本實用新型涉及教學(xué)裝置領(lǐng)域，尤其涉及了一種微機變壓器保護教學(xué)裝置。

背景技術(shù)：

實驗教學(xué)是理工科院校重要教學(xué)環(huán)節(jié)之一，它在加強人才培養(yǎng)、提高人員素質(zhì)以及促進學(xué)科發(fā)展方面有著不可替代的作用。對于實驗教學(xué)中的實驗、教學(xué)裝備，其具有極高的專業(yè)性和創(chuàng)新性，需緊密跟蹤本專業(yè)、本行業(yè)技術(shù)的最新發(fā)展動向，開發(fā)出適應(yīng)學(xué)科及行業(yè)發(fā)展的專業(yè)教學(xué)裝備。在微電網(wǎng)教學(xué)領(lǐng)域微機變壓器保護方向，現(xiàn)階段的大多數(shù)教學(xué)設(shè)備已經(jīng)不能滿足電力行業(yè)的最新發(fā)展趨勢，已經(jīng)嚴重影響到了電力教學(xué)和電氣工程學(xué)科的發(fā)展。其主要面臨如下問題：

1、目前大多數(shù)的教學(xué)裝置，特別是集成的很高的設(shè)備，比如微機變壓器保護裝置，多數(shù)院校采用的是工業(yè)現(xiàn)場使用的設(shè)備，雖然這個和實際生產(chǎn)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(yīng)該培養(yǎng)的是具有創(chuàng)新型的人才，而不是操作工，如果國家的培養(yǎng)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(fā)了核心保護可二次開發(fā)型微機變壓器保護裝置，方便教學(xué)中的算法訓(xùn)練，以及學(xué)生對微機變壓器保護裝置的底層開發(fā)。

2、實驗裝置控制器指令集不夠豐富，缺乏操作系統(tǒng)支持，實驗不夠靈活，特別對微機保護新的控制技術(shù)反映很少，其在控制的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合性能方面較差，已經(jīng)無法適應(yīng)電力系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制的需求，無法在設(shè)備上進行教學(xué)和科研的二次開發(fā)。

3、實驗過程中對動態(tài)過程的觀察非常困難。實驗系統(tǒng)缺乏高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無法對各個關(guān)鍵點的動態(tài)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(dǎo)致學(xué)生無法對實驗內(nèi)容和原理進行深入理解，影響實驗教學(xué)效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型實際需要解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有教學(xué)裝備的不足，開發(fā)一套高度自動化、集成化、開放式的具有多機互聯(lián)的微機保護裝置系統(tǒng)綜合實驗平臺，它能反映現(xiàn)代微機保護裝置的軟、硬件設(shè)計的全過程，充分體現(xiàn)現(xiàn)代微機保護裝置的開放性、自動化、信息化、數(shù)字化的特點，實現(xiàn)微機保護裝置的檢測、控制、監(jiān)視、保護、調(diào)度的自動化，在極大程度上促進電力自動化教學(xué)及電氣工程學(xué)科的發(fā)展。

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型通過下述技術(shù)方案得以解決。

一種微機變壓器保護教學(xué)裝置，包括人機界面系統(tǒng)、主控制器、PC機、二次開發(fā)PC和微機變壓器，微機變壓器與主控制器之間設(shè)置有轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換模塊用于將微機變壓器內(nèi)三相電流采集并且轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，反饋至主控制器；人機界面系統(tǒng)用于設(shè)置運行參數(shù)和運行模式，并實時顯示當前保護裝置運行狀態(tài)曲線；PC機與主控制器之間通過以太網(wǎng)模塊進行相互通訊；二次開發(fā)PC通過控制模塊，控制模塊包括輔助控制器，二次開發(fā)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(shù)據(jù)交互；主控制器根據(jù)人機界面系統(tǒng)設(shè)置的運行參數(shù)和運行模式進行系統(tǒng)設(shè)定，主控制器根據(jù)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(yōu)選，人機界面系統(tǒng)采用WINDOWS-CE嵌入式系統(tǒng)并通過觸摸顯示屏顯示。

作為優(yōu)選，二次開發(fā)PC通過編程器進行編輯運行程序。

作為優(yōu)選，人機界面系統(tǒng)和主控制器之間通過Modbus通信協(xié)議進行通訊傳輸數(shù)據(jù)。

作為優(yōu)選，主控制器與以太網(wǎng)模塊通過Com串口連接。

作為優(yōu)選，轉(zhuǎn)換模塊包括數(shù)據(jù)采集卡和運算CPU，數(shù)據(jù)采集卡進行采集數(shù)據(jù)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(tǒng)顯示實時數(shù)據(jù)。

作為優(yōu)選，以太網(wǎng)采用MODBUS-TCP通訊協(xié)議和DMA通信方式。

作為優(yōu)選，輔助控制器采用嵌入式STM32芯片，作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的協(xié)議分析處理器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器。

本實用新型由于采用了以上技術(shù)方案，具有顯著的技術(shù)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(lián)的微機保護裝置系統(tǒng)綜合實驗平臺，它能反映現(xiàn)代微機保護裝置的軟、硬件設(shè)計的全過程，充分體現(xiàn)現(xiàn)代微機保護裝置的開放性、自動化、信息化、數(shù)字化的特點，實現(xiàn)微機保護裝置的檢測、控制、監(jiān)視、保護、調(diào)度的自動化，在極大程度上促進電力自動化教學(xué)及電氣工程學(xué)科的發(fā)展。

本實用新型采用MODBUS-TCP協(xié)議和組態(tài)軟件進行通信，在教學(xué)領(lǐng)域?qū)W生可以學(xué)習(xí)組態(tài)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(shù)實現(xiàn)與教學(xué)平臺上位機監(jiān)控管理軟件的實時數(shù)據(jù)交換、傳輸。教學(xué)平臺上位機監(jiān)控管理軟件主要通過SCADA對分布于系統(tǒng)各處的保護裝置進行數(shù)據(jù)實時采集、處理并進行安全監(jiān)控，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)對整個教學(xué)平臺的數(shù)字一體化管理。三套軟件協(xié)調(diào)工作，在實現(xiàn)實驗裝置基本實驗功能基礎(chǔ)上，通過Windows CE技術(shù)在業(yè)內(nèi)首創(chuàng)智能觸摸人機界面，通過ModbusTCP技術(shù)實現(xiàn)與教學(xué)平臺上位機監(jiān)控管理軟件的實時數(shù)據(jù)交換、傳輸。通過教學(xué)平臺上位機監(jiān)控管理軟件和嵌入式軟件的有效結(jié)合，實現(xiàn)了對微機保護SCADA系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、精準化控制及教學(xué)中的核心保護型二次開發(fā)。

附圖說明

圖1是本實用新型一種微機變壓器保護教學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)裝置中以太網(wǎng)控制器通信結(jié)構(gòu)圖；

圖5是本實用新型一種微機變壓器保護教學(xué)裝置中三相電流采集電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)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(xué)裝置，包括人機界面系統(tǒng)、主控制器、PC機、二次開發(fā)PC和微機變壓器，微機變壓器與主控制器之間設(shè)置有轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換模塊用于將微機變壓器內(nèi)三相電流采集并且轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，反饋至主控制器；人機界面系統(tǒng)用于設(shè)置運行參數(shù)和運行模式，并實時顯示當前保護裝置運行狀態(tài)曲線；PC機與主控制器之間通過以太網(wǎng)模塊進行相互通訊；二次開發(fā)PC通過控制模塊，控制模塊包括輔助控制器，二次開發(fā)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(shù)據(jù)交互；主控制器根據(jù)人機界面系統(tǒng)設(shè)置的運行參數(shù)和運行模式進行系統(tǒng)設(shè)定，主控制器根據(jù)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(tǒng)采用WINDOWS-CE嵌入式系統(tǒng)并通過觸摸顯示屏顯示。

二次開發(fā)PC通過編程器進行編輯運行程序。

人機界面系統(tǒng)和主控制器之間通過Modbus通信協(xié)議進行通訊傳輸數(shù)據(jù)。

主控制器與以太網(wǎng)模塊通過Com串口連接。

轉(zhuǎn)換模塊包括數(shù)據(jù)采集卡和運算CPU，數(shù)據(jù)采集卡進行采集數(shù)據(jù)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(tǒng)顯示實時數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)采用MODBUS-TCP通訊協(xié)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(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的協(xié)議分析處理器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器。

本保護裝置人機界面采用WINDOWS-CE嵌入式系統(tǒng)，底層保護采用UCOS-II實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)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(xiàn)。本控制器的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)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(tǒng)的觸摸屏技術(shù)完成三相電流采集、系統(tǒng)參數(shù)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(tǒng)功能：包括主控制器參數(shù)設(shè)置，測量電流校準、保護系統(tǒng)短路相位測量、被保護變壓器類設(shè)定、測量變壓器斷線告警等。

開關(guān)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(shè)置相應(yīng)的差動速斷時間和速斷閾值，實現(xiàn)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(shè)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(shù)計算動作電流和制動電流，設(shè)置相應(yīng)的比率制動速斷時間和速斷閾值，實現(xiàn)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(wǎng)通訊實現(xiàn)PC機對微機保護裝置的遠程監(jiān)控以及保護功能的設(shè)置參數(shù)修正等。

人機界面：上位機通過標準工業(yè)Modbus通訊協(xié)議，實現(xiàn)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(shù)據(jù)。

協(xié)調(diào)通信：程序分析主控制器與二次開發(fā)輔助控制器之間的數(shù)據(jù)，解析二次開發(fā)輔助控制器與主控器之間的數(shù)據(jù)協(xié)議；另外對主控制器和以太網(wǎng)控制PC間的數(shù)據(jù)收發(fā)進行解析，以及DMA通信方式的CRC數(shù)據(jù)校驗。

二次開發(fā)：熟悉二次開發(fā)軟件KEIL MDK環(huán)境；二次開發(fā)輔助控制器與主控器之間的數(shù)據(jù)協(xié)議分析；保護功能的設(shè)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(jīng)過R4 100K/1W電阻和PT1串聯(lián)，出來后經(jīng)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(zhuǎn)換為電壓的作用，R5經(jīng)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(fā)電機電壓采集方案，由PT3為2mA/2mA電壓互感器，V相電壓經(jīng)過R12 100K/1W電阻和PT3串聯(lián)，出來后經(jīng)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(zhuǎn)換為電壓的作用，R10經(jīng)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(wǎng)控制器通信結(jié)構(gòu)框圖，采用分塊模式，將系統(tǒng)功能進行模塊化設(shè)計保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)使用性，這樣可以使功能清晰明確，系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠?？刂葡到y(tǒng)通過STM32F103VET6的COM1，通信方式采用DMA通信方式，如此減少了中斷數(shù)量，減輕了CPU的負擔。W5200以太網(wǎng)控制器STM32F103VET6以查詢的工作方式讀取芯片傳輸數(shù)據(jù)，以及發(fā)送命令給上位PC機，上位PC機以TCP_MODBUS通信協(xié)議和以太網(wǎng)控制進行通信，STM32F103VET6控制器將上位PC機下傳的數(shù)據(jù)進行解包，然后通過COM1口下發(fā)給系統(tǒng)保護功能控制器，同時也上傳的數(shù)據(jù)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(yīng)屬本實用新型專利的涵蓋范圍。