APCI控机的变压器保护装置

1 装置的配置及硬件特点

葛洲坝大江电厂主接线如图I所示。变压器主保护的硬件平台采用的是北京康拓公司与华中科技大学、葛洲坝能达电器公司联合开发的APCI5000系列工控机。APCI5000系列工控机采用欧洲直插式工业结构，同时支持与ISA总线兼容的AT96总线及与PCI总线兼容的CompactPCI总线，总线传输速率达132Mbit/s。 APCI5000系列工控机取消了康拓STD工控机模板的“金手指”插接和扁平电缆连接进行信号交互方式，母板采用标准96芯针孔连接器，用户I/O接口为欧式96芯插座，通过无源母板上的96芯压接插头引线，从而系统具有更高的可靠性。AT96机箱高度为6U，具有强的抗电磁辐射干扰功能[1]。

交流输入板设有14个模拟量的输入变换器，包括变压器高压侧三相电流，变压器中性点零序电流，变压器低压侧电压Uab，低压侧2台发电机分支三相电流和厂用变压器分支(或制动电阻分支)三相电流，这14个模拟量经变换器变换后通过交流滤波板上的二阶RC滤波电路输出至DSP(APCI5469)板， DSP板完成数据采集(采样率为1 kHz)、装置自检、保护启动计算与判断、保护判据的实现、告警和跳闸信号的发出、故障报告的形成等功能。V40 (APCI5087)板用于与486板(APCI5094)通信，实现DSP板和486板的信息交互，并与信号转接板、信号板和跳闸板配合，完成告警信号和跳闸信号的开出。486板为上层机的管理板，变压器主保护和后备保护共用一块管理板，相互之间采用RS-485进行通信，显示部分采用液晶式触摸屏，可以对下层机进行实时监控，完成定值的整定与修改，保护的投退、故障波形的分析、故障报告的打印等功能。

DSP板与V40板之间通过型号为IDT71342的双口RAM(DRAM)进行数据交换，双方同时对 DRAM的同一单元进行读操作，就像对两片 SRAM操作一样，非常方便。但双方同时对DRAM的同一单元进行写操作或一方进行读操作、另一方进行写操作时，就会发生内存操作冲突，解决的办法之一是采用DSP板上提供的SEMAPHORE握手信号灯功能，只有在持有信号灯令牌的一方才能对内存进行操作，没有持令牌的一方则处于等待状态，另一种处理方法就是利用DSP与V40相互之间的中断申请，来实现对DRAM的操作，避免冲突的发生，此方法实时性好、编程方便，为本装置所采用。

2 保护配置、原理及算法

2.1 保护配置

本装置在充分考虑传统变压器保护原理的同时，十分注意新原理的应用。由于硬件功能足够强大，使得装置能够同时装备几种不同原理的保护，并通过保护控制字的投退，来进行多种保护原理的组合。在运行初期可先投入传统原理的保护，其余新原理保护投信号，考验时间充足后转投跳闸，这样可以考核几种原理保护的现场运行情况。

保护配置及保护原理组合有：①相量差流速断保护;②比例制动相量差动保护;③比例制动采样值差动保护;④2次谐波闭锁：⑤虚拟3次谐波闭锁;⑥5次谐波闭锁;⑦电流互感eS(TA)断线闭锁。其中：①，⑥，⑦为各种组合都需配备的;②，④为互相配合的一对。因此，除①，⑥，⑦外，可以在②，④或③或⑤ 之间选择。由于⑤只是在故障发生初期有效，因此采用⑤时，还需配备②，④或③使用，而⑧，④或③都可以单独使用(除①，⑥，⑦为必投之外)。

2.2 保护的启动

保护的启动有：①差流瞬时值启动;②差流瞬时值突变量启动，③制动电流瞬时值突变量启动。三者之间的关系是：(①∪②)∩③。该启动方式能反映各种故障，不受负荷电流的影响，过激磁时不易启动，因而具有较强的抗干扰能力。

用相量构成差动保护的差动量和制动量，在消除非周期分量和谐波的影响后，相量的幅值或有效值基本是恒定的，一个周期内的每一点，其制动特性都相同，而采样值随时间周期性变化，对每一个采样值而言，其制动关系都不同，因此为保证动作判据的正确性，采用重复多次的判别方法，即连续R次采样中有S次以上符合动作判据，则输出动作信号。在本保护中，每周期采样20点，只取为16，S取为13。

励磁涌流波形在一个甩期内由于间断角的存在，会有几点不满足采样值动作条件，此时如取一合适的数据窗只进行判断，涌流波形不会出口，而内部故障时仅在过零点附近使采样值差动条件不满足，故能够出口。因此，采样值差动不需加2次谐波闭锁励磁涌流。采样值差动保护由于其所用数据窗比全周期相量差动短，又具有自动识别励磁涌流的能力，因此保护出口速度快。

d.2次谐波闭锁

计算差流中的2次谐波与谐波幅值比K21=I2/I1 是否大于整定值，若大于或等于整定值，则制动差动。K21一般不大于20%，通常取15%。

e.虚拟3次谐波闭锁

由于变压器的磁饱和特性，励磁涌流波形在前半周期内呈现尖顶波的特性，依据这一特征，以此半周期采样数据为基础将波形平移半周期后翻转，则波形为奇对称波形，波形中3次谐波含量较大，而变压器发生内部故障时，基本为正弦波，无论以半周期还是全周期数据窗进行分析，3次谐波含量均较小，由此可区分出变压器内部故障和励磁涌流。

3次谐波制动数据窗短于2次谐波制动，因此其速动性强于2次谐波，但虚拟3次谐波只能利用涌流的前半周期信息，超过这个数据窗后，虚拟出来的波形中3 次谐波含量迅速减少，为防止系统谐波的影响造成保护拒动，需要有另一原理的保护作为补充。在本装置中，虚拟3次谐波可以与采样值差动保护或与相量差动+2 次谐波配合一起使用。

f.5次谐波闭锁

大型变压器工作磁密接近饱和，在电压升高或频率降低时会出现过激磁，可能引起差动保护的误出口。计算差流中5次谐波与基波的幅值之比K51=I5/I1 是否大于整定值，若是，则闭锁差动保护。

2.4 保护主要算法

根据数据窗的情况，采用半周期或全周期傅氏算法。用虚拟3次谐波制动时，其数据窗为半个周期，因此需采用半周期傅氏算法。采样值差动保护，不需要计算相量，只计算满足条件的点数即可，故其计算量最小。

3 装置的其他功能

3.1 频率跟踪

本装置的采样频率为1 kHz，但当系统频率发生变化时，如仍用固定的采样频率进行采样将产生采样误差，降低保护的灵敏度，因此本装置跟踪比较稳定的电压量Uab，利用其前后2个周期过零时值的变化，来对频率进行补偿，从而保证一个周期内采样规定的点数。

　3.2 启动报告、(故障)保护动作报告记录

保护动作时记录2份报告：启动报告和(故障)保护动作报告。启动报告记录保护启动时刻前3个周期和后5个周期的采样数据，与保护是否跳闸无关，(故障)保护动作报告记录保护发跳闸令前3个周期和后5个周期的采样数据。现场经验表明，曾出现过扰动初期(保护已启动)保护未误动，但延迟一定时间后误跳闸的情况，如仅记录保护启动前后8个周期的数据，保护发跳闸令前后的数据记录不下来，因此本装置记录2份报告。

3.3 故障流程再现

基于DSP丰富的硬件资源和强大的数据处理能力，保护启动后装置在程序经过的流程一定位置处打上时标，这些时标作为故障报告的一部分上传到上层管理机，在上层机可形成一份故障时程序流程图，以利于对保护动作行为进行分析。

3.4 故障数据回放

在调试状态下，上层机将故障时记录下来的故障数据下传给DSP，让DSP重新运行，从而再现故障时保护动作过程。

4 结语

该装置以APCI5000工控机和TMS320C32-40作为硬件平台，软、硬件资源丰富，保护功能强大，传统原理保护和新原理保护可以组合，整套装置结构紧凑，可靠性高，适合于500kV的变压器保护。