變壓器非電量保護智能組件的研究與分析

李樂文 陳衡

摘 要：介紹了最新的變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展，然后以變壓器非電量保護為重點，參考IEC61850對IED裝置進行了功能建模，進而在此基礎(chǔ)上對非電量保護裝置主要電路進行詳細的研究和設(shè)計，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)。測試結(jié)果獲得了完全適合現(xiàn)代智能保護系統(tǒng)要求的必需條件。

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

引言：近年來，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)的實施，變電站自動化系統(tǒng)已經(jīng)進入數(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)未來變電站自動化系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢，變電站自動化系統(tǒng)所涉及的監(jiān)控、遠動、繼電保護、自動安全裝置設(shè)備的可靠性、實時性、經(jīng)濟性將得以迅速提高。

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

一、變壓器本體保護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，變壓器電量保護的監(jiān)測變量（電量）在數(shù)值上并無明顯變化，因此電量保護此時并不動作。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，通過物理測量的變化（例如產(chǎn)生的氣體會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，及時的切除故障，防止事故擴大。因此由非電量參數(shù)組成的非電量保護是變壓器繼電保護系統(tǒng)中的一個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，肩負著變電站的保護、測量、測控、計量等重要的工作，它的運行直接關(guān)系到變壓器的安全可靠性。

本設(shè)計以D2-2型牽引變電站變壓器為對象，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站智能化系統(tǒng)的特點，設(shè)計的變壓器保護IED具備功能特點如下：

（1） IED裝置以變壓器非電量保護為主要對象的分布式

IED設(shè)備，具有保護、測控、通信等功能；（2） IED通過以太網(wǎng)和其他設(shè)備通信，通過過程總線實現(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、變壓器本體保護系統(tǒng)裝置原理圖及硬件插板總體規(guī)劃

在IED功能建?；A(chǔ)上，得到如圖1的變壓器非電量保護系統(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；擁有獨立的工作電源與重動出口；實現(xiàn)延時、自動重合閘功能；實現(xiàn)跳閘命令、信號和監(jiān)視。給出的裝置是獨立工作的，分別實現(xiàn)所需功能的一部分。

圖1 變壓器非電量保護系統(tǒng)裝置原理圖

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)要求微機保護硬件平臺應(yīng)當(dāng)具備可擴展性、高可靠性與模塊化，因此必須對變壓器非電量保護智能組件的硬件資源進行合理的分配，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，且各個插件板卡功能應(yīng)力求劃分明確，通信接口應(yīng)設(shè)計規(guī)范，布線方式應(yīng)合理，強弱電系統(tǒng)力求分離，以構(gòu)成一個完整、實時、可靠的整體系統(tǒng)。依據(jù)上述的設(shè)計規(guī)劃，變壓器非電量保護裝置的硬件規(guī)劃如下圖所示。

圖2 變壓器非電量保護裝置硬件規(guī)劃圖

三、微型控制器的選擇

經(jīng)濟和技術(shù)上的原因（更低的價格，更高的可靠性，更簡單的應(yīng)用）預(yù)示著在選擇微控制器時，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）存儲管理單元與專用的FLASH、SDRAM控制器，且能夠通過擴展以太網(wǎng)口方便實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，還可以方便的與LCD、觸摸屏進行接口，因此選擇它能夠很好地用于實現(xiàn)系統(tǒng)的軟硬件管理、通信及人機接口功能；而在實現(xiàn)對采樣值分析、保護算法、邏輯控制及一些傳統(tǒng)的開入開出量處理時，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，因為它繼承了豐富的外設(shè)功能，支持匯編、C/C++程序設(shè)計，且能進行快速數(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)，才能使整個變壓器非電量保護智能組件系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運行。因此完成了變壓器保護IED硬件平臺設(shè)計后，還需進行系統(tǒng)軟件的開發(fā)。IED軟件的開發(fā)主要包括兩個方面的工作：在硬件平臺上搭建一個嵌入式系統(tǒng)軟件平臺；在此軟件平臺的基礎(chǔ)上，開發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用程序。下面本文將對變壓器非電量保護智能組件系統(tǒng)的軟件開發(fā)進行一個簡單的闡述。

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

為了實現(xiàn)基于Linux的應(yīng)用開發(fā)，必須建立一個完備的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，首先在宿主機上（通用PC機）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)板上運行。在這個開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)一個嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動的大致流程如下：（1）查看原理圖，理解設(shè)備的工作原理（2）定義主設(shè)備號（3）在驅(qū)動程序中實現(xiàn)驅(qū)動的初始化。如果驅(qū)動程序采用模塊的方式，則要實現(xiàn)模塊初始化（4）設(shè)計所要實現(xiàn)的文件操作，定義file_operations結(jié)構(gòu)（5）如有需要，實現(xiàn)中斷服務(wù)（6）編譯該驅(qū)動程序到內(nèi)核中，或者用insmod命令加載（7）測試該設(shè)備。

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

參考文獻：

[1] 溫小旭.基于IEC61850的變壓器保護IED的研究與設(shè)計[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，呂強等.TMS320X281X DSP原理及程序設(shè)計開發(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

Manual [EB/OL]. http：//www.TI.com .