王利波，左 晨，吳雪峰，黃曉峰，陳 昊

（浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江金華 321000）

0 引言

變壓器在變電站中起著樞紐作用，承擔(dān)升、降壓調(diào)節(jié)電壓的重任，其運(yùn)行狀況的好壞直接決定了電力系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。大型變壓器一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，一旦因故障損壞則檢修難度大，并將可能造成區(qū)域停電，對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成較大影響[1]。因此，對(duì)變壓器的保護(hù)十分重要。

變壓器保護(hù)定期校驗(yàn)是驗(yàn)證變壓器保護(hù)裝置是否正常運(yùn)行的重要手段，也是保證變壓器穩(wěn)定可靠運(yùn)行最基本的措施。變壓器保護(hù)跳閘矩陣校驗(yàn)作為變壓器保護(hù)定期校驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)，主要用于校驗(yàn)變壓器保護(hù)裝置各種保護(hù)動(dòng)作跳閘邏輯的正確性。

目前，大部分220 kV 變壓器保護(hù)裝置配置的保護(hù)類型有：縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、差動(dòng)速斷保護(hù)、復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、間隙保護(hù)。其中，復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)、零序過流保護(hù)在220 kV變壓器的高、中、低三側(cè)均有配置，且這兩種保護(hù)又可分為三段，每段最多可以配置3 個(gè)時(shí)限。變壓器各側(cè)不同類型不同分段不同時(shí)限的保護(hù)動(dòng)作時(shí)跳閘及開出量的動(dòng)作情況均有所不同，使得變壓器保護(hù)跳閘矩陣較為復(fù)雜[2]。

傳統(tǒng)變壓器跳閘矩陣校驗(yàn)的方法主要有兩種，一種是用數(shù)字多用表直接測量跳閘出口壓板和開出壓板，當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)部分跳閘出口壓板和開出壓板的下端會(huì)有電位的變化，數(shù)字多用表可以檢測到這種變化，這種校驗(yàn)方法需要多次重復(fù)試驗(yàn)，且試驗(yàn)過程中容易誤操作導(dǎo)致試驗(yàn)失??；另一種是利用繼電保護(hù)校驗(yàn)儀，將變壓器保護(hù)的跳閘出口及開出接點(diǎn)連接至繼電保護(hù)測試儀的開入量檢測模塊，當(dāng)跳閘出口及開出接點(diǎn)閉合時(shí)將會(huì)被檢測到，依據(jù)檢測結(jié)果得出變壓器跳閘矩陣，但繼電保護(hù)測試儀一次只能測試四組接點(diǎn)，測試過程中需要頻繁更改試驗(yàn)接線，且不能檢測有源接點(diǎn)的開閉情況。

為解決上述試驗(yàn)方法問題，文獻(xiàn)［3］以可編程邏輯控制器為核心，研制了一種主變壓器保護(hù)跳閘矩陣測量儀，但此測量儀只能檢測開關(guān)跳閘出口情況，無法檢測其他開關(guān)量動(dòng)作情況。文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)了以單片機(jī)作為核心的跳閘出口壓板測試儀，但整個(gè)測試過程需要與繼電保護(hù)測試儀配合才能完成跳閘矩陣的檢驗(yàn)，試驗(yàn)過程相對(duì)繁瑣。文獻(xiàn)［5］研制了一套32 通道智能跳閘矩陣測試儀，具有一定的創(chuàng)新性，但該測試儀得出的試驗(yàn)結(jié)果不夠直觀，在與定值單上的跳閘矩陣作對(duì)比時(shí)容易出錯(cuò)。

針對(duì)上述問題，本文提出一種新型的變壓器跳閘矩陣校驗(yàn)裝置，基于CPLD（Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件），具有接線簡單、試驗(yàn)操作便捷、檢測全面、試驗(yàn)結(jié)果直觀等特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)原理

變壓器保護(hù)跳閘出口及開出壓板主要有：跳高壓側(cè)開關(guān)、跳中壓側(cè)開關(guān)、跳低壓側(cè)開關(guān)、跳中壓側(cè)母聯(lián)開關(guān)、閉鎖低壓側(cè)母分開關(guān)備自投、高壓側(cè)開關(guān)失靈啟動(dòng)、高壓側(cè)開關(guān)失靈解除復(fù)壓閉鎖。在進(jìn)行變壓器保護(hù)跳閘矩陣校驗(yàn)時(shí)，需要監(jiān)測上述壓板電位變化情況，即檢測壓板是否動(dòng)作，進(jìn)而判斷保護(hù)的動(dòng)作邏輯是否正確。表1 為某變壓器保護(hù)定值單中的部分跳閘矩陣，其中不包括其他開出壓板。

表1 跳閘矩陣

為使研制的校驗(yàn)裝置能夠適用于大部分變壓器保護(hù)裝置，同時(shí)針對(duì)現(xiàn)有跳閘矩陣校驗(yàn)方法的弊端，本校驗(yàn)裝置需具備以下特點(diǎn)：①能夠快速檢測壓板下端直流電壓變化，檢測范圍20～130 V；②能夠一次性檢測7 組以上開出量，滿足跳閘矩陣檢測要求；③能夠記錄跳閘出口壓板及開出壓板電位變化的時(shí)間；④可直接輸出交流電壓電流模擬量，模擬變壓器故障時(shí)電壓電流情況；⑤校驗(yàn)裝置便攜輕巧、操作簡單。

為使裝置具備以上技術(shù)特點(diǎn)，采用以下技術(shù)方案：①主控制器使用STM32F4，配備有Cortex-M4 內(nèi)核和高級(jí)模擬外設(shè)，主頻高達(dá)168 MHz，能夠快速高效處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，滿足校驗(yàn)裝置實(shí)時(shí)性要求；②裝置配置8 個(gè)輸入量檢測端子，能夠一次性完成所有出口壓板的檢測；③CPLD 選用EMP3128，是一種基于EEPROM 的高性能可編程邏輯控制器，其具有穩(wěn)定可靠、組態(tài)靈活、I/O 模塊齊全的特點(diǎn)，與SM32F4 配合，實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)裝置的主要功能；④配置無線通信模塊，通過無線連接至移動(dòng)終端，能夠控制校驗(yàn)裝置交流電壓電壓的輸出，同時(shí)將校驗(yàn)裝置的測試結(jié)果傳送至移動(dòng)終端，實(shí)時(shí)直觀地查看試驗(yàn)結(jié)果；④采用可充電鋰電池作為裝置電源，集成電路設(shè)計(jì)，減小裝置體積，便于移動(dòng)攜帶。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本檢測裝置的硬件電路主要包括無線通信模塊電路和開關(guān)量采集檢測電路，后者完成對(duì)跳閘出口壓板及開出壓板電位變化的檢測。

無線通信模塊將主控制器的串口輸入轉(zhuǎn)化為RS232 電平，再與無線集成模塊連接，實(shí)現(xiàn)電氣協(xié)議的轉(zhuǎn)換，主控制器可通過無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送，完成對(duì)校驗(yàn)裝置的控制和輸出試驗(yàn)結(jié)果。

開關(guān)量采集檢測電路如圖1 所示。電路的輸入端連接變壓器保護(hù)壓板的下端頭，檢測壓板電位的變化，輸出端與微控制器的輸入/輸出端口連接。當(dāng)檢測電路的輸入端檢開關(guān)量處與高電平時(shí)，檢測電路的輸出端將會(huì)輸出一個(gè)中斷信號(hào)至微控制器。此外，輸出端還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，微控制器會(huì)自動(dòng)記錄中斷信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間，即輸入端開關(guān)量變化的時(shí)間，同時(shí)也是跳閘出口壓板及開出壓板電位變化時(shí)間。

圖1 開關(guān)量采集檢測電路

3 軟件程序設(shè)計(jì)

依據(jù)所設(shè)計(jì)的開關(guān)量采集檢測硬件電路，開關(guān)量電位發(fā)生變化時(shí)即會(huì)產(chǎn)生一次內(nèi)部中斷，微控制器將會(huì)記錄開始實(shí)驗(yàn)到接收到中斷的時(shí)間間隔，即為跳閘出口及開出量動(dòng)作時(shí)間。開關(guān)量采集檢測程序流程如圖2 所示。

圖2 開關(guān)量采集檢測程序流程

4 應(yīng)用效果

4.1 校驗(yàn)裝置測試方法

校驗(yàn)裝置測試示意如圖3 所示，具體方法如下：通過試驗(yàn)線連接校驗(yàn)裝置與被測變壓器保護(hù)裝置，輸出電壓電流模擬量，接收保護(hù)裝置壓板下端頭電位的變化。變壓器保護(hù)裝置接收交流電壓和交流電流后，達(dá)到保護(hù)的動(dòng)作條件后，保護(hù)裝置動(dòng)作，不同類型的保護(hù)動(dòng)作跳閘矩陣的動(dòng)作情況會(huì)不一樣。整個(gè)試驗(yàn)接線簡單，一次接線完成后，即可依據(jù)整定單上所列的保護(hù)進(jìn)行每個(gè)保護(hù)跳閘出口矩陣的測試。

圖3 試驗(yàn)測試示意

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

表2 為2018—2022 年變電檢修中心主變壓器跳閘矩陣校驗(yàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果均采用傳統(tǒng)繼電保護(hù)校驗(yàn)儀得出。從表2 可以看出，6 座220 kV 變電站單臺(tái)變壓器保護(hù)跳閘矩陣的校驗(yàn)時(shí)間均在2 h 以上，單臺(tái)主變壓器保護(hù)平均校驗(yàn)時(shí)間為141 min。

表2 2018—2022 年主變壓器跳閘矩陣校驗(yàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

將變壓器保護(hù)跳閘矩陣校驗(yàn)裝置應(yīng)用于作業(yè)現(xiàn)場，并對(duì)跳閘矩陣的校驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 變壓器保護(hù)跳閘矩陣校驗(yàn)裝置現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)間統(tǒng)計(jì)

由表3 可知，變壓器保護(hù)跳閘矩陣校驗(yàn)裝置的應(yīng)用將校驗(yàn)時(shí)間降到60 min 以下，平均時(shí)間為56 min，相較傳統(tǒng)的校驗(yàn)方法縮短了60%。此外，整個(gè)校驗(yàn)過程無錯(cuò)項(xiàng)、漏項(xiàng)，各跳閘出口及開出量動(dòng)作時(shí)間的測試結(jié)果均與現(xiàn)場整定單一致，校驗(yàn)結(jié)果的正確率為100%。

5 結(jié)束語

基于CPLD 設(shè)計(jì)的變壓器保護(hù)跳閘矩陣校驗(yàn)裝置與微控制器配合，實(shí)現(xiàn)電位變化的快速采集，借助無線通信模塊將測試結(jié)果輸送至移動(dòng)終端，能夠直觀查看，同時(shí)也能實(shí)時(shí)控制校驗(yàn)裝置的輸出。本校驗(yàn)裝置在作業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用，簡化了跳閘矩陣測試的試驗(yàn)過程，提高了工作效率，同時(shí)保證校驗(yàn)結(jié)果的正確率。由于該裝置能夠輸出交流電流和電壓，因此還可應(yīng)用于保護(hù)裝置的定值校驗(yàn)。