一种微机变压器保护教学装置的制作方法

本实用新型涉及教学装置领域，尤其涉及了一种微机变压器保护教学装置。

背景技术：

实验教学是理工科院校重要教学环节之一，它在加强人才培养、提高人员素质以及促进学科发展方面有着不可替代的作用。对于实验教学中的实验、教学装备，其具有极高的专业性和创新性，需紧密跟踪本专业、本行业技术的最新发展动向，开发出适应学科及行业发展的专业教学装备。在微电网教学领域微机变压器保护方向，现阶段的大多数教学设备已经不能满足电力行业的最新发展趋势，已经严重影响到了电力教学和电气工程学科的发展。其主要面临如下问题：

1、目前大多数的教学装置，特别是集成的很高的设备，比如微机变压器保护装置，多数院校采用的是工业现场使用的设备，虽然这个和实际生产一线相接轨了，但是这里面存在一个严重的问题。我们的院校应该培养的是具有创新型的人才，而不是操作工，如果国家的培养目标都是操作型工人，国家的未来在何方！针对这个严峻的形势我公司特意开发了核心保护可二次开发型微机变压器保护装置，方便教学中的算法训练，以及学生对微机变压器保护装置的底层开发。

2、实验装置控制器指令集不够丰富，缺乏操作系统支持，实验不够灵活，特别对微机保护新的控制技术反映很少，其在控制的智能化、网络化和综合性能方面较差，已经无法适应电力系统智能化、网络化控制的需求，无法在设备上进行教学和科研的二次开发。

3、实验过程中对动态过程的观察非常困难。实验系统缺乏高性能数据采集系统，无法对各个关键点的动态波形进行实时观察和存储，难以对波形进行精准化分析比较，导致学生无法对实验内容和原理进行深入理解，影响实验教学效果。

技术实现要素：

本实用新型实际需要解决的技术问题是：针对现有教学装备的不足，开发一套高度自动化、集成化、开放式的具有多机互联的微机保护装置系统综合实验平台，它能反映现代微机保护装置的软、硬件设计的全过程，充分体现现代微机保护装置的开放性、自动化、信息化、数字化的特点，实现微机保护装置的检测、控制、监视、保护、调度的自动化，在极大程度上促进电力自动化教学及电气工程学科的发展。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决。

一种微机变压器保护教学装置，包括人机界面系统、主控制器、PC机、二次开发PC和微机变压器，微机变压器与主控制器之间设置有转换模块，转换模块用于将微机变压器内三相电流采集并且转换成数据，反馈至主控制器；人机界面系统用于设置运行参数和运行模式，并实时显示当前保护装置运行状态曲线；PC机与主控制器之间通过以太网模块进行相互通讯；二次开发PC通过控制模块，控制模块包括辅助控制器，二次开发PC用于将编辑好的程序传输至辅助控制器，辅助控制器和主控制器进行数据交互；主控制器根据人机界面系统设置的运行参数和运行模式进行系统设定，主控制器根据接收的程序并且运行程序，对微机变压器进行安全信号检测和合、分闸装置的操作。

作为优选，人机界面系统采用WINDOWS-CE嵌入式系统并通过触摸显示屏显示。

作为优选，二次开发PC通过编程器进行编辑运行程序。

作为优选，人机界面系统和主控制器之间通过Modbus通信协议进行通讯传输数据。

作为优选，主控制器与以太网模块通过Com串口连接。

作为优选，转换模块包括数据采集卡和运算CPU，数据采集卡进行采集数据通过运算CPU进行运算得出实时值并返回至主控制器，主控制器通过人机界面系统显示实时数据。

作为优选，以太网采用MODBUS-TCP通讯协议和DMA通信方式。

作为优选，辅助控制器采用嵌入式STM32芯片，作为以太网数据转换的协议分析处理器及数据转发器。

本实用新型由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本项实用新型为一套高度自动化、集成化、开放式的具有多机互联的微机保护装置系统综合实验平台，它能反映现代微机保护装置的软、硬件设计的全过程，充分体现现代微机保护装置的开放性、自动化、信息化、数字化的特点，实现微机保护装置的检测、控制、监视、保护、调度的自动化，在极大程度上促进电力自动化教学及电气工程学科的发展。

本实用新型采用MODBUS-TCP协议和组态软件进行通信，在教学领域学生可以学习组态软件和微机保护装置之间的通讯，以及功能的配置，通过MODBUS-TCP技术实现与教学平台上位机监控管理软件的实时数据交换、传输。教学平台上位机监控管理软件主要通过SCADA对分布于系统各处的保护装置进行数据实时采集、处理并进行安全监控，通过以太网实现对整个教学平台的数字一体化管理。三套软件协调工作，在实现实验装置基本实验功能基础上，通过Windows CE技术在业内首创智能触摸人机界面，通过ModbusTCP技术实现与教学平台上位机监控管理软件的实时数据交换、传输。通过教学平台上位机监控管理软件和嵌入式软件的有效结合，实现了对微机保护SCADA系统的智能化、网络化、精准化控制及教学中的核心保护型二次开发。

附图说明

图1是本实用新型一种微机变压器保护教学装置流程示意图；

图2是本实用新型一种微机变压器保护教学装置中三相电压采集电路图；

图3是本实用新型一种微机变压器保护教学装置中三相电流相位检测电路图；

图4是本实用新型一种微机变压器保护教学装置中以太网控制器通信结构图；

图5是本实用新型一种微机变压器保护教学装置中三相电流采集电路图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，一种微机变压器保护教学装置，包括人机界面系统、主控制器、PC机、二次开发PC和微机变压器，微机变压器与主控制器之间设置有转换模块，转换模块用于将微机变压器内三相电流采集并且转换成数据，反馈至主控制器；人机界面系统用于设置运行参数和运行模式，并实时显示当前保护装置运行状态曲线；PC机与主控制器之间通过以太网模块进行相互通讯；二次开发PC通过控制模块，控制模块包括辅助控制器，二次开发PC用于将编辑好的程序传输至辅助控制器，辅助控制器和主控制器进行数据交互；主控制器根据人机界面系统设置的运行参数和运行模式进行系统设定，主控制器根据接收的程序并且运行程序，对微机变压器进行安全信号检测和合、分闸装置的操作。

人机界面系统采用WINDOWS-CE嵌入式系统并通过触摸显示屏显示。

二次开发PC通过编程器进行编辑运行程序。

人机界面系统和主控制器之间通过Modbus通信协议进行通讯传输数据。

主控制器与以太网模块通过Com串口连接。

转换模块包括数据采集卡和运算CPU，数据采集卡进行采集数据通过运算CPU进行运算得出实时值并返回至主控制器，主控制器通过人机界面系统显示实时数据。

以太网采用MODBUS-TCP通讯协议和DMA通信方式。

辅助控制器采用嵌入式STM32芯片，作为以太网数据转换的协议分析处理器及数据转发器。

本保护装置人机界面采用WINDOWS-CE嵌入式系统，底层保护采用UCOS-II实时操作系统实现三相电压、电流、相角的测量，以及相位的校正计算和保护功能的实现。本控制器的控制、调节、监视，有丰富的软件功能模块、完善的检测和保护功能，并采用运行Window CE图形化系统的触摸屏技术完成三相电流采集、系统参数校正、断线保护、轻瓦斯、重瓦斯、高油温、超油温、差动电流速度、二次谐波制动、比率制动和限时比率制动等保护功能组成。

系统功能：包括主控制器参数设置，测量电流校准、保护系统短路相位测量、被保护变压器类设定、测量变压器断线告警等。

开关量保护：对变压器轻瓦斯进行告警提示、变压器重瓦斯进行跳闸保护、对变压器高油温进行告警提示、变压器超油温进行跳闸保护。

差动速度保护：测量变压器原副边电流的变化进行差流计算，设置相应的差动速断时间和速断阈值，实现差动速断保护变压器供电跳闸保护。

二次谐波制动：当变压器合闸时，除基波50Hz以外还有多次谐波，二次谐波制动通过检测二次谐波功率比例，当测量值大于设定阈值时，变压器供电跳闸保护。

比率制动保护：测量变压器原副边电流，按照比率制动系数计算动作电流和制动电流，设置相应的比率制动速断时间和速断阈值，实现比率制动差动保护，断开故障变压器供电电源。

远程控制：通过以太网通讯实现PC机对微机保护装置的远程监控以及保护功能的设置参数修正等。

人机界面：上位机通过标准工业Modbus通讯协议，实现控制器与基于Windows-CE触摸屏通讯，实时显示相电流和差动电流、比率制动电流等数据。

协调通信：程序分析主控制器与二次开发辅助控制器之间的数据，解析二次开发辅助控制器与主控器之间的数据协议；另外对主控制器和以太网控制PC间的数据收发进行解析，以及DMA通信方式的CRC数据校验。

二次开发：熟悉二次开发软件KEIL MDK环境；二次开发辅助控制器与主控器之间的数据协议分析；保护功能的设计。

实施例1

如图2所示，变压器电源采集由PT1为2mA/2mA电压互感器，U相电压经过R4 100K/1W电阻和PT1串联，出来后经过R88 100K/1W电阻和相电压N连接；R5为250Ω/0.5W电阻起到将电流转换为电压的作用，R5经过R2 1k/0.5W和C7串连，C7起到滤波的作用，D1、D2并在C7的两端起到限幅、抗干扰的作用。三相同步发电机电压采集方案，由PT3为2mA/2mA电压互感器，V相电压经过R12 100K/1W电阻和PT3串联，出来后经过R89 100K/1W电阻和相电压N连接；R10为250Ω/0.5W电阻起到将电流转换为电压的作用，R10经过R14 1k/0.5W和C11串连，C11起到滤波的作用，D5、D6并在C11的两端起到限幅、抗干扰的作用。

如图3所示，微机变压器保护相位检测包括电波整形电路，所述的电波整形电路包括运算放大器U1、比较器U2，交流电U11端与电阻R7的一端相连，R7的另一端与电流互感器PT2的输入上端相连，交流电N11端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端与电阻R91的一端相连，电阻R91的另一端与电流互感器PT2的输入下端相连，电流互感器PT2的输出上端与U1的2脚、电阻R1的一端、电容C1的一端相连；U1的7脚与+15Va电源端、电容C5的一端相连；电容C1与电阻R1的另一端、U1的6脚、电阻R9的一端相连；电流互感器PT2的输出下端与U1的3脚、电容C16的一端、电容C5的一端、电容C13的一端、U2的1脚和3脚、GNDA地相连，U1的4脚与-15Va、电容C16的一端相连；电阻R9的另一端与电容C13的一端、U2的2脚相连；U2的8脚与+15Va电源端、电容C6的一端相连，电容C6的另一端与电容C10的一端、GNDa地相连；U2的7脚与电阻R11的一端、CE3的CON1端相连，电阻R11的另一端与+15Va相连。

如图4所示，以太网控制器通信结构框图，采用分块模式，将系统功能进行模块化设计保证了系统的稳定性和重复使用性，这样可以使功能清晰明确，系统更加的稳定可靠。控制系统通过STM32F103VET6的COM1，通信方式采用DMA通信方式，如此减少了中断数量，减轻了CPU的负担。W5200以太网控制器STM32F103VET6以查询的工作方式读取芯片传输数据，以及发送命令给上位PC机，上位PC机以TCP_MODBUS通信协议和以太网控制进行通信，STM32F103VET6控制器将上位PC机下传的数据进行解包，然后通过COM1口下发给系统保护功能控制器，同时也上传的数据进行打包，然后通过WIZNET W5200传送给上位PC机。

总之，以上仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本实用新型专利的涵盖范围。