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

背景技術(shù)：

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理工科院校重要教學(xué)環(huán)節(jié)之一，它在加強(qiáng)人才培養(yǎng)、提高人員素質(zhì)以及促進(jìn)學(xué)科發(fā)展方面有著不可替代的作用。對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)、教學(xué)裝備，其具有極高的專(zhuān)業(yè)性和創(chuàng)新性，需緊密跟蹤本專(zhuān)業(yè)、本行業(yè)技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向，開(kāi)發(fā)出適應(yīng)學(xué)科及行業(yè)發(fā)展的專(zhuān)業(yè)教學(xué)裝備。在微電網(wǎng)教學(xué)領(lǐng)域微機(jī)變壓器保護(hù)方向，現(xiàn)階段的大多數(shù)教學(xué)設(shè)備已經(jīng)不能滿(mǎn)足電力行業(yè)的最新發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)嚴(yán)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(wèn)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(jī)變壓器保護(hù)裝置，多數(shù)院校采用的是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備，雖然這個(gè)和實(shí)際生產(chǎn)一線(xiàn)相接軌了，但是這里面存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)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(guó)家的培養(yǎng)目標(biāo)都是操作型工人，國(guó)家的未來(lái)在何方！針對(duì)這個(gè)嚴(yán)峻的形勢(shì)我公司特意開(kāi)發(fā)了核心保護(hù)可二次開(kāi)發(fā)型微機(jī)變壓器保護(hù)裝置，方便教學(xué)中的算法訓(xùn)練，以及學(xué)生對(duì)微機(jī)變壓器保護(hù)裝置的底層開(kāi)發(fā)。

2、實(shí)驗(yàn)裝置控制器指令集不夠豐富，缺乏操作系統(tǒng)支持，實(shí)驗(yàn)不夠靈活，特別對(duì)微機(jī)保護(hù)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(wú)法適應(yīng)電力系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制的需求，無(wú)法在設(shè)備上進(jìn)行教學(xué)和科研的二次開(kāi)發(fā)。

3、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的觀察非常困難。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)缺乏高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無(wú)法對(duì)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的動(dòng)態(tài)波形進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和存儲(chǔ)，難以對(duì)波形進(jìn)行精準(zhǔn)化分析比較，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理進(jìn)行深入理解，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型實(shí)際需要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)現(xiàn)有教學(xué)裝備的不足，開(kāi)發(fā)一套高度自動(dòng)化、集成化、開(kāi)放式的具有多機(jī)互聯(lián)的微機(jī)保護(hù)裝置系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它能反映現(xiàn)代微機(jī)保護(hù)裝置的軟、硬件設(shè)計(jì)的全過(guò)程，充分體現(xiàn)現(xiàn)代微機(jī)保護(hù)裝置的開(kāi)放性、自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)裝置的檢測(cè)、控制、監(jiān)視、保護(hù)、調(diào)度的自動(dòng)化，在極大程度上促進(jìn)電力自動(dòng)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(wèn)題，本實(shí)用新型通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決。

一種微機(jī)變壓器保護(hù)教學(xué)裝置，包括人機(jī)界面系統(tǒng)、主控制器、PC機(jī)、二次開(kāi)發(fā)PC和微機(jī)變壓器，微機(jī)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(jī)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(jī)界面系統(tǒng)用于設(shè)置運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行模式，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前保護(hù)裝置運(yùn)行狀態(tài)曲線(xiàn)；PC機(jī)與主控制器之間通過(guò)以太網(wǎng)模塊進(jìn)行相互通訊；二次開(kāi)發(fā)PC通過(guò)控制模塊，控制模塊包括輔助控制器，二次開(kāi)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互；主控制器根據(jù)人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行模式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)定，主控制器根據(jù)接收的程序并且運(yùn)行程序，對(duì)微機(jī)變壓器進(jìn)行安全信號(hào)檢測(cè)和合、分閘裝置的操作。

作為優(yōu)選，人機(jī)界面系統(tǒng)采用WINDOWS-CE嵌入式系統(tǒng)并通過(guò)觸摸顯示屏顯示。

作為優(yōu)選，二次開(kāi)發(fā)PC通過(guò)編程器進(jìn)行編輯運(yùn)行程序。

作為優(yōu)選，人機(jī)界面系統(tǒng)和主控制器之間通過(guò)Modbus通信協(xié)議進(jìn)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(guò)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(yùn)算CPU，數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)算CPU進(jìn)行運(yùn)算得出實(shí)時(shí)值并返回至主控制器，主控制器通過(guò)人機(jī)界面系統(tǒng)顯示實(shí)時(shí)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(shí)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(xiàng)實(shí)用新型為一套高度自動(dòng)化、集成化、開(kāi)放式的具有多機(jī)互聯(lián)的微機(jī)保護(hù)裝置系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它能反映現(xiàn)代微機(jī)保護(hù)裝置的軟、硬件設(shè)計(jì)的全過(guò)程，充分體現(xiàn)現(xiàn)代微機(jī)保護(hù)裝置的開(kāi)放性、自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)裝置的檢測(cè)、控制、監(jiān)視、保護(hù)、調(diào)度的自動(dòng)化，在極大程度上促進(jìn)電力自動(dòng)化教學(xué)及電氣工程學(xué)科的發(fā)展。

本實(shí)用新型采用MODBUS-TCP協(xié)議和組態(tài)軟件進(jìn)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(jī)保護(hù)裝置之間的通訊，以及功能的配置，通過(guò)MODBUS-TCP技術(shù)實(shí)現(xiàn)與教學(xué)平臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控管理軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換、傳輸。教學(xué)平臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控管理軟件主要通過(guò)SCADA對(duì)分布于系統(tǒng)各處的保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理并進(jìn)行安全監(jiān)控，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)教學(xué)平臺(tái)的數(shù)字一體化管理。三套軟件協(xié)調(diào)工作，在實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置基本實(shí)驗(yàn)功能基礎(chǔ)上，通過(guò)Windows CE技術(shù)在業(yè)內(nèi)首創(chuàng)智能觸摸人機(jī)界面，通過(guò)ModbusTCP技術(shù)實(shí)現(xiàn)與教學(xué)平臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控管理軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換、傳輸。通過(guò)教學(xué)平臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控管理軟件和嵌入式軟件的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微機(jī)保護(hù)SCADA系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、精準(zhǔn)化控制及教學(xué)中的核心保護(hù)型二次開(kāi)發(fā)。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型一種微機(jī)變壓器保護(hù)教學(xué)裝置流程示意圖；

圖2是本實(shí)用新型一種微機(jī)變壓器保護(hù)教學(xué)裝置中三相電壓采集電路圖；

圖3是本實(shí)用新型一種微機(jī)變壓器保護(hù)教學(xué)裝置中三相電流相位檢測(cè)電路圖；

圖4是本實(shí)用新型一種微機(jī)變壓器保護(hù)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(shí)用新型一種微機(jī)變壓器保護(hù)教學(xué)裝置中三相電流采集電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，一種微機(jī)變壓器保護(hù)教學(xué)裝置，包括人機(jī)界面系統(tǒng)、主控制器、PC機(jī)、二次開(kāi)發(fā)PC和微機(jī)變壓器，微機(jī)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(jī)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(jī)界面系統(tǒng)用于設(shè)置運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行模式，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前保護(hù)裝置運(yùn)行狀態(tài)曲線(xiàn)；PC機(jī)與主控制器之間通過(guò)以太網(wǎng)模塊進(jìn)行相互通訊；二次開(kāi)發(fā)PC通過(guò)控制模塊，控制模塊包括輔助控制器，二次開(kāi)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互；主控制器根據(jù)人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行模式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)定，主控制器根據(jù)接收的程序并且運(yùn)行程序，對(duì)微機(jī)變壓器進(jìn)行安全信號(hào)檢測(cè)和合、分閘裝置的操作。

人機(jī)界面系統(tǒng)采用WINDOWS-CE嵌入式系統(tǒng)并通過(guò)觸摸顯示屏顯示。

二次開(kāi)發(fā)PC通過(guò)編程器進(jìn)行編輯運(yùn)行程序。

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

主控制器與以太網(wǎng)模塊通過(guò)Com串口連接。

轉(zhuǎn)換模塊包括數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)算CPU，數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)算CPU進(jìn)行運(yùn)算得出實(shí)時(shí)值并返回至主控制器，主控制器通過(guò)人機(jī)界面系統(tǒng)顯示實(shí)時(shí)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(hù)裝置人機(jī)界面采用WINDOWS-CE嵌入式系統(tǒng)，底層保護(hù)采用UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三相電壓、電流、相角的測(cè)量，以及相位的校正計(jì)算和保護(hù)功能的實(shí)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(cè)和保護(hù)功能，并采用運(yùn)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(xiàn)保護(hù)、輕瓦斯、重瓦斯、高油溫、超油溫、差動(dòng)電流速度、二次諧波制動(dòng)、比率制動(dòng)和限時(shí)比率制動(dòng)等保護(hù)功能組成。

系統(tǒng)功能：包括主控制器參數(shù)設(shè)置，測(cè)量電流校準(zhǔn)、保護(hù)系統(tǒng)短路相位測(cè)量、被保護(hù)變壓器類(lèi)設(shè)定、測(cè)量變壓器斷線(xiàn)告警等。

開(kāi)關(guān)量保護(hù)：對(duì)變壓器輕瓦斯進(jìn)行告警提示、變壓器重瓦斯進(jìn)行跳閘保護(hù)、對(duì)變壓器高油溫進(jìn)行告警提示、變壓器超油溫進(jìn)行跳閘保護(hù)。

差動(dòng)速度保護(hù)：測(cè)量變壓器原副邊電流的變化進(jìn)行差流計(jì)算，設(shè)置相應(yīng)的差動(dòng)速斷時(shí)間和速斷閾值，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)速斷保護(hù)變壓器供電跳閘保護(hù)。

二次諧波制動(dòng)：當(dāng)變壓器合閘時(shí)，除基波50Hz以外還有多次諧波，二次諧波制動(dòng)通過(guò)檢測(cè)二次諧波功率比例，當(dāng)測(cè)量值大于設(shè)定閾值時(shí)，變壓器供電跳閘保護(hù)。

比率制動(dòng)保護(hù)：測(cè)量變壓器原副邊電流，按照比率制動(dòng)系數(shù)計(jì)算動(dòng)作電流和制動(dòng)電流，設(shè)置相應(yīng)的比率制動(dòng)速斷時(shí)間和速斷閾值，實(shí)現(xiàn)比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)，斷開(kāi)故障變壓器供電電源。

遠(yuǎn)程控制：通過(guò)以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及保護(hù)功能的設(shè)置參數(shù)修正等。

人機(jī)界面：上位機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)Modbus通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制器與基于Windows-CE觸摸屏通訊，實(shí)時(shí)顯示相電流和差動(dòng)電流、比率制動(dòng)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(kāi)發(fā)輔助控制器之間的數(shù)據(jù)，解析二次開(kāi)發(fā)輔助控制器與主控器之間的數(shù)據(jù)協(xié)議；另外對(duì)主控制器和以太網(wǎng)控制PC間的數(shù)據(jù)收發(fā)進(jìn)行解析，以及DMA通信方式的CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

二次開(kāi)發(fā)：熟悉二次開(kāi)發(fā)軟件KEIL MDK環(huán)境；二次開(kāi)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(hù)功能的設(shè)計(jì)。

實(shí)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(guò)R4 100K/1W電阻和PT1串聯(lián)，出來(lái)后經(jīng)過(guò)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(guò)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(jī)電壓采集方案，由PT3為2mA/2mA電壓互感器，V相電壓經(jīng)過(guò)R12 100K/1W電阻和PT3串聯(lián)，出來(lái)后經(jīng)過(guò)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(guò)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(jī)變壓器保護(hù)相位檢測(cè)包括電波整形電路，所述的電波整形電路包括運(yùn)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(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)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(guò)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(fù)擔(dān)。W5200以太網(wǎng)控制器STM32F103VET6以查詢(xún)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(jī)，上位PC機(jī)以TCP_MODBUS通信協(xié)議和以太網(wǎng)控制進(jìn)行通信，STM32F103VET6控制器將上位PC機(jī)下傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，然后通過(guò)COM1口下發(fā)給系統(tǒng)保護(hù)功能控制器，同時(shí)也上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后通過(guò)WIZNET W5200傳送給上位PC機(jī)。

總之，以上僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，凡依本實(shí)用新型申請(qǐng)專(zhuān)利范圍所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本實(shí)用新型專(zhuān)利的涵蓋范圍。