數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)設(shè)計

王坤

[摘要]隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，新建的變電站大多為數(shù)字化變電站或智能變電站，取代了傳統(tǒng)的變電站，提高了變電站的自動化水平和智能化水平。在數(shù)字化變電站中，需要對繼電保護裝置進行合理的優(yōu)化配置，保證繼電保護裝置能夠正?？煽縿幼?，對此進行詳細的分析。

[關(guān)鍵詞]變電站;智能;繼電保護;配置

1數(shù)字化變電站的構(gòu)造

數(shù)字化變電站，就是將變電站中的電氣設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)換后與智能設(shè)備進行信息連通的過程，有利于實現(xiàn)兩者之間的可操作性。數(shù)字化變電站主要包括間隔層，過程層以及站控層。目前，在低電壓變電站中，幾乎可以實現(xiàn)全面數(shù)字化，在高電壓變電站中雖然沒有完全實現(xiàn)，但除了采樣值傳遞以外，其他基本上也實現(xiàn)了數(shù)字化轉(zhuǎn)變。

2數(shù)字化變電站概述

變電站在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的采用，配電和輸電線路之間需要依靠變電站進行相互連接。數(shù)字化變電站可以運行先進的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)的傳輸和存儲，這樣可以提高變電站的智能化水平。數(shù)字化變電站和常規(guī)的變電站相比，在多個方面都具有更高的性能，能夠使得網(wǎng)絡(luò)通信方式在變電站中得到大量的采用。。在變電站中的繼電保護裝置建模的過程中采用這種協(xié)議，可以使得保護裝置中的各類信號進行合理的傳遞和共享，提高了保護動作的效率和可靠性，降低了保護誤動的概率。

3數(shù)字化變電站中的繼電保護裝置

對于數(shù)字化變電站中的繼電保護裝置，一般是采用成套繼電保護裝置，模塊化安裝和運行，可以提高繼電保護動作的準確性和成功率。在數(shù)字變電站中，所采用的協(xié)議為61850，在該協(xié)議中對于繼電保護模塊，將智能電子裝置分為邏輯節(jié)點、邏輯設(shè)備、服務(wù)器等層次，通過對繼電保護裝置中的各個功能模塊進行模擬，構(gòu)建基于IEC 61850協(xié)議的數(shù)字化變電站中的繼電保護裝置模型，實現(xiàn)保護數(shù)據(jù)的通信和共享，提高繼電保護動作的靈敏性。在110 kV數(shù)字化變電站繼電保護裝置中，可以接受和處理采集到的電氣一次設(shè)備信息，送入到繼電保護裝置中進行分析和邏輯判斷，并輸出相應(yīng)的保護動作策略[2]，其中保護的各種動作信息可以通過相應(yīng)的服務(wù)器進行存儲，對保護動作這一較為短暫的物理過程進行較為可靠的模擬，為分析事故跳閘提高了很大的幫助。此外，在數(shù)字變電站中一般也對實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)進行了分區(qū)，其中變電站中的保護信息子站和故障錄波裝置位于非實時區(qū)，通信管理機位于變電站中的實時區(qū)，一般通過接入變電站中的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，實現(xiàn)保護動作信號往電力監(jiān)控中心進行傳遞，實現(xiàn)對電網(wǎng)的監(jiān)視和控制。

4 變電站繼電保護設(shè)計

4.1 差動保護。差動保護作為變電站主保護方式之一，是根據(jù)基爾霍夫電流定理設(shè)計，通過將各要保護的設(shè)備裝置作為一個個節(jié)點，當在正常運行狀態(tài)下電流流過設(shè)備裝置的前后是沒有電流差的，而當設(shè)備發(fā)生故障后，該設(shè)備的流過的電流值前后便出現(xiàn)電流差值，所以此時便需要設(shè)定當電流差達到臨界整定值便需要觸發(fā)保護裝置。差動保護裝置的主要用于保護雙繞組或三繞組的變壓器等設(shè)備。

4.2電流速斷保護。當線路及設(shè)備接線因短路故障產(chǎn)生較大短路電流時，其電壓也會隨之降低。故根據(jù)以上的電信號特點設(shè)計電流保護裝置，電流互感器將短路電流轉(zhuǎn)換為小電流從而通過電流繼電器中，繼電器根據(jù)流過電流的大小進行觸發(fā)斷路器，斷路器根據(jù)信號便可以將根據(jù)設(shè)定的電流閾值使得保護裝置能在很短的時間切斷故障電流。

5系統(tǒng)的硬件設(shè)計

5.1CPU選型

本系統(tǒng)在選用處理器時，考慮到系統(tǒng)對數(shù)字信號處理的要求，選擇DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器。DSP微處理器特別適合于數(shù)字信號處理運算，其主要特點是：（1）計算處理能力強，在一個指令周期內(nèi)可同時完成乘法和加法的運算;（2）空間獨立，程序和數(shù)據(jù)存儲空間獨立，讀取指令和數(shù)據(jù)的效率高;（3）具有片內(nèi)RAM，速率快;（4）硬件I/O接口支持快速的中斷處理;（5）可以并行處理多個指令;（6）流水線操作，系統(tǒng)讀取，執(zhí)行操作可重疊進行。在對DSP芯片對比分析后，確定TI公司的TMS320LF2407芯片為本系統(tǒng)的微處理器。TMS320LF2407芯片具有豐富的指令集、高速的運算能力和改進的哈弗結(jié)構(gòu);可執(zhí)行4級流水線操作，每秒可以獲得百萬的指令，大大縮短了執(zhí)行命令的時間;具有5個外部中斷，2個事件管理器模塊;有3種低功耗模式，功耗降低;具有高性能的CMOS技術(shù)，提高了芯片的計算能力。

5.2測頻電路

為了減小中央處理器運算負擔，所以專門設(shè)計測頻電路進行頻率測量。該設(shè)計利用CPLD進行邏輯測控，通過在CPLD設(shè)置計數(shù)器，將輸入的模擬量進行轉(zhuǎn)換后送入CPLD進行計數(shù)并得出帶測量的頻率，所設(shè)計的測頻電路。根據(jù)電路圖，當正弦交流輸入信號先經(jīng)過LM393比較器后便會成為具有高低電平的方波，在經(jīng)過TLP181隔離電路變換器后電信號轉(zhuǎn)換為5V的邏輯電平，但此時電平并不規(guī)則，所以再通過74HC14型的施密特反向觸發(fā)器進行整型便可以得出規(guī)則的5V邏輯電平，從而有利于計數(shù)器進行計數(shù)測頻。

5.3數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

系統(tǒng)的電壓采集電路，電容C8為高頻電容，其作用是濾除電壓信號中的雜波，降低信號偏移，提高電路工作的精確性。電阻R5為測量電阻、電阻R6為分壓電阻，處理器根據(jù)測量電阻兩端的電壓及各電阻的阻值計算得到電壓值。二極管D1在電路中起到穩(wěn)壓的作用，限制運算放大器的輸入，保護電路安全工作。電路的左側(cè)連接帶有反饋式的霍爾電流傳感器，以此來降低環(huán)境對所測電流信號的干擾，提高采集的精確度。

6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本文設(shè)計的保護系統(tǒng)相比于之前的系統(tǒng)，該系統(tǒng)對變電站的工作狀態(tài)提供實時監(jiān)測保護功能，保護模塊包含主程序和中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)的主程序主要承擔對變電站運行的監(jiān)視功能。這些監(jiān)視功能系統(tǒng)的主程序中表現(xiàn)為不斷循環(huán)自檢的形式，以此來監(jiān)視整個系統(tǒng)的工作情況，當系統(tǒng)檢測到故障產(chǎn)生時，主程序跳轉(zhuǎn)到中斷程序，進行故障處理。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖1所示。首先要對系統(tǒng)進行初始化，其中包括主程序和各個子程序的初始化，初始化結(jié)束時對其進行檢測，當初始化失敗后重新對系統(tǒng)初始化，直到檢測到初始化成功后，開始繼續(xù)往下運行。初始化后，系統(tǒng)開始依次運行數(shù)據(jù)采集程序、人機對話程序、串口通信程序和中斷檢測程序。當系統(tǒng)檢測到變電站產(chǎn)生故障時，首先根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果與設(shè)定值對比，判斷故障部位，再對故障進行處理，決定保護的方式，當處理失敗后，系統(tǒng)報警裝置啟動，需人工對其復(fù)位，當故障處理完成時，系統(tǒng)進入循環(huán)自檢。由圖1可以看出，主程序內(nèi)有兩部分檢驗，一個是在系統(tǒng)初始化時，另一個是在進入循環(huán)自檢前，由于檢驗間隔時間長，所以可在此期間對系統(tǒng)硬件設(shè)備進行全面檢查，以此可以大大降低保護系統(tǒng)的故障率。

7 結(jié)語

電網(wǎng)的安全運行是電力企業(yè)追求的重要目標，繼電保護裝置在保護電網(wǎng)安全運行方面發(fā)揮了重要的作用，具有很重要的地位。變電站中的保護裝置的類型較多，涉及到的保護動作原理也存在較大的差異，應(yīng)該對各套保護裝置進行合理的優(yōu)化配置，保證變電站能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、自動化和智能化，提高電力生產(chǎn)的效率。

參考文獻：

[1] 高保泰.關(guān)于智能變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性的探討[J].科技展望，2016，26（24）：123.

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[3]蔡蘭明，朱玲玲.110kV數(shù)字化變電站繼電保護配置方案[J].通訊世界，2014（2）：71-73.

[4]劉叢然，梁新蘭.110kV數(shù)字變電站繼電保護配置方案探討[J].電氣自動化，2017，39（1）：53-55.