中频炉变压器数字继电器保护技术的应用

 随着供电系统自动化的发展，传统模式的继电保护系统已不能完全满足安全运行、集中管理的需求。应用现场总线技术，实现智能化、网络化测控保护是技术发展的必然趋势。为此，我们研制了基于CAN总线的中频炉变压器数字继电器保护检测与监控局域网络系统。目前此技术已在某些冶炼厂得到应用，系统将微机监控与全数字化微机保护测控技术、高速网络通讯技术结合起来，实现了电炉变压器的运行参数实时监测与在线故障诊断，为生产过程的优化决策和在线控制提供了科学依据。

金属冶炼生产过程中频炉变压器是主要电气设备。中频炉的生产能力是企业的一项重要技术指标，中频炉变压器的功率和安全系数直接影响电炉的生产和企业成本；中频炉变压器工作条件恶劣，调压等级多，二次电压低，电流高达上万安培，由于冶炼过程的工艺的特殊要求，中频炉变压器必须承受大的电流冲击和电压波动。为了变压器的安全稳定运行，其电气保护的安全性、有效性和快速性具有十分重要意义。

一、中频炉变压器数字继电器保护现场总线监控系统组成

CAN是控制局域网络（ControlAreaNetwork）的简称，是由德国Bosch公司为汽车的监测和控制系统而设计的总线式串行通讯网络，适用于工业过程控制设备和监测设备之间的互连。总线控制系统采用三层体系结构，监控调度主站（监控调度层）--CAN总线（测控层）--智能测控保护单元（监控对象层）。监控调度主站由工业PC机和网卡组成，网卡完成RS－232与CAN总线之间的协议转换，实现工业PC机与CAN总线连接。

监控调度主站操作系统采用WindowsNT4.0Workstation简体中文版，软件采用面向对象的全32位BorlandDelphi编写，可方便地实现丰富直观的模拟图形显示，报表打印与数据库处理，特殊功能如开关操作、参数设计需校验密码后方能执行，为了提高可靠性，监控调度主机设为两台，互为备用。

CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，通信方式灵活，无需站地址等节点信息，利用该特点可方便地构成多机备份系统。CAN总线通信采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，数据出错率低，当节点严重错误时，具有自动关闭功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上其它节点及通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。

二、中频炉变压器数字继电器保护系统硬件组成

 1、硬件组成本系统硬件主要包括工业控制机（IPC）现场CAN总线I／O模块、接口板和测控保护单元等。

工业控制机（IPC）组成有All－In－One型CPU卡（Pentium－550，32MB内存，512KBCache，EIDE集软驱动器接口，两串一并接口），PCI－S3兼容的图形加速芯片及2MB显存也集成在卡上。监控主机设为两台，互为备用。总线插槽上插高速隔离CAN智能通讯卡I／O模块（负责与各测控保护单元交换信息）及工控机的CAN总线（高速增强型）接口板。通信控制器采用PHILIPS公司的SJA1000，总线收发器使用PCA82C250，提供对总线的差动发送和接收。监控调度主站的工业控制机通过网卡作为数据缓冲与CAN总线连接，SJA1000和PCA82C250组成标准的CAN总线，实现与智能测控单元的数据交换，如图2所示。

 2、系统功能测控保护单元是整个保护监控系统的基础和关键。它由微处理器、信号输入／输出回路、通讯接口及相应的软件构成。系统中MCU选用Intel87C196KC－20，这是由于其运算速度快（每时钟周期0.1μs），实时处理能力强（HIS、HSO、PTS），内置488BRAM，无寄存器瓶颈，其运行速度为Intel8098有2～3倍，程序可固化于片内16KBEPROM（OTP），另外扩展一片串行EEPROM作为运行参数存贮器，一片32KBSRAM存贮录波数据。

控制室内仅放置主机和交流电源装置，测控保护单元均分散到开关柜上，从开关柜到控制室只有一根双绞屏蔽通讯电缆连接。

基于可靠性考虑，与电力设备一对一设置，既可独立并行工作，独立完成相应一个设备（如一条出线）全数字化数据测量、逻辑运算、故障判断、保护及手动操作等功能，又可向上位机传送设备运行数据、开关位置及接受上位机发来的设定值。另外，与主机隔离，即使主机脱离运行也不影响各测控保护单元功能。当需要控制保护的设备增加时，只要在相应设备的开关柜上增设一个单元，便可迅速投入运行。若某一单元出现故障，只需停运该设备，更换相应单元，并不影响其他设备正常运行。

三、中频炉变压器数字继电器保护系统参数分析

1、主要工艺参数金属熔炼过程的主要工艺参数包括：UABP、UBCP、UCAP表示电炉变压器的一次电压，U1P、U2P、U3P表示二次电压，IAP、IBP、ICP表示一次电流，TP表示油温。

根据这些参数的瞬时值及其变化情况，可判断生产状况。如变压器油温显著上升意味着变压器可能过载或内部漏电等。为使车间调度人员和技术人员实时观测生产过程和设备运行状态，以迅速调整和确定各工序生产和设备运行，控制各环节的参数，即应用数字继电器保护测控与监控系统，实现电炉变压器的运行参数实时监测、保护与在线故障诊断，为车间生产过程的优化决策和在线控制提供依据。

2、参数测量分析对上述参数测量采用了数字化测量。所谓电力参数采样数字化测量，是对交流电信号进行采样，然后从交流参数（平均值、有效值、功率等）的基本定义出发进行计算，得到测量结果的过程。在本系统中，需要对电炉变压器的一次电压、二次电压、一次电流、二次电流及变压器油温等参数进行检测。用微机进行采样计算来实现有效值的测量时，先对交流电信号进行采样，得到离散时间序列，假定每个周期采样次数为N，电压离散采样值为Ui，电流离散采样值为Ii，则电压、电流的有效值可以按照数值积分进行计算，用以下两公式求得：式中T—周期，s；U（t）—电压瞬时值，V；N—被测信号周期内的采样点数，次／s； U（i）—电压信号采样值，UO、UN为第一次、第N次采样值，V；I（t）—电流瞬时值，A；I（i）—电流信号采样值，IO、IN为第一次、第N次采样值，A。当电压及电流为离散值时，其平均功率为：为了消除测量过程中的随机误差，对电流电压等参数的采样值采用加权平均滤波法进行校正，对于变压器油温的测量数据，则采用一阶递推滤波法进行校正。

四、中频炉变压器数字继电器保护抗干扰保护

 中频炉变压器运行环境恶劣，故要求整机有较强的抗干扰能力，电路设计时充分考虑电磁兼容性，数字逻辑的处理全部集成在可编程逻辑阵列中，从根本上提高装置的抗电磁干扰能力。除了使电路设计、器件选择、布线布局、屏蔽隔离等环节尽可能完善外，电气电路采用多级隔离，并设二级Watchdog电路。第一级为MCU内置看门狗（WDT）电路，可以防止程序偶尔锁死，在MCU本身正常的情况下，自动恢复工作。第二级为X25043P提供的外置WDT电路，在第一级失效时（尤其在MCU本身已损坏时）强行复位，并封锁输出电路，保证在MCU发生故障时开关不会误动作。此外，考虑到负荷切换对主流电源产生的干扰、电子开关切换产生的谐震等，电路中又对浪涌干扰进行了硬件保护。主要从电源、MCU和通信等几部分设计了电路部分。硬件干扰设计的核心基于对低频分量采用能量吸收和隔离，如设计电容吸收装置，加入隔离变压器；对于高频分量采用吸收、减少偶合度和隔离后再吸收，目的为外部干扰提供一个能够泻放的通路，减小电路的敏感度。从设计运行看，以上保护措施使智能测控保护性能较以前更加稳定。