CN102403694A - 带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护方法及装置，涉及电力变配电过程中变压器保护的技术领域，包括步骤1)实时检测断路器状态变化；2)对断路器状态作出动态评价；3)实时采集断路器辅助接点位置及电网电压并计算电网电压相位的变化；4)得出抑制励磁涌流的方法，获得期望的合闸相位；5)在获得期望的合闸相位后，计入合闸延时时间的影响得到发出合闸指令的相位Qon_c；6)在电源电压相位到达Qon_c时主控系统发出合闸指令；装置包括插接在背板上的CPU主板、采样板、电源及开入板、逻辑板、显示板等；本发明可使变压器空载合闸励磁涌流降低到额定电流的30％以下，从而全面消除励磁涌流对电网及变压器本身的不良影响。

Description

带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护方法及装置

技术领域

本发明涉及电力变配电过程中变压器保护的技术领域，尤其涉及一种带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护方法及装置。 

背景技术

电力变压器、高压断路器是重要的电力设备，在电网中应用非常广泛。从电网安全稳定及有效保护设备等方面考虑，变压器一般经高压断路器接入高压电网并配置专门的变压器保护装置以实现对变压器本身故障或经变压器供电的范围内出现故障时选择性地自动跳开断路器、隔离故障。变压器正常运行时的励磁电流很小，但由于变压器本身的构造原理决定了，当变压器空载投入电网时，根据合闸相位的不同，会产生不同程度的励磁涌流，最大时能达到变压器额定电流的8-10倍，对电网及变压器本身产生很大的冲击，引起电网电压闪变、继电保护误动，导致变压器遭受过度的电应力冲击、降低变压器的使用寿命。传统应对励磁涌流的方法是被动地通过调高继电保护装置动作定值的方法来进行躲避，近年来虽也出现了一些抑制励磁涌流的措施，但都需要通过额外投资来增加一次或二次设备实现。高压断路器在长期使用后发生的性能降低是电网安全的很大隐患，高压断路器的动作参数从一定程度上可综合反映高压断路器本体及操作机构的整体性能，传统方法只有在初次投入前或停电检修时才能借助专门的测试设备对高压开关的相关参数进行检测，无法做到实时、在线检测及动态诊断。 

发明内容

本发明目的是针对以上不足之处，借助高速数字信号处理技术提出一种带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护方法及装置。 

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护方法，包括以下步骤1)、实时检测断路器状态变化，在线生成断 路器跳闸延时时间、断路器合闸延时时间及断路器累计动作次数等参数；2)、通过对断路器跳闸延时时间、断路器合闸延时时间的历史数据序列的分析对开关状态作出动态评价；3)、实时采集断路器辅助接点位置及电网电压并计算电网电压相位的变化，在线生成断路器实际分闸相位及断路器实际合闸相位；4)、通过对变压器空载合闸励磁涌流产生机理的分析，得出有效抑制励磁涌流的方法，获得期望的断路器合闸相位；5)、在获得期望的断路器合闸相位后，计入断路器合闸延时时间Ton的影响，套用公式X＝Q_{on_i}(K+1)-(Ton mod 20)*18，可以得到发出合闸指令的相位Q_{on_c}，当X＞0时，Q_{on_c}(K+1)＝X，当X＜0时，Q_{on_c}(K+1)＝X+360；6)、通过实时检测电源侧电压相位的变化，在电源电压相位到达Q_{on_c}时主控系统发出断路器合闸指令，经过断路器合闸延时时间Ton后断路器完成合闸过程。 

作为进一步的改进，步骤4)所述的有效抑制励磁涌流的方法为断路器期望合闸相位等于上次断路器的分闸相位。 

带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护装置，包括插接在背板上的CPU主板；采样板，用于采集线路的电量信号，并将所采集到的信号转换成所述CPU主板可接收的信号；电源及开入板，包括电源电路和开关量输入处理电路，所述电源电路用于为所述带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护装置提供电源，所述的开关量输入处理电路用于完成输入开关量的采集和预处理；逻辑板，用于输出开关量的处理；显示板，用于显示、按键检测与按键识别等。 

作为进一步的改进，还包括触发板，用于驱动断路器的跳闸及合闸，所述触发板包括闭锁回路，用于实现跳闸闭锁或合闸闭锁；跳合闸回路，用于断路器的跳闸操作以及断路器的合闸操作；开关位置反馈回路，用于检测断路器的位置。 

作为进一步的改进，CPU主板包括同时与DSP芯片连接的电源芯片，用于为DSP芯片提供工作电源；通讯模块，用于根据不同的通讯协议实现数据的交换；时钟电路，用于完成所述带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护装置的 系统时钟的读取以及校时；EEPROM电路，用于存取所述带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护装置的运行数据和信息；开关量输入处理电路，用于完成对来自所述电源及开入板的开关量的转换和隔离，并将转换后的开关量信号送至DSP芯片；显示处理电路，用于完成对所述显示板控制信号和数据信号的滤波处理；开关量输出处理电路，用于完成对开关量输出信号的驱动、闭锁、光电隔离处理等；模拟量处理电路，为低通滤波器，用于实现对所述采样板输出的模拟量信号的滤波处理；JTAG接口，用于开发人员对DSP芯片进行程序烧写及仿真调试。 

作为进一步的改进，所述采样板包括互感器板，用于采集线路的电压和电流信号，并将采集到的信号输出给信号调理板；信号调理板，用于将所述互感器板采集到的信号调理和放大，并通过所述背板输出给所述CPU主板。 

本发明的有益效果在于：本发明借助高速数字信号处理技术提出一种新型的带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护方法及装置，该装置和方法在实现传统的变压器保护测控装置全部功能基础上进一步实现断路器参数在线监测、变压器空载合闸励磁涌流抑制等功能，从而构成一种涵盖变压器继电保护及综合测控、断路器参数在线监测与诊断、断路器合闸相位精确控制、变压器励磁涌流抑制等功效的高度集成的新型智能化电网装备，用来替代传统的继电保护装置，不需再额外增加任何一次及二次设备。本发明提出的方法及其装置采用高速数字信号处理技术，全面实现变压器继电保护及测控功能，同时实现对断路器、真空接触器等类型高压开关动作参数的在线监测及状态诊断，并在此基础上通过精确控制变压器空载合闸相位，使变压器空载合闸励磁涌流降低到额定电流的30％以下，从而全面消除励磁涌流对电网及变压器本身的不良影响。 

附图说明

图1是本发明的硬件结构图； 

图2是本发明CPU主板的结构框图； 

图3是本发明的主程序流程框图； 

图4是本发明的中断程序流程框图； 

图中：10、互感器板，11、调理板，12、CPU主板，13、电源及开入板，14、逻辑板，15、触发板，16、背板，17、显示板。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。 

一种带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护方法，包括以下步骤1)、实时检测断路器状态变化，在线生成断路器跳闸延时时间、断路器合闸延时时间及断路器累计动作次数等参数；2)、通过对断路器跳闸延时时间、断路器合闸延时时间的历史数据序列的分析对开关状态作出动态评价；3)、实时采集断路器辅助接点位置及电网电压并计算电网电压相位的变化，在线生成断路器实际分闸相位及断路器实际合闸相位；4)、通过对变压器空载合闸励磁涌流产生机理的分析，得出有效抑制励磁涌流的方法，获得期望的断路器合闸相位；5)、在获得期望的断路器合闸相位后，计入断路器合闸延时时间Ton的影响，套用公式X＝Q_{on_i}(K+1)-(Ton mod 20)*18，可以得到发出合闸指令的相位Q_{on_c}，当X＞0时，Q_{on_c}(K+1)＝X，当X＜0时，Q_{on_c}(K+1)＝X+360；6)、通过实时检测电源侧电压相位的变化，在电源电压相位到达Q_{on_c}时主控系统发出断路器合闸指令，经过断路器合闸延时时间Ton后断路器完成合闸过程。 

断路器参数检测及状态诊断： 

断路器跳闸延时时间(Toff)，该方法要求实时、快速采集断路器辅助接点位置，在断路器分闸操作期间，准确记忆从跳闸指令发出时刻到断路器分开时刻的时间差作为断路器本次的跳闸延时时间(Toff)。 

断路器合闸延时时间(Ton)，在断路器合闸操作期间，准确记忆从合闸指令发出时刻到断路器闭合时刻的时间差作为断路器本次的合闸延时时间(Ton)。 

断路器动作总次数(Sz)，断路器每进行一次跳合闸操作，将记忆的断路器动作次数自动增加一次，累计数值为断路器实际的动作次数(Sz)。 

断路器状态诊断方法，本发明实现对断路器每次合闸及跳闸过程中合闸延时时间及跳闸延时时间的实时检测，通过对断路器长时间数据的非等间距数理分析消除每次动作时间参数中随机变动误差的影响，得到断路器跳闸延时及合闸延时缓慢的变化规律，这种变化间接反映了开关机械结构及储能元件的磨损与老化程度，根据以上参数的静态偏移程度可以对断路器当前的状态作出评价，对断路器未来性能变化情况作出预测，为设备检修维护人员全面把握设备工作状况、超前采取检修维护措施以防患于未然提供有力的帮助。 

断路器实际动作相位检测： 

断路器实际分闸相位(θ_{off_r})，该方法要求实时、快速采集断路器辅助接点位置，同时实时采集电网电压并计算电网电压相位的变化；当检测到断路器断开时，瞬时记忆此时的电网电压相位作为最新一次的断路器分闸相位(θ _{off_r})。 

断路器实际合闸相位(θ_{on_r})，该方法要求实时、快速采集断路器辅助接点位置，同时实时采集电网电压并计算电网电压相位的变化；当检测到断路器闭合式时，瞬时记忆此时的电网电压相位作为断路器最新一次的合闸相位(θ_{on_r})。 

变压器空载合闸励磁涌流抑制原理： 

断路器合闸将空载变压器接入电网时，不正确的合闸相位会产生很大的合闸涌流，对断路器实现精确的合闸相位控制具有很大的意义。下面就励磁涌流的产生及抑制原理进行说明。 

根据电工学的基本理论可以知道，在变压器正常运行时励磁电流滞后电压90度，对于大型的电力变压器来讲，正常的励磁电流一般都小于额定电流的1％；下图给出变压器空载合闸时的等效电路图，设合闸初相角为α，下式为回路方程式： 

$N_1\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}+i_m{r}_1=\sqrt{2}{U}_1\sin (\mathrm{wt}+\mathrm{\α})$

经过简单的磁滞回线线性化近似处理可以得到以下方程： 

$\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}+\frac{N_1{r}_1}{L_{\mathrm{AV}}}\mathrm{\φ}=\frac{\sqrt{2}{U}_1}{N_1}\sin (\mathrm{wt}+\mathrm{\α})$

求解此微分方程，可以得出： 

$\mathrm{\φ}=-{\mathrm{\φ}}_m\cos (\mathrm{wt}+\mathrm{\α})+({\mathrm{\φ}}_r+{\mathrm{\φ}}_m\cos \mathrm{\α})e^{-\frac{r_1}{L_{\mathrm{AV}}}t}$ 其中 ${\mathrm{\φ}}_m=\frac{\sqrt{2}{U}_1{L}_{\mathrm{AV}}}{N_1\sqrt{{r_1}^2+{\left({\mathrm{wL}}_{\mathrm{AV}}\right)}^2}}$

由于变压器铁心中的磁通不能突变，在合闸瞬间外加电压产生的磁通与变压器铁心中的剩余磁通不相等时必将产生励磁电流来平衡磁通的突变，过大的磁通差值将导致铁心饱和，引发很大的励磁涌流产生。 

抑制励磁涌流的方法： 

在变压器进入稳态运行后，变压器的磁通链为： 

Φ＝-φ_mcos(ωt+α) 

假设在ts时刻断开断路器，根据上式可以得出变压器的剩余磁通为： 

Φr＝-φ_mcos(ωts+α)＝-φ_mcos(β)式中β＝ωts+α为断路器分闸相位角； 

在变压器下次空载合闸时，假设合闸相位角为α，则变压器合闸瞬间磁通为： 

$\mathrm{\φ}=-{\mathrm{\φ}}_m\cos (\mathrm{wt}+\mathrm{\α})+({\mathrm{\φ}}_r+{\mathrm{\φ}}_m\cos \mathrm{\α})e^{-\frac{r_1}{L_{\mathrm{AV}}}t}$

式中，Φr＝-φ_mcos(β) 

很容易看出，如果控制本次合闸相位角α＝β，即与上次分闸相位角相同，则上式化为： 

Φ＝-φ_mcos(ωt+β) 

通过以上简要分析可以看出，如果能有效检测并控制变压器空载合闸时的合闸相位与上次分断时的分闸相位相同，则变压器合闸后铁心磁通链直接进入稳态，消除了过渡过程，相应地励磁涌流也可被消除。 

断路器合闸相位控制实现方法： 

期望合闸相位角Q_{on_i}，通过上述的分析得出变压器空载合闸励磁涌流抑制的控制要求为断路器期望合闸相位等于上次断路器的分闸相位，即Q_{on_i}(K+1)＝Q_off(K). 

指令合闸相位角Q_{on_c}，在获得期望的断路器合闸相位后，计入断路器合闸延时时间Ton的影响，套用以下公式可以得到发出合闸指令的相位Q_{on_c}. 

暂记X＝Q_{on_i}(K+1)-(Ton mod 20)*18 

式中(Ton mod 20)指Ton与20的取余数运算； 

20为市电的周期； 

18为每个市电周期电网电压转过的相位角度。 

$Q_{\mathrm{ON}\_c}(K+1)=\left[\begin{array}{cc}X& X>0\\ X+360& X<0\end{array}\right.$

断路器合闸控制，通过实时检测电源侧电压相位的变化，在电源电压相位到达Q_{on_c}时主控系统发出断路器合闸指令，经过断路器合闸延时时间Ton后断路器完成合闸过程，在断路器完成合闸的瞬间生成实际的断路器合闸相位Q_{ON_R}(K+1)；比较实际的断路器合闸相位Q_{ON_R}(K+1)与期望合闸相位角Q_{on_i}(K+1)或上次断路器的分闸相位Q_off(K)的误差可以对本次控制结果作出评价。 

本发明提出的带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护方法可适用于不同容量、不同电压等级的电力变压器。 

一种新型的带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护装置，包括插接在背板16上的CPU主板12；采样板，用于采集线路的电量信号，并将所采集到的信号转换成所述CPU主板12可接收的信号；电源及开入板13，用于为所述带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护装置提供电源以及输入开关量的采集和预处理；逻辑板14，用于输出开关量的处理；显示板17，用于显示、按键检测与按键识别等。采用TI公司的DSP(高速数字信号处理器)TMS320F2811为中央 处理单元，分别扩展A/D采样回路、开关量输入输出回路、键盘及显示人机交互回路、实时时钟、网络通讯回路及用于定值参数及历史数据存储的EEPROM回路构成完整的硬件电路。采用交流采样技术及36点平移数据窗DFT算法直接采集保护级三相电流、测量级三相电流、三相电压、零序电压及高低压侧零序电流共12个模拟量，通过计算生成三相线电压、各单相及三相总有功功率、各单相及三相总无功功率、各单相及三相总功率因数及四象限电能累计值。根据不同等级电力变压器的配置要求构成各种基于电流、电压及零序参量的完备的变压器继电保护功能。在此基础上实现高压开关在线参数监测、状态诊断及励磁涌流抑制的控制功能。该装置使用DSP芯片自带外设扩展生成标准的CAN接口、RS232接口及RS422/485接口，可以方便地应用于变电站综合自动化系统或集中监控网络中。 

如图1所示，考虑到安装维护方便，该发明装置采用插件式结构设计，共设置8块PCB(印刷电路板)板，依次为采样板，采样板包括互感器板10和调理板11，CPU主板12，电源及开关量输入板，逻辑板14，触发板15，背板16以及显示板17。 

采样板包括互感器板10和信号调理板11，主要完成对被保护线路的交流电压和电流的传感、调理和放大处理，其实质就是将电力互感器的交流信号转换成符合CPU主板12上DSP芯片内部AD转换模块可接受的0-3V的电压信号。 

采样板主要包括分压电路，信号跟随电路、滤波电路、截止电路以及1.5V基准电压发生电路。以第一路信号为例，分压电路由电位器VR1、电阻1R1和1R2组成，电阻1R2两端的电压为输出电压： 

$U_O=\frac{R_{1R2}}{R_{\mathrm{VR}1}+R_{1R1}+R_{1R2}}{U}_I$

跟随电路由运算放大器OPA2340(运放集成芯片)构成；低通滤波器由电位器VR1、电阻1R1和电容1C1构成；截止电路由两组二极管反并联构成，每组各三个二极管，当外部输出信号或干扰信号超出测量范围，致使U₀大于3V或小于 0V时，二极管导通，由于三个二极管串联的电压降约为1.2V，此时U₀被下拉至2.7V或0.3V，从而可以避免过大的电压输入至DSP芯片内部AD转换模块的采样通道发生故障；1.5V基准电压发生电路能够将5V电压经稳压二极管Z1稳压，R3、VR10和R4分压，运算放大器OPA2340跟随最终输出1.5V基准电压。 

采样板插件极易受外部干扰的影响，这将直接威胁到装置的可靠性，因此在硬件设计中应着重考虑抗干扰性设计，为抑制共模干扰：互感器一次输入线应套磁环，二次输出应并联安规电容器并且串联磁珠；为抑制数百兆的高频干扰，1.5V基准电压应并联pF级小电容，并选用高性能稳压器。 

CPU主板12作为本发明所述装置的核心部分，与其它各插件板相联系，完成AD转换，开关量采集，开关量输出，人机界面控制，EEPROM(电可擦可编程只读存储器)存取，时钟存取，通讯控制等所有功能。CPU主板12采用了四层印制板及表面封装工艺，外观小巧、结构紧凑、提高了保护装置可靠性及抗干扰能力。 

如图2所示，CPU主板12主要包括：DSP芯片、电源芯片、通讯模块、时钟电路、EEPROM电路、开入处理、开出处理、显示处理以及模拟量处理等模块。 

DSP芯片采用TI公司32位DSP数字信号处理器TMSF2811，其相关性能指标如下： 

●最高时钟频率150MHz； 

●128KB的片内Flash存储器； 

●18KB的片内RAM存储器； 

●最高采样带宽为12.5MSPS的12位AD转换单元，可接入16通道模拟量； 

●1个SPI接口、2个SCI接口； 

●1个增强型的CAN总线通信模块，完全支持CAN2.0B总线规范； 

●56个独立可编程的GPIO引脚； 

●内置看门狗电路； 

●JTAG边界扫描功能。 

电源芯片主要完成将+5V电压转换为供工作的+3.3V和+1.8V电压，考虑到F2811(DSP芯片)的上电时序为先I/O(+3.3V)后内核(+1.8V)，因此设置三极管B1，只有当+3.3V输出后，才使能+1.8V的输出。 

通讯模块主要完成CAN通讯驱动、RS422通讯驱动和RS232通讯驱动功能。由于所选择的通讯芯片均使用独立的+5V电源供电，而DSP的I/O口工作电压为+3.3V，因此需设置电平转换电路，为此我们选择光耦作为电平转换和隔离元件。通讯模块中使用了较多的跳线，通过跳线可以灵活地将串口配置为RS422或RS232接口，通过跳线还可以选择通讯总线是否并联120的终端电阻。 

时钟电路主要完成保护装置系统时钟(时间)的读取以及校时，选取串行时钟芯片DS1629，并通过I²C(串行总线)总线对DS1629的访问，为了使时钟电路在保护装置断电后仍然能够工作，因此设置一个电池，当装置断电后，由该电池供电。 

EEPROM电路，CPU主板12设置了两片共512K的串行EEPROM，用于存取装置运行参数、动作报告、SOE(事件顺序记录)等信息。 

开入处理电路，主要完成对来自电源及开关量输入板13的+24V开关量输入信号的电平转换和隔离功能，并将转换后的开关量信号送至DSP进行采集。 

显示处理电路，完成对显示板17控制信号和数据信号的滤波处理，CPU主板12上的电阻与显示板17的电容构成RC低通率电路。 

开出处理，在CPU主板12上对开关量输出信号的处理包括对开关量输出信号进行驱动、闭锁、光电隔离等处理，为了提高DSP数字量输出驱动能力，主板上设置有两片LV245(电平驱动芯片)芯片；为了保证本发明所述装置在上电和掉电时均不误动作，设置了输出闭锁电路，由第十一个开关量输出信号和第十二个开关量输出信号控制，只有当第十一个开关量输出信号为低电平、第 十二个开关量输出信号为高电平时，才开放开关量输出；光电隔离电路可以完成电平转换和隔离功能。 

模拟量处理电路，该电路为低通滤波器，可实现对采样板输出的模拟量滤波处理，同时，为防止模拟量超出DSP内部AD转换模块的电压输入范围，设置了稳压二极管，当输入电压过大时，稳压二极管可将该电压拉低，达到保护AD转换模块的目的。 

JTAG接口，标准的边界扫描电路，开发人员通过该接口可以方便地对DSP进行程序烧写及仿真调试。 

CPU主板12的抗干扰设计主要是对电源(+5V、+3.3V和+1.8V)的滤波和稳压处理，同时，CPU主板12具备灵活的接地方式，一般情况下，采用浮地-屏蔽地接地方式，这样可以切断外部高压与主板低压的联系，减少外部干扰，当电源存在较大的串模干扰或脉冲冲击时，可以选择电源与大地经安规电容接地方式；另外，AD转换信号作为DSP的主要数据来源，其干扰能力直接影响到装置的可靠性，CPU主板12除设置RC低通滤波器对模拟量输入信号滤波去噪外，还设置了去耦电容对AD转换信号的参考电压进行滤波处理，去耦电容为10uF电容与15pF电容并联，大大提高了AD转换信号的抗干扰能力。 

显示板17，又称人机界面板，主要完成LCD显示、LED运行状态灯指示、按键检测与识别等功能。主要包括三部分：LCD显示电路、按键电路以及LED指示灯电路。为了节约硬件资源并且简化电路，这三部分电路的数据信号均采用串行转并行的传输方式，因此设置两片74HC164移位寄存器，其中LCD显示电路与按键电路共用一片移位寄存器，而LED指示灯单独使用一片移位寄存器。 

LCD显示电路，LCD的控制信号包括：使能信号LCD_EN，读写信号LCD_R/W，数据或命令信号LCD_D/C，背光信号LCD_BG，LCD的数据信号由第一移位寄存器的并行数据口提供。当向LCD写命令时，首先应将待发送的命令字节的低位送至第一移位寄存器的第一和第二管脚，再送出一个下降沿至第一移位寄存器 的第八管脚，依此方法将待发送的命令字节全部发送至移位寄存器的并口，然后置控制信号LCD_EN为高电平，读写信号LCD_R/W为低电平，数据或命令信号LCD_D/C为低电平，则命令字节就写入了LCD；用同样的方法，可以向LCD写入数据。 

键盘电路，采用定时扫描的方式来检测是否有按键按下并确定是哪个按键，当执行键盘扫描程序时，首先应禁止LCD操作，即使能信号LCD_EN为低，此时第一移位寄存器便交予键盘电路使用，通过串转并将按键代码0xFB，0xF7，0xFD，0xDF，0xEF，0xFE，0xBF依次送入第一移位寄存器的并口，即保证每次只有一个数据位为低，读取按键信号KEY_RD，如果读取按键信号KEY_RD为低，则说明有按键按下，并且根据所送出的按键代码可以判断出是哪个键按下。 

LED指示灯电路，采用串行方式传送指示灯信号，由于无使能信号，因此增设一片锁存器74HC273，当串行数据移位完成后，将并行数据锁存；为了提高对指示灯的驱动能力，设置了一片七路反相器ULN2003。 

显示板17的抗干扰设计包括对+5V电压进行滤波和稳压处理，同时，为了防止外部干扰冲击，如快瞬变、浪涌、静电放电等外部强干扰，需要对显示板17的数据信号和控制信号滤波处理，由于外部干扰主要是高频脉冲，所以使用15pF的贴片电容。 

电源及开入板13包括电源电路和开关量输入处理电路，电源电路能够为装置提供低压直流电源：开关量输入输出用+24V电源、CPU主板12和显示板17用+5V电源、通讯用+5V电源；同时，开关量输入处理电路可完成对12路开关量信号的和预处理：包括开关位置、弹簧未储能、控制回路断线、远方操作闭锁、闭锁重合闸以及备用输入开关量。 

电源电路包括AC-DC模块电源、DC-DC模块电源以及失电闭锁控制电路，AC-DC模块电源选择ZT21550，支持交流165-265电压输入和直流165-375输入， 输出电压为双+24V，±15V和+5V，由于通讯电路需要使用单独的+5V电源供电，因此增设一个DC-DC模块电源，该模块电源能够将单路+5V输入转换为双路+5V输出；失电闭锁控制电路是当装置失电或+24V失电时，继电器将失电，继电器的常闭触点可以用于闭锁控制或发出告警信号。 

开关量输入处理电路，主要完成开关量输入信号的滤波、稳压和隔离处理以及开关量输入电路的使能控制，滤波和稳压处理由磁珠、电阻以及电容完成，电阻可以起到限流的作用，光耦起到电平转换和隔离的作用；对于开关量输入电路的使能控制由CPU主板12的第七开关量输出信号完成，当第七开关量输出信号输出低电平时，光耦AQW214EH导通，开关量输入电路的电源负极被接通，此时开关量输入电路处于使能状态，反之，则开关量输入电路处于禁止状态；另外，通过跳线可以选择+24V或者+220V作为关量输入电路的电源。 

电源的抗干扰设计对于装置的可靠性及其重要，通常有两种方案：第一种方案是使用隔离电源，即使用两级电源，在开关电源的后面增设一个DC/DC模块为CPU主板12和采样板供电；第二种方案是选择高性能开关电源，增加抗干扰元件，如磁环、磁珠或电容。考虑到成本及电路的复杂性，本发明采用第二种方案，在电源进线上缠绕磁环，同时电源的正负极分别经安规电容接地，这样可以有效地削弱外部电磁干扰或冲击的影响。 

逻辑板14为继电器输出板，主要包括保护逻辑电路和本体逻辑电路，保护逻辑电路完成电压或电流的过量或欠量保护的分闸操作和合闸操作，并且具有遥控跳闸和遥控合闸出口。本体逻辑电路是本体保护的逻辑电路，一般有本体跳闸和本体告警。逻辑板14上该部分电路是专为配变保护装置设计的本体保护逻辑，在此不作介绍。 

保护逻辑电路主要包括十个继电器，分别由CPU主板12的第一至第六开关量输出信号以及第八至第十开关量输出信号控制，由于CPU主板12对开关量输出信号的取反作用，因此当DSP芯片的开关量输出信号为低电平时相应的CPU 主板12的开关量输出信号为高电平，DSP芯片的开关量输出信号为高电平时相应的CPU主板12的开关量输出信号为低电平。而且上述的十继电器均采用共阳极工作方式，即公共端为+24V，因此CPU主板12的开关量输出信号为低时，相应的继电器线圈得电，反之，继电器失电。 

第八继电器为保护出口的闭锁继电器，由第八开关量输出信号控制，当保护装置正常工作时，第八开关量输出信号输出低电平，解除对保护出口的闭锁，当保护装置检测到装置内部故障时，第八开关量输出信号输出高电平，闭锁保护出口，防止保护误动作；第九继电器用于保护出口输出的起动，由第九开关量输出信号控制，当保护动作时，如保护跳闸，需先将第九开关量输出信号置为低电平，开放保护出口。第一至第七继电器为保护出口继电器，共由第一至第六开关量输出信号控制，第一继电器用于遥控合闸，第二继电器用于遥控跳闸，第四继电器用于重合闸和保护合闸，第五和第六继电器用于保护跳闸，第三和第七继电器用于备用。 

触发板15作为保护装置的操作回路，主要用于驱动断路器的分合闸，并且具有自保持和防跳跃功能。对于外部自带操作回路的场合，该板可以不使用。原理说明： 

触发板15包括闭锁回路、跳合闸回路、开关位置反馈回路。 

闭锁回路，由跳闸闭锁继电器和合闸闭锁继电器组成，当跳闸压力或总压力低时，跳闸闭锁继电器得电，由于跳闸回路串联了跳闸闭锁继电器的常闭触点，因此此时装置无法跳闸，即形成了跳闸闭锁；同理当合闸压力或总压力低时，合闸闭锁继电器得电，由于合闸回路串联了合闸闭锁继电器的常闭触点，因此装置无法合闸，即形成了合闸闭锁。 

跳合闸回路，由跳闸继电器、合闸继电器以及防跳跃继电器组成，跳闸继电器用于断路器跳闸操作，并使用跳闸继电器的常开触点自保持；合闸继电器用于断路器合闸操作，并使用合闸继电器的常开触点作为自锁触点；使用防跳 跃继电器的常闭触点作为闭锁触点，当断路器脱扣或者线路存在短路故障时，如果运行人员手动合断路器，断路器合后会马上跳闸，由于手合时间相对于跳闸时间较长，因此断路器跳闸后又会马上合闸，如此反复，容易造成断路器损坏。为此，增设防跳跃继电器，其常闭触点可以闭锁合闸回路，从而保证故障时，运行人员手动合断路器只能合一次。 

开关位置反馈回路，通过大电阻与断路器跳闸线圈、合闸线圈及其触点串联，可以检测开关位置，串联的大电阻需保证：电路流经的电流无法驱动跳线圈和合闸线圈；却可以驱动位置继电器的线圈。

背板16作为其它各板的联络接口，起到类似于计算机的主板的功能。原理说明： 

除显示板17外，其它各板均通过48脚插针与背板16连接，其联络信号包括：电源、开关量输入、开关量输出、模拟量输入以及显示控制信号。 

电源信号，以电源板为核心，向各板提供+5V和+24V电源。 

开关量输入信号，以CPU板为核心，采集开入板及触发板15的开关量输入。 

开关量输出信号，以CPU板为核心，向开入板和逻辑板14输出开关量。 

模拟量输入信号，采样板通过背板16接口向CPU主板12提供9路模拟量输入，并由CPU主板12完成对9路模拟量的A/D转换。 

显示控制，通过背板16上的16插针接口，CPU主板12与显示板17建立连接并控制LCD、LED显示以及按键操作。 

本发明所述带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护装置的系统软件采用自顶向下的层次体系结构，主程序中调用各级子程序，主程序和定时中断程序相结合，采用面向结构的C语言和汇编语言编写设计。从原理和经验上看，对本案例或类似的应用，自顶向下的层次体系结构是目前技术条件下，能较好适应不确定和变化的需求环境的比较现实的方案。它可以充分利用单片微处理器有限的资源，在满足继电保护装置实时数据采集和保护功能的同时，完成信息 储存、通讯处理、人机操作等任务的处理。在程序中采用看门狗来检测软件和硬件的运行状态，如果不明原因使CPU中断程序，比如系统进入了一个死循环或者CPU的程序运行到了不确定的程序空间，会使系统不能正常工作。在这种情况下，看门狗电路将产生一个复位信号使CPU复位，程序从系统软件的开始执行，从而有效的提高了系统的可靠性。 

如图3和图4共同所示，系统软件包括DSP系统和外设初始化模块、数据采集和处理模块、保护功能模块、通信数据收发和数据处理模块、时钟和EEPROM存储器数据处理模块、人机界面操作模块六个模块。 

DSP系统和外设模块初始化包括系统时钟初始化、外设模块时钟初始化、中断向量初始化、GPIO(输入/输出)口初始化和FLASH程序存储空间初始化；外设模块初始化为软件中用到的DSP外设模块的初始化，包括定时器初始化、AD转换模块初始化、CAN通讯模块初始化、看门狗模块初始化和外设中断使能。 

数据采集模块包括开关量采集和模拟量采集两部分，供程序进行分析和处理。 

开关量数据采集处理模块在硬件电路中每一路开关量对应一个DSP通用I/O输入口，通过采集通用I/O口的电平状态即可判断开关量的分、合状态。采集到开关量状态以后并进行相应的防抖动滤波处理，即连续采集三次开关量状态，当三次的状态完全相同时，刷新开关量的状态，否则开关量状态保持不变。 

模拟量数据采集处理模块采用DSP内部的A/D转换模块，将外部的模拟电压或电流信号转换为数字信号。模拟量采集模块共设置9路模拟量采集通道，具有12.5MSPS(每秒采样百万次)的转换速率，精度为12位。将采集的数字量数据通过调用36点的傅立叶变换函数，求得电压或电流模拟量的有效值，并计算出功率、功率因数和电能数据。可在液晶界面或通过CAN网络报送至上位机进行数据查询和显示。 

保护功能模块根据不同类型装置保护功能的要求设置不同的保护程序，程序以开入量或模拟量数据作为判据启动或停止相应的保护元件，根据故障或不正常运行状态的危害程度情况，执行相应的出口跳闸操作或给出告警信息提示，并启动故障录波、保护动作报告和顺序事件记录的存储操作。 

对于本发明所述的带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护装置，其检测保护功能包括断路器分闸相位检测、断路器合闸相位的检测、合闸发令相位计算、三段式定时限相间过流保护、独立的合后加速保护、过负荷告警、三段式定时限低压侧零序过流保护、高压侧过电压保护、高压侧欠电压保护、高压侧接地告警、PT断线监视告警、控制回路断线监视告警。 

通信数据收发和数据处理模块采用DSP内部的增强型eCAN总线通信模块，完全支持CAN2.0B总线规范，有32个可配置的接收/发送邮箱，支持消息的定时邮递功能，最高通信速率可达1Mbps，可以使用该接口构建高可靠的CAN总线控制或检测网络。系统采用0号和1号邮箱分别作为数据发送和接收邮箱，处理流程包括CAN模块初始化、CAN数据接收、CAN数据发送和CAN数据处理四个部分。 

时钟和EEPROM存储器处理模块，系统时钟芯片采用DS1629或DS1307，EEPROM掉电存储芯片采用两片EEP256或EEP512，DSP通过串形方式构造IIC(多向控制总线)协议与两者进行通信，进行数据读取和数据修改操作。时钟芯片为故障录波、保护动作记录和事件记录提供基准时钟，可通过液晶菜单或CAN网络进行时钟校正。EEPROM芯片用于存储定值、参数、告警、报告、操作记录、故障录波等数据。 

人机界面操作模块包括液晶显示、按键操作和指示灯显示三部分。 

按键、液晶显示模块和指示灯均通过串行方式与主板方便接口。系统根据装置功能需要配置7个功能按键，实现菜单页面跳转、数据查询和定值修改操作；显示模块采用128×64点阵的大屏幕图形LCD液晶显示器，可显示4行×8列汉字， 支持中/英文格式及图形格式显示，其背光为节电设计，人机界面采用多级菜单模式，清晰易懂，可用于设备的人机交互、完成键盘处理、液晶显示等功能；指示灯采用高亮度LED发光二极管，通过丰富的灯光指示信息，使本装置的运行信息更为直观。 

软件系统对于实时性要求高的模块放在定时中断程序中处理，如开关量和模拟量数据的采集和处理、保护功能和动作出口程序、网络通讯收发数据程序等。对于实时性要求低的模块放在主程序中处理，如按键操作、液晶显示、时钟刷新、通信数据处理、EEPROM数据存储操作等。 

采用本发明提出的带励磁涌流及开关参数检测的变压器保护装置可以很方便地替代传统变压器保护装置，实现完备的继电保护功能、全电量检测与电能累计功能、断路器参数在线监测及状态诊断功能及变压器励磁涌流抑制等功能，大幅提升原有电力开关设备的智能化水平。 

Claims (7)

1.带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护方法，其特征在于：包括以下步骤

1)、实时检测断路器状态变化，在线生成断路器跳闸延时时间、断路器合闸延时时间及断路器累计动作次数等参数；

2)、通过对断路器跳闸延时时间、断路器合闸延时时间的历史数据序列的分析对开关状态作出动态评价；

3)、实时采集断路器辅助接点位置及电网电压并计算电网电压相位的变化，在线生成断路器实际分闸相位及断路器实际合闸相位；

4)、通过对变压器空载合闸励磁涌流产生机理的分析，得出抑制励磁涌流的方法，获得期望的断路器合闸相位Q_{on_i}；

5)、在获得期望的断路器合闸相位后，计入断路器合闸延时时间Ton的影响，套用公式X＝Q_{on_i}(K+1)-(Ton mod 20)*18，可以得到发出合闸指令的相位Q_{on_c}，当X＞0时，Q_{on_c}(K+1)＝X，当X＜0时，Q_{on_c}(K+1)＝X+360；

6)、通过实时检测电源侧电压相位的变化，在电源电压相位到达Q_{on_c}时主控系统发出断路器合闸指令，经过断路器合闸延时时间Ton后断路器完成合闸过程。

2.根据权利要求1所述的带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护方法，其特征在于：步骤4)所述的抑制励磁涌流的方法为断路器期望合闸相位等于上次断路器的分闸相位。

3.带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护装置，其特征在于：包括

CPU主板；

采样板，用于采集线路的电量信号，并将所采集到的信号转换成所述CPU主板可接收的信号；

电源及开入板，包括电源电路和开关量输入处理电路，所述电源电路用于为所述带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护装置提供电源，所述的开关量输入处理电路用于完成输入开关量的采集和预处理；

逻辑板，用于输出开关量的处理；

显示板，用于显示、按键检测与按键识别；

所述CPU主板、采样板、电源及开入板、逻辑板以及显示板均插接在背板上。 

4.根据权利要求3所述的带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护装置，其特征在于：还包括插接在背板上的触发板，用于驱动断路器的跳闸及合闸。

5.根据权利要求4所述的带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护装置，其特征在于：所述触发板包括

闭锁回路，用于实现跳闸闭锁或合闸闭锁；

跳合闸回路，用于断路器的跳闸操作以及断路器的合闸操作；

开关位置反馈回路，用于检测断路器的位置。

6.根据权利要求3所述的带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护装置，其特征在于：CPU主板包括同时与DSP芯片连接的

电源芯片，用于为DSP芯片提供工作电源；

通讯模块，用于根据不同的通讯协议实现数据的交换；

时钟电路，用于完成所述带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护装置的系统时钟的读取以及校时；

EEPROM电路，用于存取所述带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护装置的运行数据和信息；

开关量输入处理电路，用于完成对来自所述电源及开入板的开关量的转换和隔离，并将转换后的开关量信号送至DSP芯片；

显示处理电路，用于完成对所述显示板控制信号和数据信号的滤波处理；

开关量输出处理电路，用于完成对开关量输出信号的驱动、闭锁、光电隔离处理等；

模拟量处理电路，为低通滤波器，用于实现对所述采样板输出的模拟量信号的滤波处理；

JTAG接口，用于开发人员对DSP芯片进行程序烧写及仿真调试。

7.根据权利要求3所述的带励磁涌流抑制及开关参数检测的变压器保护装置，其特征在于：所述采样板包括

互感器板，用于采集线路的电压和电流信号，并将采集到的信号输出给信号调理板；

信号调理板，用于将所述互感器板采集到的信号调理和放大，并通过所述背板输出给所述CPU主板。 

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