一種微機變壓器保護教學裝置的制作方法

本實用新型涉及教學裝置領域，尤其涉及了一種微機變壓器保護教學裝置。

背景技術：

實驗教學是理工科院校重要教學環節之一，它在加強人才培養、提高人員素質以及促進學科發展方面有著不可替代的作用。對于實驗教學中的實驗、教學裝備，其具有極高的專業性和創新性，需緊密跟蹤本專業、本行業技術的最新發展動向，開發出適應學科及行業發展的專業教學裝備。在微電網教學領域微機變壓器保護方向，現階段的大多數教學設備已經不能滿足電力行業的最新發展趨勢，已經嚴重影響到了電力教學和電氣工程學科的發展。其主要面臨如下問題：

1、目前大多數的教學裝置，特別是集成的很高的設備，比如微機變壓器保護裝置，多數院校采用的是工業現場使用的設備，雖然這個和實際生產一線相接軌了，但是這里面存在一個嚴重的問題。我們的院校應該培養的是具有創新型的人才，而不是操作工，如果國家的培養目標都是操作型工人，國家的未來在何方！針對這個嚴峻的形勢我公司特意開發了核心保護可二次開發型微機變壓器保護裝置，方便教學中的算法訓練，以及學生對微機變壓器保護裝置的底層開發。

2、實驗裝置控制器指令集不夠豐富，缺乏操作系統支持，實驗不夠靈活，特別對微機保護新的控制技術反映很少，其在控制的智能化、網絡化和綜合性能方面較差，已經無法適應電力系統智能化、網絡化控制的需求，無法在設備上進行教學和科研的二次開發。

3、實驗過程中對動態過程的觀察非常困難。實驗系統缺乏高性能數據采集系統，無法對各個關鍵點的動態波形進行實時觀察和存儲，難以對波形進行精準化分析比較，導致學生無法對實驗內容和原理進行深入理解，影響實驗教學效果。

技術實現要素：

本實用新型實際需要解決的技術問題是：針對現有教學裝備的不足，開發一套高度自動化、集成化、開放式的具有多機互聯的微機保護裝置系統綜合實驗平臺，它能反映現代微機保護裝置的軟、硬件設計的全過程，充分體現現代微機保護裝置的開放性、自動化、信息化、數字化的特點，實現微機保護裝置的檢測、控制、監視、保護、調度的自動化，在極大程度上促進電力自動化教學及電氣工程學科的發展。

為了解決上述技術問題，本實用新型通過下述技術方案得以解決。

一種微機變壓器保護教學裝置，包括人機界面系統、主控制器、PC機、二次開發PC和微機變壓器，微機變壓器與主控制器之間設置有轉換模塊，轉換模塊用于將微機變壓器內三相電流采集并且轉換成數據，反饋至主控制器；人機界面系統用于設置運行參數和運行模式，并實時顯示當前保護裝置運行狀態曲線；PC機與主控制器之間通過以太網模塊進行相互通訊；二次開發PC通過控制模塊，控制模塊包括輔助控制器，二次開發PC用于將編輯好的程序傳輸至輔助控制器，輔助控制器和主控制器進行數據交互；主控制器根據人機界面系統設置的運行參數和運行模式進行系統設定，主控制器根據接收的程序并且運行程序，對微機變壓器進行安全信號檢測和合、分閘裝置的操作。

作為優選，人機界面系統采用WINDOWS-CE嵌入式系統并通過觸摸顯示屏顯示。

作為優選，二次開發PC通過編程器進行編輯運行程序。

作為優選，人機界面系統和主控制器之間通過Modbus通信協議進行通訊傳輸數據。

作為優選，主控制器與以太網模塊通過Com串口連接。

作為優選，轉換模塊包括數據采集卡和運算CPU，數據采集卡進行采集數據通過運算CPU進行運算得出實時值并返回至主控制器，主控制器通過人機界面系統顯示實時數據。

作為優選，以太網采用MODBUS-TCP通訊協議和DMA通信方式。

作為優選，輔助控制器采用嵌入式STM32芯片，作為以太網數據轉換的協議分析處理器及數據轉發器。

本實用新型由于采用了以上技術方案，具有顯著的技術效果：本項實用新型為一套高度自動化、集成化、開放式的具有多機互聯的微機保護裝置系統綜合實驗平臺，它能反映現代微機保護裝置的軟、硬件設計的全過程，充分體現現代微機保護裝置的開放性、自動化、信息化、數字化的特點，實現微機保護裝置的檢測、控制、監視、保護、調度的自動化，在極大程度上促進電力自動化教學及電氣工程學科的發展。

本實用新型采用MODBUS-TCP協議和組態軟件進行通信，在教學領域學生可以學習組態軟件和微機保護裝置之間的通訊，以及功能的配置，通過MODBUS-TCP技術實現與教學平臺上位機監控管理軟件的實時數據交換、傳輸。教學平臺上位機監控管理軟件主要通過SCADA對分布于系統各處的保護裝置進行數據實時采集、處理并進行安全監控，通過以太網實現對整個教學平臺的數字一體化管理。三套軟件協調工作，在實現實驗裝置基本實驗功能基礎上，通過Windows CE技術在業內首創智能觸摸人機界面，通過ModbusTCP技術實現與教學平臺上位機監控管理軟件的實時數據交換、傳輸。通過教學平臺上位機監控管理軟件和嵌入式軟件的有效結合，實現了對微機保護SCADA系統的智能化、網絡化、精準化控制及教學中的核心保護型二次開發。

附圖說明

圖1是本實用新型一種微機變壓器保護教學裝置流程示意圖；

圖2是本實用新型一種微機變壓器保護教學裝置中三相電壓采集電路圖；

圖3是本實用新型一種微機變壓器保護教學裝置中三相電流相位檢測電路圖；

圖4是本實用新型一種微機變壓器保護教學裝置中以太網控制器通信結構圖；

圖5是本實用新型一種微機變壓器保護教學裝置中三相電流采集電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本實用新型作進一步詳細描述。

如圖1所示，一種微機變壓器保護教學裝置，包括人機界面系統、主控制器、PC機、二次開發PC和微機變壓器，微機變壓器與主控制器之間設置有轉換模塊，轉換模塊用于將微機變壓器內三相電流采集并且轉換成數據，反饋至主控制器；人機界面系統用于設置運行參數和運行模式，并實時顯示當前保護裝置運行狀態曲線；PC機與主控制器之間通過以太網模塊進行相互通訊；二次開發PC通過控制模塊，控制模塊包括輔助控制器，二次開發PC用于將編輯好的程序傳輸至輔助控制器，輔助控制器和主控制器進行數據交互；主控制器根據人機界面系統設置的運行參數和運行模式進行系統設定，主控制器根據接收的程序并且運行程序，對微機變壓器進行安全信號檢測和合、分閘裝置的操作。

人機界面系統采用WINDOWS-CE嵌入式系統并通過觸摸顯示屏顯示。

二次開發PC通過編程器進行編輯運行程序。

人機界面系統和主控制器之間通過Modbus通信協議進行通訊傳輸數據。

主控制器與以太網模塊通過Com串口連接。

轉換模塊包括數據采集卡和運算CPU，數據采集卡進行采集數據通過運算CPU進行運算得出實時值并返回至主控制器，主控制器通過人機界面系統顯示實時數據。

以太網采用MODBUS-TCP通訊協議和DMA通信方式。

輔助控制器采用嵌入式STM32芯片，作為以太網數據轉換的協議分析處理器及數據轉發器。

本保護裝置人機界面采用WINDOWS-CE嵌入式系統，底層保護采用UCOS-II實時操作系統實現三相電壓、電流、相角的測量，以及相位的校正計算和保護功能的實現。本控制器的控制、調節、監視，有豐富的軟件功能模塊、完善的檢測和保護功能，并采用運行Window CE圖形化系統的觸摸屏技術完成三相電流采集、系統參數校正、斷線保護、輕瓦斯、重瓦斯、高油溫、超油溫、差動電流速度、二次諧波制動、比率制動和限時比率制動等保護功能組成。

系統功能：包括主控制器參數設置，測量電流校準、保護系統短路相位測量、被保護變壓器類設定、測量變壓器斷線告警等。

開關量保護：對變壓器輕瓦斯進行告警提示、變壓器重瓦斯進行跳閘保護、對變壓器高油溫進行告警提示、變壓器超油溫進行跳閘保護。

差動速度保護：測量變壓器原副邊電流的變化進行差流計算，設置相應的差動速斷時間和速斷閾值，實現差動速斷保護變壓器供電跳閘保護。

二次諧波制動：當變壓器合閘時，除基波50Hz以外還有多次諧波，二次諧波制動通過檢測二次諧波功率比例，當測量值大于設定閾值時，變壓器供電跳閘保護。

比率制動保護：測量變壓器原副邊電流，按照比率制動系數計算動作電流和制動電流，設置相應的比率制動速斷時間和速斷閾值，實現比率制動差動保護，斷開故障變壓器供電電源。

遠程控制：通過以太網通訊實現PC機對微機保護裝置的遠程監控以及保護功能的設置參數修正等。

人機界面：上位機通過標準工業Modbus通訊協議，實現控制器與基于Windows-CE觸摸屏通訊，實時顯示相電流和差動電流、比率制動電流等數據。

協調通信：程序分析主控制器與二次開發輔助控制器之間的數據，解析二次開發輔助控制器與主控器之間的數據協議；另外對主控制器和以太網控制PC間的數據收發進行解析，以及DMA通信方式的CRC數據校驗。

二次開發：熟悉二次開發軟件KEIL MDK環境；二次開發輔助控制器與主控器之間的數據協議分析；保護功能的設計。

實施例1

如圖2所示，變壓器電源采集由PT1為2mA/2mA電壓互感器，U相電壓經過R4 100K/1W電阻和PT1串聯，出來后經過R88 100K/1W電阻和相電壓N連接；R5為250Ω/0.5W電阻起到將電流轉換為電壓的作用，R5經過R2 1k/0.5W和C7串連，C7起到濾波的作用，D1、D2并在C7的兩端起到限幅、抗干擾的作用。三相同步發電機電壓采集方案，由PT3為2mA/2mA電壓互感器，V相電壓經過R12 100K/1W電阻和PT3串聯，出來后經過R89 100K/1W電阻和相電壓N連接；R10為250Ω/0.5W電阻起到將電流轉換為電壓的作用，R10經過R14 1k/0.5W和C11串連，C11起到濾波的作用，D5、D6并在C11的兩端起到限幅、抗干擾的作用。

如圖3所示，微機變壓器保護相位檢測包括電波整形電路，所述的電波整形電路包括運算放大器U1、比較器U2，交流電U11端與電阻R7的一端相連，R7的另一端與電流互感器PT2的輸入上端相連，交流電N11端與電容C9的一端相連，電容C9的另一端與電阻R91的一端相連，電阻R91的另一端與電流互感器PT2的輸入下端相連，電流互感器PT2的輸出上端與U1的2腳、電阻R1的一端、電容C1的一端相連；U1的7腳與+15Va電源端、電容C5的一端相連；電容C1與電阻R1的另一端、U1的6腳、電阻R9的一端相連；電流互感器PT2的輸出下端與U1的3腳、電容C16的一端、電容C5的一端、電容C13的一端、U2的1腳和3腳、GNDA地相連，U1的4腳與-15Va、電容C16的一端相連；電阻R9的另一端與電容C13的一端、U2的2腳相連；U2的8腳與+15Va電源端、電容C6的一端相連，電容C6的另一端與電容C10的一端、GNDa地相連；U2的7腳與電阻R11的一端、CE3的CON1端相連，電阻R11的另一端與+15Va相連。

如圖4所示，以太網控制器通信結構框圖，采用分塊模式，將系統功能進行模塊化設計保證了系統的穩定性和重復使用性，這樣可以使功能清晰明確，系統更加的穩定可靠。控制系統通過STM32F103VET6的COM1，通信方式采用DMA通信方式，如此減少了中斷數量，減輕了CPU的負擔。W5200以太網控制器STM32F103VET6以查詢的工作方式讀取芯片傳輸數據，以及發送命令給上位PC機，上位PC機以TCP_MODBUS通信協議和以太網控制進行通信，STM32F103VET6控制器將上位PC機下傳的數據進行解包，然后通過COM1口下發給系統保護功能控制器，同時也上傳的數據進行打包，然后通過WIZNET W5200傳送給上位PC機。

總之，以上僅為本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應屬本實用新型專利的涵蓋范圍。