基于ARM+DSP下变压器智能化保护的研究

徐明虎

(国网辽宁省电力有限公司技能培训中心，辽宁 锦州 121000)

随着世界经济水平的提升，电能在日常生活与工业生产中的作用日益增强，电压等级也越来越高。在各国坚定信心迫切要求“低碳环保、经济高效、绿色发展”的今天，智能电网的建设迫在眉睫。智能电网的发展包括了电力系统中的发电、输电、变电、配电、用电及调度6个环节，而作为电力系统的核心环节就是变电环节，智能变电站起到传输能量与变换电压等级的关键作用。变压器作为变电站最重要的元件，一旦出现了故障，就会给整个电力系统、社会发展和人民生活带来巨大的损失。所以保护变压器的稳定运行是运行人员最重要的任务。

为了满足电网智能化发展要求和电力系统稳定运行，对电力系统的第一道防线——微机保护装置在硬件和软件上也提出了越来越高的要求。不仅要求微机保护装置完成保护功能，而且需要微机保护系统具有很强的实时性、可靠性、扩展性、更强的网络通信能力及强大的人机交互功能。根据IEC 61850规约的要求[1]，处于中间层的保护装置不仅要接收过程层的电流、电压互感器的采样值及断路器开关量的采样等，还要接收站控层下达的控制命令，以达到对一次设备的控制。综上所述，研究新型的变压器微机继电保护应用于现代电网势在必行。

1 变压器保护基本理论

根据变压器可能出现的故障类型设定变压器保护类型，按变压器故障发生地点将变压器故障类型分为内部故障和外部故障两类。内部故障主要是油箱内部各相绕组短路或单相绕组部分匝间短路、铁芯损坏等原因引起；外部故障主要是油箱外部外出线各相之间或单相接地引起的故障。其中内部故障的危害比外部故障危害性大，严重时会引起整个变压器的爆炸。

1.1 变压器的主保护

变压器的主保护主要为差动保护与瓦斯保护，其中差动保护又分为比率差动保护、差动速断保护等，瓦斯保护又包括重瓦斯与轻瓦斯保护。下面以最常用的复式比率差动保护为例讲述主变压器主保护原理[2]。

差动保护的动作原理根据基尔霍夫电流定理，计算变压器各侧电流的相量和。变压器正常运行时或者变压器区外发生故障时，变压器各侧电流相量和很小，理想情况为零，一旦变压器内发生故障时，则各侧电流相量和就会变大，大电流流入电流继电器，继电器动作将故障切除。复式比率差动保护在差动保护原理的基础上为了增加保护的灵敏度，增加了动作电流的制动量，并且该制动量中还跟随差动量的变化。

复式比率差动保护中差动电流为

(1)

复式比率差动保护制动电流为

(2)

根据差动动作原理可知复式比率差动动作方程为

(3)

式中：Iopmin为差动元件的启动电流，按躲过正常运行时的最大不平衡电流整定；Kr1为比率制动系数，按躲过变压器区外故障时产生的最大不平衡电流来整定。

1.2 变压器的后备保护

作为变压器的后备保护是在主保护拒动或出现故障时，防止故障扩张而设置的保护。主变压器的后备保护有多种，下面以复合电压过流保护为例讲述变压器的后备保护[3]。复合电压过流保护逻辑框图如图1所示。

图1 复合电压过流保护逻辑框图

复合电压过流保护包括复合电压元件和过流保护元件，两者进行“与”运算来控制保护的动作。复合电压元件包括负序过压和正序低电压元件。系统出现不对称故障时，会出现负序电压，系统出现对称故障时正序电压会急剧降低。当两者满足任意一条件时，复合电压元件都会动作。

U1

(4)

U2>U2set

(5)

式中：U1为正序电压；U2为负序电压；Uset为正序电压整定值；U2set为负序电压整定值。

在满足复合电压启动的前提下，只要A、B、C三相中任一相电流满足过电流启动条件，则复合电压过流保护就会动作。

2 变压器保护装置总体方案设计

为了满足智能变电站中SMV信息、GOOSE信息大数据量的高速传输，站控层、间隔层、过程层信息实时共享，变压器保护装置采用双CPU结构，一为数据处理能力极强的DSP，另一为控制能力极强的ARM，提高了运算速度，并加强了网络处理能力。

2.1 保护装置硬件整体框架

IEC 61850规约是智能变电站的基础和根本[4]，在该规约的通信环境中各个厂家的电气设备轻松实现互联、信息共享，为变电站实现数据实时传输奠定基础，也为微机继电保护硬件系统提出更高的性能要求。本文研究设计的微机继电保护系统的硬件平台采用了双CPU结构，增强了装置的运算及控制能力。一种是采用具有强大数字信号处理能力和运算能力的DSP芯片，很好地满足了微机保护中运算量大和采样精度高的要求，从而满足现代电网中数据处理的快速性和实时性。另一种是具有丰富接口与超强控制能力的ARM处理器，为保护信息的传输提供了多个输入输出接口以及人机交互界面。

本课题所设计的变压器微机继电保护装置的硬件平台采用模块化设计，根据每一模块完成的功能、作用，变压器微机保护装置主要分为DSP+ARM构成的CPU模块、获得模拟信号、数字信号的数据采集模块、完成开关量输出的光电隔离模块、方便人工操作的人机接口模块、电源模块、完成内外信息传递的通信接口模块等。系统的整体框架如图2所示。

图2 变压器微机保护的整体框架

2.2 保护装置软件设计

硬件是保护装置传递信息的载体，而软件则决定其动作特性和规律。微机保护的软件系统就是整个继电保护的神经元，提供了对采集数据进行分析、运算和判断的功能，最终实现了各种保护的正确动作。该保护装置程序软件的结构采用模块设计，主要包括ARM与DSP两大软件体系。其中，ARM负责人机交互、调度、故障录波、向DSP传达相应的控制命令；DSP负责采样控制、故障判别、保护执行、协调接收到ARM传输的控制命令等[5]。下面以核心元件DSP的软件设计为例，描述该保护的动作流程。

根据硬件平台中DSP模块的功能及设计要求，DSP软件系统包括自身程序的初始化与自检程序，数据采集模块接收程序、数据处理程序、故障判定程序、故障处理程序以及与双口ARM数据通信程序。其主程序的工作流程如图3所示。

图3 DSP芯片中的主程序流程

DSP芯片中的保护判定程序首先计算差动速断保护动作条件，如果计算结果符合差动动作数值，则跳闸，并传输信号、显示状态。如果计算结果不满足差动保护的动作数值，再计算比较差动电流Id与最小动作电流Iop0，若Id

图4 保护判断流程

2.3 动态时间弯曲算法

算法是微机保护的核心问题之一，决定着继电保护基本四性优劣[6]，是权衡保护运算速度与精度的重要基准。保护算法可以分成2类：一类是直接由采样值经过某种运算，求出被测信号的实际值，再与定值比较；另一类算法是依据继电器的动作方程，将采样值代入动作方程，转换为运算式的判断。目前微机保护广泛应用第2种方法作为自身的算法。而智能变电站中的保护是把这些保护原理用软件编程的方法来实现。

本课题变压器保护所用的算法是动态时间弯曲算法(DTW)。该算法是一种柔性模式匹配算法，能够通过将时间轴拉长或缩短，对存在全局或局部扩展、压缩或变形(如保护中的不同步情况)的相同时间长度或不同时间长度的序列进行匹配，计算出两侧时间序列的最短距离。而变压器差动主保护就是采集变压器两侧数据进行对比，以此来判断变压器内部是否发生故障。这样通过动态时间弯曲算法可以迅速找出最短距离，进而在第一时间找出变压器两侧的电流差流，判定是否为故障状态。

3 保护装置性能分析

3.1 数据采样分析

对于整个微机保护系统来说，数据采集最为重要[7]，只有准确地完成被测对象电量参数的采样，才能保证微机保护系统做出正确的逻辑判断。为保证测量精度，在测量前对装置模拟通道进行了测试及比例系数调整。将12 路模拟量输入通道接地，调整零漂，在要使用的通道上加57.74 V电压与5 A电流，如表1所示。保护装置采样频率也是影响采样精度的重要因素，表2为保护装置频率测验情况。

表1 模拟通道交流量测验情况

表2 频率测验表情况 单位：Hz

由上述结果可以看出，本系统对电压电流有效值具有较高的精度，由此推算出来的有功功率、无功功率、功率因数同样具有较高的精度。

3.2 变压器匝间短路故障试验数据

变压器常出现的故障类型中，单相接地故障占到总接地故障数量的70%[8]，为此在变压器满载条件下，以高压侧单相接地故障为例，验证该课题设计的变压器保护装置的实用性与正确性。表3所示为变压器区内高压侧A相单相故障类型的试验报告，其对应的录波为图5。

表3 区内高压侧单相故障报告

图5 高压侧A相故障录波

4 结束语

本文讲述了智能变电站的发展现状以及传统保护智能化改造的必要性；详细阐述了变压器保护的保护原理：主保护与后备保护。设计了一种适合智能化变电站发展的变压器保护，详细分解了保护的内部结构以及使用的软件结构设计，在保护算法上利用了动态时间弯曲算法，该方法可以得出两点之间最近的距离，适合变压器保护中主保护的差动保护原理。最后通过详细的软件设计和硬件设计结合成装置测试验证相关工作的效果。结果表明：该研究课题能够满足运行需要，且在电力系统中表现良好。