基于ARM+DSP下變壓器智能化保護的研究

徐明虎

(國網遼寧省電力有限公司技能培訓中心，遼寧 錦州 121000)

隨著世界經濟水平的提升，電能在日常生活與工業生產中的作用日益增強，電壓等級也越來越高。在各國堅定信心迫切要求“低碳環保、經濟高效、綠色發展”的今天，智能電網的建設迫在眉睫。智能電網的發展包括了電力系統中的發電、輸電、變電、配電、用電及調度6個環節，而作為電力系統的核心環節就是變電環節，智能變電站起到傳輸能量與變換電壓等級的關鍵作用。變壓器作為變電站最重要的元件，一旦出現了故障，就會給整個電力系統、社會發展和人民生活帶來巨大的損失。所以保護變壓器的穩定運行是運行人員最重要的任務。

為了滿足電網智能化發展要求和電力系統穩定運行，對電力系統的第一道防線——微機保護裝置在硬件和軟件上也提出了越來越高的要求。不僅要求微機保護裝置完成保護功能，而且需要微機保護系統具有很強的實時性、可靠性、擴展性、更強的網絡通信能力及強大的人機交互功能。根據IEC 61850規約的要求[1]，處于中間層的保護裝置不僅要接收過程層的電流、電壓互感器的采樣值及斷路器開關量的采樣等，還要接收站控層下達的控制命令，以達到對一次設備的控制。綜上所述，研究新型的變壓器微機繼電保護應用于現代電網勢在必行。

1 變壓器保護基本理論

根據變壓器可能出現的故障類型設定變壓器保護類型，按變壓器故障發生地點將變壓器故障類型分為內部故障和外部故障兩類。內部故障主要是油箱內部各相繞組短路或單相繞組部分匝間短路、鐵芯損壞等原因引起；外部故障主要是油箱外部外出線各相之間或單相接地引起的故障。其中內部故障的危害比外部故障危害性大，嚴重時會引起整個變壓器的爆炸。

1.1 變壓器的主保護

變壓器的主保護主要為差動保護與瓦斯保護，其中差動保護又分為比率差動保護、差動速斷保護等，瓦斯保護又包括重瓦斯與輕瓦斯保護。下面以最常用的復式比率差動保護為例講述主變壓器主保護原理[2]。

差動保護的動作原理根據基爾霍夫電流定理，計算變壓器各側電流的相量和。變壓器正常運行時或者變壓器區外發生故障時，變壓器各側電流相量和很小，理想情況為零，一旦變壓器內發生故障時，則各側電流相量和就會變大，大電流流入電流繼電器，繼電器動作將故障切除。復式比率差動保護在差動保護原理的基礎上為了增加保護的靈敏度，增加了動作電流的制動量，并且該制動量中還跟隨差動量的變化。

復式比率差動保護中差動電流為

(1)

復式比率差動保護制動電流為

(2)

根據差動動作原理可知復式比率差動動作方程為

(3)

式中：Iopmin為差動元件的啟動電流，按躲過正常運行時的最大不平衡電流整定；Kr1為比率制動系數，按躲過變壓器區外故障時產生的最大不平衡電流來整定。

1.2 變壓器的后備保護

作為變壓器的后備保護是在主保護拒動或出現故障時，防止故障擴張而設置的保護。主變壓器的后備保護有多種，下面以復合電壓過流保護為例講述變壓器的后備保護[3]。復合電壓過流保護邏輯框圖如圖1所示。

圖1 復合電壓過流保護邏輯框圖

復合電壓過流保護包括復合電壓元件和過流保護元件，兩者進行“與”運算來控制保護的動作。復合電壓元件包括負序過壓和正序低電壓元件。系統出現不對稱故障時，會出現負序電壓，系統出現對稱故障時正序電壓會急劇降低。當兩者滿足任意一條件時，復合電壓元件都會動作。

U1

(4)

U2>U2set

(5)

式中：U1為正序電壓；U2為負序電壓；Uset為正序電壓整定值；U2set為負序電壓整定值。

在滿足復合電壓啟動的前提下，只要A、B、C三相中任一相電流滿足過電流啟動條件，則復合電壓過流保護就會動作。

2 變壓器保護裝置總體方案設計

為了滿足智能變電站中SMV信息、GOOSE信息大數據量的高速傳輸，站控層、間隔層、過程層信息實時共享，變壓器保護裝置采用雙CPU結構，一為數據處理能力極強的DSP，另一為控制能力極強的ARM，提高了運算速度，并加強了網絡處理能力。

2.1 保護裝置硬件整體框架

IEC 61850規約是智能變電站的基礎和根本[4]，在該規約的通信環境中各個廠家的電氣設備輕松實現互聯、信息共享，為變電站實現數據實時傳輸奠定基礎，也為微機繼電保護硬件系統提出更高的性能要求。本文研究設計的微機繼電保護系統的硬件平臺采用了雙CPU結構，增強了裝置的運算及控制能力。一種是采用具有強大數字信號處理能力和運算能力的DSP芯片，很好地滿足了微機保護中運算量大和采樣精度高的要求，從而滿足現代電網中數據處理的快速性和實時性。另一種是具有豐富接口與超強控制能力的ARM處理器，為保護信息的傳輸提供了多個輸入輸出接口以及人機交互界面。

本課題所設計的變壓器微機繼電保護裝置的硬件平臺采用模塊化設計，根據每一模塊完成的功能、作用，變壓器微機保護裝置主要分為DSP+ARM構成的CPU模塊、獲得模擬信號、數字信號的數據采集模塊、完成開關量輸出的光電隔離模塊、方便人工操作的人機接口模塊、電源模塊、完成內外信息傳遞的通信接口模塊等。系統的整體框架如圖2所示。

圖2 變壓器微機保護的整體框架

2.2 保護裝置軟件設計

硬件是保護裝置傳遞信息的載體，而軟件則決定其動作特性和規律。微機保護的軟件系統就是整個繼電保護的神經元，提供了對采集數據進行分析、運算和判斷的功能，最終實現了各種保護的正確動作。該保護裝置程序軟件的結構采用模塊設計，主要包括ARM與DSP兩大軟件體系。其中，ARM負責人機交互、調度、故障錄波、向DSP傳達相應的控制命令；DSP負責采樣控制、故障判別、保護執行、協調接收到ARM傳輸的控制命令等[5]。下面以核心元件DSP的軟件設計為例，描述該保護的動作流程。

根據硬件平臺中DSP模塊的功能及設計要求，DSP軟件系統包括自身程序的初始化與自檢程序，數據采集模塊接收程序、數據處理程序、故障判定程序、故障處理程序以及與雙口ARM數據通信程序。其主程序的工作流程如圖3所示。

圖3 DSP芯片中的主程序流程

DSP芯片中的保護判定程序首先計算差動速斷保護動作條件，如果計算結果符合差動動作數值，則跳閘，并傳輸信號、顯示狀態。如果計算結果不滿足差動保護的動作數值，再計算比較差動電流Id與最小動作電流Iop0，若Id

圖4 保護判斷流程

2.3 動態時間彎曲算法

算法是微機保護的核心問題之一，決定著繼電保護基本四性優劣[6]，是權衡保護運算速度與精度的重要基準。保護算法可以分成2類：一類是直接由采樣值經過某種運算，求出被測信號的實際值，再與定值比較；另一類算法是依據繼電器的動作方程，將采樣值代入動作方程，轉換為運算式的判斷。目前微機保護廣泛應用第2種方法作為自身的算法。而智能變電站中的保護是把這些保護原理用軟件編程的方法來實現。

本課題變壓器保護所用的算法是動態時間彎曲算法(DTW)。該算法是一種柔性模式匹配算法，能夠通過將時間軸拉長或縮短，對存在全局或局部擴展、壓縮或變形(如保護中的不同步情況)的相同時間長度或不同時間長度的序列進行匹配，計算出兩側時間序列的最短距離。而變壓器差動主保護就是采集變壓器兩側數據進行對比，以此來判斷變壓器內部是否發生故障。這樣通過動態時間彎曲算法可以迅速找出最短距離，進而在第一時間找出變壓器兩側的電流差流，判定是否為故障狀態。

3 保護裝置性能分析

3.1 數據采樣分析

對于整個微機保護系統來說，數據采集最為重要[7]，只有準確地完成被測對象電量參數的采樣，才能保證微機保護系統做出正確的邏輯判斷。為保證測量精度，在測量前對裝置模擬通道進行了測試及比例系數調整。將12 路模擬量輸入通道接地，調整零漂，在要使用的通道上加57.74 V電壓與5 A電流，如表1所示。保護裝置采樣頻率也是影響采樣精度的重要因素，表2為保護裝置頻率測驗情況。

表1 模擬通道交流量測驗情況

表2 頻率測驗表情況 單位：Hz

由上述結果可以看出，本系統對電壓電流有效值具有較高的精度，由此推算出來的有功功率、無功功率、功率因數同樣具有較高的精度。

3.2 變壓器匝間短路故障試驗數據

變壓器常出現的故障類型中，單相接地故障占到總接地故障數量的70%[8]，為此在變壓器滿載條件下，以高壓側單相接地故障為例，驗證該課題設計的變壓器保護裝置的實用性與正確性。表3所示為變壓器區內高壓側A相單相故障類型的試驗報告，其對應的錄波為圖5。

表3 區內高壓側單相故障報告

圖5 高壓側A相故障錄波

4 結束語

本文講述了智能變電站的發展現狀以及傳統保護智能化改造的必要性；詳細闡述了變壓器保護的保護原理：主保護與后備保護。設計了一種適合智能化變電站發展的變壓器保護，詳細分解了保護的內部結構以及使用的軟件結構設計，在保護算法上利用了動態時間彎曲算法，該方法可以得出兩點之間最近的距離，適合變壓器保護中主保護的差動保護原理。最后通過詳細的軟件設計和硬件設計結合成裝置測試驗證相關工作的效果。結果表明：該研究課題能夠滿足運行需要，且在電力系統中表現良好。