宣灵媛
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摘要：变压器的电流纵联差动保护被广泛的用作变压器的主保护，是因为它不仅可以准确地区分出区内和区外故障，而且可以单独的、不需要其他元件配合就能无延时的切除区内各种短路故障。但是由于电流互感器不同型、分接头调整、涌流、过励磁等问题的存在，电路中会产生稳态、暂态不平衡电流，所以在设计实现变压器的差动保护时，要求变压器差动保护能够躲过此电流，避免误动作。如何提高变压器差动保护的灵敏度和可靠性，仍是倍受关注也是十分重要的研究问题。
关键词：变压器；DSP；差动保护；仿真
引言
变压器在电力系统中扮演着重要的角色，能够有效保障变压器正常运行的可靠性，是整个电力系统稳定、安全运行的重要保障。差动保护作为变压器的主保护之一，有必要对其进行重点研究，才能有效地提升变压器运行的安全性和整体效率。
1保护装置的硬件设计
1.1DSP芯片及A/D转换器的选择
TMS320X2812不仅具有强大的数字信号处理能力，而且还有比较完善的事件管理能力以及嵌入式控制功能。所以本文选用美国TI公司的TMS320F2812芯片。AD7656具有多通道、高精度、同步采样等特点。因其具有并行和串行两种接口形式，所以能与DSP等控制器进行方便地接口连接。故选用AD7656对TMS320F2812进行辅助模数转换。
1.2数据采集模块的设计
变压器故障信号为模拟量，首先对模拟量进行处理，然后采用逐次逼近原理的A/D芯片构成的数据采集系统。用一片AD7656即可实现对6路模拟信号的采集。为抑制干扰信号设计了有源滤波器。
1.3人机对话接口设计
键盘电路设计，本设计采用74HC245扩展实现6个按键，按键功能通过软件实现，主要对显示菜单进行操作。
液晶显示电路设计，本设计采用128×64点阵式LCD显示屏，型号为OCM128×64。
1.4差动保护装置的总体设计
硬件由保护系统和管理系统组成，保护系统主要由DSP主控模块、模拟信号调理模块和开关量输入输出模块组成；管理系统主要由显示模块和供电模块组成。首先变压器差动保护装置通过数据采集，利用目前比较成熟的傅里叶算法作为计算电气量参数的核心算法，主要采集变压器电压、电流幅值和相位等数据并进行处理，同变压器设定的保护整定值比较，执行相应的保护操作；当变压器有故障发生时能够及时切断变压器故障位置，然后再将故障信息通过显示模块达到直观呈现，实现有效的人机交流；同时保护装置还应具备存储功能，存储保护装置设定的整定保护值以及故障信息。差动保护装置的工作原理如下：从变压器两侧的电压互感器采集到的电压信号，首先通过装置内部的小型电压互感器转换成小幅电压信号，通过模拟信号调理电路完成滤波、限幅，输出为0～3V的电压信号，然后将该电压信号通过TMS320F28335芯片自带的A－D转换模块完成模拟量到数字量的转变，之后利用傅里叶算法进行初步处理并存储，同时DSP读取键盘输入信号和外部开关输入信号。DSP将先前初步存储并处理的外部输入信号和数字量信号进行综合运算，然后根据差动保护装置的各个保护判据进行判断。若判断有故障发生，DSP相应发出跳闸命令到对应的驱动电路，进而控制继电器执行保护动作。接着DSP通过管理系统将故障状态信号通过LED指示灯显示出来，同时在液晶LCD上显示信号测量值、整定值和故障时间等信息，完成整个差动保护流程。
2变压器差动保护装置的软件系统设计
2.1软件设计总则
本文软件的程序设计方法使用结构化程序设计，设计思路是将复杂的系统按功能划分为几个独立的模块，以单入口、单出口的结构设计每个程序模块，模块划分要遵循“功能独立”的原则。
基于硬件系统的设计思路，本文软件系统由相应的保护系统软件设计和管理系统软件设计两部分构成。保护系统主要负责数据采集，对采样量化的数据进行分析和计算、保护的条件判断等操作；管理系统主要提供显示界面，方便参数的显示、设置和控制，利用装置中的指示灯和液晶屏提供的信息，能够实时地反映当下装置的运行情况，直观高效。
2.2保护系统主程序设计
2.2.1系统初始化
系统的初始化子程序包括硬件初始化和软件初始化。硬件初始化是指上电或复位后对硬件端口功能和状态的初始化；软件初始化则包括定时器、各并行口的初始化以及RAM区所有运行时要使用的软件计数器及各种标志的清零等。
2.2.2装置自检
根据规定：在微机继电保护装置进入运行之前必须完成一次全面的自检，来保证系统运行的可靠性。此次设计的装置自检程序包括：RAM区自检、输入输出回路自检。
（1）RAM区自检。
即对RAM区域的读写进行检查。如果发现数据或程序存储区域有某些地址的写入与返回值不一致，即RAM区有误，需要输出自检告警。
（2）输入输出回路自检。
输入量的自检通过读取开关状态与存储的状态进行比较，一致输出正确；不一致输出告警。输出量自检有两种：一种是发出输出的驱动命令，然后检查对应的输出端是否得到输出命令；另一种是在没有任何驱动信号的情况下，检查光耦输出侧的反馈回路是否接收有输出信号，若接收到则继续执行，反之告警。
2.2.3模拟量采集
DSP进行数据采集时，由TMS320F28335芯片自带A－D转换单元完成数模转换后产生中断信号，TMS320F28335接收到中断信号即可执行采样中断服务程序，进行相应的数字量处理。
3MATLAB的电力变压器差动保护仿真分析
3.1变压器仿真模块构建
用MATLAB中的Simulink搭建微机保护数字采集系统仿真模型，实现区内故障的仿真，并对故障产生的差动电流用不同算法仿真分析。设置变压器两个次级绕组的参数相同，使电路在0.3～0.5s间发生AB相短路。
3.2数据采集模块
采样模块利用Simulink的子系统进行封装。设采样频率fs为1200Hz，每周期采样24点。由仿真结果可以看出，变压器内部发生AB相短路故障时，A相差动电流并不是标准的正弦波，含有直流分量、高次谐波。
3.3数据处理基本算法分析
利用到Simulink模块库中的保存到文件模块，将仿真得到的变压器内部AB两相短路故障时A相差动电流数据输出到文件保存，完成微机保护算法的仿真。分别利用两点乘积法、半周波傅立叶算法、一阶差分后半周波傅立叶算法、全波傅立叶算法计算差动电流的有效值。
结语
通过本文的研究，得出以下结论。
1）基于周期函数重点分析了傅里叶保护算法，采用全波傅里叶算法提取电气量参数，并采用保护动作判据实现具体的保护功能。
2）设计变压器差动保护装置的硬件模块结构，详细设计了各个模块的硬件电路部分，装置采用了TMS320F28335作为保护系统的核心控制器，发挥了DSP的高速、精确处理能力，使继电保护装置的运行速度和性能得到提升。
3）保护系统软件设计用于采集数据和变压器保护判断，在故障发生时及时执行保护动作，后期还可用于参数设定。
参考文献
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