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中频电炉变压器中智能数字保护技术的应用

2012年04月01日

 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总线的中频电炉变压器智能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中频电炉变压器是主要电气设备。中频电炉的生产能力是企业的一项重要技术指标,中频电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;中频电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,中频电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、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、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、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,即应用智能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、抗干扰保护
        中频电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。
 

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