數字過流保護繼電器方案設計

王曉麗，史建華

(1.中北大學電子計算機科學技術學院，山西太原030051；2.山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009)

繼電保護裝置是電力系統的重要組成部分，它對保證系統安全運行起著非常重要的作用；繼電保護裝置在電力系統發生故障或處于異常運行狀態時能夠迅速、正確地做出反應，從而保證電力系統的安全穩定運行中發揮了異常重要的作用[1-4]。

電力系統是由發電、變電、輸電、配電和用電等5個環節組成的。在電力系統中。各種類型的、大量的電氣設備通過電氣線路緊密地聯結在一起。由于其覆蓋的地域極其遼闊、運行環境極其復雜以及各種人為因素的影響，電氣故障的發生是不可避免的。一個或多個發電站由于故障停止產生電能，或某些負載需要突然從電網獲得過多的電能，這種高能級的突發事件產生的不平衡會導致災難性的事故。這些突發事件是不可避免的，人們也無法控制其發生。因此，主電網必須實時檢測這樣的故障狀態，然后快速反應以最小化不利影響，這種監控功能典型地通過繼電器實現。智能控制單元連續的監視電網的各種參數 (如電壓，電流，溫度等)，當某種故障狀態發生時，便切換相應的繼電器。由于需要通過微處理器處理大量的數據，因此，這樣的繼電器被稱為數字保護繼電器[5-6]。圖1給出數字保護繼電器在典型變電所中的應用。

圖1 數字保護繼電器在典型變電所中的應用

1 數字保護繼電器的要求

1.1 速度要求

根據最終應用，有各種標準規定了繼電器對故障的響應時間，這些響應特性通常用反時限最小延時保護曲線表示。相關公式見式1。

其中，tresponse：響應時間；DMF：延遲系數；IM：測量電流；ISET：設置電流；A，B，C：反時限最小延時保護參數。

對于給定曲線，延遲系數DMF越小，數字保護繼電器的故障響應就越快，這將獲得更高的產品等級。為了獲得較小的延遲乘法系數以及更快的響應時間，控制環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

在數字保護繼電器中，輸入信號的動態范圍通常是比較大的。比如，典型的過流保護繼電器監視的電流通常從幾安培到幾千安培。在整個輸入信號范圍內，繼電器需要保持其測量精度。根據應用要求，精度要求可以從1%到0.05%，當然，精度越高，繼電器的性能越好。為了實現較高的精度，系統的模數轉換器應該有比較高的分辨率 (對于精度為1%，則分辨率一般為10位，對于精度為0.05%，則分辨率一般為16位)，高線性，高穩定性，低噪聲，甚至是更高的采樣速度。

相對于delta-sigma(ΔΣ)模擬轉換器，逐次逼近寄存器模數轉換器在高采樣率下具有零延遲以及高線性的特點。因此，數字保護繼電器應該選用逐次逼近寄存器模數轉換器，低噪聲，低漂移的運算放大器應用在輸入級以限制噪聲和相關的漂移誤差。

1.3 同時采樣要求

對于大多數的數字保護繼電器，信號之間的相位關系是非常重要的。比如，測量同一個信號的電壓和電流，如果希望計算有功功率、無功功率、功率因素、阻抗或諧波，那么，這兩個信號的相位關系是必需的。因此，在這種應用中，應該使用同時采樣的模數轉換器。

2 數字過流保護繼電器方案設計及元件選擇

基于故障狀態的不同響應，數字保護繼電器可以分為過流保護繼電器，過壓保護繼電器，接地故障保護繼電器，饋線保護繼電器，等等。這些不同類型的繼電器實際上具有類似的硬件電路配置。各種數字保護繼電器之間的區別在于軟件編程。

圖2給出了典型的過流保護繼電器的方框圖。

2.1 儀器放大器

電流互感器通常用于感知電網電流，通過一個負載電阻，將感知的電流轉換為差分電壓信號。為了減少電流互感器原邊的反射負載，副邊應該使用盡可能小的負載電阻。因此，副邊的電壓信號通常非常小，一般為幾毫伏，常常疊加在一個較大的共模電壓信號上。

圖2 典型過流保護繼電器的方框圖

因此，所選擇的儀器放大器應該具有高增益，支持高的共模電壓以及高的共模抑制比。美國德州儀器公司的INA128完全這種應用要求。INA128是一個低功耗，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，甚至在高增益時也具有較寬的帶寬，如增益為100時，其帶寬為200 kHz。單個外部電阻設置的增益可以從1到10 000。另外，其具有非常低的失調電壓(50 μV)、和漂移電壓(50 μV)，高共模抑制比 (在增益大于100時為120dB)。

每個電流互感器都需要一個INA128器件。

為了符合模數轉換器的建立時間規范，在儀器放大器的輸出和數據轉換器之間可以使用一個額外的運算放大器，該運算放大器應該具有足夠的帶寬，低漂移和低噪聲。為了最大化模數轉換器的使用范圍，運算放大器應該能夠支持需要的輸出電壓范圍。美國德州儀器公司的OPA277能夠很好的滿足這一要求。

2.2 模數轉換器

不同測量目的以及不同精度和速度要求，對模數轉換器要求概括如下：

1)多通道，能夠同時采樣。

2)采樣速度更快，能夠通過對輸出代碼取平均值來提高整個噪聲性能。

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的動態范圍和信噪比。

根據這些要求，美國德州儀器公司的ADS8556能夠很好的滿足這一要求。

2.3 電壓參考

數據轉換器的噪聲性能與輸入信號和電壓參考一致。因此，用于模數轉換的電壓參考應該非常精確，并且在工作溫度范圍內應該非常穩定。ADS8556具有片上參考電壓發生器，在整個工作溫度范圍內，其電壓漂移不超過±10ppm/°C。 如果需要更高的穩定性，ADS8556可以使用外部的電壓參考，如美國德州儀器公司的REF50XX系列，具有低噪聲，極低的漂移(最大3ppm/°C)。

2.4 處理器

為了計算電網的各種參數，如有功功率，阻抗，諧波等等，需要對采集的數據進行FFT計算。因此，需要DSP計算引擎。特別地，對于某些應用，浮點DSP處理器相對于定點DSP處理器具有明顯的性能優勢。

除了必需的計算能力，為了驅動繼電器以及與其他單元通信，各種定時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

數字保護繼電器使用RS-232或RS-485或以太網協議將系統狀態傳輸給中央控制單元。為了避免各個模塊同時失靈，對每個模塊進行隔離是必要的。因此，需要對電源模塊和通信模塊進行隔離。這可以通過TI公司的ISO7221實現。整個系統如圖3所示。

圖3 過流保護繼電器的具體實現

3 結論

數字保護繼電器在任何配電子系統是都是關鍵部件。為了避免災難性的故障，這些繼電器應該使用高速和高精度的電子元件。給出數字過流保護繼電器的解決方案能夠滿足高速和高精度這兩個要求。

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