变压器非电量保护智能组件的研究与分析

李乐文 陈衡

摘 要：介绍了最新的变电站自动化系统的发展，然后以变压器非电量保护为重点，参考IEC61850对IED装置进行了功能建模，进而在此基础上对非电量保护装置主要电路进行详细的研究和设计，分析了硬件基础的选择和必需的微处理器性能，给出了硬件结构，外设程序的开发。测试结果获得了完全适合现代智能保护系统要求的必需条件。

关键词：IEC61850；非电量保护；装置原理图；硬件插板；微处理器

引言：近年来，合并单元（Merging Unit，MU）、智能断路器、高速以太网等新设备新技术在变电站自动化系统应用，以及规定了变电站信息采集、处理、传输及应用框架的IEC61850标准的实施，变电站自动化系统已经进入数字化、智能化阶段。IEC61850标准及数字化变电站的技术将逐步引领未来变电站自动化系统技术发展趋势，变电站自动化系统所涉及的监控、远动、继电保护、自动安全装置设备的可靠性、实时性、经济性将得以迅速提高。

随着微处理器相关技术、通信技术与电子计算机相关技术的不断更新、发展，在变电站微机保护中，对基于智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）的非电量保护装置采用了越来越广泛的应用[1]。

一、变压器本体保护IED的功能建模

变压器出现某些内部故障，比如某相的匝间短路时，变压器电量保护的监测变量（电量）在数值上并无明显变化，因此电量保护此时并不动作。但变压器油的物理和化学变化，比如温度的变化和气体的产生，通过物理测量的变化（例如产生的气体会有压力和流速的变化），可以准确快速地反映出变压器的内部故障，及时的切除故障，防止事故扩大。因此由非电量参数组成的非电量保护是变压器继电保护系统中的一个不可或缺的组成部分。

智能电子设备（IED）是变电站的重要设备，肩负着变电站的保护、测量、测控、计量等重要的工作，它的运行直接关系到变压器的安全可靠性。

本设计以D2-2型牵引变电站变压器为对象，基于IEC61850标准的变电站智能化系統的特点，设计的变压器保护IED具备功能特点如下：

（1） IED装置以变压器非电量保护为主要对象的分布式

IED设备，具有保护、测控、通信等功能；（2） IED通过以太网和其他设备通信，通过过程总线实现接收合并单元发送的采样值和向智能断路器传送GOOSE跳合闸命令。

二、变压器本体保护系统装置原理图及硬件插板总体规划

在IED功能建模基础上，得到如图1的变压器非电量保护系统装置原理图。从图1明显可以看到系统可以输入8路模拟量（本体重瓦斯开入、有载重瓦斯开入、压力释放开入、冷却消失开入、本体轻瓦斯开入、有载轻瓦斯开入、油温高开入、油位低开入）；输出8路模拟量；拥有独立的工作电源与重动出口；实现延时、自动重合闸功能；实现跳闸命令、信号和监视。给出的装置是独立工作的，分别实现所需功能的一部分。

图1 变压器非电量保护系统装置原理图

IEC61850标准要求微机保护硬件平台应当具备可扩展性、高可靠性与模块化，因此必须对变压器非电量保护智能组件的硬件资源进行合理的分配，以求最大限度排除外部静电与内部元器件间电磁的干扰，且各个插件板卡功能应力求划分明确，通信接口应设计规范，布线方式应合理，强弱电系统力求分离，以构成一个完整、实时、可靠的整体系统。依据上述的设计规划，变压器非电量保护装置的硬件规划如下图所示。

图2 变压器非电量保护装置硬件规划图

三、微型控制器的选择

经济和技术上的原因（更低的价格，更高的可靠性，更简单的应用）预示着在选择微控制器时，应该选择那些集成功能更好的微控制器。

Samsung公司推出的S3C2410A[2]拥有集成高性能的MMU（Memory Management Unit）存储管理单元与专用的FLASH、SDRAM控制器，且能够通过扩展以太网口方便实现以太网通信，还可以方便的与LCD、触摸屏进行接口，因此选择它能够很好地用于实现系统的软硬件管理、通信及人机接口功能；而在实现对采样值分析、保护算法、逻辑控制及一些传统的开入开出量处理时，系统选用的则是德州仪器公司生产的TMS320F2812 DSP[3、4]处理器，因为它继承了丰富的外设功能，支持汇编、C/C++程序设计，且能进行快速数据处理。系统硬件总体框图如图3所示，插板上的功能都围绕着ARM（S3C2410A）与DSP（S3C2410A）展开。

图3 系统硬件总框图

四、软件开发

在稳定的硬件平台的基础上，只有开发出高效可靠的软件系统，才能使整个变压器非电量保护智能组件系统长期稳定的运行。因此完成了变压器保护IED硬件平台设计后，还需进行系统软件的开发。IED软件的开发主要包括两个方面的工作：在硬件平台上搭建一个嵌入式系统软件平台；在此软件平台的基础上，开发系统的应用程序。下面本文将对变压器非电量保护智能组件系统的软件开发进行一个简单的阐述。

由于本变压器非电量保护IED要进行多任务处理并且有较多的硬件资源，因此需要选择一个高效、稳定的嵌入式操作系统来对IED的软硬件系统进行管理。而Linux由于其源代码开放，内核高效稳定，网络功能强大，具有一套完善的开发和调试工具等一系列有点，完全适合变压器非电量保护智能组件的软件开发的嵌入式操作系统的要求。

为了实现基于Linux的应用开发，必须建立一个完备的Linux开发环境。在此开发环境的建立中采用交叉开发模式，首先在宿主机上（通用PC机）安装标准的Linux系统，然后安装和配置开发工具，完成后可以编辑、编译目标板的引导程序、内核、文件系统和应用程序，最后下载到目标板上运行。在这个开发环境中实现一个嵌入式Linux设备驱动的大致流程如下：（1）查看原理图，理解设备的工作原理（2）定义主设备号（3）在驱动程序中实现驱动的初始化。如果驱动程序采用模块的方式，则要实现模块初始化（4）设计所要实现的文件操作，定义file_operations结构（5）如有需要，实现中断服务（6）编译该驱动程序到内核中，或者用insmod命令加载（7）测试该设备。

结论：虽然变压器非电量保护智能组件系统结构较为复杂，但是基于以上内容设计的装置在测试中获得的结果完全适合电力系统保护现场需要的参数，使装置商用生产变为可能。

参考文献：

[1] 温小旭.基于IEC61850的变压器保护IED的研究与设计[D].[硕士论文]，华东交通大学，2009

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

semiconductor/ .

[3] 苏奎峰，吕强等.TMS320X281X DSP原理及程序设计开发[M]. 北京航空航天大学出版社，2008.2

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

Manual [EB/OL]. http：//www.TI.com .