保护装置 基于嵌入式技术的TA开路保护装置
时间：2019-04-07 03:16:33 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘 要】本文通过对电流互感器开路过电压原因的分析，给出了CT二次侧开路判断原理。装置判断出CT开路后，将其瞬时短接，然后能替代CT原连接的主要功能部件进行工作，使电力系统能够持续安全、稳定地运行。
【关键词】电流互感器；开路保护；ARM；人机交互
引 言
监测、计量和继电保护装置等均要通过CT接入，这些二次设备是保证电力系统安全、可靠、经济运行的重要设备。CT开路将在二次侧感应出很高的过电压，危及人员和设备的安全；将会导致电流保护装置拒动或误动，扩大停电面积，对电力系统运行形成威胁；将可能导致漏计电度量，影响供电部门的经济效益等。本文研究开发了一套CT开路保护装置，该装置能将开路的CT瞬时短路，快速消除二次侧产生的过电压，并通过处理器部分替代完成该CT所连接的部分应完成的功能。
1.装置的设计思想
文献1中介绍的四种CT开路保护装置，虽然能够迅速短接开路的CT，消除过电压，但是与该CT所连接的装置会失去作用，因此会对系统的稳定运行造成一定的影响。本装置在短接开路的CT后设置了一个替代功能模块，能替代该CT所连接的装置的基本功能，维持系统的稳定运行，本装置与现存在的CT开路保护装置的对比见图1所示。
2.CT开路识别模块的设计
由于CT二次回路开路的特征是输出幅值很高、波形为正负尖峰状的周期波形[2]。而CT开路时，二次电压幅值具有大于线路最严重短路故障下电压幅值的特点，故可通过硬件设计识别出CT二次回路完好与开路，保证可靠动作[3]。其硬件逻辑图如图2所示。
信号处理电路直接与CT二次绕组输出接线端子相连，通过放大开路信号来提高该装置的灵敏度，该电路具有输入阻抗高、高阀值、吸收倒闸操作引起的暂态脉冲、电气隔离等特点，尽可能减少对测量、计量、继电保护装置的分流作用，消除对其他装置的精度影响要求。逻辑判断电路根据信号处理电路输出的电压大小来判断CT开路或完好，以输出不同的逻辑电平，具有快速识别CT开路或完好的功能。驱动电路对逻辑判断电路的输出电平进行功率放大，具有输入阻抗高、输出阻抗低等特点。执行电路通过判断输入的电平来决定是否短接二次绕组端子，CT完好时不动作，CT开路时将其二次绕组端子短接，消除过电压。接口电路是在驱动电路的基础上输出国际统一的标准数字逻辑电平，将开路CT的信号发送给处理器电路进行下一步处理，也可作为其他综合自动化设备的直接接口。
3.主功能模块电路设计
由于传统的单CPU的系统结构已难以满足多任务并行运行的多功能综合保护装置的设计要求，故本装置的设计采用了双CPU的冗余结构。在本次设计中，采用ARM芯片作为主处理器，完成交流采样、各种电气量的计算、CT开路类型判断、相应的开路CT功能替代等功能。单片机STC89C516则完成人机交互界面的控制，其主要用于控制液晶显示、面板操作与主处理器ARM交换数据等功能。主处理器与单片机之间的数据交换采用串行通讯的方式实现。
装置的硬件结构采用模块化的设计，使各模块之间分工明确，便于调整。整个装置分为5个功能模块，即：（1）电源模块：负责连续可靠的给各个模块提供不同电压的直流电源；（2）主处理器模块：主要包括ARM芯片、采样保持器、A/D转换器等[4]；（3）信号及出口模块：包括所有的信号继电器和出口继电器，是当其作为保护装置时的出口执行部分；（4）模拟量输入处理模块：包括电流互感器CT和电压互感器PT、变送器、低通滤波电路；（5）人机交互模块：包括单片机STC89C516、点阵液晶显示器YM12864、键盘、通讯接口卡等组成[5]。系统框图如图3所示。
4.主程序软件设计
本次设计中，需要主处理器通过查询方式对开路识别电路所输入的数字逻辑电平进行循环检测，根据输入开关量的不同，即所对应的开路CT类型不同，实现不同的功能。主程序流程图如图4所示。
在硬件的划分中明确了两片CPU的任务分工，即主CPU完成装置的基本功能：根据开关量输入的通道号不同，确定是哪种CT开路：如果为测量CT开路，则主CPU将各种电气量采集计算；如果是计量CT开路，则主CPU可以分时段（峰段、谷段、平段）计量所漏计的电度量；如果是保护CT开路，则主CPU可以作为一个三段式方向性电流保护装置，当保护跳闸时，可以辨别出故障类型并计算出故障距离；并且能将CT开路的记录存放到E2PROM中，便于查询。面板单片机完成人机交互功能：控制液晶模块，将接收到的数据实时显示，通过键盘完成各种整定值的输入，画面的切换，开路记录的查询等。两CPU之间的数据交换通过串行通讯的方式来进行。当ARM作为数据接收方时，采用了中断方式；当单片机作为数据接收方时，采用了查询方式。
5.实验
在硬件设计及软件程序完善的基础上，对装置进行了一系列测试，包括基本功能测试，测量功能、计量功能、保护功能测试。基本功能测试中对上电、热插拔功能、查询功能、参数设置功能、复位按键功能进行了测试；测量功能部分对相电流、线电压、有功功率、无功功率、功率因数进行了测试；计量功能对各峰谷平时段对应的电度量进行了测试；保护功能部分对三段式方向性电流保护分别进行了测试；限于篇幅原因，这里仅对三段式保护功能的测试结果予以展示，如表1所示。
表1 保护功能测试结果
整定值 动作值 误差 时间整定值 动作时间 误差
电流 5A 5.07 1.40% 0s
(实际延时80ms) 81.4ms /
速断 6A 6.05 0.83% 81.7ms
保护 7A 7.05 0.71% 82.4ms
限时 5A 5.06 1.20% 2S 2.0088S +0.44%
电流速 6A 6.08 1.33% 2.0073S +0.37%
断保护 7A 7.05 0.71% 1.9944S -0.28%
定时限 5A 5.06 1.20% 4S 4.0091S +0.23%
过电流 6A 6.07 1.17% 3.9907S -0.23%
保护 7A 7.07 1.00% 3.9995S -0.01%
依据以所设计设计功能进行各项测试，从得到的实验结果来看，本次设计完成了对CT开路保护装置各项功能的测试。实验结果表明，装置的整体性能已经基本达到了预期的目标。
6.结论
本文分析了CT开路运行所产生的各种后果，并利用硬件电路和微机技术进行运算、分析、处理，实现了对CT开路运行的综合保护。整个装置经过测试表明反应灵敏，运行稳定、可靠。
参考文献
[1]靳建峰,翁利民等.现有TA开路保护装置的缺陷及改进方向[J]. 高电压技术,2006,32(3):108-110.
[2]沈建辉,周文俊.电流互感器二次侧开路过电压与保护[J]. 高电压技术,1997,23(2):85-86.
[3]靳建峰,翁利民等.一种新型的电流互感器开路保护装置[J].电力电容器,2005:6-10
[4]周立功.张华等.深入浅出ARM7[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005
[5]马忠梅,藉顺心等.单片机的C语言应用与程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002
