一種數(shù)字相敏保護(hù)算法及其實(shí)現(xiàn)方法研究

張民

摘要：針對(duì)基于硬件的煤礦井下供電線路的相敏保護(hù)獲取功率因數(shù)角方法，采用對(duì)供電系統(tǒng)電流實(shí)時(shí)采樣，并利用dq坐標(biāo)變換計(jì)算功率因數(shù)角的方法，替代傳統(tǒng)的硬件方法，避免了因電壓和電流過零點(diǎn)的不同步造成硬件獲取的功率因數(shù)角存在較大誤差，從而避免了相敏保護(hù)誤動(dòng)作，提高了相敏保護(hù)的穩(wěn)定性和可靠性，改善了傳統(tǒng)保護(hù)中的不足。

關(guān)鍵詞：煤礦井下，相敏保護(hù)，dq坐標(biāo)變換，功率因數(shù)

中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2015）01-0000-00

短路保護(hù)是煤礦井下供電系統(tǒng)中的三大保護(hù)之一，它是一種保證供電可靠性和安全性所必需的保護(hù)措施。煤礦井下多采用異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力負(fù)載，異步電動(dòng)機(jī)在使用時(shí)配備有電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器。但是異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)和發(fā)生短路以及堵轉(zhuǎn)時(shí)都會(huì)造成電流快速上升。如果采用傳統(tǒng)的電流速斷保護(hù)則不能區(qū)分是哪種類型造成電流增大，有可能造成保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)。利用相敏保護(hù)可以準(zhǔn)確區(qū)分造成電流增大的類型。

相敏保護(hù)是能反應(yīng)被保護(hù)線路中電流相位的保護(hù)裝置。現(xiàn)在的相敏保護(hù)大都通過硬件電路，對(duì)電壓和電流波形整形，通過檢測電壓和電流的過零點(diǎn)從而得到電壓和電流的相位，最終得到功率因數(shù)。但是供電線路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流中包含有非周期分量成分，當(dāng)檢測電壓和電流波形時(shí)便影響電壓和電流的過零點(diǎn)，從而影響檢測的準(zhǔn)確性，造成相敏保護(hù)的誤動(dòng)作。同時(shí)現(xiàn)有的相敏保護(hù)只能對(duì)對(duì)稱性短路有效，對(duì)于不對(duì)稱短路則無法區(qū)分出其功率因素角。dq坐標(biāo)變換現(xiàn)在廣泛的被用為電力系統(tǒng)諧波檢測和無功電流檢測。

本文提出運(yùn)用dq坐標(biāo)變換對(duì)采集到的三相瞬時(shí)電流進(jìn)行運(yùn)算，得到功率因數(shù)后再參與相敏保護(hù)。避免了因電壓和電流的過零點(diǎn)的不準(zhǔn)確造成相敏保護(hù)誤動(dòng)作，提高了相敏保護(hù)的準(zhǔn)確性，改善了傳統(tǒng)保護(hù)中的不足。

1相敏保護(hù)原理

煤礦井下供電系統(tǒng)中的負(fù)載均為感性負(fù)載，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，功率因數(shù)比較低，而在短路故障情況下，功率因數(shù)則很高，所以采用基于功率因數(shù)檢測的相敏保護(hù)原理不但可提高短路保護(hù)的靈敏度，而且還能保證其動(dòng)作的可靠性。

相敏保護(hù)的原理是：電動(dòng)機(jī)負(fù)載為感性負(fù)載，在直接起動(dòng)時(shí)，其功率因數(shù)是很低的（一般cos 在03 ～ 05），而線路出現(xiàn)短路時(shí)功率因數(shù)則很高（cos 可以達(dá)到1）。因此，若在檢測電流大小的同時(shí)，再檢測功率因數(shù)，就可以十分明顯地區(qū)別起動(dòng)電流和短路電流。

2數(shù)字相敏保護(hù)算法

煤礦井下采用的是三相對(duì)稱負(fù)載，在負(fù)荷無中線的情況下，三相電流ia、ib和ic經(jīng)過線性組合后，定義為定子電流空間矢量is。變換至α、β兩相系統(tǒng)只有α和β分量，在α、β坐標(biāo)系中，iα是is在α軸上的分量，iβ是is在β軸上的分量。當(dāng)三相電流ia、ib和ic三相平衡時(shí)，α和β分量的大小相等、相角差90°，即α、β兩相也是平衡的。

iαiβ=231-12-12032-32iaibic （1）

iαiβ=cosφ-sinφsinφcosφidiq （2）

三相電流信號(hào)經(jīng)α、β變換及dq 變換后，得出電流的基波有功分量和無功分量。abc靜止坐標(biāo)系中的電流ia、ib、ic經(jīng)派克變換后變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的有功分量id和無功分量iq。

idiq=23sin t-cos t-cos t-sin t1-12-12032-32iaibic （3）

根據(jù)電路理論可知，電流向量I·可分為有功分量I·a和無功分量I·r，I·a與電壓U·同相，Ia=Icosφ，I·r與電壓正交，Ir=Isinφ（見圖1）。這樣P=UIa，Q=UIr。所以

cos φ=idi2d+i2q （4）

圖1電流相量和電壓相量相位關(guān)系

得出cosφ后，根據(jù)相敏保護(hù)的原理建立數(shù)字相敏保護(hù)的判據(jù)條件：

1） 如果028

2） 如果085

3保護(hù)器裝置設(shè)計(jì)

31CPU簡介

設(shè)計(jì)具有相敏短路保護(hù)功能的礦用電機(jī)保護(hù)器和饋電開關(guān)保護(hù)器時(shí)，控制核心采用了ST公司的基于32位ARM，Cortex-M3核的STM32F107型微處理器。STM32F107的外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)12位AD、兩個(gè)12位DA、兩個(gè)I2C接口、五個(gè)USART接口和三個(gè)SPI端口，可以滿足不同類型保護(hù)器的功能要求。該芯片運(yùn)算速度快，具有較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，能夠滿足保護(hù)器的實(shí)時(shí)工作要求。

32硬件和軟件設(shè)計(jì)

保護(hù)器的硬件系統(tǒng)包括主控單元、 數(shù)據(jù)采集單元、 人機(jī)接口和通信單元組成。 數(shù)據(jù)采集單元對(duì)供電線路中的三相實(shí)時(shí)電壓、 電流及零序電壓、 零序電流進(jìn)行采樣。 STM32F107的AD基準(zhǔn)電壓是+3 V，為此必須將供電線路的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行變換同時(shí)進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)換為0～+3V的信號(hào)供DSP采樣。A相電流采樣調(diào)理電路如圖2所示，系統(tǒng)的電流采用電流互感器獲得，電流互感器的一次側(cè)接供電線路，二次側(cè)接調(diào)理電路。通過電流互感器后，二次側(cè)為5A電流信號(hào)，再通過二次電壓變換轉(zhuǎn)化為-15～+15 V電壓信號(hào)，通過低通濾波、阻抗變換和電平提升后轉(zhuǎn)化為0～+3 V的信號(hào)送入一個(gè)多路開關(guān)中，通過對(duì)多路開關(guān)的控制，送入STM32F107的AD端口。其余兩路電流采樣和A相相同不再敘述。

圖2A相電壓采樣調(diào)理電路

STM32F107對(duì)采樣到的電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字相敏保護(hù)運(yùn)算，進(jìn)而計(jì)算出供電系統(tǒng)的功率因數(shù)角，將計(jì)算到的功率因數(shù)角和設(shè)定的電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)角以及短路時(shí)的功率因數(shù)角進(jìn)行比較。從而區(qū)別出這兩種狀況，在短路時(shí)發(fā)出跳閘信號(hào)，切斷供電線路（見圖3）。當(dāng)電流采集后，程序運(yùn)行數(shù)字相敏保護(hù)算法，計(jì)算出功率因數(shù)值cos ，當(dāng)028

圖3程序流程圖

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室采用一臺(tái)200A真空饋電，一臺(tái)200A磁力啟動(dòng)器和一臺(tái)22 KW的三相異步電機(jī)搭建了系統(tǒng)供電模型。試驗(yàn)參數(shù)為：供電電壓為660 V，電機(jī)額定電流40 A，轉(zhuǎn)速1475 r/min；電纜采用截面40 mm2的阻燃電纜，供電長度50 m。實(shí)驗(yàn)的過程中模擬了遠(yuǎn)端接地短路，分別對(duì)電機(jī)起動(dòng)和這兩種短路情況下的功率因數(shù)進(jìn)行測試?；赿q坐標(biāo)變換的饋電開關(guān)的數(shù)字相敏保護(hù)測試時(shí)的技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1相敏短路保護(hù)技術(shù)性能測試數(shù)據(jù)

運(yùn)行狀態(tài)額定電流/A測試功率因數(shù)實(shí)際功率因數(shù)

起動(dòng)20003032

遠(yuǎn)端短路20009209

表1中測試功率因數(shù)為采用數(shù)字相敏保護(hù)算法得到的功率因數(shù)，實(shí)際功率因數(shù)為采用電能質(zhì)量分析儀得到的功率因數(shù)。通過對(duì)比，可見本文提出的誤差小，可以滿足煤礦井下的保護(hù)要求，保證了供電的可靠性。

5結(jié)論

基于dq坐標(biāo)變換的數(shù)字相敏保護(hù)不受現(xiàn)場條件的影響，具有較高的靈敏度，能適應(yīng)不同狀況下功率因數(shù)變化的情況，達(dá)到快速檢測的要求。具有實(shí)現(xiàn)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋建成，謝恒土，王雁欣，等.基于功率因數(shù)檢測的礦井低壓電網(wǎng)相敏保護(hù)的研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，1999，23（2）：38-41.

[2]羅軍濤，陳允平，曹華珍.基于功率因數(shù)角突變的故障線路判別[J].繼電器，2000，28（1）： 6-9.

[3]余道洋.礦用智能型電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器[J].工礦自動(dòng)化，2003，25（2）：21-22.

[4]王賓，祝龍記.基于單片機(jī)的礦用電動(dòng)機(jī)相敏保護(hù)的實(shí)現(xiàn)[J].工礦自動(dòng)化，2006，28（1）：27-29.

[5]馮建勤， 宋寅卯.基于電流采樣值的相敏過電流保護(hù)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2006，18（3）：77-80.

（責(zé)任編輯：）