CN102496911B

CN102496911B - 一种牵引变压器保护方法、设备和系统

Info

Publication number: CN102496911B
Application number: CN201110431138.3A
Authority: CN
Inventors: 张太勤; 孙小江
Original assignee: XINSHIJI ELECTRICAL CO Ltd CHONGQING
Current assignee: Xinshiji Electrical Co., Ltd., Chongqing
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN102496911A

Abstract

本发明实施例公开了一种牵引变压器保护方法、设备和系统，所述方法包括：利用现场可编程门阵列FPGA主模块控制的FPGA子模块分别按照预设频率采集多路牵引变压器的两侧电流/电压IU模拟信号及开关量输入信号；将所述标准变换后的IU模拟信号利用多点低电压差分信号总线M-LVDS总线传输至CPU中计算得到差动电流和制动电流，并利用基于所述差动电流和制动电流的保护判据得到开关逻辑输出值；将所述开关量逻辑输出值通过M-LVDS总线传输到FPGA开关量入出子模块发出保护动作信号。本发明利用M-LVDS总线技术结合FPGA多个功能子模块分别集中完成不同任务，解决了多CPU保护测控造成的硬件配置冗杂的缺点。

Description

一种牵引变压器保护方法、设备和系统

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电保护技术领域，更具体地说，涉及一种牵引变压器保护方法、设备和系统。

背景技术

牵引变电站是向牵引系统供电的变电站，随着科学技术的进步，铁路建设从电气化逐步向高速化、客运专线化发展，作为铁路供电系统的关键环节，牵引变电站供电及保护的性能直接关系着列车供电系统的可靠运行。

各区段根据实际应用需求装设了接线方式及参数各异的牵引变压器，现有的牵引变电站需根据各个牵引变压器绕组型式、电流互感器接线形式等参数进行差动电流的系数矩阵的配置，并采用多个CPU分别进行保护测控的形式，以及，设定对应相的差动电流与对应相的制动电流作比值与整定斜率比较的方式进行差动保护；当变压器内部发生故障时，由继电保护动作切除故障变压器；二次谐波按相制动，即对应相的二次谐波与对应相的基波比较达到定值实现制动。

然而，现有的牵引变电站针对变压器的保护配置方式及保护方法至少存在如下缺点：

由于牵引变压器绕组形式繁多，多个CPU保护测控的形式存在设备配置重复的问题，由于根据出厂前的参数进行变电站的配置不直观而易出现实际变压器装配参数与初始配置不符，且差动保护采取分相制动保护则易受到负荷投入等因素产生误动；而由于牵引变压器在空载投入或空载投入带配电线路的变压器时都将产生较大励磁电流则可能导致制动误动。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种牵引变压器保护方法、设备和系统，以实现减少硬件配置，提高牵引变压器配置保护参数准确率，以及降低差动保护及二次谐波制动误动率的目的。

一种牵引变压器保护方法，包括：

利用现场可编程门阵列FPGA主模块控制FPGA模拟量子模块和FPGA开关量入出子模块，分别按照预设频率采集多路牵引变压器的两侧电流/电压IU模拟信号及开关量输入信号；

将所述标准变换后的IU模拟信号通过多点低电压差分信号总线M-LVDS总线传输至CPU中计算得到差动电流和制动电流；

并利用基于所述差动电流和制动电流的保护判据得到开关逻辑输出值；并将所述开关量逻辑输出值通过M-LVDS总线传输到FPGA开关量入出子模块发出保护动作信号。

为了完善上述方案，所述方法还包括：对多个牵引变压器的保护参数进行基于多任务操作系统的配置，具体为：

对各种牵引变压器绕组接线形式、电流互感器接线形式分别与差动保护的模拟量通道和差动计算的系数矩阵建立映射关系，并配置静态参数，所述静态参数包括：牵引变压器绕组接线形式描述表、电流互感器接线形式描述表、差动保护的模拟量通道配置表、差动计算的系数矩阵、变压器的保护测控功能描述表及保护定值参数表；

以及配置动态数据路径指示表，所述动态数据包括：实时采集数据、录播预存数据、中间计算参数。

优选地，将标准变换后的电流电压模拟信号传输至CPU中计算得到差动电流和制动电流具体为：

通过FPGA模拟量子模块将所述多路牵引变压器两侧电流电压模拟量转换为标准电压信号并进行模数转换；

根据模数转换后的电压信号计算三相制动电流和三相差动电流，并提取所述三相制动电流中的最大值制动电流和三相差动电流中的二次谐波最大含量差动电流。

利用基于所述差动电流和制动电流的保护判据得到开关逻辑输出值，并将所述开关量逻辑输出值通过M-LVDS总线传输到FPGA开关量入出子模块发出保护动作信号，包括：

将三相差动电流分别与所述三相制动电流中的最大值制动电流作比值得到三相对应相的差动保护斜率；

当某相的差动保护斜率大于或等于预设差动保护整定斜率时，并依照当前开关量逻辑输出值触发差动保护动作信号；

以及，

提取三相差动电流中的二次谐波最大含量值与三相差动电流的最大电流值作比，当该比值大于预设制动整定斜率时，并依照当前开关量逻辑输出值触发闭锁差动保护动作信号。

为了完善上述方案，所述方法还包括：通过M-LVDS将保护动作指示及事件复归信息传输至人机交互界面HMI。

一种牵引变压器保护设备，实现权利要求1-4的牵引变压器保护方法，包括：

现场可编程门阵列FPGA主模块，用于控制FPGA子模块；

FPGA模拟量子模块和FPGA开关量入出子模块，分别用于按照预设频率采集多路牵引变压器两侧电流/电压IU模拟信号及开关量输入信号；

以及，FPGA模拟量子模块将IU模拟信号转换为标准电压信号并进行模数转换；

多点低电压差分信号M-LVDS总线，用于实现FPGA各模块间的通讯；并将所述标准变换后的IU模拟信号及开关量输入信号传输至中央处理器CPU；

中央处理器CPU，用于计算所述开关量输入信号及标准变换后的IU模拟信号得到差动电流和制动电流，并利用基于所述差动电流和制动电流的保护判据得到开关逻辑输出值，以及，控制将所述开关量逻辑输出值通过M-LVDS总线传输到FPGA开关量入出子模块发出保护动作信号。

优选地，所述设备设置有多个FPGA开关量入出子模块；

所述中央处理器CPU嵌入FPGA主模块中。

为了完善上述方案，所述设备还包括：

牵引变压器数据库单元，用于接收并存储基于多任务操作系统的参数配置，包括：

以及动态数据路径指示表，所述动态数据包括：实时采集数据、录播预存数据、中间计算参数。

人机交互界面HMI，用于接收并显示通过M-LVDS将保护动作指示及事件复归信息。

一种牵引变压器保护系统，包括上述牵引变压器保护设备。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例利用M-LVDS总线技术将多个及多样牵引变压器的模拟信号量及开关量进行传输，并结合FPGA主模块控制的多个功能子模块分别集中完成信号采集、计算和显示等不同任务，满足了不同牵引变压器接线类型对保护测控功能的硬件配置的需要，解决了现有的技术中多CPU保护测控造成的硬件配置冗杂的缺点，在达到数据传输和计算效率高的同时，减少了芯片及线路数量；另外，牵引变压器的保护参数进行基于多任务操作系统的配置，能够实现变电所根据牵引变压实际保护的应用需要进行现场配置，提高了参数配置准确性；并且，本牵引变压器保护方法对差动保护的参考制动电流及二次谐波参考分量改进，避免了变压器负荷冲击及空载投入时造成的误动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种牵引变压器保护方法流程图；

图2为本发明又一实施例公开的一种牵引变压器保护方法流程图；

图3为本发明实施例公开的一种牵引变压器保护设备结构示意图；

图4为本发明又一实施例公开的一种牵引变压器保护设备结构示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词、简写或缩写总结如下：

LVDS：Low-Voltage Differential Signaling低压差分信号；

HMI：Human Machine Interface，人机界面；

M-LVDS：Multipoint low Voltage Differential Signaling，多点低电压差分信号。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

近年来铁路建设从电气化逐步向高速化、专线化方向发展，对于各个区段铁路的供电安全性要求逐步提高，作为铁路供电系统的枢纽机构牵引变电站来说，其负责对该变电站覆盖区段的所有牵引变压器进行保护测控及供电指示。牵引变压器接的接线类型与地域、环境及供电需求等多种因素相关，往往一个牵引变电所负责多种不同接线类型，面对日益提升的供电安全性要求，针对牵引变压器的保护测控的优化方案成为人们研究的铁路安全运营的重要课题之一。

发明人在对现有的牵引变压器的保护测控方法、设备和系统的研究过程中发现：

现有的牵引变压器绕组形式繁多，采用的是一个或数个变压器对应一个CPU的情况，即多个CPU保护测控的形式，要求配置与CPU对应的硬件设备，从设备的数量上来说存在配置冗杂问题；

现有的牵引变电所为了应对种类多样的变压器保护需求，需要在变压器投入使用前获知该变压器的参数并对应的保护配置，而这样的配置形式不直观且容易出现实际变压器装配参数与初始设置不符的情况；

目前的牵引变压器差动保护都是按照对应相的差动电流与对应相的制动电流作比值与整定斜率比较，由于机车经过分区时牵引变压器的负荷冲击较大，按照现有技术的比率差动方式很容易误动；而由于牵引变压器在空载投入或空载投入带配电线路的变压器时都将产生较大励磁电流，由于目前的二次谐波制动原理按相制动，即对应相的二次谐波与对应相的基波比较达到定值实现制动，而由于牵引变压器在空载投入或空载投入带配电线路的变压器时都将产生较大励磁电流则可能导致制动误动。

发明人在大量研究和应用的基础上，公开了本发明实施例牵引变压器保护方法、设备和系统，采用可编程逻辑阵列FPGA主模块控制多个子模块集中完成任务，减少保护装置模块的种类，根据变电站接线形式、变压器的绕组、电流互感器的接线形式灵活配置模块数量，简化并规范了牵引变压器保护模块的配置，通过建立各种牵引变压器绕组接线形式、电流互感器接线形式与差动保护的模拟量通道、差动计算的系数矩阵等保护参数自动映射关系，提高牵引变压器配置保护参数配置的正确率，以及通过对参考制动电流及二次谐波参考分量改进，达到降低差动保护及二次谐波制动误动率的目的。

图1示出了一种牵引变压器保护方法，包括：

步骤11：利用现场可编程门阵列FPGA主模块控制FPGA模拟量子模块和FPGA开关量入出子模块，分别按照预设频率采集多路牵引变压器的两侧电流/电压IU模拟信号及开关量输入信号；

利用所述FPGA模块的强大的数据入出及快速处理性能，对多路牵引变压器的开关量和模拟量进行集中功能化的采集和转换，减省现有技术中多CPU及对应硬件设备的配置；

所述预设频率在本实施例中优选为工频周期50Hz，并不局限，且CPU可自动跟踪实时工频频率变化。

步骤12：将所述标准变换后的IU模拟信号利用多点低电压差分信号总线M-LVDS总线传输至CPU中计算得到差动电流和制动电流；

步骤13：利用基于所述差动电流和制动电流的保护判据得到开关逻辑输出值，并将所述开关量逻辑输出值通过M-LVDS总线传输到FPGA开关量入出子模块发出保护动作信号。

也就是根据CPU实时计算的差动电流和制动电流，并与保护动作定值比较判别，根据相关开关量逻辑输入值在满足动作的条件下，即发出保护动作信号。

所述M-LVDS有多个驱动器或者接收器件共享单一的物理链路的互连应用，传输速度快且电磁干扰小，在所述FPGA电路模块高集成度及高速率数据处理基础上，满足了不同牵引变压器接线类型对保护测控功能的硬件配置的需要，解决了现有的技术中多CPU保护测控造成的硬件配置冗杂的缺点，在达到数据传输效率高的同时，减少了芯片及线路数量及线路电磁干扰。

图2示出了一种牵引变压器保护方法，包括：

步骤21：对多个牵引变压器的保护参数进行基于多任务操作系统的配置，具体为：

所述基于多任务操作系统可优选u COSII，并以面向对象的设计方式，在数据库构建层面，对各种牵引变压器绕组接线形式、电流互感器接线形式分别与差动保护的模拟量通道和差动计算的系数矩阵建立映射关系，并配置静态参数，所述静态参数包括：牵引变压器绕组接线形式描述表、电流互感器接线形式描述表、差动保护的模拟量通道配置表、差动计算的系数矩阵、变压器的保护测控功能描述表及保护定值参数表；

该种将参量和绕组形式映射关系统一配置在FPGA中满足了多种变压器差动及制动计算的需要和扩展性要求，在采集到针对牵引变压器的两侧电流/电压IU模拟信号及开关量输入信号，便可根据与该牵引变压器接线形式及电流互感器接线形式对应的模拟量通道和差动计算的系数矩阵，进行差动/制动电流计算及开关输出信号的自动生成，从而省去针对独立型号变压器的单独计算配置步骤，提高了的配置准确性和布线便利性。

步骤22：利用现场可编程门阵列FPGA主模块控制FPGA模拟量子模块和FPGA开关量入出子模块，分别按照预设频率采集多路牵引变压器的两侧电流/电压IU模拟信号及开关量输入信号；

步骤23：将所述标准变换后的IU模拟信号利用多点低电压差分信号总线M-LVDS总线传输至CPU中计算得到差动电流和制动电流；

所述差动电流和制动电流的计算过程可通过以下公式进行：

差动电流：

\{\begin{matrix} I_{CDA} = | {\overset{&RightArrow;}{I}}_{A} - {\overset{\cdot}{I}}_{a} | \\ I_{CDB} = | {\overset{&RightArrow;}{I}}_{B} - {\overset{\cdot}{I}}_{b} | \\ I_{CDC} = | {\overset{&RightArrow;}{I}}_{C} - {\overset{\cdot}{I}}_{c} | \end{matrix};

制动电流：

I_{Z} = 0.5 \times MAX (| {\overset{&RightArrow;}{I}}_{A} + {\overset{\cdot}{I}}_{a} |, | {\overset{&RightArrow;}{I}}_{B} + {\overset{\cdot}{I}}_{b} |, | {\overset{&RightArrow;}{I}}_{C} + {\overset{\cdot}{I}}_{c} |) .

在本步骤中，所述标准变换后的电流电压模拟信号具体为：

步骤24：利用基于所述差动电流和制动电流的保护判据得到开关逻辑输出值；并将所述开关量逻辑输出值通过M-LVDS总线传输到FPGA开关量入出子模块发出保护动作信号。

本实施例中，比率差动保护采用分相制动的原理：

以及，

步骤25：通过M-LVDS将保护动作指示及事件复归信息传输至人机交互界面HMI。

通过所述M-LVDS高速传输性能保证了针对牵引变压器的保护动作及时与操作人员交互并直观准确反映故障切除或恢复情况。

图3示出了一种牵引变压器保护设备，包括：

现场可编程门阵列FPGA模块31，包括：所述现场可编程门阵列FPGA主模块33，用于控制FPGA子模块；

多点低电压差分信号M-LVDS总线32，用于实现FPGA各模块间的通讯；并将所述标准变换后的IU模拟信号及开关量输入信号传输至中央处理器CPU；

从图中可以看到，所述FPGA模块根据实际应用的需要进行了排布和配置，所述开关量IO子模块、IU模拟量子模块、主模块，其中：所述中央处理器CPU嵌入主模块33中；

所述主模块根据不同的牵引变压器接线形式，计算出差动电流、制动电流、进行开关量逻辑输出值的判别，发出保护动作信号；所述保护动作信号经过主模块中的交换模块到达开关量IO子模块，驱动相关继电器出口，再通过二次接线驱动操作回路跳开各侧断路器执行保护动作。

而需要说明的是：以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，当牵引变压器接线类型不同，IU模拟量子模块、开关量IO子模块等根据需要插件的位置及数量可以改变和增减。

图3还示出了工作电源及断路器操作回路模块。

以及：

人际交互界面HMI34，用于接收并显示通过M-LVDS将保护动作指示及事件复归信息。

上述HMI可通过FPGA模块实现，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以根据实际需要重复分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

需要特别指出的是：本发明还公开了一种牵引变压器保护系统，包括图3图示及其对应说明的牵引变压器保护设备，相关方法参见图1-2图示及其说明，相关结构参见图3图示及其说明，不再在此重复赘述。

图4示出了又一种牵引变压器保护设备，相同之处参见图3图示及其对应说明，现仅就不同之处进行描述，图中示出了牵引变压器数据库单元41，用于接收并存储基于多任务操作系统的参数配置，包括：

由以上说明可知，所述数据库单元分为静态参数配置区和动态数据配置区，作为优选，所述静态参数配置区可由基于I2C总线的flashRAM实现，同时可保留同步镜像数据；动态参数配置区可通过CPU(可选用MCF5282)的RAM区实现，在录波启动并事件复归后，可选择自动转存到完整总线接口的外扩的铁电存储器中。

综上所述：

本发明实施例利用M-LVDS总线技术将多个及多样牵引变压器的模拟信号量及开关量进行传输，并结合FPGA主模块控制的多个功能子模块分别完成不同任务，满足了不同牵引变压器接线类型对保护测控功能的硬件配置的需要，解决了现有的技术中多CPU保护测控造成的硬件配置冗杂的缺点，在达到数据传输和计算效率高的同时，减少了芯片及线路数量；

牵引变压器的保护参数进行基于多任务操作系统的配置，能够实现变电所根据牵引变压实际保护的应用需要进行现场配置，提高了参数配置准确性；

本牵引变压器保护方法对差动保护的参考制动电流及二次谐波参考分量改进，避免了变压器负荷冲击及空载投入时造成的误动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种牵引变压器保护方法，其特征在于，包括：

利用现场可编程门阵列FPGA主模块控制FPGA模拟量子模块和FPGA开关量入出子模块，分别按照预设频率采集多路牵引变压器的两侧电流电压IU模拟信号及开关量输入信号;

将标准变换后的IU模拟信号通过多点低电压差分信号总线M-LVDS总线传输至CPU中计算得到差动电流和制动电流；

利用基于所述差动电流和制动电流的保护判据得到开关量逻辑输出值，并将所述开关量逻辑输出值通过M-LVDS总线传输到FPGA开关量入出子模块发出保护动作信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：对多个牵引变压器的保护参数进行基于多任务操作系统的配置，具体为：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将标准变换后的电流电压模拟信号传输至CPU中计算得到差动电流和制动电流具体为：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，利用基于所述差动电流和制动电流的保护判据得到开关量逻辑输出值，并将所述开关量逻辑输出值通过M-LVDS总线传输到FPGA开关量入出子模块发出保护动作信号，包括：

将三相差动电流分别与所述三相制动电流中的最大值制动电流作比得到三相对应相的差动保护斜率；

以及，

提取三相差动电流中的二次谐波最大含量值与三相差动电流的最大电流值作比得到的比值，当该比值大于预设制动整定斜率时，并依照当前开关量逻辑输出值触发闭锁差动保护动作信号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：通过M-LVDS将保护动作指示及事件复归信息传输至人机交互界面HMI。

6.一种牵引变压器保护设备，其特征在于，实现权利要求1-4任一项所述的牵引变压器保护方法，包括：

现场可编程门阵列FPGA主模块，用于控制FPGA子模块；

以及，FPGA模拟量子模块将IU模拟信号转换为标准电压信号及进行模数转换；

多点低电压差分信号M-LVDS总线，用于实现FPGA各模块间的通讯；并将所述标准电压信号及开关量输入信号传输至中央处理器CPU；

中央处理器CPU，用于计算所述开关量输入信号及标准变换后的IU模拟信号得到差动电流和制动电流，并利用基于所述差动电流和制动电流的保护判据得到开关量逻辑输出值，以及，控制将所述开关量逻辑输出值通过M-LVDS总线传输到FPGA开关量入出子模块发出保护动作信号。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述设备设置有多个FPGA开关量入出子模块；

所述中央处理器CPU嵌入FPGA主模块中。

8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，还包括：牵引变压器数据库单元，用于接收并存储基于多任务操作系统的参数配置，包括：

9.如权利要求6所述的设备，其特征在于，还包括：人机交互界面HMI，用于接收并显示通过M-LVDS将保护动作指示及事件复归信息。

10.一种牵引变压器保护系统，其特征在于，包括权利要求6-9任一项所述的牵引变压器保护设备。