基于DSP的变压器保护跳闸逻辑测试仪的研究

黄凯 王哲 刘慧 刘彬

摘 要：本文基于DSP（数字信号处理器）研发了一种变压器保护跳闸逻辑的测试装置，解决传统测试方法中存在的耗时、费力和准确性低的问题。设计以信号开入检测回路为主拓扑，扩展数码管显示及LED指示电路，提出装置的触发启动计时，捕捉到脉冲信号停止计时的控制策略。通过现场验证，实现了安全、可靠、直观、高效地对变压器保护跳闸逻辑进行测试。

关键词：变压器；继电保护；跳闸逻辑；数字信号处理器

中图分类号：TN301 文献标识码：A 文章编号：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

變压器作为电网最重要的电源支撑设备，为保证其安全、可靠运行，配备了多种类型的保护。当故障发生时，变压器保护装置依据不同的故障类型，按一定顺序跳开相应的断路器，进行故障隔离，这个跳闸顺序就是变压器保护跳闸逻辑。为确保跳闸逻辑的正确性，继电保护专业人员须针对不同类型的保护进行逐项测试。

目前，跳闸逻辑测试大多沿用传统的万用表法，专业人员使用万用表逐一测量每个逻辑接点，过程烦琐，准确性低且测试结果不直观。学者杨博涛[1]提出采用模拟电路测试跳闸逻辑的方法，有效提高了测试效率及准确性，但输入检测回路为实现强弱电的有效隔离，且测试时间精度只达到20ms，相对于保护装置的跳闸时间精度偏大。

本文基于数字信号处理器STM32F407IGT6研究开发了一种变压器保护跳闸逻辑的测试装置，不仅解决了传统测试方法中存在的耗时、费力、准确性低的问题，而且实现了装置与外界的电气隔离，安全可靠。基于功能需求，首先设计了双光电隔离的信号开入检测回路；其次提出了装置的控制策略：触发STM32F407IGT6中断启动计时，检测到信号开入停止计时，计时精确到微秒级，由数码管显示跳闸时间且LED指示对应开入回路，清晰显示跳闸逻辑结果；最后对装置进行了物理实现，通过实验室及现场测试，验证了装置的功能及性能，实现了安全、可靠、精确、高效地对变压器保护跳闸逻辑的测试[2]。

1 双光电隔离的信号开入检测回路

为防止装置与外界互相产生电磁干扰，信号开入回路采用两级光耦实现电信号到光信号的双隔离，信号检测回路如图1所示。第一级光耦实现强弱电的隔离，大大降低了强电（DC 220V/110V）对装置的干扰，以及可能对装置的损坏；第二级光耦再次进行光电信号的隔离，进一步降低环境中电磁干扰对本装置的影响，大大增强了装置的抗干扰能力[3]。

开入回路中并联压敏电阻，防止高电压对装置造成损坏，起到保护作用；串联稳压二极管，正常工作状态下两端电压为其额定值，降低开入回路中限流电阻两端的电压，降低功耗，因此可选用小功率电阻，节省电路板的面积，进而增强装置的电磁兼容性。结合220kV变电站典型主接线，并考虑可扩展性，开入信号检测回路设计为15个通道。

2 控制策略

为实现本装置可靠、精确地测试变压器保护跳闸逻辑及程序的可移植性，系统软件涉及四个模块：①开机自检子程序；②脉冲信号捕捉子程序；③定时器中断子程序；④显示子程序。其中，系统主程序流程图如图2所示，系统运行首先进行开机自检，正常后才进行跳闸逻辑检测。

2.1 开机自检子程序

开机自检子程序是确保跳闸逻辑测试仪正常工作的前提。开机首先进行软件自检，确保程序运行正常；然后，由程序控制进行电路板硬件检测，主要为数码管和LED工况的检测，程序流程如图3所示。

2.2 脉冲信号捕捉子程序

脉冲信号捕捉子程序，一方面检测继电保护测试仪发出的故障跳变命令，触发跳闸逻辑测试仪控制系统，启动计时；另一方面，检测跳闸逻辑的脉冲信号，停止计时，并记录时间[4]，程序流程如图4所示。

2.3 定时器中断子程序

定时器中断子程序为计时提供准确的时钟。1—15路检测回路分别设置独立的计时标志，当捕捉到脉冲信号时，该回路停止计时；当总计时达到9 999ms时，系统所有计时停止，程序流程如图5所示。

2.4 显示子程序

显示子程序用于控制数码管和LED的驱动芯片，使数码管显示计时时间，同时保持对应检测回路的LED常亮。

3 测试仪的实现及实验验证

基于上述的硬件拓扑结构，测试仪的核心组件——电路板如图6所示，同时对其外围接线进行组装，实现了变压器保护跳闸逻辑测试仪，如图7所示。

在使用测试仪的过程中，通过充电宝给系统提供工作电源，为现场工作提供了极大的便利性。脉冲信号检测回路，测试仪侧，将已经接线的凤凰端子直接插入左侧；线路另一端接入变压器保护屏柜的端子排即可，同时还要将触发线接入继电保护测试仪的开出接点上，以启动测试仪启动计[5]。现场测试如图8所示。

3组工作人员，每组2人，在实训室模拟现场工作，分别使用变压器保护跳闸逻辑测试仪测试检测30次跳闸逻辑，结果与保护装置定值单完全相同，测试仪运行可靠安全[6]。

4 结语

变压器配备的保护装置在其出现故障时，能正确断开相应的断路器，进行故障隔离，缩小停电范围，这对保证电网的供电可靠性尤为重要。本文开发的变压器保护跳闸逻辑测试装置具有以下6大功能：①能实现一次接线完毕，无需反复接线；②单人即可操作，接线完成后装置自动检测跳闸信号，无需人员配合；③面板布局采用220kV变电站最复杂的主接线图方案，能够直观地反映变压器的跳闸情况；④采用DSP进行计时，跳闸时间测试精确到微秒级别；⑤数码管显示跳闸时间，且对应跳闸检测回路的LED保持常亮状态，结果一目了然；⑥能满足所有220kV及220kV以下电压等级的变压器跳闸逻辑，且还适用于设备自投保护、母线保护、线路保护和断路器保护等，通用性极强。本测试仪一次同时精确判别15台断路器跳闸的时间和先后顺序，这对变压器跳闸逻辑测试效率的提高是突破性的。经过测试可知，其不仅解决了传统测试方法中存在的耗时、费力和准确性低的问题，而且实现了装置与外界的电气隔离，安全可靠，实现了安全、可靠、精确、高效地对变压器保护跳闸逻辑进行测试。

参考文献：

[1]杨博涛.主变压器保护跳闸矩阵出口辅助测试仪的研制与应用[J].河北电力技术，2013（2）：19-20.

[2]胡定林.多出口继电保护装置智能跳闸矩阵测试仪的研制与应用[J].机电信息，2017（33）：45-46.

[3]习思敏，刘顺强，朱德强.继电保护装置跳闸出口校验新方法研究[J].机电工程技术，2015（5）：55-58.

[4]杨爱红，张辉.跳闸逻辑辅助检验装置的研制[J].电力学报，2006（1）：82-84，87.

[5]国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答[M].北京：中国电力出版社，2000.

[6]裘丹，羅田.主变保护跳闸矩阵整理及优化的探索[J].中国战略新兴产业，2017（40）：188.