數(shù)字過(guò)流保護(hù)繼電器方案設(shè)計(jì)

王曉麗，史建華

(1.中北大學(xué)電子計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山西太原030051；2.山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009)

繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它對(duì)保證系統(tǒng)安全運(yùn)行起著非常重要的作用；繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)發(fā)生故障或處于異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)能夠迅速、正確地做出反應(yīng)，從而保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮了異常重要的作用[1-4]。

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等5個(gè)環(huán)節(jié)組成的。在電力系統(tǒng)中。各種類型的、大量的電氣設(shè)備通過(guò)電氣線路緊密地聯(lián)結(jié)在一起。由于其覆蓋的地域極其遼闊、運(yùn)行環(huán)境極其復(fù)雜以及各種人為因素的影響，電氣故障的發(fā)生是不可避免的。一個(gè)或多個(gè)發(fā)電站由于故障停止產(chǎn)生電能，或某些負(fù)載需要突然從電網(wǎng)獲得過(guò)多的電能，這種高能級(jí)的突發(fā)事件產(chǎn)生的不平衡會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。這些突發(fā)事件是不可避免的，人們也無(wú)法控制其發(fā)生。因此，主電網(wǎng)必須實(shí)時(shí)檢測(cè)這樣的故障狀態(tài)，然后快速反應(yīng)以最小化不利影響，這種監(jiān)控功能典型地通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)。智能控制單元連續(xù)的監(jiān)視電網(wǎng)的各種參數(shù) (如電壓，電流，溫度等)，當(dāng)某種故障狀態(tài)發(fā)生時(shí)，便切換相應(yīng)的繼電器。由于需要通過(guò)微處理器處理大量的數(shù)據(jù)，因此，這樣的繼電器被稱為數(shù)字保護(hù)繼電器[5-6]。圖1給出數(shù)字保護(hù)繼電器在典型變電所中的應(yīng)用。

圖1 數(shù)字保護(hù)繼電器在典型變電所中的應(yīng)用

1 數(shù)字保護(hù)繼電器的要求

1.1 速度要求

根據(jù)最終應(yīng)用，有各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了繼電器對(duì)故障的響應(yīng)時(shí)間，這些響應(yīng)特性通常用反時(shí)限最小延時(shí)保護(hù)曲線表示。相關(guān)公式見(jiàn)式1。

其中，tresponse：響應(yīng)時(shí)間；DMF：延遲系數(shù)；IM：測(cè)量電流；ISET：設(shè)置電流；A，B，C：反時(shí)限最小延時(shí)保護(hù)參數(shù)。

對(duì)于給定曲線，延遲系數(shù)DMF越小，數(shù)字保護(hù)繼電器的故障響應(yīng)就越快，這將獲得更高的產(chǎn)品等級(jí)。為了獲得較小的延遲乘法系數(shù)以及更快的響應(yīng)時(shí)間，控制環(huán)路中的所有元件的工作速度都必須盡可能的快。

1.2 精度要求

在數(shù)字保護(hù)繼電器中，輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍通常是比較大的。比如，典型的過(guò)流保護(hù)繼電器監(jiān)視的電流通常從幾安培到幾千安培。在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)，繼電器需要保持其測(cè)量精度。根據(jù)應(yīng)用要求，精度要求可以從1%到0.05%，當(dāng)然，精度越高，繼電器的性能越好。為了實(shí)現(xiàn)較高的精度，系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)該有比較高的分辨率 (對(duì)于精度為1%，則分辨率一般為10位，對(duì)于精度為0.05%，則分辨率一般為16位)，高線性，高穩(wěn)定性，低噪聲，甚至是更高的采樣速度。

相對(duì)于delta-sigma(ΔΣ)模擬轉(zhuǎn)換器，逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器在高采樣率下具有零延遲以及高線性的特點(diǎn)。因此，數(shù)字保護(hù)繼電器應(yīng)該選用逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器，低噪聲，低漂移的運(yùn)算放大器應(yīng)用在輸入級(jí)以限制噪聲和相關(guān)的漂移誤差。

1.3 同時(shí)采樣要求

對(duì)于大多數(shù)的數(shù)字保護(hù)繼電器，信號(hào)之間的相位關(guān)系是非常重要的。比如，測(cè)量同一個(gè)信號(hào)的電壓和電流，如果希望計(jì)算有功功率、無(wú)功功率、功率因素、阻抗或諧波，那么，這兩個(gè)信號(hào)的相位關(guān)系是必需的。因此，在這種應(yīng)用中，應(yīng)該使用同時(shí)采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

2 數(shù)字過(guò)流保護(hù)繼電器方案設(shè)計(jì)及元件選擇

基于故障狀態(tài)的不同響應(yīng)，數(shù)字保護(hù)繼電器可以分為過(guò)流保護(hù)繼電器，過(guò)壓保護(hù)繼電器，接地故障保護(hù)繼電器，饋線保護(hù)繼電器，等等。這些不同類型的繼電器實(shí)際上具有類似的硬件電路配置。各種數(shù)字保護(hù)繼電器之間的區(qū)別在于軟件編程。

圖2給出了典型的過(guò)流保護(hù)繼電器的方框圖。

2.1 儀器放大器

電流互感器通常用于感知電網(wǎng)電流，通過(guò)一個(gè)負(fù)載電阻，將感知的電流轉(zhuǎn)換為差分電壓信號(hào)。為了減少電流互感器原邊的反射負(fù)載，副邊應(yīng)該使用盡可能小的負(fù)載電阻。因此，副邊的電壓信號(hào)通常非常小，一般為幾毫伏，常常疊加在一個(gè)較大的共模電壓信號(hào)上。

圖2 典型過(guò)流保護(hù)繼電器的方框圖

因此，所選擇的儀器放大器應(yīng)該具有高增益，支持高的共模電壓以及高的共模抑制比。美國(guó)德州儀器公司的INA128完全這種應(yīng)用要求。INA128是一個(gè)低功耗，通用的儀器放大器，電流反饋輸入電路使得其具有很寬的帶寬，甚至在高增益時(shí)也具有較寬的帶寬，如增益為100時(shí)，其帶寬為200 kHz。單個(gè)外部電阻設(shè)置的增益可以從1到10 000。另外，其具有非常低的失調(diào)電壓(50 μV)、和漂移電壓(50 μV)，高共模抑制比 (在增益大于100時(shí)為120dB)。

每個(gè)電流互感器都需要一個(gè)INA128器件。

為了符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間規(guī)范，在儀器放大器的輸出和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間可以使用一個(gè)額外的運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器應(yīng)該具有足夠的帶寬，低漂移和低噪聲。為了最大化模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用范圍，運(yùn)算放大器應(yīng)該能夠支持需要的輸出電壓范圍。美國(guó)德州儀器公司的OPA277能夠很好的滿足這一要求。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

不同測(cè)量目的以及不同精度和速度要求，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器要求概括如下：

1)多通道，能夠同時(shí)采樣。

2)采樣速度更快，能夠通過(guò)對(duì)輸出代碼取平均值來(lái)提高整個(gè)噪聲性能。

3)更高的分辨率，量化誤差更小。

4)支持大的輸入范圍，這樣能夠提高輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比。

根據(jù)這些要求，美國(guó)德州儀器公司的ADS8556能夠很好的滿足這一要求。

2.3 電壓參考

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的噪聲性能與輸入信號(hào)和電壓參考一致。因此，用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的電壓參考應(yīng)該非常精確，并且在工作溫度范圍內(nèi)應(yīng)該非常穩(wěn)定。ADS8556具有片上參考電壓發(fā)生器，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，其電壓漂移不超過(guò)±10ppm/°C。 如果需要更高的穩(wěn)定性，ADS8556可以使用外部的電壓參考，如美國(guó)德州儀器公司的REF50XX系列，具有低噪聲，極低的漂移(最大3ppm/°C)。

2.4 處理器

為了計(jì)算電網(wǎng)的各種參數(shù)，如有功功率，阻抗，諧波等等，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT計(jì)算。因此，需要DSP計(jì)算引擎。特別地，對(duì)于某些應(yīng)用，浮點(diǎn)DSP處理器相對(duì)于定點(diǎn)DSP處理器具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

除了必需的計(jì)算能力，為了驅(qū)動(dòng)繼電器以及與其他單元通信，各種定時(shí)器以及其他功能組件也是必不可少的。

2.5 接口和隔離電路

數(shù)字保護(hù)繼電器使用RS-232或RS-485或以太網(wǎng)協(xié)議將系統(tǒng)狀態(tài)傳輸給中央控制單元。為了避免各個(gè)模塊同時(shí)失靈，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行隔離是必要的。因此，需要對(duì)電源模塊和通信模塊進(jìn)行隔離。這可以通過(guò)TI公司的ISO7221實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 過(guò)流保護(hù)繼電器的具體實(shí)現(xiàn)

3 結(jié)論

數(shù)字保護(hù)繼電器在任何配電子系統(tǒng)是都是關(guān)鍵部件。為了避免災(zāi)難性的故障，這些繼電器應(yīng)該使用高速和高精度的電子元件。給出數(shù)字過(guò)流保護(hù)繼電器的解決方案能夠滿足高速和高精度這兩個(gè)要求。

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