煤礦智能變電站線路差動(dòng)保護(hù)軟件設(shè)計(jì)

趙林霖

（冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶二煤礦，河北 邯鄲 056105）

0 引言

隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的推廣，我國智能電網(wǎng)和智能變電站技術(shù)進(jìn)一步成熟，煤炭作為我國能源供應(yīng)的基礎(chǔ)，煤礦工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)也在向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向改造。作為一級(jí)負(fù)荷，煤礦生產(chǎn)的電力供應(yīng)必須保證安全可靠性。變電站作為煤礦供電的重要節(jié)點(diǎn)，動(dòng)作的快速準(zhǔn)確是煤礦供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。差動(dòng)保護(hù)在煤礦由地面到井下采區(qū)多層次的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。本文在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系下，設(shè)計(jì)了采樣值線路差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)方案，并給出了軟件整體結(jié)構(gòu)圖及主程序流程圖。

1 差動(dòng)保護(hù)原理

采樣值差動(dòng)保護(hù)直接采用采樣值構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)判據(jù)，一般保護(hù)判據(jù)為：

其中k為保護(hù)制動(dòng)系數(shù)，一般設(shè)定為0.2～0.3。

對(duì)于采樣值差動(dòng)保護(hù)來說，采樣值隨時(shí)間周期變化，不同時(shí)刻采樣點(diǎn)的制動(dòng)值不一樣［1］。不同采樣點(diǎn)構(gòu)成的制動(dòng)值有所差別，某些采樣點(diǎn)的制動(dòng)較差，采樣時(shí)應(yīng)避開這些采樣點(diǎn)，同時(shí)不影響判據(jù)的正確判斷，一般采用R次中S次滿足判據(jù)時(shí)才判定為故障的方法。其中，R為判斷數(shù)據(jù)框，S為重復(fù)判斷次數(shù)，R、S的選取直接關(guān)系到保護(hù)的靈敏性和可靠性。假設(shè)采樣值差動(dòng)保護(hù)每周期采樣N個(gè)點(diǎn)，則S的選取必須滿足：

當(dāng)采樣點(diǎn)滿足上式時(shí)，可以達(dá)到很好的制動(dòng)效果。考慮到極端的情況，當(dāng)過零點(diǎn)位于2個(gè)相鄰采樣點(diǎn)的中點(diǎn)時(shí)，有可能使2個(gè)采樣點(diǎn)都不能滿足判據(jù)，因此一般R比S大2，但R值不能取過大，不能大于N／2，取值過大會(huì)影響保護(hù)的動(dòng)作速度。當(dāng)每周期采樣12點(diǎn)時(shí)，一般S≥4，考慮到保護(hù)動(dòng)作的快速性，在實(shí)際應(yīng)用中，R－S一般取2，此時(shí)可靠性和靈敏性較好。每周期采樣24點(diǎn)時(shí)，選取原則一般為：前半周期采用8取5，后半周期采用20取16［2］。采樣值差動(dòng)保護(hù)判別迅速，幾乎沒有復(fù)雜的計(jì)算，而且保護(hù)計(jì)算數(shù)據(jù)窗低于一個(gè)周期，保護(hù)判斷出口時(shí)間縮短；如果有“壞數(shù)據(jù)”出現(xiàn)，“壞數(shù)據(jù)”的采樣點(diǎn)數(shù)要比S小，不會(huì)誤動(dòng)，可靠性高，可作為煤礦變電站線路保護(hù)的主保護(hù)。

2 煤礦智能變電站體系結(jié)構(gòu)

煤礦智能變電站以IEC61850為標(biāo)準(zhǔn)，分為“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。三層分別為過程層、間隔層、站控層，兩網(wǎng)是指站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)［3］。

煤礦智能變電站體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦智能變電站體系結(jié)構(gòu)示意圖

煤礦智能變電站最大的特點(diǎn)之一就是網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)傳輸與共享。如圖1所示，站控層網(wǎng)絡(luò)采用MMS網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)兩網(wǎng)合一，過程層網(wǎng)絡(luò)采用SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)兩網(wǎng)合一。為了實(shí)現(xiàn)故障時(shí)的快速動(dòng)作，本文設(shè)計(jì)的線路差動(dòng)保護(hù)采用直采直跳的方式。電壓／電流互感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)合并單元匯總發(fā)送SV報(bào)文至間隔層，用于故障的邏輯判斷。如果判定發(fā)生故障，此時(shí)直接經(jīng)GOOSE網(wǎng)向合并單元發(fā)送跳閘命令，同時(shí)向站控層發(fā)送告警信號(hào)。

3 基于IEC61850的線路差動(dòng)保護(hù)IED功能建模

利用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)實(shí)際的保護(hù)設(shè)備抽象建模，對(duì)傳統(tǒng)的保護(hù)過程中所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行理解和分析，抽象出設(shè)備所含的邏輯節(jié)點(diǎn)，以及每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)所含的數(shù)據(jù)及其屬性，找出邏輯節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)流向，得到保護(hù)IED的數(shù)據(jù)信息模型［4］。線路差動(dòng)保護(hù)IED可分解為以下幾個(gè)功能：電壓／電流量的采集、開關(guān)量的輸入／輸出、分相電流差動(dòng)、斷路器、人機(jī)接口等。線路差動(dòng)保護(hù)IED邏輯節(jié)點(diǎn)分層建模圖如圖2所示，其中PDIF為差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)。

圖2 差動(dòng)保護(hù)IED邏輯節(jié)點(diǎn)分層建模圖

4 軟件設(shè)計(jì)

線路差動(dòng)保護(hù)軟件的設(shè)計(jì)要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，工作對(duì)象明確，邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能的正確性容易判別［5］。本文選用可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的Vx Works操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)煤礦智能變電站線路差動(dòng)保護(hù)軟件方案。軟件組成模塊化，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要包括主程序、故障處理程序及采樣中斷處理程序，具體功能的實(shí)現(xiàn)可通過構(gòu)建一系列子程序完成。

圖3 保護(hù)程序整體結(jié)構(gòu)示意圖

主程序主要執(zhí)行初始化和各種自檢項(xiàng)目，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

初始化分為硬件初始化和軟件初始化2部分，上電后先對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，讀取開關(guān)等設(shè)備的狀態(tài)或根據(jù)液晶菜單確定工作方式。如果系統(tǒng)為調(diào)試方式，則跳轉(zhuǎn)到監(jiān)控子程序；如果為運(yùn)行方式，則進(jìn)行自檢。

自檢包括：（1）定值自檢；（2）TV斷線自檢；（3）TA斷線自檢；（4）通信通道異常判斷等。

當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，將會(huì)申請(qǐng)中斷。中斷服務(wù)程序是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)獲取各種事件的基本手段，而“事件”是實(shí)時(shí)性問題的討論基礎(chǔ)和時(shí)間計(jì)算的起點(diǎn)。采樣中斷處理是對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，如果滿足判據(jù)，則判定為發(fā)生故障，轉(zhuǎn)入故障處理程序，并發(fā)送報(bào)文，程序流程圖如圖5所示。

圖5 采樣中斷及故障處理程序流程圖

5 結(jié)語

本文結(jié)合煤礦差動(dòng)保護(hù)現(xiàn)狀，以智能變電站為基礎(chǔ)，提出基于電流采樣值的線路差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)方案，對(duì)線路差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)IED功能進(jìn)行劃分，提出了差動(dòng)保護(hù)軟件設(shè)計(jì)思路，并給出了軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖和主程序流程圖。

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