數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)設(shè)計

李建釗 黃亮亮

摘要：為了解決目前煤礦對數(shù)字化變電站繼電保護缺乏有效措施的現(xiàn)象，設(shè)計了一種基于DSP處理器的繼電保護系統(tǒng)。結(jié)合煤礦數(shù)字化變電站的實際情況與國家標準對各個電氣件的保護方式進行了選擇與分析，在對系統(tǒng)總體方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用電氣元件工作機理與電路知識對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件進行了設(shè)計，其中包括DSP的外圍電路、數(shù)據(jù)信號采集電路及主程序流程圖的設(shè)計。結(jié)果表明，繼電保護系統(tǒng)具有工作可靠，功耗低，實時性好的優(yōu)點，可有效地對煤礦數(shù)字化變電站進行保護。

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

引 言

電力發(fā)展與人民生活息息相關(guān)，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，人們的生活水平逐漸提高，對電網(wǎng)質(zhì)量也有了更高的要求。電力行業(yè)正進行著數(shù)字化改革，使變電站的繼電保護更加數(shù)字化，使數(shù)字化變電站的運行過程和運行環(huán)境更加有保障。提高數(shù)字化變電站繼電保護能力的水平和進行繼電保護適應(yīng)性的改革已經(jīng)成為了電力部門的重中之重，如果完成此目標，我國的電力行業(yè)又將向前邁進一大步。

一、數(shù)字化變電站繼電保護中存在的問題

數(shù)字化變電站是將變電站的模擬信息數(shù)據(jù)通過解碼轉(zhuǎn)換，翻譯為數(shù)字信息以進行處理。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存，尤其是歷史年代比較久遠的信息，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行共享，并及時整理更新，實現(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化的特點，接線比較便捷。查找信息不再費時費力，只需通過數(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間與精力。如果數(shù)字化變電站改革能夠成功，能夠達到的電磁兼容性會更高，變電站會具有更高、更準確的計算測量功能，更安全、更可靠的網(wǎng)絡(luò)平臺，妥善利用可以為變電站帶來巨大的經(jīng)濟利益。

對繼電保護先一步研究，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)點有很多，使用過程中通過改善傳統(tǒng)的繼電保護裝置，使部分顯著弊端得到改善。但傳統(tǒng)的繼電保護裝置在實際檢測過程中，其動態(tài)范圍比較狹小，其問題的范圍也比較小，對于數(shù)據(jù)故障的檢測精度不夠準確，對于數(shù)字測量的頻率映射度比較小，這些問題使得數(shù)字化變電站在運行過程中的穩(wěn)定性和安全性得不到有效保證。這使得電力系統(tǒng)在正常工作的過程中存在一些弊端，需要不斷加強對數(shù)字變電站適應(yīng)性的繼電保護工作。

二、數(shù)字化繼電保護與傳統(tǒng)繼電保護間的區(qū)別

想配合繼電保護的更新對測試技術(shù)進行對應(yīng)調(diào)整，就需要對數(shù)字化繼電保護與傳統(tǒng)繼電保護間的區(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。

（1）設(shè)施硬件的差別

傳統(tǒng)微機保護主要由開關(guān)量輸入輸出接口、模擬量輸入接口單元、人機接口、通信接口及數(shù)據(jù)處理單元等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。但數(shù)字化保護其數(shù)據(jù)來源為ECT/EVT傳輸?shù)臄?shù)字信號，較傳統(tǒng)保護方式而言，兩者間對數(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)字化保護主要構(gòu)成為光接口單元、中央處理單元、開關(guān)單元、人機接口及通信接口等結(jié)構(gòu)組成，較傳統(tǒng)保護更為精密。

（2）信號的傳輸方式

傳統(tǒng)變電站是依靠電纜傳輸，將模擬信息傳遞到保護裝置，在保護裝置處，會將模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后對其進行處理，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。在這種運作模式中，監(jiān)控系統(tǒng)與測控保護對于單次設(shè)備的控制也是通過模擬信號來實現(xiàn)的。在IEC-61850的規(guī)定中，過程層的互感器應(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)字化保護系統(tǒng)對于跳閘信號的傳遞，也由原來的電纜接線傳輸改為光纖以太網(wǎng)傳輸。

通過IEC-61850的規(guī)定，數(shù)字化變電站的保護系統(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)的對于保護系統(tǒng)的測試方式也不再適用，所以對于新測試系統(tǒng)的開發(fā)是現(xiàn)階段完善數(shù)字化變電站運行的一大要務(wù)。對于測試系統(tǒng)的革新可以保證對繼電保護裝置的閉環(huán)測試的實施，同時還可以以測試為方法對電力系統(tǒng)的實際運作情況進行了解，對網(wǎng)絡(luò)裝置的接口運作及網(wǎng)絡(luò)負荷狀態(tài)進行深入分析。

三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計

繼電保護系統(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、存儲器模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊及人機對話模塊等組成。

處理器模塊負責系統(tǒng)保護主程序的存放，為了保證變電站的正常工作，處理器會一直執(zhí)行循環(huán)自檢序，當系統(tǒng)發(fā)生故障時會產(chǎn)生中斷脈沖，處理器進入中斷服務(wù)程序中。數(shù)據(jù)采集模塊可以獲得系統(tǒng)被保護元件的模擬信號、電流和電壓等，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換提供給系統(tǒng)的處理器使用。開關(guān)量輸入輸出模塊是保護系統(tǒng)接收外界遠程控制信號等信息和輸出遠程信號和界面信息的模塊。人機對話模塊完成人機交換功能，滿足保護系統(tǒng)的設(shè)定、調(diào)整和檢查需求。存儲器模塊負責記錄系統(tǒng)運行日志，供巡檢人員查看。電源模塊是保護系統(tǒng)的重要設(shè)施，保護系統(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，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。

2.數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

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。

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

結(jié)束語：繼電保護裝置和數(shù)字化變電站的有機統(tǒng)一是尤為重要的，要保證繼電保護裝置的科學性，從而促進我國電力行業(yè)的高速發(fā)展。要提高繼電保護的水準，為我國數(shù)字化變電站保駕護航。

參考文獻：

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