數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李建釗 黃亮亮

摘要：為了解決目前煤礦對(duì)數(shù)字化變電站繼電保護(hù)缺乏有效措施的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種基于DSP處理器的繼電保護(hù)系統(tǒng)。結(jié)合煤礦數(shù)字化變電站的實(shí)際情況與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)電氣件的保護(hù)方式進(jìn)行了選擇與分析，在對(duì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用電氣元件工作機(jī)理與電路知識(shí)對(duì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中包括DSP的外圍電路、數(shù)據(jù)信號(hào)采集電路及主程序流程圖的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，繼電保護(hù)系統(tǒng)具有工作可靠，功耗低，實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，可有效地對(duì)煤礦數(shù)字化變電站進(jìn)行保護(hù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站;繼電保護(hù);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

電力發(fā)展與人民生活息息相關(guān)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們的生活水平逐漸提高，對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量也有了更高的要求。電力行業(yè)正進(jìn)行著數(shù)字化改革，使變電站的繼電保護(hù)更加數(shù)字化，使數(shù)字化變電站的運(yùn)行過(guò)程和運(yùn)行環(huán)境更加有保障。提高數(shù)字化變電站繼電保護(hù)能力的水平和進(jìn)行繼電保護(hù)適應(yīng)性的改革已經(jīng)成為了電力部門(mén)的重中之重，如果完成此目標(biāo)，我國(guó)的電力行業(yè)又將向前邁進(jìn)一大步。

一、數(shù)字化變電站繼電保護(hù)中存在的問(wèn)題

數(shù)字化變電站是將變電站的模擬信息數(shù)據(jù)通過(guò)解碼轉(zhuǎn)換，翻譯為數(shù)字信息以進(jìn)行處理。數(shù)字化變電站可以大大提高信息處理的效率，節(jié)省更多時(shí)間，可以很快查找到需要的信息。現(xiàn)有變電站的信息非常不好儲(chǔ)存，尤其是歷史年代比較久遠(yuǎn)的信息，丟失或破損等情況經(jīng)常發(fā)生，而數(shù)字化變電站能夠有效防止數(shù)字信息丟失或者破損。如果將變電站的資源進(jìn)行共享，并及時(shí)整理更新，實(shí)現(xiàn)變電站的智能化管理，那么數(shù)字化變電站就能擁有自動(dòng)化的特點(diǎn)，接線比較便捷。查找信息不再費(fèi)時(shí)費(fèi)力，只需通過(guò)數(shù)字化提供部分信息，就能查找到信息全貌，這樣不僅節(jié)省人力資源，更節(jié)省了查找信息的人力時(shí)間與精力。如果數(shù)字化變電站改革能夠成功，能夠達(dá)到的電磁兼容性會(huì)更高，變電站會(huì)具有更高、更準(zhǔn)確的計(jì)算測(cè)量功能，更安全、更可靠的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，妥善利用可以為變電站帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)利益。

對(duì)繼電保護(hù)先一步研究，是數(shù)字化變電站變革中極為重要的一環(huán)。數(shù)字化變電站的優(yōu)點(diǎn)有很多，使用過(guò)程中通過(guò)改善傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置，使部分顯著弊端得到改善。但傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，其動(dòng)態(tài)范圍比較狹小，其問(wèn)題的范圍也比較小，對(duì)于數(shù)據(jù)故障的檢測(cè)精度不夠準(zhǔn)確，對(duì)于數(shù)字測(cè)量的頻率映射度比較小，這些問(wèn)題使得數(shù)字化變電站在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性得不到有效保證。這使得電力系統(tǒng)在正常工作的過(guò)程中存在一些弊端，需要不斷加強(qiáng)對(duì)數(shù)字變電站適應(yīng)性的繼電保護(hù)工作。

二、數(shù)字化繼電保護(hù)與傳統(tǒng)繼電保護(hù)間的區(qū)別

想配合繼電保護(hù)的更新對(duì)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整，就需要對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)與傳統(tǒng)繼電保護(hù)間的區(qū)別有所了解。從技術(shù)層面分析，兩者的差距主要分為以下兩點(diǎn)。

（1）設(shè)施硬件的差別

傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)主要由開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口、模擬量輸入接口單元、人機(jī)接口、通信接口及數(shù)據(jù)處理單元等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。但數(shù)字化保護(hù)其數(shù)據(jù)來(lái)源為ECT/EVT傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，較傳統(tǒng)保護(hù)方式而言，兩者間對(duì)數(shù)據(jù)的接收方式和處理方式等差

別也體現(xiàn)了兩者結(jié)構(gòu)上的不同。數(shù)字化保護(hù)主要構(gòu)成為光接口單元、中央處理單元、開(kāi)關(guān)單元、人機(jī)接口及通信接口等結(jié)構(gòu)組成，較傳統(tǒng)保護(hù)更為精密。

（2）信號(hào)的傳輸方式

傳統(tǒng)變電站是依靠電纜傳輸，將模擬信息傳遞到保護(hù)裝置，在保護(hù)裝置處，會(huì)將模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行處理，再經(jīng)由網(wǎng)線完成將數(shù)字量傳送到監(jiān)控系統(tǒng)的工作。在這種運(yùn)作模式中，監(jiān)控系統(tǒng)與測(cè)控保護(hù)對(duì)于單次設(shè)備的控制也是通過(guò)模擬信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在IEC-61850的規(guī)定中，過(guò)程層的互感器應(yīng)經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換，把采樣值轉(zhuǎn)化為信號(hào)后，經(jīng)由光纖將其傳輸至合并單元，合并單元再將各互感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)匯總，最后傳輸至總線等智能裝置。數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于跳閘信號(hào)的傳遞，也由原來(lái)的電纜接線傳輸改為光纖以太網(wǎng)傳輸。

通過(guò)IEC-61850的規(guī)定，數(shù)字化變電站的保護(hù)系統(tǒng)也都改為以網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)信息的傳遞載體，傳統(tǒng)的對(duì)于保護(hù)系統(tǒng)的測(cè)試方式也不再適用，所以對(duì)于新測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是現(xiàn)階段完善數(shù)字化變電站運(yùn)行的一大要?jiǎng)?wù)。對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)的革新可以保證對(duì)繼電保護(hù)裝置的閉環(huán)測(cè)試的實(shí)施，同時(shí)還可以以測(cè)試為方法對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)作情況進(jìn)行了解，對(duì)網(wǎng)絡(luò)裝置的接口運(yùn)作及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行深入分析。

三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

繼電保護(hù)系統(tǒng)的硬件主要由處理器模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、串口通信模塊、存儲(chǔ)器模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊及人機(jī)對(duì)話模塊等組成。

處理器模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)保護(hù)主程序的存放，為了保證變電站的正常工作，處理器會(huì)一直執(zhí)行循環(huán)自檢序，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷脈沖，處理器進(jìn)入中斷服務(wù)程序中。數(shù)據(jù)采集模塊可以獲得系統(tǒng)被保護(hù)元件的模擬信號(hào)、電流和電壓等，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換提供給系統(tǒng)的處理器使用。開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊是保護(hù)系統(tǒng)接收外界遠(yuǎn)程控制信號(hào)等信息和輸出遠(yuǎn)程信號(hào)和界面信息的模塊。人機(jī)對(duì)話模塊完成人機(jī)交換功能，滿(mǎn)足保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)定、調(diào)整和檢查需求。存儲(chǔ)器模塊負(fù)責(zé)記錄系統(tǒng)運(yùn)行日志，供巡檢人員查看。電源模塊是保護(hù)系統(tǒng)的重要設(shè)施，保護(hù)系統(tǒng)的裝置是精密的電子儀器，供電系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠。

1.CPU選型

本系統(tǒng)在選用處理器時(shí)，考慮到系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的要求，選擇DSP芯片，也稱(chēng)數(shù)字信號(hào)處理器。DSP微處理器特別適合于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，其主要特點(diǎn)是：（1）計(jì)算處理能力強(qiáng)，在一個(gè)指令周期內(nèi)可同時(shí)完成乘法和加法的運(yùn)算;（2）空間獨(dú)立，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間獨(dú)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(gè)指令;（6）流水線操作，系統(tǒng)讀取，執(zhí)行操作可重疊進(jìn)行。

在對(duì)DSP芯片對(duì)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(yùn)算能力和改進(jìn)的哈弗結(jié)構(gòu);可執(zhí)行4級(jí)流水線操作，每秒可以獲得百萬(wàn)的指令，大大縮短了執(zhí)行命令的時(shí)間;具有5個(gè)外部中斷，2個(gè)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(jì)算能力。

2.數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的電壓采集電路如圖1所示，電容C8為高頻電容，其作用是濾除電壓信號(hào)中的雜波，降低信號(hào)偏移，提高電路工作的精確性。電阻R5為測(cè)量電阻、電阻R6為分壓電阻，處理器根據(jù)測(cè)量電阻兩端的電壓及各電阻的阻值計(jì)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(yùn)算放大器的輸入，保護(hù)電路安全工作。

如圖2所示為系統(tǒng)電流信號(hào)采集電路。電路的左側(cè)連接帶有反饋式的霍爾電流傳感器，以此來(lái)降低環(huán)境對(duì)所測(cè)電流信號(hào)的干擾，提高采集的精確度。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)圖中所示電路濾波后，傳輸?shù)教幚砥鳌?/p>

結(jié)束語(yǔ)：繼電保護(hù)裝置和數(shù)字化變電站的有機(jī)統(tǒng)一是尤為重要的，要保證繼電保護(hù)裝置的科學(xué)性，從而促進(jìn)我國(guó)電力行業(yè)的高速發(fā)展。要提高繼電保護(hù)的水準(zhǔn)，為我國(guó)數(shù)字化變電站保駕護(hù)航。

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