APCI控機的變壓器保護裝置

　　1 裝置的配置及硬件特點

　　葛洲壩大江電廠主接線如圖I所示。變壓器主保護的硬件平臺采用的是北京康拓公司與華中科技大學、葛洲壩能達電器公司聯合開發的APCI5000系列工控機。APCI5000系列工控機采用歐洲直插式工業結構，同時支持與ISA總線兼容的AT96總線及與PCI總線兼容的CompactPCI總線，總線傳輸速率達132Mbit/s。 APCI5000系列工控機取消了康拓STD工控機模板的“金手指”插接和扁平電纜連接進行信號交互方式，母板采用標準96芯針孔連接器，用戶I/O接口為歐式96芯插座，通過無源母板上的96芯壓接插頭引線，從而系統具有更高的可靠性。AT96機箱高度為6U，具有強的抗電磁輻射干擾功能[1]。

　　交流輸入板設有14個模擬量的輸入變換器，包括變壓器高壓側三相電流，變壓器中性點零序電流，變壓器低壓側電壓Uab，低壓側2臺發電機分支三相電流和廠用變壓器分支(或制動電阻分支)三相電流，這14個模擬量經變換器變換后通過交流濾波板上的二階RC濾波電路輸出至DSP(APCI5469)板， DSP板完成數據采集(采樣率為1 kHz)、裝置自檢、保護啟動計算與判斷、保護判據的實現、告警和跳閘信號的發出、故障報告的形成等功能。V40 (APCI5087)板用于與486板(APCI5094)通信，實現DSP板和486板的信息交互，并與信號轉接板、信號板和跳閘板配合，完成告警信號和跳閘信號的開出。486板為上層機的管理板，變壓器主保護和后備保護共用一塊管理板，相互之間采用RS-485進行通信，顯示部分采用液晶式觸摸屏，可以對下層機進行實時監控，完成定值的整定與修改，保護的投退、故障波形的分析、故障報告的打印等功能。

　　 DSP板與V40板之間通過型號為IDT71342的雙口RAM(DRAM)進行數據交換，雙方同時對 DRAM的同一單元進行讀操作，就像對兩片 SRAM操作一樣，非常方便。但雙方同時對DRAM的同一單元進行寫操作或一方進行讀操作、另一方進行寫操作時，就會發生內存操作沖突，解決的辦法之一是采用DSP板上提供的SEMAPHORE握手信號燈功能，只有在持有信號燈令牌的一方才能對內存進行操作，沒有持令牌的一方則處于等待狀態，另一種處理方法就是利用DSP與V40相互之間的中斷申請，來實現對DRAM的操作，避免沖突的發生，此方法實時性好、編程方便，為本裝置所采用。

　　2 保護配置、原理及算法

　　2.1 保護配置

　　本裝置在充分考慮傳統變壓器保護原理的同時，十分注意新原理的應用。由于硬件功能足夠強大，使得裝置能夠同時裝備幾種不同原理的保護，并通過保護控制字的投退，來進行多種保護原理的組合。在運行初期可先投入傳統原理的保護，其余新原理保護投信號，考驗時間充足后轉投跳閘，這樣可以考核幾種原理保護的現場運行情況。

　　保護配置及保護原理組合有：①相量差流速斷保護;②比例制動相量差動保護;③比例制動采樣值差動保護;④2次諧波閉鎖：⑤虛擬3次諧波閉鎖;⑥5次諧波閉鎖;⑦電流互感eS(TA)斷線閉鎖。其中：①，⑥，⑦為各種組合都需配備的;②，④為互相配合的一對。因此，除①，⑥，⑦外，可以在②，④或③或⑤ 之間選擇。由于⑤只是在故障發生初期有效，因此采用⑤時，還需配備②，④或③使用，而⑧，④或③都可以單獨使用(除①，⑥，⑦為必投之外)。

　　2.2 保護的啟動

　　保護的啟動有：①差流瞬時值啟動;②差流瞬時值突變量啟動，③制動電流瞬時值突變量啟動。三者之間的關系是：(①∪②)∩③。該啟動方式能反映各種故障，不受負荷電流的影響，過激磁時不易啟動，因而具有較強的抗干擾能力。

用相量構成差動保護的差動量和制動量，在消除非周期分量和諧波的影響后，相量的幅值或有效值基本是恒定的，一個周期內的每一點，其制動特性都相同，而采樣值隨時間周期性變化，對每一個采樣值而言，其制動關系都不同，因此為保證動作判據的正確性，采用重復多次的判別方法，即連續R次采樣中有S次以上符合動作判據，則輸出動作信號。在本保護中，每周期采樣20點，只取為16，S取為13。

　　勵磁涌流波形在一個甩期內由于間斷角的存在，會有幾點不滿足采樣值動作條件，此時如取一合適的數據窗只進行判斷，涌流波形不會出口，而內部故障時僅在過零點附近使采樣值差動條件不滿足，故能夠出口。因此，采樣值差動不需加2次諧波閉鎖勵磁涌流。采樣值差動保護由于其所用數據窗比全周期相量差動短，又具有自動識別勵磁涌流的能力，因此保護出口速度快。

　　d.2次諧波閉鎖

　　計算差流中的2次諧波與諧波幅值比K21=I2/I1 是否大于整定值，若大于或等于整定值，則制動差動。K21一般不大于20%，通常取15%。

　　e.虛擬3次諧波閉鎖

　　由于變壓器的磁飽和特性，勵磁涌流波形在前半周期內呈現尖頂波的特性，依據這一特征，以此半周期采樣數據為基礎將波形平移半周期后翻轉，則波形為奇對稱波形，波形中3次諧波含量較大，而變壓器發生內部故障時，基本為正弦波，無論以半周期還是全周期數據窗進行分析，3次諧波含量均較小，由此可區分出變壓器內部故障和勵磁涌流。

　　3次諧波制動數據窗短于2次諧波制動，因此其速動性強于2次諧波，但虛擬3次諧波只能利用涌流的前半周期信息，超過這個數據窗后，虛擬出來的波形中3 次諧波含量迅速減少，為防止系統諧波的影響造成保護拒動，需要有另一原理的保護作為補充。在本裝置中，虛擬3次諧波可以與采樣值差動保護或與相量差動+2 次諧波配合一起使用。

　　f.5次諧波閉鎖

　　大型變壓器工作磁密接近飽和，在電壓升高或頻率降低時會出現過激磁，可能引起差動保護的誤出口。計算差流中5次諧波與基波的幅值之比K51=I5/I1 是否大于整定值，若是，則閉鎖差動保護。

　　2.4 保護主要算法

　　根據數據窗的情況，采用半周期或全周期傅氏算法。用虛擬3次諧波制動時，其數據窗為半個周期，因此需采用半周期傅氏算法。采樣值差動保護，不需要計算相量，只計算滿足條件的點數即可，故其計算量最小。

　　3 裝置的其他功能

　　3.1 頻率跟蹤

　　本裝置的采樣頻率為1 kHz，但當系統頻率發生變化時，如仍用固定的采樣頻率進行采樣將產生采樣誤差，降低保護的靈敏度，因此本裝置跟蹤比較穩定的電壓量Uab，利用其前后2個周期過零時值的變化，來對頻率進行補償，從而保證一個周期內采樣規定的點數。

　3.2 啟動報告、(故障)保護動作報告記錄

　　保護動作時記錄2份報告：啟動報告和(故障)保護動作報告。啟動報告記錄保護啟動時刻前3個周期和后5個周期的采樣數據，與保護是否跳閘無關，(故障)保護動作報告記錄保護發跳閘令前3個周期和后5個周期的采樣數據。現場經驗表明，曾出現過擾動初期(保護已啟動)保護未誤動，但延遲一定時間后誤跳閘的情況，如僅記錄保護啟動前后8個周期的數據，保護發跳閘令前后的數據記錄不下來，因此本裝置記錄2份報告。

　　3.3 故障流程再現

　　基于DSP豐富的硬件資源和強大的數據處理能力，保護啟動后裝置在程序經過的流程一定位置處打上時標，這些時標作為故障報告的一部分上傳到上層管理機，在上層機可形成一份故障時程序流程圖，以利于對保護動作行為進行分析。

　　3.4 故障數據回放

　　在調試狀態下，上層機將故障時記錄下來的故障數據下傳給DSP，讓DSP重新運行，從而再現故障時保護動作過程。

　　4 結語

　　該裝置以APCI5000工控機和TMS320C32-40作為硬件平臺，軟、硬件資源豐富，保護功能強大，傳統原理保護和新原理保護可以組合，整套裝置結構緊湊，可靠性高，適合于500kV的變壓器保護。