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基于单片机的变压器保护装置
摘要
电力变压器是电力系统的重要设备。
它担负着电能传输和电压变换的重要作用。
大型电力变压器，尤其是220kV及以上的变压器的安全运行,与系统的运行情况息息相关。
提高电力变压器的继电保护的性能，对于保障电力系统的安全、稳定的运行具有重要的意义。
将微型计算机应用于变压器保护就是提高变压器保护水平的一个主要途径。
微机继电保护系统可连续不断地对本身的工作情况进行自检，其工作可靠性很高。
此外，微机继电保护可用同一硬件实现不同的保护原理，这使保护装置的制造大为简化，也容易实行保护装置的标准化。
采用微机技术构成的变压器保护系统，较现在的模拟式保护具有更加完善的功能。
本毕业设计就是研究用单片机来实现电力变压器保护。
本毕业设计阐述了电力变压器保护的基本原理、基本要求、保护方式、特点、可靠性措施及其系统硬件设计（包括总体方案、原理电路、原器件选择等项目的设计）、数字滤波、电力变压器保护软件设计。
并介绍了计算机继电保护的基本原理和算法、各元件的引脚和功能，用PROTEL、WORD2000等软件绘制了硬件原理图、软件设计流程图。
关键词：
变压器保护差动保护短路故障单片机
Abstract
Powertransformeristheimportantequipmentofelectricpowersystem.Itplaysavitalroleintheelectricalenergytransition.Large-scalepowertransformer’ssafeoperationiscloselylinkedwiththesystemmovementsituation.Ithasthevitalsignificancetoenhancethepowertransformer’srelayprotectionformakingsuretheelectricalsystemsecurityandstablemovement.It’samainwaytoapplythemicrocomputertothetransformerprotectionforraisingthetransformerprotectionlevel.Thesystemofmicrocomputerrelayprotectionmaycarryonself-checkingnowandthen.Soitsoperationalreliabilityisveryhighreliability,themicrocomputercanuseidenticalhardwaretorealizedifferentprotectionprinciple.Thisgreatlysimplifiesprotectivedevicesmanufacture.It’salsoeasytomaketheprotectivedevicesstandardization.Thisgraduationprojectisaboutthepowertransformerprotectionwiththemonolithicintegratedcircuit.Itelaboratedthepowertransformerprotectsbasicprinciple,basicrequest,way,characteristic,itssystemhardwaredesign,digitalfilterandpowertransformerprotectionsoftwaredesign.Itintroducedthecomputerrelayprotectionbasicprincipleandthealgorithm,variouspartsfunction.
Keywords:
Transformerprotectiondifferentialprotectionshort-circuitfaultSCM
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1课题背景介绍1
1.2论文研究的目的与意义1
1.3论文的主要工作2
第二章变压器故障和硬件保护简介3
2.1变压器的基本原理及分类3
2.2变压器的基本结构3
2.3变压器故障类型及不正常运行状态4
2.4微机继电保护的硬件系统简介4
第三章变压器保护的基本原理7
3.1计算机变压器保护的概述7
3.2电力变压器保护的方式8
3.2.1变压器的瓦斯保护8
3.2.2变压器速断保护9
3.2.3变压器的纵差动保护9
3.2.4变压器相间短路的后备保护11
3.2.5变压器接地短路的后备保护12
3.2.6过负荷保护13
3.3计算机系统可靠性的保证措施14
第四章微机保护硬件的基本组成15
4.1微机保护的基本原理15
4.2微机保护装置的构成15
4.3变压器保护装置主系统的硬件设计16
4.3.1电压电流形成回路17
4.3.2采样保持电路19
4.3.3模拟量多路转换开关21
4.3.4模数转换器22
4.3.5输入/输出通道23
4.3.6芯片简介24
4.4人机交互部分设计25
4.4.1键盘控制设计25
4.4.2显示电路设计26
4.5电源转换电路27
4.6通信电路设计27
第五章微机保护的软件设计29
5.1数字滤波29
5.1.1非递归型数字滤波器29
5.1.2递归型数字滤波器31
5.2微机保护算法简介31
5.3变压器保护装置软件设计32
5.3.1数据转换设计33
5.3.2数据处理设计34
5.3.3变压器保护动作设计35
5.3.4键盘控制设计37
总结39
参考文献40
致谢41
第一章绪论
1.1课题背景介绍
电力工业是国民经济的基础，是重要的支柱产业，它与国家的兴盛和人民的安康有密切的关系。
因此，电力产品应该是安全、可靠、经济、优质的能源产品。
随着国民经济的飞速发展，电力系统的规模越来越大，结构越来越复杂。
在整个电力生产过程中，由于人为因素或大自然的原因，会产生这样那样的故障和出现不正常的运行状态。
变压器是电力系统和铁路牵引供电系统的重要设备，它的可靠运行对于保证安全供电具有十分重要的意义。
同时，牵引变电所的牵引变压器容量较大，造价很高，它的故障往往会造成很大的经济损失。
因此，对于变压器的故障和不正常状态必须装设可靠的继电保护装置。
1.2论文研究的目的与意义
电力变压器是电力系统安全不可缺少的一个重要组成部分，它的主要作用是变换电压，以利于功率的传输。
在同一段线路上，传送相同的功率，电压经升压变压器升压后，线路传输的电流减小，可以减少线路损耗，提高送变电经济性，达到远距离送电的目的，而降压则能满足各级使用电压的用户需要。
国内外学者在电力变压器故障保护方面进行了大量工作，已经研制了具有故障检测和保护功能的专家系统。
其程序多用逻辑程序设计语言或用混合语言编写，有很强的的实用性，但仍有很多不足，如保护动作的正确率急需提高，对于变压器保护装置及技术的改进与完善成为当前社会急需解决的问题。
基于单片机的电力变压器保护装置，具有成本低，操作方便，程序简单，便于控制，实用性强，广阔的市场前景等特点。
需领域专家作出更艰苦的努力。
1.3论文的主要工作
论文在绪论部分简要说明了变压器保护的背景及意义。
接下来在第二章对变压器的故障和保护的硬件系统进行了简要的分析，并列出根据要求所应装设的保护配置。
在此基础上，在第三章阐述了变压器的各种保护原理，包含其主保护和后备保护。
在了解了变压器保护的各种基本知识以后，第四章和第五章开始对保护装置进行硬件及软件设计。
第二章变压器故障和硬件保护简介
2.1变压器的基本原理及分类
1.变压器的基本原理
变压器是一种静止的电气设备，其利用电磁感应原理，以交变磁场为媒介，把线圈从电源吸收的某一种电压的交流电能转变成频率相同的另一种电压的交流电能，再由另一线圈向负载提供。
2.变压器的分类
变压器的种类是多种多样的，但就其工作原理而言，都是按照电磁感应原理制成的。
一般情况下，常用变压器的分类可归类如下：
（1）按用途分：
电力变压器、试验变压器、仪用变压器及特殊用途的变压器。
（2）按相数分：
单相变压器、三相变压器。
（3）按绕组形式分：
自耦变压器、双绕组变压器、三绕组变压器。
（4）按铁芯形式分：
芯式变压器、壳式变压器。
（5）按冷却方式分：
油浸式变压器、干式变压器、充气式变压器及蒸发冷却变压器。
2.2变压器的基本结构
电力变压器的基本结构，包括铁芯和一、二次（或一、二、三次）绕组两部分。
以油浸式电力变压器为例说明变压器的基本结构。
油浸式变压器由三相一、二次绕组，铁芯、油箱、底座、高低压套管、引线、散热器（或冷却器）、净油器、储油柜、安全气道、以及温度计、分接开关和气体继电器等组成。
铁芯构成了磁路，线圈套在铁芯上。
线圈由导线绕制而成，绕组是指与电源（或负载）相接的线圈或线圈的组合，即绕组是由线圈组成。
通常把铁芯和绕组合在一起称为变压器的器身，是变压器的最基本的组成部分。
变压器器身放置在油箱内，油箱起机械支撑、冷却散热和保护作用。
油箱内充满了变压器油，变压器油既是冷却介质，同时也起绝缘作用。
变压器在运行过程中，各种损耗最终转变为热量，热量传给变压器油，再传给油箱壁向外散出。
变压器油箱上装有许多油管，在变压器内部，热油上升，再由油管往下流，这实际上相当于增加了油箱壁的散热面积和散热能力。
绝缘套管主要是起绝缘作用，使变压器绕组的引出线与油箱妥善绝缘。
2.3变压器故障类型及不正常运行状态
研究变压器保护，首先就要分析变压器可能发生的故障和异常情况。
电力变压器的故障类型和不正常运行状态如下：
1.变压器故障：
变压器故障可分为内部故障和外部故障两类。
（1）内部故障
内部故障主要包括变压器绕组的相间短路、匝间短路和中性点接地系统绕组的接地短路等。
这些故障危害很大，因为短路电流产生的高温电弧不仅会烧坏绕组的绝缘和铁心，还会使绝缘材料和变压器油受热分解会产生大量的气体，有可能使变压器油箱局部变形、破裂，甚至引起变压器油箱的爆炸。
因此，当变压器发生内部故障时，必须迅速将变压器切除。
（2）外部故障
变压器最常见的外部故障主要是变压器套管和引出线上发生的相间短路或接地（对变压器外壳）短路。
发生这类故障时也应迅速切除变压器，以尽量减小短路电流对变压器的冲击。
2.变压器不正常工作状态：
变压器不正常工作状态主要表现为：
（1）外部短路引起的过电流。
（2）过负荷。
（3）油箱漏油造成的油面降低。
（4）变压器中性点电压升高或外部电压过高或频率降低等引起的过励磁。
2.4微机继电保护的硬件系统简介
1.微机继电保护的特点
继电器保护是一种能反应电力系统故障和不正常状态，并及时动作于断路器跳闸或发出信号的自动化设备。
进入20世纪90年代以来，微机继电保护在我国得到大量应用，以成为继电保护装置的主要形式，是当今电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的综合自动化系统的重要组成部分。
微机继电保护具有如下特点：
（1）维护调试方便
微机保护的硬件是一个只会做几种单调的、简单操作（如读数，写数以及简单的运算）的硬件，配以软件，把许多简单操作组合而完成各种复杂功能的。
因而只要用几个简单的操作就可以检验微机的硬件是否完好。
如果硬件完好，对于已成熟的软件，只要程序和设计时的一样，就必然会达到设计的要求，用不着逐台做各种模拟试验来检验每一种功能是否正确。
（2）可靠性高
微机有极强的综合分析和判断能力，因而它可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。
另外它有自诊断能力，能够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效的防止拒动。
因此它的可靠性很高。
（3）灵活性大
由于微机保护的特性主要由软件决定（不同原理的保护可以采用通用的硬件），因此只要改变软件就可以改变保护的特性和功能。
从而可灵活地适应电力系统运行方式的变化。
2.对继电保护的基本要求
对电力系统继电保护的要求有选择性、速动性、灵敏性、可靠性。
它们有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别进行协调。
现分别讨论如下：
（1）选择性
仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统的无故障部分仍能继续安全运行。
（2）速动性
快速的切除故障，减少用户在电压降低情况下的使用时间，提高电力系统的稳定性。
（3）灵敏性
对其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。
（4）可靠性
指在规定的范围内发生了属于它应该动作的故障，它不应该拒绝动作，而在其它不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。
第三章变压器保护的基本原理
3.1计算机变压器保护的概述
在计算机继电保护研究领域，除了线路保护最受关注外，其次就是变压器保护。
这显然因为变压器在电力系统发电，输电和配电各个环节中广泛使用，因而其保护设备具有广阔的应用领域。
由于大容量变压器在电力系统中的地位非常重要，一旦发生故障，影响很大。
电力变压器保护的核心问题有两个：
一是如何鉴别内，外部故障；一是如何区分内部短路和励磁涌流。
对于前一个问题，已经有一些有效的算法来解决，例如可变比率制动特性的差动过流算法，时间差动过流算法（简称
差动算法），并成功运用于工业装置中。
对于后一个问题，应用最广泛的是二次谐波分量的算法，其在加速保护动作上主要的研究方向：
一为研究快速响应的算法，二为寻找计算量小的算法（如富氏算法等）。
现代大型变压器的特点是容量大、电压等级高，而且价格昂贵、修理困难。
为保证系统和变压器安全运行，减少事故损失，人们对变压器继电保护提出了更苛刻的要求。
提高灵敏度要求差动保护能灵敏动作于匝间短路故障，同时也要求灵敏动作内部高电阻接地故障。
保持高速度对于接于超高压远离输电线路上的变压器，当发生内部故障时，由于谐振也会产生谐波电流，这可能引起谐波制动的差动保护延缓动作，需要采取有效的加速措施或寻求新原理的励磁涌流鉴别方法。
有效地对付过励磁大型变压器的工作磁密通常取得较高，短时过压或频率降低，励磁电流会激增。
另外，对于三绕组变压器，以及因500kV变电站广泛采用3/2断路器而引起的多侧差动问题，以及原来遗留的CT、PT断线闭锁问题等，也需要予以考虑。
计算机技术具有的长记忆功能和优越的信息处理功能，以及在结构上的特点，为解决这些难题提供了手段，主要表现在：
在差动保护中可将CT二次侧电流直接差改为数字差。
变压器的各侧绕组中，因连接组别的关系而引起的电流相位移可由CT副边Y-Δ变换改变为数字计算补偿。
可应用更多更复杂的原理来改善励磁涌流鉴别能力。
可通过采用灵活的算法来获得高速度和高灵敏度。
采用复杂的运算和逻辑处理在一定程度上实现CT和PT断线报警和闭锁。
由CT变比标准化带来的误差可用数字运算进行补偿。
计算机变压器保护的优点远远不止这些，通过进一步研究，计算机技术所带来的益处会不断地被发掘出来。
3.2电力变压器保护的方式
变压器应配置相应的继电保护装置有：
瓦斯保护、速断保护、纵差动保护、后备保护、接地保护、过负荷保护和过励磁保护等。
3.2.1变压器的瓦斯保护
变压器的瓦斯保护是变压器油箱内部故障的主要保护之一。
变压器油箱内部故障通过瓦斯保护的主要元件气体继电器来反应，它和纵差动保护共同实现变压器的主保护。
此外，瓦斯保护还是油箱漏油或绕组、铁芯烧损的唯一保护。
反应变压器内部的不正常情况或轻微故障称为“轻瓦斯”，另一个反应变压器的严重故障，称为“重瓦斯”。
轻瓦斯动作于信号，使运行人员能够迅速发现故障并及时处理，重瓦斯动作于跳开变压器各侧断路器。
其原理图如图3-1所示
图3-1瓦斯保护原理图
3.2.2变压器速断保护
电流速断保护用于对于容量为10000kVA以下的变压器，当后备保护的动作时限大于0.5s时，应装设电流速断保护。
对于20000kVA以上的变压器，当电流速断保护的灵敏性不能满足要求时也应装设纵差动保护。
速断保护的动作电流
按躲过变压器外部故障的最大短路电流整定，即
（3-1）
式中
——k1点短路时流过保护的最大三相短路电流；
——可靠系数，取1.2～1.3。
3.2.3变压器的纵差动保护
变压器纵差动保护是反应变压器绕组和引出线相间短路、绕组匝间短路以及中性点直接接地系统侧绕组和引出线接地短路的主保护。
实现变压器纵差动保护必须遵循基本原则，并解决好两个突出问题：
励磁涌流和区分外部短路的不平衡电流。
变压器差动保护应满足以下的要求。
在任何情况下，当变压器内部发生短路性质的故障（包括高阻接地及匝间短路）时应快速动作跳闸。
故障变压器空载投入时，可能伴随较大的励磁涌流，亦应尽快动作。
反之当出现外部故障伴随很大的穿越电流时，应可靠不动作。
无论正常变压器发生任何形式的励磁涌流和过激励应可靠不动作。
因此，与传统保护类似，计算机变压器差动保护的原理和算法主要可分为两部分：
一部分是如何区分内、外故障；另一部分是如何鉴别励磁涌流。
双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图如图3-1所示。
图3-1双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图
、
分别为变压器一次侧和二次侧的一次电流，参考方向为母线向变压器
、
为相应的电流互感器二次电流。
流入差动继电器KD的差动电流为
（3-2）
纵差动保护的动作判据为:
（3-3）
1.纵差动保护的整定计算原则：
（1）躲过外部短路故障时的最大不平衡电流，整定式为
（3-4）
式中，
——可靠系数，可取1.3；
——外部短路故障时的最大不平衡电流。
（2）躲过变压器最大的励磁涌流，即
（3-5）
式中，
——变压器额定电流；
——可靠系数，可取1.3～1.5；
——励磁涌流的最大倍数。
（3）躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流
（3-6）
式中，
——最大负荷电流；
——可靠系数，可取1.3。
2.纵差动保护灵敏系数的校验
纵差动保护的灵敏系数可校验式为
（3-7）
式中，
为各种运行方式下变压器区内端部故障时，流经差动继电器的最小差动电流，灵敏系数
一般不应低于2。
3.2.4变压器相间短路的后备保护
后备保护的作用是为了防止由外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为相邻元件（母线或线路）保护的后备以及在可能的条件下做为变压器内部故障时主保护的后备。
变压器的相间短路后备保护通常采用过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护以及负序过电流保护等，也有采用阻抗保护作为后备保护的情况。
过电流保护装置的原理接线图如图3-2所示。
保护动作后，跳开变压器两侧的断路器。
图3-2过电流保护装置的原理接线图
保护的启动电流按照躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即
（3-8）
式中
——可靠系数，取1.2--1.3；
——返回系数，取0.85--0.95；
——变压器可能出现的最大负荷电流。
3.2.5变压器接地短路的后备保护
变压器接地保护是反应变压器高压、绕组、引出线上的接地短路，并作为变压器主保护和相邻母线、线路接地保护的后备保护。
中性点直接接地运行的变压器毫无例外地都采用零序过电流保护作为变压器接地后背保护，接线图如图3-3所示。
零序过电流保护通常采用两段式。
零序电流保护I段与相邻元件零序电流保护I段相配合；零序电流保护II段与相邻元件零序电流保护后背段相配合配合。
图3-3零序过电流保护的系统接线和保护逻辑
零序电流保护I段和II段均采用两个时限，短时限t1、t3跳开母联断路器QF，长时限t2、t4跳开变压器两侧断路器。
零序电流保护I段的动作电流按下式整定
（3-9）
式中
——可靠系数，取1.2；
——零序电流分支系数；
——相邻元件零序电流I段的动作电流。
3.2.6过负荷保护
该保护作为变压器过负荷故障的保护，作用于发信号。
过负荷电流按躲过T额定电流来整定，即：
（3-10）
式中
=1.50；
=0.85
为额定一次侧电流
3.3计算机系统可靠性的保证措施
计算机应用系统的可靠性是指在指定的条件下，在规定的事件内完成规定功能的能力。
由于单片机应用系统在实际工作过程中，可能会受到各种内部和外部的干扰而发生异常状态，因此抗干扰设计是系统研制中不可忽视的一个重要内容。
单片机应用系统中应重点防止供电系统与过程通道的干扰。
1.供电系统干扰与抑制
来自供电系统以及通过导线传输，电磁耦合等产生的电磁干扰，是单片机系统工作不稳的重要原因。
为了减少供电系统的干扰，通常采用的方法是：
加装电源低通滤波器，并采用带屏蔽层的电源变压器；交流电引线尽量短，引线接口靠近变压器和低通滤波器；采用分散独立功能块构成性能优良的直流稳压电路，加大输入输出滤波电容，减少电源的纹波系数等。
2.过程通道的干扰和抑制
在过程通道中长线传输的干扰是主要因素，而随着系统主振频率越来越高，单片机系统过程通道的长线传输越来越不可避免。
为了保证长线传输的可靠性，主要措施是采用光电耦合器隔离、双绞线和阻抗匹配等措施。
3.软件的可靠性设计
单片机应用系统的可靠性，不可能完全依靠硬件解决，因此软件抗干扰性问题的研究已引起人们的重视。
当前在软件设计中常用的抗干扰对策有：
（1）数据采集误差的软件对策。
对于实时数据采集系统，除了在前向通道采取硬件措施外，可以采取数字滤波。
在一般的数据采集系统中，人们常采用一些简单的数值，逻辑运算处理来达到滤波的效果。
（2）控制状态失常的软件对策。
在大量的开关量控制系统中，人们关注的问题是能否确保正常的控制状态。
如果干扰进入系统，会影响各种控制条件造成控制输出失误，或直接影响输出信号造成控制失误。
为了确保系统安全，可采取下述软件抗干扰措施。
如软件冗余、设置当前输出状态寄存单元、设置自检程序。
（3）程序运行失常的软件对策。
这主要是发现失常状态后及时引导系统恢复原始状态。
第四章微机保护硬件的基本组成
4.1微机保护的基本原理
欲实现继电保护，必须首先解决如何正确区分电力系统正常运行与发生故障或不正常运行状态之间的差别，并研究在故障或不正常运行状态下，各种物理量的特点及其变化规律。
通常利用：
电气量的显著变化。
如故障时电压剧降，可实现电压保护。
同时反映电压与电流之间数值或相位的变化。
被保护设备两端电流相位（或功率方向）或大小的变化。
如利用辅助导线连接两端电流互感器可以构成判断区内、外故障的纵差动保护。
故障时才出现的某些对称分量。
如负序或零序电流、电压、功率可实现负序或零序电流、电压、功率的方向保护。
非电气量变化的差别。
如温度、气体等可实现过负荷保护、瓦斯保护。
电气量波形或时域、频域分析上的特点，也可实现某些保护。
分析、研究被保护设备在故障或不正常状态下各物理量的特点及变化规律称作继电保护技术，这是实现各种不同原理继电保护的重要方面。
另一方面，实现继电保护是通过继电保护装置来实
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