电力变压器微机继电保护装置设计

电力变压器微机继电保护装置设计
摘要本文设计了一个基于DSP的变压器微机继电保护装置。

为了满足实时反映并处理故障的要求，设计中采用了具有快速处理能力的DSP芯片作为核心CPU，并配置了CAN总线连接口和RS485串行通信口以满足电力系统网络化管理的需要，这些由单片机控制完成。

本文从功能配置，电气量输入，硬件结构，保护算法等方面对变压器保护的方案进行了设计。

关键词：多CPU的结构方式，微机继电保护，DSP
所谓多CPU的结构方式就是在一套微机保护装置中，按功能配置有多个CPU模块，分别完成不同原理的主保护和后备保护及人机接口等功能。

这种多CPU结构方式的保护装置，如有任何一个模块损坏，均不影响其他模块保护的正常工作，有效地提高了装置的容错水平，防止了一般性硬件损坏而闭锁整套保护。

多CPU结构的保护装置还提供了采取三取二保护启动方式，提高了保护装置启动的可靠性。

另外还配置了一块带CPU管理模块，负责对保护（CPU）模块巡检、人机对话、监控系统、通信联络等功能。

多CPU结构中某一种保护的工作原理同单CPU结构的保护基本相同。

多CPU结构的保护装置中，每个保护CPU插件都可以独立工作，各保护之间不存在依赖关系。

保护CPU的完整性和独立性提高了保护的可靠性。

多CPU结构的保护装置，实质上是主从分布式的微机工控系统，人机接口部分是主机，完成集中管理及人机对话的任务。

而单片机保护部分是四个智能从机，它们分别独立完成部分保护任务。

保护装置系统结构图如图1所示，系统采用双CPU结构，分担保护测控和人机界面功能。

采用16位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。

单片机（CPU2）用来处理人机接口问题，实现键盘输入和通信功能；CT 采集变压器各侧的电流值，用于差动保护及零序电流保护各参数的计算；PT采集后备保护侧的电压值，用于后备保护中零序电压保护判断参数的计算；系统运行时，通过计算处理CT/PT采集量，结合开关输入量（继电器的状态量）和控制字，作出相应保护判断，驱动相应继电器动并（或）发出报警信号，并记录下保护动作事件，以备故障分析用；人机接口部分的串口RS485和CAN通信口是为了满足变电站自动化系统的需要，可以与其他设备构成一个大型的网络。

为了提高系统的集成度，采用CPLD完成CPU的外围电路设计。

为了满足变压器保护实时性的要求，数据处理部分的CPU采用DSP来完成，这里选用TI公司的TMS320F206。

人机接口模块部分的CPU采用Winbond公司的单片机W78E51BP（带4个中断源，可实现CAN，RS485的接收中断和键盘中断处理），实现对键盘、显示及通信端口的控制。

为了提高DSP处理数据的实时性，不用DSP的片上外设CAN控制器，而改用外置的CAN控制器SJAl000。

为了满足保护装置对保护精度要求，采用AD公司的14位高精度AD转换器AD7865，A本装置选用AD7865-2型号。

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64KX16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。

单片机W78E51BP的外扩存储器采用Winbond公司的W24257，这也是一款高速32KX8位的CMOS静态RAM，采用+5V电压供电，最快存储时间达70ns。

为了提高系统的集成度，减少外部环境的干扰，系统设计时采用CPLD来完成外部逻辑功能。

这里选用Altera公司的CPLD MAX7000E系列的EPM7128EQC100-7来满足CPU的外围电路设计需要。

MAX7000系列器件结构主要由高性能、非常灵活的逻辑阵列模块（通常称为逻辑阵列列块，LAB）互连而成。

每个LAB由16个宏单元阵列组成，多个LAB之间通过可编程连线阵列（PIA）和全局总线连接在一起，全局总线由专用输入、I/O引脚和宏单元反馈给信号。

微机保护装置的交流输入主要是将输入的模拟电流、电压量经过电压形成与低通滤波变换后，全部转换为弱电压信号，供给保护CPU模数转换用；同时经过这些变换，也实现将一次设备的电流互感器CT、电压互感器PT的二次回路与微机保护的模数转换系统强弱电隔离，提高抗干扰能力。

交流电压变换电路图如图2所示。

其中电阻R和电容C构成模拟低通滤波器，起前置滤波作用。

VT1是瞬变电压抑制二极管，又称瞬变电压抑制器，一般简称为TVS管。

当TVS两端经受瞬间高能量冲击时，它能以极高的速度把其两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，吸收一个大电流，从而把它两端的电压钳位在一个预定的数值上，保护后面的电路元件不因瞬态高电压的冲击而损坏。

交流电流变换电路图如图3所示。

R的作用是将CT的二次电流转变为电压量，因为模数转换器所能转换的模拟量要求是电压量；而电容C则起滤波作用。

装置数据采集处理模块主要是完成数据采集、数据处理及保护逻辑判断。

数据采集用三片AD7865分别采集高、低压侧三相电流及保护装置安装侧的三相电压，总共12路采集量，进入AD之前需加硬件滤波功能。

为了保证参数之间的同相位关系，同步采集12路参数，即同时触发三个采样芯片的CONV引脚进行AD转换。

考虑到保护系统计算精度，变压器保护系统采用32点的傅氏算法计算故障电流电压和二次谐波电流，所以在一个工频周期内须采集32次。

因此AD 转换器的采集触发频率为1600HZ （50 X 32），在DSP中的定时中断程序中给出触发信号（通过CPLD扩展的4位控制用I/O口中的CONV发出信号，另外3个控制用扩展I/O口分别用作看门狗喂食，触发装置运行指示灯闪烁，触发AD 采集指示灯闪烁）。

AD转换完成后，EOC信号会变为低电平，将3块AD的EOC 信号相与取非（CPLD中完成）接到DSP的INT3端，产生DSP的硬件中断，引导CPU进入AD读取中断模块。

在AD读取完之后，触发用户自定义中断INT8
（向量地址lOh ），转到保护判断处理模块执行保护逻辑的判断和处理。