煤礦智能變電站線路差動保護軟件設計

趙林霖

（冀中能源邯鄲礦業集團陶二煤礦，河北 邯鄲 056105）

0 引言

隨著IEC61850標準的推廣，我國智能電網和智能變電站技術進一步成熟，煤炭作為我國能源供應的基礎，煤礦工業自動化系統也在向網絡化、智能化方向改造。作為一級負荷，煤礦生產的電力供應必須保證安全可靠性。變電站作為煤礦供電的重要節點，動作的快速準確是煤礦供電系統安全穩定運行的保障。差動保護在煤礦由地面到井下采區多層次的防越級跳閘系統中起著至關重要的作用。本文在IEC61850標準體系下，設計了采樣值線路差動保護系統方案，并給出了軟件整體結構圖及主程序流程圖。

1 差動保護原理

采樣值差動保護直接采用采樣值構成差動保護判據，一般保護判據為：

其中k為保護制動系數，一般設定為0.2～0.3。

對于采樣值差動保護來說，采樣值隨時間周期變化，不同時刻采樣點的制動值不一樣［1］。不同采樣點構成的制動值有所差別，某些采樣點的制動較差，采樣時應避開這些采樣點，同時不影響判據的正確判斷，一般采用R次中S次滿足判據時才判定為故障的方法。其中，R為判斷數據框，S為重復判斷次數，R、S的選取直接關系到保護的靈敏性和可靠性。假設采樣值差動保護每周期采樣N個點，則S的選取必須滿足：

當采樣點滿足上式時，可以達到很好的制動效果。考慮到極端的情況，當過零點位于2個相鄰采樣點的中點時，有可能使2個采樣點都不能滿足判據，因此一般R比S大2，但R值不能取過大，不能大于N／2，取值過大會影響保護的動作速度。當每周期采樣12點時，一般S≥4，考慮到保護動作的快速性，在實際應用中，R－S一般取2，此時可靠性和靈敏性較好。每周期采樣24點時，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］。采樣值差動保護判別迅速，幾乎沒有復雜的計算，而且保護計算數據窗低于一個周期，保護判斷出口時間縮短；如果有“壞數據”出現，“壞數據”的采樣點數要比S小，不會誤動，可靠性高，可作為煤礦變電站線路保護的主保護。

2 煤礦智能變電站體系結構

煤礦智能變電站以IEC61850為標準，分為“三層兩網”結構。三層分別為過程層、間隔層、站控層，兩網是指站控層網絡和過程層網絡［3］。

煤礦智能變電站體系結構如圖1所示。

圖1 煤礦智能變電站體系結構示意圖

煤礦智能變電站最大的特點之一就是網絡化的數據傳輸與共享。如圖1所示，站控層網絡采用MMS網和GOOSE網兩網合一，過程層網絡采用SV網和GOOSE網兩網合一。為了實現故障時的快速動作，本文設計的線路差動保護采用直采直跳的方式。電壓／電流互感器采集的數據經合并單元匯總發送SV報文至間隔層，用于故障的邏輯判斷。如果判定發生故障，此時直接經GOOSE網向合并單元發送跳閘命令，同時向站控層發送告警信號。

3 基于IEC61850的線路差動保護IED功能建模

利用IEC61850標準體系對實際的保護設備抽象建模，對傳統的保護過程中所實現的功能進行理解和分析，抽象出設備所含的邏輯節點，以及每個邏輯節點所含的數據及其屬性，找出邏輯節點之間數據流向，得到保護IED的數據信息模型［4］。線路差動保護IED可分解為以下幾個功能：電壓／電流量的采集、開關量的輸入／輸出、分相電流差動、斷路器、人機接口等。線路差動保護IED邏輯節點分層建模圖如圖2所示，其中PDIF為差動保護邏輯節點。

圖2 差動保護IED邏輯節點分層建模圖

4 軟件設計

線路差動保護軟件的設計要求實時性強，工作對象明確，邏輯結構簡單，功能的正確性容易判別［5］。本文選用可靠性高、實時性強的Vx Works操作系統作為軟件開發平臺，并設計煤礦智能變電站線路差動保護軟件方案。軟件組成模塊化，基本結構如圖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，具體功能的實現可通過構建一系列子程序完成。

圖3 保護程序整體結構示意圖

主程序主要執行初始化和各種自檢項目，程序設計流程圖如圖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，上電后先對硬件系統進行初始化，讀取開關等設備的狀態或根據液晶菜單確定工作方式。如果系統為調試方式，則跳轉到監控子程序；如果為運行方式，則進行自檢。

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。

當有事件發生時，將會申請中斷。中斷服務程序是嵌入式應用系統獲取各種事件的基本手段，而“事件”是實時性問題的討論基礎和時間計算的起點。采樣中斷處理是對采樣數據進行邏輯判斷，如果滿足判據，則判定為發生故障，轉入故障處理程序，并發送報文，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 結語

本文結合煤礦差動保護現狀，以智能變電站為基礎，提出基于電流采樣值的線路差動保護系統方案，對線路差動保護系統進行建模，對IED功能進行劃分，提出了差動保護軟件設計思路，并給出了軟件設計結構圖和主程序流程圖。

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