基于DSP的煤礦變電站新型繼電保護系統的研究

張穎輝

(中陽縣煤炭工業局，山西 呂梁 033400)

0 引言

煤礦變電站是煤礦生產中必不可少的重要組成部分，變電站能否良好地運行是煤礦保質保量生產的前提。煤礦供電系統中的繼電保護系統以及控制裝置是評價一個煤礦變電站綜合自動化保護系統的重要標準，傳統的煤礦變電站綜合自動化保護系統中由于受傳統單片機的性能限制，變電站無法進行統一的測控和保護，大大限制了煤礦對變電站安全性和可靠性的要求。DSP(Digital Signal Processor)是20世紀90年代最先應用于軍事和航天的一種低功耗、高性能的處理器，采用哈佛結構，具有高速的處理能力，廣泛應用于通信和工控領域，其運算速度與可用資源都遠遠大于傳統單片機，滿足了現代化煤礦變電站的要求。本文提出了一種基于DSP的煤礦變電站新型繼電保護系統。

1 煤礦變電站的繼電保護系統

1.1 繼電保護系統設計

在電力系統運行中，正常情況下，電流和電壓在一定范圍內波動，發生故障時，電流、電壓的變化很大，會損壞電氣設備和線路等。我們可以計算出各位置發生故障時電流、電壓的臨界值，并以此來判斷發生故障的位置。煤礦變電站的繼電保護系統如圖1所示，在相應的位置放置傳感器進行電流檢測與電壓檢測，并將電流與電壓信號通過CAN總線傳輸給DSP；DSP根據接收到的信號判斷是否故障，若有故障，則進行保護動作。在切斷故障的過程中，切斷速度與DSP的處理速度正相關，但是如果系統過于靈敏，則會產生誤操作，這會對整個供電系統產生無法估量的損失。

基于DSP的新型繼電保護系統主要包括5個部分：①存儲單元，存儲運行數據；②WATCHDOG監控電路；③數據濾波通道；④通信電路模塊；⑤CPLD大規模邏輯器件。基于DSP的繼電保護系統結構框圖如圖2所示。繼電保護的本質是要求本系統能夠迅速、準確地對監測到的數據進行分析和處理，通過電壓互感器和電流互感器采集電壓和電流數據，經過A/D轉換后由DSP處理并進行FFT頻譜分析。

圖1 煤礦變電站的繼電保護系統

1.2 繼電保護系統原理及優化設計

因為井下的特殊情況，在煤礦的供電系統中一般采用中性點不接地的供電方式。在該接電方式下，當單相發生接地時，能夠有效保護礦工的安全，各種電力設備也能在短時間內繼續安全運行。針對煤礦變電站的供電方式，本系統采用以下幾種特殊的保護方式：

(1) 無選擇的對地絕緣監視：實時無選擇地監測單相接地故障，當單相電路對地絕緣減小時，電力系統中會產生零序電流與零序電壓。對地監測裝置原理如圖3所示。

(2) 零序電流的保護：如圖4所示，A、B、C分別是供電線路的第一、二、三相線，1、2、3是分別從A、B、C引出的三相線路，在正常狀態下，1、2相線上的零序電流都在各自的第三相上回流(如圖4(a)所示)；當發生故障時，原本各自回流的零序電流都集中在了發生短路的第三相線上回流(如圖4(b)所示)，當DSP根據電流互感器的數據檢測到零序電流超過設定值時，即可判斷發生接地。

(3) 備用電源自動投入保護：煤礦變電站的特殊環境要求在任何情況下都必須保證井下的通風系統、排水系統等正常工作，因此變電站最少會有兩路上游發電廠進行供電，在一路電源突然斷電的情況下，備用電源自動投入保護迅速動作，切換電源，保證井下的必要設施正常工作。

(4) 單相接地自動選線裝置：該裝置是基于DSP技術來實現的，是一種正在發展的先進技術，其中硬件組成包括零序電流和零序電壓互感器、濾波抗干擾、A/D轉換等，其硬件組成框圖如圖5所示。

圖2 基于DSP的繼電保護系統結構框圖

圖3 對地監測裝置原理

圖4 零序電流保護原理圖

圖5 單相接地自動選線裝置硬件組成框圖

2 DSP選型與算法選擇

2.1 DSP選型

DSP由于擁有與傳統處理器馮諾曼架構不同的哈佛結構，使得DSP擁有了同等處理器兩倍的數據運算能力以及極高的運行速度。TMS320F2812PGFA芯片為32位DSP芯片，150 MHz時鐘，處理性能為150 MIPS，指令周期為6.67 ns，12位A/D轉換，128 k×16位FLASH，18 k×16位SRAM。

2.2 基于DSP的算法選擇

在煤礦變電站的供電系統中，由于最為關注的是采集信號的頻譜和相位這些數據，在選擇算法時主要研究頻譜分析方面的處理算法。最常見最基本的算法是傅里葉算法，包括半波、全波和快速傅里葉變換算法(Fast Fourier Transform，FFT)。其中，FFT算法主要分為兩種算法：DIT(按時間)和DIF(按頻率)。本文選擇DIF算法，減少了硬件系統的成本，在軟件計算上也能提高速度，增加準確性，這在變電站繼電保護系統中是非常必要的。

3 CAN總線技術通信與軟件設計

CAN總線技術因其具有技術成熟、性能高且價格低廉以及較高的通信質量等特點，現已廣泛應用到各種控制現場。為了保證及時與無差別的監測，本煤礦變電站綜合自動化保護系統的各個保護分布在需要監測的被測對象處，將檢測到的電流和電壓等信息反饋到位于總調度室的總控制系統，每個保護和總控制系統之間采用CAN總線，各保護之間也由CAN總線網絡進行數據的傳輸。

本系統軟件設計主要是為了適應新型繼電保護對四遙(遙測、遙控、遙信、遙調)的要求，系統的主程序流程如圖6所示。

圖6 系統主程序流程

4 抗干擾設計

在電力系統中，因電線而產生的電磁波是無處不在的，若對此不加以控制，則會對監控監測系統產生巨大的干擾，從而導致數據測量誤差過大，產生嚴重的后果。

對于不同的干擾采取不同的辦法，但總的辦法分為3種：減少干擾源的干擾；切斷電磁波的傳播途徑；保護易被干擾的電子設備。實現這些方法一般從軟件和硬件上同時入手，采用時序交叉的程序，如對于干擾源極強且無法隔離的A設備和極易被干擾的B設備，在硬件上，讓它們產生一定的距離，或者使用交叉程序，在開啟A設備的時候避免B設備啟用，開啟B設備的時候避免A設備的使用。變電站中，因為電氣設備的切換、雷擊等會產生巨大的干擾，也是瞬時干擾，這些由外部或者內部產生的干擾會對所有的繼電保護裝置產生影響，通過WATCHDOG復位電路、CAN與RS485雙通道等硬件設計在硬件上減少電磁干擾的影響，另外在設計保護機箱時，盡量減少環路，走直線，對于極易受干擾和不易受干擾的電路加以區分隔離，避免二次干擾。

5 結語

本文研究了一款新型的基于高性能DSP的煤礦變電站綜合自動化系統的自動保護系統，有針對性地解決了目前煤礦急需解決的繼電保護系統的自動化問題。與傳統的繼電保護系統相比，新型系統使用了DSP芯片，能夠快速準確地處理大量數據，基于CAN總線的通訊技術，能夠和目前大多數煤礦的綜合自動化系統進行無縫連接，具有完善的人機交互界面，并能將實時反饋的數據快速計算后實時顯示在屏幕上。