基于DSP的變壓器保護(hù)跳閘邏輯測試儀的研究

黃凱 王哲 劉慧 劉彬

摘 要：本文基于DSP（數(shù)字信號處理器）研發(fā)了一種變壓器保護(hù)跳閘邏輯的測試裝置，解決傳統(tǒng)測試方法中存在的耗時(shí)、費(fèi)力和準(zhǔn)確性低的問題。設(shè)計(jì)以信號開入檢測回路為主拓?fù)洌瑪U(kuò)展數(shù)碼管顯示及LED指示電路，提出裝置的觸發(fā)啟動(dòng)計(jì)時(shí)，捕捉到脈沖信號停止計(jì)時(shí)的控制策略。通過現(xiàn)場驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了安全、可靠、直觀、高效地對變壓器保護(hù)跳閘邏輯進(jìn)行測試。

關(guān)鍵詞：變壓器；繼電保護(hù)；跳閘邏輯；數(shù)字信號處理器

中圖分類號：TN301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1003-5168（2018）19-0034-04

Research on the Tripping Logic of Transformer

Protection detector Based on DSP

HUANG Kai WANG Zhe LIU Hui LIU Bin

（State Grid Power Supply Company of Zhengzhou， Zheng zhou Henan 450000）

Abstract： In this paper， based on DSP （digital signal processor）， a test device for transformer protection trip logic was developed， to solve the problem of time-consuming， laborious and low accuracy in the traditional test method. The design took the signal as the main topology， expanded the digital tube display and the LED indicator circuit， put forward the trigger timing of the device， and capture the control strategy of stopping the timing of the pulse signal. Through field verification， a safe， reliable， intuitive and efficient transformer protection trip logic was tested.

Keywords： transformer；relay protection；tripping logic；digital signal processor

變壓器作為電網(wǎng)最重要的電源支撐設(shè)備，為保證其安全、可靠運(yùn)行，配備了多種類型的保護(hù)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，變壓器保護(hù)裝置依據(jù)不同的故障類型，按一定順序跳開相應(yīng)的斷路器，進(jìn)行故障隔離，這個(gè)跳閘順序就是變壓器保護(hù)跳閘邏輯。為確保跳閘邏輯的正確性，繼電保護(hù)專業(yè)人員須針對不同類型的保護(hù)進(jìn)行逐項(xiàng)測試。

目前，跳閘邏輯測試大多沿用傳統(tǒng)的萬用表法，專業(yè)人員使用萬用表逐一測量每個(gè)邏輯接點(diǎn)，過程煩瑣，準(zhǔn)確性低且測試結(jié)果不直觀。學(xué)者楊博濤[1]提出采用模擬電路測試跳閘邏輯的方法，有效提高了測試效率及準(zhǔn)確性，但輸入檢測回路為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電的有效隔離，且測試時(shí)間精度只達(dá)到20ms，相對于保護(hù)裝置的跳閘時(shí)間精度偏大。

本文基于數(shù)字信號處理器STM32F407IGT6研究開發(fā)了一種變壓器保護(hù)跳閘邏輯的測試裝置，不僅解決了傳統(tǒng)測試方法中存在的耗時(shí)、費(fèi)力、準(zhǔn)確性低的問題，而且實(shí)現(xiàn)了裝置與外界的電氣隔離，安全可靠。基于功能需求，首先設(shè)計(jì)了雙光電隔離的信號開入檢測回路；其次提出了裝置的控制策略：觸發(fā)STM32F407IGT6中斷啟動(dòng)計(jì)時(shí)，檢測到信號開入停止計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)精確到微秒級，由數(shù)碼管顯示跳閘時(shí)間且LED指示對應(yīng)開入回路，清晰顯示跳閘邏輯結(jié)果；最后對裝置進(jìn)行了物理實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場測試，驗(yàn)證了裝置的功能及性能，實(shí)現(xiàn)了安全、可靠、精確、高效地對變壓器保護(hù)跳閘邏輯的測試[2]。

1 雙光電隔離的信號開入檢測回路

為防止裝置與外界互相產(chǎn)生電磁干擾，信號開入回路采用兩級光耦實(shí)現(xiàn)電信號到光信號的雙隔離，信號檢測回路如圖1所示。第一級光耦實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電的隔離，大大降低了強(qiáng)電（DC 220V/110V）對裝置的干擾，以及可能對裝置的損壞；第二級光耦再次進(jìn)行光電信號的隔離，進(jìn)一步降低環(huán)境中電磁干擾對本裝置的影響，大大增強(qiáng)了裝置的抗干擾能力[3]。

開入回路中并聯(lián)壓敏電阻，防止高電壓對裝置造成損壞，起到保護(hù)作用；串聯(lián)穩(wěn)壓二極管，正常工作狀態(tài)下兩端電壓為其額定值，降低開入回路中限流電阻兩端的電壓，降低功耗，因此可選用小功率電阻，節(jié)省電路板的面積，進(jìn)而增強(qiáng)裝置的電磁兼容性。結(jié)合220kV變電站典型主接線，并考慮可擴(kuò)展性，開入信號檢測回路設(shè)計(jì)為15個(gè)通道。

2 控制策略

為實(shí)現(xiàn)本裝置可靠、精確地測試變壓器保護(hù)跳閘邏輯及程序的可移植性，系統(tǒng)軟件涉及四個(gè)模塊：①開機(jī)自檢子程序；②脈沖信號捕捉子程序；③定時(shí)器中斷子程序；④顯示子程序。其中，系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示，系統(tǒng)運(yùn)行首先進(jìn)行開機(jī)自檢，正常后才進(jìn)行跳閘邏輯檢測。

2.1 開機(jī)自檢子程序

開機(jī)自檢子程序是確保跳閘邏輯測試儀正常工作的前提。開機(jī)首先進(jìn)行軟件自檢，確保程序運(yùn)行正常；然后，由程序控制進(jìn)行電路板硬件檢測，主要為數(shù)碼管和LED工況的檢測，程序流程如圖3所示。

2.2 脈沖信號捕捉子程序

脈沖信號捕捉子程序，一方面檢測繼電保護(hù)測試儀發(fā)出的故障跳變命令，觸發(fā)跳閘邏輯測試儀控制系統(tǒng)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)；另一方面，檢測跳閘邏輯的脈沖信號，停止計(jì)時(shí)，并記錄時(shí)間[4]，程序流程如圖4所示。

2.3 定時(shí)器中斷子程序

定時(shí)器中斷子程序?yàn)橛?jì)時(shí)提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘。1—15路檢測回路分別設(shè)置獨(dú)立的計(jì)時(shí)標(biāo)志，當(dāng)捕捉到脈沖信號時(shí)，該回路停止計(jì)時(shí)；當(dāng)總計(jì)時(shí)達(dá)到9 999ms時(shí)，系統(tǒng)所有計(jì)時(shí)停止，程序流程如圖5所示。

2.4 顯示子程序

顯示子程序用于控制數(shù)碼管和LED的驅(qū)動(dòng)芯片，使數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)時(shí)間，同時(shí)保持對應(yīng)檢測回路的LED常亮。

3 測試儀的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，測試儀的核心組件——電路板如圖6所示，同時(shí)對其外圍接線進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)了變壓器保護(hù)跳閘邏輯測試儀，如圖7所示。

在使用測試儀的過程中，通過充電寶給系統(tǒng)提供工作電源，為現(xiàn)場工作提供了極大的便利性。脈沖信號檢測回路，測試儀側(cè)，將已經(jīng)接線的鳳凰端子直接插入左側(cè)；線路另一端接入變壓器保護(hù)屏柜的端子排即可，同時(shí)還要將觸發(fā)線接入繼電保護(hù)測試儀的開出接點(diǎn)上，以啟動(dòng)測試儀啟動(dòng)計(jì)[5]?，F(xiàn)場測試如圖8所示。

3組工作人員，每組2人，在實(shí)訓(xùn)室模擬現(xiàn)場工作，分別使用變壓器保護(hù)跳閘邏輯測試儀測試檢測30次跳閘邏輯，結(jié)果與保護(hù)裝置定值單完全相同，測試儀運(yùn)行可靠安全[6]。

4 結(jié)語

變壓器配備的保護(hù)裝置在其出現(xiàn)故障時(shí)，能正確斷開相應(yīng)的斷路器，進(jìn)行故障隔離，縮小停電范圍，這對保證電網(wǎng)的供電可靠性尤為重要。本文開發(fā)的變壓器保護(hù)跳閘邏輯測試裝置具有以下6大功能：①能實(shí)現(xiàn)一次接線完畢，無需反復(fù)接線；②單人即可操作，接線完成后裝置自動(dòng)檢測跳閘信號，無需人員配合；③面板布局采用220kV變電站最復(fù)雜的主接線圖方案，能夠直觀地反映變壓器的跳閘情況；④采用DSP進(jìn)行計(jì)時(shí)，跳閘時(shí)間測試精確到微秒級別；⑤數(shù)碼管顯示跳閘時(shí)間，且對應(yīng)跳閘檢測回路的LED保持常亮狀態(tài)，結(jié)果一目了然；⑥能滿足所有220kV及220kV以下電壓等級的變壓器跳閘邏輯，且還適用于設(shè)備自投保護(hù)、母線保護(hù)、線路保護(hù)和斷路器保護(hù)等，通用性極強(qiáng)。本測試儀一次同時(shí)精確判別15臺(tái)斷路器跳閘的時(shí)間和先后順序，這對變壓器跳閘邏輯測試效率的提高是突破性的。經(jīng)過測試可知，其不僅解決了傳統(tǒng)測試方法中存在的耗時(shí)、費(fèi)力和準(zhǔn)確性低的問題，而且實(shí)現(xiàn)了裝置與外界的電氣隔離，安全可靠，實(shí)現(xiàn)了安全、可靠、精確、高效地對變壓器保護(hù)跳閘邏輯進(jìn)行測試。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊博濤.主變壓器保護(hù)跳閘矩陣出口輔助測試儀的研制與應(yīng)用[J].河北電力技術(shù)，2013（2）：19-20.

[2]胡定林.多出口繼電保護(hù)裝置智能跳閘矩陣測試儀的研制與應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2017（33）：45-46.

[3]習(xí)思敏，劉順強(qiáng)，朱德強(qiáng).繼電保護(hù)裝置跳閘出口校驗(yàn)新方法研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2015（5）：55-58.

[4]楊愛紅，張輝.跳閘邏輯輔助檢驗(yàn)裝置的研制[J].電力學(xué)報(bào)，2006（1）：82-84，87.

[5]國家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)用技術(shù)問答[M].北京：中國電力出版社，2000.

[6]裘丹，羅田.主變保護(hù)跳閘矩陣整理及優(yōu)化的探索[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017（40）：188.