频率，这就会对硬件提出相当高的要求，而目前绝大多数微机保护的原理都是基于反映工频信号的，因此为了降低采样频率，可在采样前先用一个模拟低通滤波器将频率高于采样频率一半的信号滤掉。
模拟低通滤波器一般为一阶或二阶的RC阻容滤波器。如图3.4所示。
图3.4 阻容式模拟低通滤波器
当负载RL开路时，一阶RC滤波器的截止频率为：
当滤波器接有负载时，一阶RC滤波器的截止频率为：
其中
3.采样保持电路
采样保持电路的作用一方面是在采样时刻把模拟信号的瞬时值记录下来，另一方面是在A /D转换期间使被采样的信号保持不变。其硬件电路如图3.6所示。
图3.5中，A1，A2，A3为运算放大器，为受控电子开关，Ch为外接的采样保持电容。
图3.5 采样保持电路原理图
目前采用的有些A/D芯片中已将S/H，多路开关和A/D转换功能集成在一个芯片内，例如AD7874芯片，其内部含有4路S/H，多路开关和12位的A/D转换部分。所以用一片AD7 874可实现对4路模拟信号的采集。在一套输电线路保护装置中，可采用2-3片AD7874芯片。
4.多路转换开关
多路转换开关是将多个采样/保持后的信号逐一与A/D芯片接通的控制电路。它一般有多个输入端，一个输出端和几个控制信号端。根据控制端的二进制编码决定哪一个输入端和输出端接通。在有多个采样保持电路而共用一个A/D的系统中必须设有多路开关。
5.利用AD7874芯片构成的数据采集系统
由AD7874构成的数据采集系统如图3.6所示。
图3.6 由AD7874 构成的数据采集系统
从图3.6可以看出，由AD7874构成的数据采集系统包括变换器，低通滤波器，运算放大器AD713和模数转换芯片AD7874。为简化，在图中只画了一路模拟信号，实际的一片AD7 13芯片中有4个完全相同的运算放大器，刚好与AD7874的四路模拟输入对应。AD7874的控制信号包括片选、读、起动转换，分别由译码电路和单片机提供，其中断请求信号接到单片
机的外部中断请求输入端。当4路信号转换完成后向单片机申请中断，在中断服务程序中将转换结果读出并存入采样数据循环存储区的指定单元。
（三）开关量输入输出电路
1.开关量输入电路
微机保护装置中一般应设置几路开关量输入电路。所谓开关量输入电路主要是将外部一些开关接点引入微机保护的电路。通常这些外部接点不能直接引入微机保护装置，而必须经过光电隔离芯片引入。本装置采用光电耦合器作为两者的接口，以减少强点对弱点的干扰。单个通道开关量输入电路原理图如图3.7所示。
图3.7 单个通道开关量输入电路原理图
如图3.7所示，开关量输入为24V信号，R1与C1组成滤波电路滤除输入信号中的干扰信号，保证输入到光耦的信号为较纯净的24V电压信号。稳压管的作用为防止干扰高电压串入对光耦造成击穿性破坏。开关量输入到系统内部前采用了光耦元件进行了隔离，有效的去除了干扰信号对系统可能造成的影响。
2.开关量输出电路
本装置的开关输出量主要包括保护的跳闸出口信号、本地信号和中央信号等，DSP 输出的是 3.3V的低压微电流信号，直接用它来控制断路器动作显然是不可能的，因此需要将这些小信号转换为大功率的输出信号，满足驱动断路器动作的要求。另外，为了防止断路器对微机系统的反馈干扰，输出模块还要设置隔离环节。单个通道开关量输出原理图如图3.8所示。
图3.8单个通道开关量输出原理图
如图3.8所示，DSP 发出输出使能信号和相应的数字输出控制信号，经过光电隔离器后输出到控制端口。只有当输出使能为“1”，数字输出控制位为“0”时，该路开关量输出信号才能对断路器进行控制。
（四）人机接口部分硬件的设计
人机接口模块部分采用单片机W78E51BP实现对键盘、显示以及通信的控制管理。
1.键盘电路
本装置采用简易的小键盘输入，共有 9 个按键，分别是复位键、取消键、确认键、加、减键以及上、下、左、右按键。复位键的功能由硬件实现，当按下此键后，对显示 CPU 和液晶同时发出复位信号，使装置得到复位。其他的按键功能通过软件实现，它们主要用于对显示菜单进行操作。根据中文菜单和提示可以方便地查询实时数据及系统信息，输入保护定值、系统参数，选择保护单元投入/退出。如图3.9所示为键盘接口电路原理图。九个按键分别连到 CPU 的 I/O 口，并且外接上拉电阻来防止误动。
图3.9键盘电路原理图