变压器微机保护装置的设计与调试

摘要 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。本文介绍35KV变压器微机保护系统，被保护变压器采用Y,d11联结组别。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，先简单叙述了微机保护的算法，然后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。关键词：变压器，差动保护，DSP，微机保护ABSTRACTTransformer is the important electrical equipment in power system, it is widely used in every link of the power system of power generation, transmission, distribution, and thus the safe operation of the whole electric power system can operate steadily and continuously. Therefore, must according to the transformer capacity and the importance of taking into account the various types of failures that may occur and not work normally, the installation of relay protection device has good performance, reliable work. The microcomputer relay protection device due to the flexibility of the system design and implement various fault judgment, obtains the universal application.Based on the summary of the microcomputer protection principle based on the transformer application, design a transformer differential protection device based on DSP. First introduces the characteristics of each chip used in the hardware design; then explains the system hardware design, mainly divided into three parts: one is the data acquisition and processing module, man-machine interface module is two, three is a data communication design of data acquisition and processing module and man-machine interface module; Second, in terms of software, computer protection briefly describes the algorithm, and then tells the story of each functional module of the software design process, including the main loop program, the interrupt subroutine and troubleshooting procedures.Keywords: transformer，differential protection， DSP ，Microcomputer protection目 录1 绪 论11.1 国内外变压器微机保护的发展11.2 论文研究的意义21.3 本文的研究内容32 变压器保护的基本原理52.1变压器的故障类型和不正常运行状态52.2 变压器应装设的保护类型62.3变压器的差动保护的基本原理72.4变压器的后备保护原理92.5小结103 变压器微机保护装置的硬件电路设计113.1 系统总体设计113.2 DSP技术概述113.3 主芯片TMS320LF2407性能简介123.4 TMS320LF2407外围电路设计153.5 数据采集模块的设计213.6 数据采集处理模块与人机接口模块的通信设计253.7 开关量输入输出电路263.8 人机接口部分的硬件设计283.9 小结294 微机保护的算法研究304.1 各种算法的性能比较304.2 全波傅立叶算法324.3 半波傅立叶算法344.4 小结345 变压器微机保护装置的软件设计355.1 主程序355.2 定时采样中断子程序365.3 故障处理程序385.4 系统软件可靠性与抗干扰设计385.5 小结426 总 结43参考文献44致 谢46附 录1 总原理图47附 录2 英文资料48附 录3 英文翻译资料561 绪 论1.1 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。微机保护相比与传统的保护装置，具有更高的可靠性、快速性和灵敏度，可更大限度的保证电力系统和变压器的安全运行，减少事故的损失。电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入新的活力，而电力系统继电保护的发展在经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型这几个阶段后，现在已经发展到了微机保护阶段。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IFMorrison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 DRockefeller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。1.2 论文研究的意义到目前为止，应用于我国电力系统变压器保护产品的CPU大多为8位或16位的单片机，它存在如下不足：(l)硬件资源及功能过于简单这些CPU基于80年代早期的技术和工艺，受结构、时钟和总线的限制，其指令功能有限，寻址空间小，运算能力弱，微机产品的优势难以充分发挥。在很多功能上(如录波、测距等)只能给出初步近似的结果，算法原理的实现上也受到一定限制。此外，电力系统自动化的进一步发展，要求保护装置具有频率、电压、电流、有功、无功、谐波分量、各序分量以及一些辅助的控制功能，正常运行条件下的安全监视等，这些都是基于常规CPU的保护产品难以胜任的。(2)开发平台不完善目前变压器保护产品在软件开发上普遍采用汇编语言。然而，由于在汇编语言的程序设计中，编程人员要全面规划内存安排、数据调度、资源分配、开入、开出管理等相关条件，与高级语言(如C语言)相比，软件开发难度大，周期长，软件结构随意性很大，因不同编程人员的习惯、思维方式不同，相关条件约束差异很大，难以移植，难以交流，难以维护。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 Processor，DSP)技术开始广泛应用于微机保护领域。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。针对目前变压器保护装置存在的一系列问题，基于DSP的变压器微机保护装置的研究具有理论和现实意义。1.3 本文的研究内容课题内容主要包括总体方案设计、保护方案硬件以及软件设计等方面。论文的具体章节安排如下：第一章分析了国内外变压器在微机保护方面的发展、论文研究意义和研究内容；第二章介绍了变压器的故障类型和相应保护的基本原理；第三章设计基于 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；第四章对微机保护的算法进行了简要的介绍；第五章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。2 变压器保护的基本原理变压器是电力系统中的一种重要的电气设备，分布于系统各不同电压阶层，它的安全可靠运行直接关系着电力系统正常供电。数字式变压器保护在硬件上与一般线路微机保护相似，但由于其结构的特殊性，因而使得用微机实现变压器保护时具有一些突出的特点。根据继电保护配置原则，变压器应装设主保护和后备保护。当主保护或有关断路器拒动时，后备保护装置应为被保护设备或相邻设备提供后备保护作用。后备保护的保护区比主保护大，动作速度较慢，一般以过电流保护为主，配以其他电气量作为辅助判据，保护要求较主保护低。下面就变压器的故障类型和各种保护原理进行论述。2.1变压器的故障类型和不正常运行状态变压器的故障，可分为短路故障和不正常运行状态两种。变压器的短路故障，按发生在变压器的内外部情况分为内部故障和外部故障。变压器的内部故障主要是指各相绕组之间发生的相间短路、绕组的线匝之间发生的匝间短路、绕组或引出线通过外壳发生的接地短路故障等。变压器的外部故障主要是指外部绝缘套管和引出线上发生相间短路和直接接地短路故障。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。这些不正常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。2.2 变压器应装设的保护类型针对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0.4MVA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主保护，对变压器后备保护进行简要概述。2.3变压器的差动保护的基本原理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。变压器差动保护适用于容量为10000kVA及以上单独运行的变压器，也适用于容量为6300kVA及以上的并列运行的变压器以及工业企业中的重要变压器。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，故该回路称为差动回路，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。2.4变压器的后备保护原理为了反映变压器外部故障引起的过电流，以及作为变压器差动保护的后备，变压器均应装设后备。根据变压器容量大小及短路电流水平，考虑到保护灵敏度的要求，变压器后备保护一般设置为复合电压启动方向过流保护、过负荷保护、变压器零序保护、PT断线问题等。复合电压启动元件是利用正序低电压和负序过电压反映系统故障防止保护误动作的对称序电压测量元件。为反映因变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流，以及在变压器内部故障时，作为差动保护和瓦斯保护的后备，采用过电流保护。同时为了提高过电流保护的灵敏度，尽可能的降低启动电流，采用复合电压启动过电流保护。在11OKV及以上中性点直接接地的电网中，接地故障的几率很大，因此对中性点直接接地电网中的变压器，在其高压侧应装设接地(零序)保护，用来反应接地故障，并用作变压器主保护的后备保护及相邻元件接地故障的后备保护。如果变压器过负荷运行时间过长，将导致变压器线圈铁心过热，势必影响绕组绝缘的寿命，因此有必要为之装设过负荷保护。变压器过负荷电流，一般情况下都是三相对称的，因此只要取变压器一次侧任一相电流进行判别即可，习惯上大都选B相电流。PT断线可能会使经方向或低电压闭锁的各段过流保护误动作，根据变压器电压等级以及各厂家的具体要求不同，其判据的定值稍有差别，但总体说来，原理基本如下：(1)正序电压小于U正定值，而且任意一相电流大于工改；(2)负序电压大于U负定值。满足上述任一条件后，延时一个PT断线告警时限定值后报PT断线报文，同时发出运行异常告替信号，待电压恢复正常后，保护也自动恢复正常在断线期间，根据整定控制字选择闭锁复压过流保护还是闭锁复合电压闭锁元件。2.5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。3 变压器微机保护装置的硬件电路设计3.1 系统总体设计此系统硬件设计是以 TMS320LF2407 为核心，为了实现更高的速度和精度， 用 ADS8364 作为外扩A/D 转换接口。此次设计采用 10M外部晶振，外扩64K RAM。预留了2个开关量的输出，以满足一定的控制功能。在模拟量输入前向通道中分别将电压信号、电流信号输入电压变换器和电流变换器，再经过信号处理电路输入到 ADS8364。芯片 MAX232 驱动 RS- 232 标准通信，实现与主机的通信。另外还有电源、键盘、液晶显示、复位等部分。保护装置硬件系统结构图如图3.1所示。图3.1 系统总体设计结构框图3.2 DSP技术概述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。它的基本结构包括：(l)哈佛结构：哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和数据存储在两个分开的空间中，因此取址和执行能完全重叠。(2)流水线操作：流水线与哈佛结构相关。DSP芯片支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠执行，这样一来可减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。(3)专用的硬件乘法器：乘法速度越快，DSP的性能越高。由于具有专用的应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。(4)特殊的DSP指令和快速的指令周期：哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计使得DSP芯片的指令周期在50ns以下。DSP同单片机比，其片内有多总线，片外的地址、数据总线分开，还有比异步串口(UART)速度高得多的同步串口或通信口，因而，数据输入/输出能力很强。DSP数据位宽、乘法器位宽也比单片机大，进行数字信号处理时不仅速度快，精度也高。DSP有大容量的片内存储器。正是因为这些性能优点，使得DSP芯片广泛应用于自动控制、信息处理、通信以及仪器仪表等领域，并且随着DSP处理速度和性能的不断提高，以及成本价格的大幅度下降，DSP的应用范围还将不断扩大。3.3 主芯片TMS320LF2407性能简介目前，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。本装置中使用的DSP芯片TMS320LF2407是TMS320LF240x系列的一种，TMS320LF240x系列是美国德州仪器公司(TI)推出的高速、高性价比、低功耗的16位定点DSP，它具有处理性能更好、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等优点，是为满足控制应用而设计的。240x系列DSP包含多种芯片，可提供不同容量存储器和不同外设，以满足各种应用的要求，例如TMS320LF2407片内有高达32K字的Flash存储器，为多种用途的产品提供了经济的可编程解决方案。同时多达40个通用、双向的数字I/O端口(GPIO)也是变压器保护装置选用TMS320LF2407作CPU的一个重要原因，通过配置这些数字I/O端口输入或输出来直接与外部进行信息交换，可大大省去扩展I/O口的元器件。以保护装置为例，开入开出量在经过光电隔离后可直接接到DSP芯片的I/O端口，从而省去了用并行I/O接口芯片8255来扩展I/O口，同时也提高了保护装置开入开出的可靠性。TMS320LF2407芯片引脚图如3.2所示。图3.2 TMS320LF2407芯片引脚图TMS320LF2407芯片的主要参数如下：(1)工作温度范围：-40C到+125C(2)接口类型：CAN，SCI，SPI(3)电源电压：3.3V(4)频率：40MHZTMS320LF240x系列的主要特点：(1)采用高性能静态CM0S技术，使供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度将指令周期缩短为33ns(30MHZ)，从而提高了控制器的实时控制能力。(2)片内有高达32K字的Flash程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM和2K字的单口RAM。可扩展的外部存储器(LF2407)总共192K字空间；64K字程序存储器空间；64K字数据存储器空间；64K字I/O寻址空间。(3)两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制(PWM)通道。(4)高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。其中大多数的引脚都是基本功能和一般I/O功能复用的引脚，通过9个16位控制寄存器的软件设置，来配置这些引脚的功能并读取其状态和输出特定的数据。(5)控制器局域网络(CAN)2.0B模块；串行通信接口(SCI)模块；16位的串行外设接口(SPI)模块。(6)5个外部中断(两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。TMS320LF2407除了具有TMS320LF240x系列DSP芯片的上述所有突出特点外，还提供有C编译器，可支持通用C语言编写程序。在本装置的软件开发过程中就主要是采用C语言，这是因为一方面C语言具有良好的模块化，易于维护和移植；另一方面，在利用定点DSP研制保护装置，运算时可能会产生数据溢出，例如两个整型量(int型)相加，其和的范围就有可能超过int型量的范围而溢出，而采用C语言开发编写保护算法程序可以解决这一问题，就以上面的两个整型相加为例，在其相加和有可能溢出时，可将其和的变量类型定义成长整型(long型)，这样一来就可以完全避免数据溢出。正是基于TMS320LF2407的上述特点，本微机保护装置选用这种DSP芯片来作装置的核心控制器和数字信号处理器，以完成装置的保护功能。3.4 TMS320LF2407外围电路设计3.4.1 外扩存储器的选择与电路对于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64K16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。外部存储器CY7C1021的电路如图3.3所示。图3.3 CY7C1021外部存储器电路图3.4.2 电源模块系统电源设计对于一个系统的稳定运行至关重要，在变压器微机保护装置的应用中，一般只有220V或者380V强电电压，在本保护的设计中用到+5V电源和+3.3V电源，所以需要将强电电压转换为保护装置所用的弱电电压。在这一过程中，我们选用了W7805稳压器将220V的相电压通过转换成+5V电压，如图3.4所示。图3.4 +5V电源电路图3.4的设计中的滤波电路采用电解电容，选用电解电容是因为电解电容单位体积的电容量非常大，能比其他种类的电容大几十到数百倍，并且其额定容量可以做到非常大，价格比其他种类相比具有相当大的优势。三极管的作用扩大输出电流，二极管D4则是用于消除三极管的UBE对输出电压的影响。在DSP芯片内部一般有5种典型电源：CPU核电源、I/O电源、PLL(Phase Locked Loop)电源、Flash编程电源和模拟电路电源(其中后2种仅C2000系列有)。这几种电源在设计时都要由各自的电源供电，并且模拟和数字电路要独立供电，数字地与模拟地要分开，单点连接。模拟电源一般由（有噪声的）数字电源产生，主要有2种产生方式：一种是数字电源与模拟电源以及数字地与模拟地之间加铁氧体磁珠(ferrite bead)或电感构成无源滤波电路，如图3.5（a）所示，这种方式结构简单，能满足大多数应用的要求；另一种是采用多路稳压器的方法，如图3.5(b)所示，该方法能提供更好的去耦效果，但电路复杂，成本高，使用时应注意模拟地和数字地必须不能连在一起。通常每个电源引脚要加1个10100nF的旁路电容，以起电荷池的作用，平滑电源的波动，减少电源上的噪声。一般旁路电容采用瓷片电容。DSP都有多个接地引脚，且每个引脚都要单独接地，因此应尽可能地减少负载数量。图3.5 模拟电源产生方法TMS320LF2407 采用3.3V 供电，减小了芯片功耗，但常用直流电源为 5V，因此必须考虑电平转换问题。TPS7333Q是一款电压转换芯片，它的输出电压为3.3V，其特点如下：1、 TPS7333Q克服了常规LDO稳压器的弊端，它具有非常低的静态电流，即使对于变化较大的负载，静态电流可以保持稳定。2、 具有关断特性。3、 具有输入输出电容的选择。用TPS7333Q进行5V到3.3V电压的转换作为DSP供电电源的电路图设计如图3.6所示。图3.6 TPS7333Q进行3.3V电压的转换电路图3.4.3 复位电路DSP的复位电路，主要由MAX706及其相应的控制电路组成。虽然TMS320LF2407本身带有看门狗定时器模块，但是该看门狗定时器在一定条件下可以禁止，这样一来无法保证在软件进入死循环或DSP发生暂时混乱时，能有效地实现装置的复位功能，因而专门增加了一个复位电路。MAX706是美国MAXIM公司推出的微处理器/单片机系统监控集成电路，具有复位、看门狗定时输出、电源电压监测等多种功能。复位电路图如3.7所示，当VCC低于复位门限时，MAX706的/RESET引脚为低电平，与TMS320LF2407的/RESET脚相连后就能使整个系统复位，完成低电压监测的功能。除了电压低能使/RESET引脚输出低电平外，当在/MR引脚上加一个宽度不小于140ms的低电平，且不论其是否回到高电平都能在/RESET脚上输出宽度不小于200ms的负脉冲，使系统进入复位状态。在本装置的复位电路中，/MR脚与面板上的/RESET按键相连，当闭合复位按键时，/MR脚为低电平，即完成手动复位的功能。此外，把/MR与/WDO两个引脚连接在一起，如果在1.6s的时间内微机不触发看门狗输入脚WDI，且该脚不处于悬空状态，则引脚/WDO将输出低电平，/MR脚亦为低电平，从而使/RESET脚输出低电平，达到使系统复位的目的。触发看门狗的方法是在WDI引脚上加一个正脉冲，如果两次正脉冲的时间间隔不大于1.6s，则/WDO引脚永远为高电平，说明微机程序执行正常，一旦干扰信号改变了程序计数器的内容引起微机程序跑飞，就不可能按时在WDI引脚上输入正脉冲，系统便会自动复位。图3.7 复位电路连接图3.4.4 时钟电路时钟电路设计原则之一就是尽量使用DSP片内的PLL，降低片外时钟频率，提高系统的稳定性。C240x 系列 DSP 利用挂接在片内外设总线上的锁相环时钟模块(PLL) 合成系统需要的各种时钟信号(CPU 时钟、系统时钟、模拟时钟和看门狗时钟)。如图3.8所示，外部时钟信号由 10MHz 晶振提供，通过系统控制和状态寄存器(SCSR1)设置倍频因子后，LF2407 DSP 以最大时钟频率工作。时钟电路一般由晶体振荡器、晶振控制芯片和电容组成。其中，匹配电容C1，C2要根据石英晶体振荡器的要求选取，一般选用20-30pF的瓷片电容。晶振、负载电容、PLL滤波器等应尽可能地靠近时钟器件，在靠近时钟输出引脚的地方要串接1050电阻以减小输出电流，限制地弹效应，提高时钟波形的质量。图3.8 时钟电路3.4.5 JTAG电路JTAG是 JOINT TEST ACTION GROUP 的简称，JTAG接口用于连接DSP系统板和仿真器，实现仿真器DSP访问，JTAG的接口必须和仿真器的接口一致，否则将无法连接上仿真器。其连接图如图3.9所示。图3.9 JTAG电路连接图3.5 数据采集模块的设计3.5.1 AD芯片的选择及电路设计A/D 转换是控制系统中的必备重要环节，其转换精度决定了整个控制系统性能的优劣，虽然LF2407 内置10位高速A/D模块，但该模块存在以下缺点：只能接收03.3V的单极性信号输入，对于交流信号需要另外设计限幅抬压电路；同一排序器内各通道串扰严重；10位的转换精度难以满足高性能系统的要求，采用TI公司提供的高速芯片ADS8364 作为外部模数转换器，与LF2407 两者在速度上能够完全匹配，实现芯片间的无缝连接。AD8364 是 TI 公司推出的专为高速同步数据采集系统设计的高速、低功耗、6 通道同步采样的 16位 A/D 转换芯片。它由独立的 5V 的模拟电源AVDD 和数字电源 DVDD供电，转换结果通过内置的输出缓冲电路送出。此输出缓冲电路可由 DVDD 驱动，或者通过独立的BVDD 驱动。BVDD 的范围较宽为2.7V5.5V，这使得存在多种电源环境时，可以灵活配置。它有六个完全相同的采样保持电路，分成 A、B、C 组，每组包括2 个通道，每组都由 1 个 HOLD 引脚控制。在REFIN和REFOUT引脚内置2.5V 的参考电压，可作为模拟量输入前向通道中电压极性转换和电平平移电路的基准。ADS8364 可从外部引入最大 5MHz 的时钟频率，此时采样时间是0.8s， 转换时间只有3.2s，A/D 的最大采样率达250K，要达到此值，可在下一次转换开始时读取上一次的转换结果。TMS320LF2407 与 ADS8364 的接口电路如图3.10所示。图3.10 TMS320LF2407 与 ADS8364 的接口电路(1)AD缓冲区供电电压的选择ADS8364的内部输出缓冲器供电电压BVDD能够十分灵活地配置，此次设计中，3.3 V电源同时供电给DSP和ADS8364的内部输出缓冲器，所以二者接口无需电平转换，BVDD直接和VDD相连。(2)AD片选信号的设置DSP的外部I/O空间选通引脚IS，总保持为高电平，除非选通外部的I/O空间，所以，将它和地址线A15一起选通A/D的片选信号CS；读有效/RD直接和A/D芯片的RD相连。(3)同步采样的控制电力系统中，如果只要求计算模拟量的有效值，而不要求计算相位，那么即使对三相电压和三相电流不能实现同时采样，但基本上也能达到测量精度要求。但在某些情况下，对“同步”的要求就比较苛刻，例如计算三相电压之间、三相电流之间或电压与电流之间的相位差时，就必须保证三相电压、三相电流是同时采样。为了达到此项要求，选择了具有6个输入通道的ADS8364。为了实现 ADS8364 六个模拟量输入通道的同步采样，ADS8364 的A、B、C 三组启动控制信号 HOLDA、HOLDB 和 HOLDC由 LF2407的同一 I/O 引脚控制，这样只要 LF2407 使该引脚有效就可以同时启动ADS8364 的六个通道，从而实现六通道的同步采样。(4)DSP的复用引脚XINTl/IOPA2用作XINT1功能，它由A/D的EOC引脚引起中断，在相应的中断服务子程序中，顺序读取AD的转换结果。ADS8364 的 BYTE 和 ADD 引脚都接地，因此选择16 位数据输出方式，并且对每个通道转换结果的读取通过地址线 A2、A1、A0 来选择。ADS8364 的时钟信号由 LF2407 的定时器 4 的周期 PWM 输出信号 T4PWM 提供，频率为 4MHz。在 DSP 复位时，A/D 也复位。3.5.2 信号调理电路ADS8364芯片输入的模拟信号是双极性全差分信号，输入动态范围是0V-5V，对于不符合这个输入范围的信号，需要改变前端放大电路放大系数进行幅度调制。ADS8364内部提供了2.5V参考电压作为前端放大电路的参考输入，简化了前端放大电路的设计。由于ADS8364模拟输入是双极性全差分信号，又提供2.5V的参考电压输出，因此对于单端信号输入（在多数情况下，实际需要测量的都是单端信号，全差分信号一般出现在传输需要抗共模干扰的场合）的情况，只需要将其中一个输入端通过驱动电路连接到2.5V的参考端即可。ADS8364待转换的模拟输入电压范围应保持在AGND-0.3 V和AVDD+0.3 V之间。图3.11 ADS8364 前端输入信号调理电路电路中使用了两个运放单元，用做跟随器，用来缓冲 ADS8364 输出的2.5V（其输出能力仅为 10）基准电压。3.6 数据采集处理模块与人机接口模块的通信设计数据采集处理模块与人机接口模块的连接如图3.12所示。保护装置安装在变压器现场后，一般不需要人员对其操作，直接由DSP完成保护参数的采集以及保护逻辑判断，只有在安装检修及远程操作时需要人员对其进行调试和控制操作，因此数据采集处理模块与人机接口模块之间的通信较少，采用符合 RS-232 标准的驱动芯片MAX232 进行串行通讯。RS-232是美国EIA在1969年制定的一种串行总线的物理接口标准，这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性、机械特性等都作了明确的规定，无论是数据终端备DTE(Data Terminal Equipment)，还是数据通信设备DCE(Data Communication Equipment)都必须遵循这一规定。RS-232标准总线为25线，但实际应用中常用其简化了的9线接口，也可采用3线(地线SG、发送线TXD、接收线RXD)传送方式。TMS320LF24O7 DSP内有串行通信接口SCI模块，它支持DSP与其它使用标准格式的异步外设之间的数字通信。SCI接收器和发送器是双缓冲的，两者都可以独立工作，或者在全双工的方式下同时工作。TMS32OLF2407的SCI模块主要靠SCITXD和SCIRXD这两个外部引脚来完成数据的发送和接收工作。采用MAX232作为驱动器件进行串行通信。由于TMS320LF2407采用+3.3 V电源电压供电，所以TMS320LF2407与MAX232之间需要进行电平转换，采用6N137低速光耦隔离器件进行光电隔离和电平转换控制。如图3.12（a）所示。图3.12 数据采集处理模块与人机接口模块的串行通信接口电路图3.7 开关量输入输出电路3.7.1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。开关量输入电路原理图如图3.13所示。图3.13开关量输入电路原理图如图3.13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。开关量经过光电隔离后,直接接到DSP的I/O口。3.7.2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。开关量输出原理图如图3.14所示。图3.14开关量输出原理图如图3.14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。3.8 人机接口部分的硬件设计3.8.1 键盘电路本装置采用简易的小键盘输入，共有7个按键，分别是复位键、取消键、确认键以及上、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3.15所示为键盘接口电路原理图。七个按键分别连到 DSP 的 I/O 口，并且外接上拉电阻来防止误动。图3.15 键盘电路3.8.2液晶显示电路 液晶显示器采用内藏 T6963C 控制驱动器图形液晶显示模块。T6963C 是大规模点阵式图形液晶显示控制器，通过 8 位并行数据总线和一组控制总线进行指令和数据传递。T6963C控制器的最大特点具是有硬件初始值设置功能，显示驱动所需的参数。T6963C不仅具备基本的文本显示功能和图形显示功能，而且还具备文本属性显示功能，这是T6963C独特的功能。液晶显示电路结构如图3.16 所示。图3.16 液晶显示器接口电路3.9 小结本章中主要选用TI公司的TMS320F2407的DSP对保护装置进行了简单设计，首先对保护装置的整体进行设计，然后设计了数据采集模块、开关量输入输出电路，最后对人机接口部分硬件以及数据采集模块和人机接口的通信进行了设计。该设计系统能够进行保护的数据处理，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。4 微机保护的算法研究微机保护装置将连续型的电流、电压输入信号经过离散采样和模数变换转换成为可用于计算机处理的数字量，对采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法称为算法。算法是微机继电保护研究的重点之一。算法所研究的主要问题有两点：一是算法的计算精度，二是算法所用的数据窗。所谓算法的计算精度是指用离散的采样点计算出的结果与信号的实际值的逼近程度。如果精度低，则说明计算结果的准确度差，这将直接影响保护的正确判断。算法所用的数据窗直接影响保护的动作速度。因为电力系统继电保护应在故障后迅速作出动作与否的判断，而要作出正确的判断必须用故障后的数据。一个算法采用故障后的多少采样点才能计算出正确的结果，这就是算法的数据窗。显然，精度和数据窗之间存在矛盾。所以算法研究的实质是如何在算法的计算精度和计算速度之间取得合理的平衡。本节就常用的算法和本装置用到的保护算法作简要的介绍。4.1 各种算法的性能比较常用的交流采样算法大体可分为：正弦函数模型算法、周期函数模型算法和随机函数模型算法三大类，以下对各种算法的性能进行比较。分类正弦函数模型算法周期函数模型算法随机函数模型算法两点90法三点采样法半周积分半波傅氏全波傅氏最小二乘法滤波卡尔曼滤波数据窗T/4采样间隔要求精确2T采样时要求简单10ms数据窗长T/2半个周期T一个周期滤波性能好，精度高，但系数难以确定，常采用某一固定的常系数消除该非线性特性的非周期分量。对高频随机信号的抑制能力更强，但需了解噪声的统计参数，由于电力系统结构不同，常十分难于了解。滤波无滤波受直流影响大对三次谐波敏感，能滤除直流分量能滤除高频分量，不能抑制直流分量不能滤除偶次谐波和直流分量能滤除恒定的直流分量和2、3、5等高次谐波，不能滤除衰减的非周期分量总结要求被采样的电压和电流是纯正弦变化，数据窗短，运算速度快、精度差。精度高，计算量适中，只是数据窗长，对非周期分量抑制能力差。符合实际信号特点，精度高，对非周期分量抑制能力强，数据窗长，运算量大。表4.1 各种算法的性能比较（对工频交流电而言，T=20ms）通过上述算法的性能比较可知，正弦函数模型算法的局限性是要求采样的波形为正弦波，而实际的电力系统在故障状态下输入量是直流分量、基波和各高次谐波的合成量，并不是纯正弦函数。因此，若采用正弦函数模型算法，则要求预先进行严格的滤波，滤波和算法总的计算时间和计算容量比较大。微机保护中常用的周期函数模型算法包括全波傅氏算法和半波傅氏算法，傅氏算法(即傅立叶变换)就是将周期函数分解为正弦和余弦分量，最适合计算基波分量和倍频分量。傅氏算法精度高、滤波效果好、计算量适中，只是数据窗长，对非周期分量抑制能力差。但本系统硬件采用具有快速处理能力的TMS320LF24O7芯片作为核心CPU，能够快速确定故障，并在25ms以内可以判断是否跳闸，对于变压器保护已经达到了很高的响应速度，能满足要求。傅氏算法可以计算周期性的时间函数，还可以算出初相位角，其积分计算结果同样具有数字滤波功能。变压器在故障时，其电流电压的波形畸变较大，不能将他们看成50Hz的正弦函数，所以在本装置中采用傅氏算法求解可以获得工程上满意的结果。傅立叶算法主要有全波傅立叶变换算法、半波傅立叶变换算法和快速傅立叶变换（FFT）算法等。这里主要简述了全波傅立叶变换算法和半波傅立叶变换算法。4.2 全波傅立叶算法傅立叶算法的基本思想源于傅立叶级数，其本身有滤波作用。假设被采样的模拟量信号是一个周期性的时间函数，可以是正弦函数，也可以是含有多种谐波成分的非正弦函数，根据傅立叶级数的概念，可将此周期函数分解为恒定的直流分量和各种高次谐波分量。其表达式为 （4-1）式中，为谐波次数，n=1,2,3，分别为各次谐波正弦项和余弦项的幅值。由于各次谐波的相位是任意的，所以把它们定义为分解成任意振幅的正弦项和余弦项之和。分别为其波分量的正、余弦项的幅值，为直流分量的值。 根据傅立叶级数的原理，可以求出分别为 （4-2） （4-3）在用计算机计算时，通常都是采用有限项方法算得，即将用各采样点数值代入，通过梯形法求和代替积分法。考虑到时式（4-2）和（4-3）可表示为 （4-4） （4-5）式中，为一周期采样点数；为第次采样值；为和时的采样值。将式（4-4）和式（4-5）改为下列表达式即可求得任意次谐波的振幅和相位，即 （4-6） （4-7）全波傅立叶算法可以达到较为理想的滤波目的，不但能滤除所有整次谐波分量和恒定的直流分量，也能较好地滤除线路分布电容引起的高频分量。但对于短路电流中含有按指数衰减的非周期分量，由于它具有很宽的连续频谱，在低频段密度最大，傅立叶算法在这种情况下计算误差较大；另外，由于它要求输入信号为周期函数，所以非周期函数的输入将会产生一定的误差。因此，傅立叶算法对滤除衰减的直流分量、非整次谐波却不够精确。4.3 半波傅立叶算法全波傅立叶算法的滤波效果是比较好的，但是数据窗需要一个周波，半波傅立叶算法将数据窗缩短到半个周波加一个采样周期。此时，信号工频分量的余弦系数和正弦系数分别只是在系数和采样点的数量上发生了变化。半周波傅立叶算法的计算和推导过程与全周波傅立叶算法相似，计算式子如下: （4-8） （4-9）从精度来看，由于半波傅立叶算法的数据窗只有半周，不能滤除偶次谐波和直流分量，其中，直流分量的影响主要体现在对虚部的影响，其精度要比全波傅立叶算法差。但是，发生故障后，半波算法在半周后即可计算出真值，响应速度快；而全波算法只有在故障发生一周后才能计算出真值，响应速度慢。4.4 小结本章对微机保护的算法进行了简单的介绍，对正弦函数模型、随机函数模型和周期函数模型算法的性能进行了比较，通过比较发现采用傅氏算法能更好的实现变压器保护的准确性与快速性。5 变压器微机保护装置的软件设计