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【摘 要】以单片机为控制核心的微机变压器保护装置,通过AD采样变压器的多路电压、电流以及中性点信号情况,实现电力变压器的内、外部故障鉴别,同时对空载投入变压器或外部故障切断后恢复供电所产生励磁涌流的情况正确判断,防止继电差动保护的误动.在软件设计上,采用了继电保护内外部工况鉴别,励磁涌流鉴别算法,将变压器运行情况进行分析、判断,并与继电保护相配合做出自适应反应,保护作为电网核心设备变压器正常运行.
【关 键 词】电力变压器差动保护单片机
一、引言
电力变压器作为发电厂和变电所的主要设备,它的故障将对供电可靠性和电力系统的运行带来严重的影响,针对变压器内、外部故障和励磁涌流产生的情况,通过单片机对变压器进行数据采集、分析、判断,实现变压器微机差动保护,系统中采用新型控制算法进行补偿调整,解决了正确区分内短路情况和可靠地躲过励磁涌流的问题,有效提高了微机保护装置的可靠性.
图一系统设计总体框图
二、系统总体设计
采用ST公司基于ARM-Cortex-M3内核的高性能32位单片机为核心,研究适用于电力变压器的微机保护系统,同时,对电力变压器实际运行中可能发生的各种类型故障和不正常运行方式下各种整定原理进行分析判断,制定具体的软件保护方案,在现有的变压器微机保护理论和工程实践基础上,在算法以及保护原理上进行一些突破性的研究.
三、系统硬件设计
硬件部分主要包括单片机控制核心模块、数据采集模块、开关量输入和输出模块、通信模块.
(一)数据采集模块
数据采集模块从电力变压器的电流互感器、电压互感器上取得二次模拟电量,然后经过变换成单片机控制核心模块能够处理的数字量.从电力变压器的互感器上取得的二次数值信息、输入范围对STM32单片机不适用,故需要降低和变换,变换后的信号送到模拟低通滤波器滤除高次谐波分量,滤波后信号再次送到互感器,这时互感器二次侧的电流、电压信号已经变成了幅值较小的弱电信号,这个信号经过一定的调理稳压后就可以得送入单片机主控器进行信号处理.
(二)单片机控制核心模块
单片机控制核心模块是微机保护装置的核心部分,将变压器电压、电流、中性点的数据信息送入到stm32单片机,单片机根据当前继电保护数据库进行整定计算,通过计算和分析后就可向继电保护发出故障判别处理信号,执行跳合闸操作.微机差动保护整定原则：①当变压器内部发生短路故障时,应快速动作跳闸.当出现外部故障伴随很大的穿越电流时,应可靠不动作.②正常的变压器发生任何形式的励磁涌流和过激励应可靠不动作.故障的变压器空载投入时,伴随产生较大的励磁涌流,此时应可靠动作.
(三)开关量输入和输出模块
（1）开关量输入
对微机保护装置的开关量输入,在变电站、发电厂的设备中例如一个电动机或者是电动门,输入开关量就是这些设备的接通或断开状态的反馈.输出开关量就是开关这些设备的指令；就像控制继电器的开关一样.
（2）开关量输出
输出开关量就是开关这些设备的指令,主要包括保护的本地和信号,以及跳闸断路器口等.一般都采用控制小型中间继电器的方法,为提高抗干扰能力,需加屏蔽和光电隔离.
(四)人机接口单元和通信接口单元
实现人机数据交换和变压器保护数据的远程通信.
四、系统软件设计
为保证电力变压器数据的质量,对送入到单片机控制核心的信息须通过软件数字滤波,滤除其中高次谐波分量,然后数据进行相应整定计算和故障分析；在单片机中使用可变比率制动特性的差动过流算法,能很好的区分出变压器内外部故障；在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下,变压器会产生很大的励磁涌流,二次谐波分量算法的单片机应用也很好的解决了这个问题.
软件数字滤波器继电保护装置一般动作在故障发生后的最开始瞬间过程中,这时的电流、电压信号存在各种误差、高次谐波、各种暂态分量,所以要获得精确的结果,可通过单片机执行滤波和运算程序达到滤波的目的.数字滤波的算法有很多种,此系统中采用非递归型数字滤波器滤波.
图二采样数据滤波方框图
变压器内外部故障的鉴别算法鉴别变压器内外部故障是继电保护的最重要的任务,单片机微机差动保护使用智能算法有效的解决了这个问题,可变比率制动特性的差动过流算法具有独特的整定保护优势.
变压器励磁涌流的鉴别算法空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下,变压器都会产生很大的励磁涌流,涌流的存在常常导致差动保护误动.使用二次谐波分量算法,依据二次谐波电流的信号特征判断变压器的励磁涌流存在与否.
五、总结
变压器作为电力系统的重要电气设备,它的安全可靠运行关系到整个电力系统的稳定,根据电力系统被保护变压器发生故障或不正常运行时的特征差别,配置单片机微机保护以满足对电力变压器的继电保护要求,同时分析解决了变压器微机保护的干扰等问题,有效提高了微机保护装置的可靠性.