APCI控機(jī)的變壓器保護(hù)裝置

　　1 裝置的配置及硬件特點(diǎn)

　　葛洲壩大江電廠主接線如圖I所示。變壓器主保護(hù)的硬件平臺(tái)采用的是北京康拓公司與華中科技大學(xué)、葛洲壩能達(dá)電器公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的APCI5000系列工控機(jī)。APCI5000系列工控機(jī)采用歐洲直插式工業(yè)結(jié)構(gòu)，同時(shí)支持與ISA總線兼容的AT96總線及與PCI總線兼容的CompactPCI總線，總線傳輸速率達(dá)132Mbit/s。 APCI5000系列工控機(jī)取消了康拓STD工控機(jī)模板的“金手指”插接和扁平電纜連接進(jìn)行信號(hào)交互方式，母板采用標(biāo)準(zhǔn)96芯針孔連接器，用戶I/O接口為歐式96芯插座，通過(guò)無(wú)源母板上的96芯壓接插頭引線，從而系統(tǒng)具有更高的可靠性。AT96機(jī)箱高度為6U，具有強(qiáng)的抗電磁輻射干擾功能[1]。

　　交流輸入板設(shè)有14個(gè)模擬量的輸入變換器，包括變壓器高壓側(cè)三相電流，變壓器中性點(diǎn)零序電流，變壓器低壓側(cè)電壓Uab，低壓側(cè)2臺(tái)發(fā)電機(jī)分支三相電流和廠用變壓器分支(或制動(dòng)電阻分支)三相電流，這14個(gè)模擬量經(jīng)變換器變換后通過(guò)交流濾波板上的二階RC濾波電路輸出至DSP(APCI5469)板， DSP板完成數(shù)據(jù)采集(采樣率為1 kHz)、裝置自檢、保護(hù)啟動(dòng)計(jì)算與判斷、保護(hù)判據(jù)的實(shí)現(xiàn)、告警和跳閘信號(hào)的發(fā)出、故障報(bào)告的形成等功能。V40 (APCI5087)板用于與486板(APCI5094)通信，實(shí)現(xiàn)DSP板和486板的信息交互，并與信號(hào)轉(zhuǎn)接板、信號(hào)板和跳閘板配合，完成告警信號(hào)和跳閘信號(hào)的開(kāi)出。486板為上層機(jī)的管理板，變壓器主保護(hù)和后備保護(hù)共用一塊管理板，相互之間采用RS-485進(jìn)行通信，顯示部分采用液晶式觸摸屏，可以對(duì)下層機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成定值的整定與修改，保護(hù)的投退、故障波形的分析、故障報(bào)告的打印等功能。

　　 DSP板與V40板之間通過(guò)型號(hào)為IDT71342的雙口RAM(DRAM)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，雙方同時(shí)對(duì) DRAM的同一單元進(jìn)行讀操作，就像對(duì)兩片 SRAM操作一樣，非常方便。但雙方同時(shí)對(duì)DRAM的同一單元進(jìn)行寫(xiě)操作或一方進(jìn)行讀操作、另一方進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，就會(huì)發(fā)生內(nèi)存操作沖突，解決的辦法之一是采用DSP板上提供的SEMAPHORE握手信號(hào)燈功能，只有在持有信號(hào)燈令牌的一方才能對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作，沒(méi)有持令牌的一方則處于等待狀態(tài)，另一種處理方法就是利用DSP與V40相互之間的中斷申請(qǐng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DRAM的操作，避免沖突的發(fā)生，此方法實(shí)時(shí)性好、編程方便，為本裝置所采用。

　　2 保護(hù)配置、原理及算法

　　2.1 保護(hù)配置

　　本裝置在充分考慮傳統(tǒng)變壓器保護(hù)原理的同時(shí)，十分注意新原理的應(yīng)用。由于硬件功能足夠強(qiáng)大，使得裝置能夠同時(shí)裝備幾種不同原理的保護(hù)，并通過(guò)保護(hù)控制字的投退，來(lái)進(jìn)行多種保護(hù)原理的組合。在運(yùn)行初期可先投入傳統(tǒng)原理的保護(hù)，其余新原理保護(hù)投信號(hào)，考驗(yàn)時(shí)間充足后轉(zhuǎn)投跳閘，這樣可以考核幾種原理保護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況。

　　保護(hù)配置及保護(hù)原理組合有：①相量差流速斷保護(hù);②比例制動(dòng)相量差動(dòng)保護(hù);③比例制動(dòng)采樣值差動(dòng)保護(hù);④2次諧波閉鎖：⑤虛擬3次諧波閉鎖;⑥5次諧波閉鎖;⑦電流互感eS(TA)斷線閉鎖。其中：①，⑥，⑦為各種組合都需配備的;②，④為互相配合的一對(duì)。因此，除①，⑥，⑦外，可以在②，④或③或⑤ 之間選擇。由于⑤只是在故障發(fā)生初期有效，因此采用⑤時(shí)，還需配備②，④或③使用，而⑧，④或③都可以單獨(dú)使用(除①，⑥，⑦為必投之外)。

　　2.2 保護(hù)的啟動(dòng)

　　保護(hù)的啟動(dòng)有：①差流瞬時(shí)值啟動(dòng);②差流瞬時(shí)值突變量啟動(dòng)，③制動(dòng)電流瞬時(shí)值突變量啟動(dòng)。三者之間的關(guān)系是：(①∪②)∩③。該啟動(dòng)方式能反映各種故障，不受負(fù)荷電流的影響，過(guò)激磁時(shí)不易啟動(dòng)，因而具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

用相量構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)量和制動(dòng)量，在消除非周期分量和諧波的影響后，相量的幅值或有效值基本是恒定的，一個(gè)周期內(nèi)的每一點(diǎn)，其制動(dòng)特性都相同，而采樣值隨時(shí)間周期性變化，對(duì)每一個(gè)采樣值而言，其制動(dòng)關(guān)系都不同，因此為保證動(dòng)作判據(jù)的正確性，采用重復(fù)多次的判別方法，即連續(xù)R次采樣中有S次以上符合動(dòng)作判據(jù)，則輸出動(dòng)作信號(hào)。在本保護(hù)中，每周期采樣20點(diǎn)，只取為16，S取為13。

　　勵(lì)磁涌流波形在一個(gè)甩期內(nèi)由于間斷角的存在，會(huì)有幾點(diǎn)不滿足采樣值動(dòng)作條件，此時(shí)如取一合適的數(shù)據(jù)窗只進(jìn)行判斷，涌流波形不會(huì)出口，而內(nèi)部故障時(shí)僅在過(guò)零點(diǎn)附近使采樣值差動(dòng)條件不滿足，故能夠出口。因此，采樣值差動(dòng)不需加2次諧波閉鎖勵(lì)磁涌流。采樣值差動(dòng)保護(hù)由于其所用數(shù)據(jù)窗比全周期相量差動(dòng)短，又具有自動(dòng)識(shí)別勵(lì)磁涌流的能力，因此保護(hù)出口速度快。

　　d.2次諧波閉鎖

　　計(jì)算差流中的2次諧波與諧波幅值比K21=I2/I1 是否大于整定值，若大于或等于整定值，則制動(dòng)差動(dòng)。K21一般不大于20%，通常取15%。

　　e.虛擬3次諧波閉鎖

　　由于變壓器的磁飽和特性，勵(lì)磁涌流波形在前半周期內(nèi)呈現(xiàn)尖頂波的特性，依據(jù)這一特征，以此半周期采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)將波形平移半周期后翻轉(zhuǎn)，則波形為奇對(duì)稱波形，波形中3次諧波含量較大，而變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，基本為正弦波，無(wú)論以半周期還是全周期數(shù)據(jù)窗進(jìn)行分析，3次諧波含量均較小，由此可區(qū)分出變壓器內(nèi)部故障和勵(lì)磁涌流。

　　3次諧波制動(dòng)數(shù)據(jù)窗短于2次諧波制動(dòng)，因此其速動(dòng)性強(qiáng)于2次諧波，但虛擬3次諧波只能利用涌流的前半周期信息，超過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)窗后，虛擬出來(lái)的波形中3 次諧波含量迅速減少，為防止系統(tǒng)諧波的影響造成保護(hù)拒動(dòng)，需要有另一原理的保護(hù)作為補(bǔ)充。在本裝置中，虛擬3次諧波可以與采樣值差動(dòng)保護(hù)或與相量差動(dòng)+2 次諧波配合一起使用。

　　f.5次諧波閉鎖

　　大型變壓器工作磁密接近飽和，在電壓升高或頻率降低時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)激磁，可能引起差動(dòng)保護(hù)的誤出口。計(jì)算差流中5次諧波與基波的幅值之比K51=I5/I1 是否大于整定值，若是，則閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

　　2.4 保護(hù)主要算法

　　根據(jù)數(shù)據(jù)窗的情況，采用半周期或全周期傅氏算法。用虛擬3次諧波制動(dòng)時(shí)，其數(shù)據(jù)窗為半個(gè)周期，因此需采用半周期傅氏算法。采樣值差動(dòng)保護(hù)，不需要計(jì)算相量，只計(jì)算滿足條件的點(diǎn)數(shù)即可，故其計(jì)算量最小。

　　3 裝置的其他功能

　　3.1 頻率跟蹤

　　本裝置的采樣頻率為1 kHz，但當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，如仍用固定的采樣頻率進(jìn)行采樣將產(chǎn)生采樣誤差，降低保護(hù)的靈敏度，因此本裝置跟蹤比較穩(wěn)定的電壓量Uab，利用其前后2個(gè)周期過(guò)零時(shí)值的變化，來(lái)對(duì)頻率進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證一個(gè)周期內(nèi)采樣規(guī)定的點(diǎn)數(shù)。

　3.2 啟動(dòng)報(bào)告、(故障)保護(hù)動(dòng)作報(bào)告記錄

　　保護(hù)動(dòng)作時(shí)記錄2份報(bào)告：?jiǎn)?dòng)報(bào)告和(故障)保護(hù)動(dòng)作報(bào)告。啟動(dòng)報(bào)告記錄保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻前3個(gè)周期和后5個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)，與保護(hù)是否跳閘無(wú)關(guān)，(故障)保護(hù)動(dòng)作報(bào)告記錄保護(hù)發(fā)跳閘令前3個(gè)周期和后5個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，曾出現(xiàn)過(guò)擾動(dòng)初期(保護(hù)已啟動(dòng))保護(hù)未誤動(dòng)，但延遲一定時(shí)間后誤跳閘的情況，如僅記錄保護(hù)啟動(dòng)前后8個(gè)周期的數(shù)據(jù)，保護(hù)發(fā)跳閘令前后的數(shù)據(jù)記錄不下來(lái)，因此本裝置記錄2份報(bào)告。

　　3.3 故障流程再現(xiàn)

　　基于DSP豐富的硬件資源和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，保護(hù)啟動(dòng)后裝置在程序經(jīng)過(guò)的流程一定位置處打上時(shí)標(biāo)，這些時(shí)標(biāo)作為故障報(bào)告的一部分上傳到上層管理機(jī)，在上層機(jī)可形成一份故障時(shí)程序流程圖，以利于對(duì)保護(hù)動(dòng)作行為進(jìn)行分析。

　　3.4 故障數(shù)據(jù)回放

　　在調(diào)試狀態(tài)下，上層機(jī)將故障時(shí)記錄下來(lái)的故障數(shù)據(jù)下傳給DSP，讓DSP重新運(yùn)行，從而再現(xiàn)故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作過(guò)程。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　該裝置以APCI5000工控機(jī)和TMS320C32-40作為硬件平臺(tái)，軟、硬件資源豐富，保護(hù)功能強(qiáng)大，傳統(tǒng)原理保護(hù)和新原理保護(hù)可以組合，整套裝置結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，適合于500kV的變壓器保護(hù)。