變壓器非電量保護(hù)智能組件的研究與分析

李樂(lè)文 陳衡

摘 要：介紹了最新的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，然后以變壓器非電量保護(hù)為重點(diǎn)，參考IEC61850對(duì)IED裝置進(jìn)行了功能建模，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上對(duì)非電量保護(hù)裝置主要電路進(jìn)行詳細(xì)的研究和設(shè)計(jì)，分析了硬件基礎(chǔ)的選擇和必需的微處理器性能，給出了硬件結(jié)構(gòu)，外設(shè)程序的開發(fā)。測(cè)試結(jié)果獲得了完全適合現(xiàn)代智能保護(hù)系統(tǒng)要求的必需條件。

關(guān)鍵詞：IEC61850；非電量保護(hù)；裝置原理圖；硬件插板；微處理器

引言：近年來(lái)，合并單元（Merging Unit，MU）、智能斷路器、高速以太網(wǎng)等新設(shè)備新技術(shù)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用，以及規(guī)定了變電站信息采集、處理、傳輸及應(yīng)用框架的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化、智能化階段。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)字化變電站的技術(shù)將逐步引領(lǐng)未來(lái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)所涉及的監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)、繼電保護(hù)、自動(dòng)安全裝置設(shè)備的可靠性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性將得以迅速提高。

隨著微處理器相關(guān)技術(shù)、通信技術(shù)與電子計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的不斷更新、發(fā)展，在變電站微機(jī)保護(hù)中，對(duì)基于智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）的非電量保護(hù)裝置采用了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。

一、變壓器本體保護(hù)IED的功能建模

變壓器出現(xiàn)某些內(nèi)部故障，比如某相的匝間短路時(shí)，變壓器電量保護(hù)的監(jiān)測(cè)變量（電量）在數(shù)值上并無(wú)明顯變化，因此電量保護(hù)此時(shí)并不動(dòng)作。但變壓器油的物理和化學(xué)變化，比如溫度的變化和氣體的產(chǎn)生，通過(guò)物理測(cè)量的變化（例如產(chǎn)生的氣體會(huì)有壓力和流速的變化），可以準(zhǔn)確快速地反映出變壓器的內(nèi)部故障，及時(shí)的切除故障，防止事故擴(kuò)大。因此由非電量參數(shù)組成的非電量保護(hù)是變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)中的一個(gè)不可或缺的組成部分。

智能電子設(shè)備（IED）是變電站的重要設(shè)備，肩負(fù)著變電站的保護(hù)、測(cè)量、測(cè)控、計(jì)量等重要的工作，它的運(yùn)行直接關(guān)系到變壓器的安全可靠性。

本設(shè)計(jì)以D2-2型牽引變電站變壓器為對(duì)象，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站智能化系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的變壓器保護(hù)IED具備功能特點(diǎn)如下：

（1） IED裝置以變壓器非電量保護(hù)為主要對(duì)象的分布式

IED設(shè)備，具有保護(hù)、測(cè)控、通信等功能；（2） IED通過(guò)以太網(wǎng)和其他設(shè)備通信，通過(guò)過(guò)程總線實(shí)現(xiàn)接收合并單元發(fā)送的采樣值和向智能斷路器傳送GOOSE跳合閘命令。

二、變壓器本體保護(hù)系統(tǒng)裝置原理圖及硬件插板總體規(guī)劃

在IED功能建模基礎(chǔ)上，得到如圖1的變壓器非電量保護(hù)系統(tǒng)裝置原理圖。從圖1明顯可以看到系統(tǒng)可以輸入8路模擬量（本體重瓦斯開入、有載重瓦斯開入、壓力釋放開入、冷卻消失開入、本體輕瓦斯開入、有載輕瓦斯開入、油溫高開入、油位低開入）；輸出8路模擬量；擁有獨(dú)立的工作電源與重動(dòng)出口；實(shí)現(xiàn)延時(shí)、自動(dòng)重合閘功能；實(shí)現(xiàn)跳閘命令、信號(hào)和監(jiān)視。給出的裝置是獨(dú)立工作的，分別實(shí)現(xiàn)所需功能的一部分。

圖1 變壓器非電量保護(hù)系統(tǒng)裝置原理圖

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)要求微機(jī)保護(hù)硬件平臺(tái)應(yīng)當(dāng)具備可擴(kuò)展性、高可靠性與模塊化，因此必須對(duì)變壓器非電量保護(hù)智能組件的硬件資源進(jìn)行合理的分配，以求最大限度排除外部靜電與內(nèi)部元器件間電磁的干擾，且各個(gè)插件板卡功能應(yīng)力求劃分明確，通信接口應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范，布線方式應(yīng)合理，強(qiáng)弱電系統(tǒng)力求分離，以構(gòu)成一個(gè)完整、實(shí)時(shí)、可靠的整體系統(tǒng)。依據(jù)上述的設(shè)計(jì)規(guī)劃，變壓器非電量保護(hù)裝置的硬件規(guī)劃如下圖所示。

圖2 變壓器非電量保護(hù)裝置硬件規(guī)劃圖

三、微型控制器的選擇

經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的原因（更低的價(jià)格，更高的可靠性，更簡(jiǎn)單的應(yīng)用）預(yù)示著在選擇微控制器時(shí)，應(yīng)該選擇那些集成功能更好的微控制器。

Samsung公司推出的S3C2410A[2]擁有集成高性能的MMU（Memory Management Unit）存儲(chǔ)管理單元與專用的FLASH、SDRAM控制器，且能夠通過(guò)擴(kuò)展以太網(wǎng)口方便實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，還可以方便的與LCD、觸摸屏進(jìn)行接口，因此選擇它能夠很好地用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟硬件管理、通信及人機(jī)接口功能；而在實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣值分析、保護(hù)算法、邏輯控制及一些傳統(tǒng)的開入開出量處理時(shí)，系統(tǒng)選用的則是德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F2812 DSP[3、4]處理器，因?yàn)樗^承了豐富的外設(shè)功能，支持匯編、C/C++程序設(shè)計(jì)，且能進(jìn)行快速數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖3所示，插板上的功能都圍繞著ARM（S3C2410A）與DSP（S3C2410A）展開。

圖3 系統(tǒng)硬件總框圖

四、軟件開發(fā)

在穩(wěn)定的硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，只有開發(fā)出高效可靠的軟件系統(tǒng)，才能使整個(gè)變壓器非電量保護(hù)智能組件系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。因此完成了變壓器保護(hù)IED硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)后，還需進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開發(fā)。IED軟件的開發(fā)主要包括兩個(gè)方面的工作：在硬件平臺(tái)上搭建一個(gè)嵌入式系統(tǒng)軟件平臺(tái)；在此軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用程序。下面本文將對(duì)變壓器非電量保護(hù)智能組件系統(tǒng)的軟件開發(fā)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的闡述。

由于本變壓器非電量保護(hù)IED要進(jìn)行多任務(wù)處理并且有較多的硬件資源，因此需要選擇一個(gè)高效、穩(wěn)定的嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)對(duì)IED的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行管理。而Linux由于其源代碼開放，內(nèi)核高效穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，具有一套完善的開發(fā)和調(diào)試工具等一系列有點(diǎn)，完全適合變壓器非電量保護(hù)智能組件的軟件開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)的要求。

為了實(shí)現(xiàn)基于Linux的應(yīng)用開發(fā)，必須建立一個(gè)完備的Linux開發(fā)環(huán)境。在此開發(fā)環(huán)境的建立中采用交叉開發(fā)模式，首先在宿主機(jī)上（通用PC機(jī)）安裝標(biāo)準(zhǔn)的Linux系統(tǒng)，然后安裝和配置開發(fā)工具，完成后可以編輯、編譯目標(biāo)板的引導(dǎo)程序、內(nèi)核、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序，最后下載到目標(biāo)板上運(yùn)行。在這個(gè)開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的大致流程如下：（1）查看原理圖，理解設(shè)備的工作原理（2）定義主設(shè)備號(hào)（3）在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的初始化。如果驅(qū)動(dòng)程序采用模塊的方式，則要實(shí)現(xiàn)模塊初始化（4）設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的文件操作，定義file_operations結(jié)構(gòu)（5）如有需要，實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)（6）編譯該驅(qū)動(dòng)程序到內(nèi)核中，或者用insmod命令加載（7）測(cè)試該設(shè)備。

結(jié)論：雖然變壓器非電量保護(hù)智能組件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但是基于以上內(nèi)容設(shè)計(jì)的裝置在測(cè)試中獲得的結(jié)果完全適合電力系統(tǒng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)需要的參數(shù)，使裝置商用生產(chǎn)變?yōu)榭赡堋?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1] 溫小旭.基于IEC61850的變壓器保護(hù)IED的研究與設(shè)計(jì)[D].[碩士論文]，華東交通大學(xué)，2009

[2] S3C2410A 32-Bit RISC Microprocessor Users Manual，Revision 1.0[EB/OL].http：//www.samsung.com/cn/business/

semiconductor/ .

[3] 蘇奎峰，呂強(qiáng)等.TMS320X281X DSP原理及程序設(shè)計(jì)開發(fā)[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社，2008.2

[4] TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812，TMS320C2810，TMS320C2811， TMS320C2812 Digital Signal Processors Data

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