信息化技術(shù)在電力工業(yè)配電線路微機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用

谷廣超， 李金方

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 漯河 462000）

0 引言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷壯大，各行各業(yè)用電需求越來(lái)越高，進(jìn)一步加快了我國(guó)電網(wǎng)的建設(shè)，同時(shí)，也給供電的可靠性提出了更高的要求。尤其是配電線路，作為電力系統(tǒng)的最后環(huán)節(jié)，與用戶關(guān)系更緊，因此，保證配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性意義重大。

現(xiàn)階段，供電部門采取了多種方法對(duì)配電線路系統(tǒng)進(jìn)行了保護(hù)，顯著降低了用電安全事故的發(fā)生，但大多數(shù)是從自動(dòng)化調(diào)度方面來(lái)實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)該看到，這僅僅是不夠的，還應(yīng)該從配電線路與自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用角度來(lái)考慮。提高配電線路供電可靠性通常的做法是在線路上增加保護(hù)裝置，隨著信息化的進(jìn)展，DSP 的出現(xiàn)，為微機(jī)繼電保護(hù)提供了新的思路[1-3]。

本文順應(yīng)微機(jī)保護(hù)發(fā)展的方向，采用TI 公司的TMS320LF2407DSP 芯片為控制核心，充分利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的外設(shè)和速度，針對(duì)10kV配電線路微機(jī)保護(hù)的原理、算法、以及軟件平臺(tái)進(jìn)行研究。旨在從整體上提高微機(jī)保護(hù)的精度和可靠性。

1 配電線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件架構(gòu)整體框圖如圖1 所示，基于TMS320LF2407 型號(hào)的DSP 為核心控制單元，硬件系統(tǒng)從電網(wǎng)采集到模擬信號(hào)，然后將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC 可以處理的微弱輸入信號(hào)，之后進(jìn)入DSP 進(jìn)行一系列操作。所涉及到的模塊有主控模塊、數(shù)采模塊、通信模塊、開(kāi)關(guān)模塊、電源模塊、顯示模塊等。

圖1 裝置原理

1.1 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

在模擬量輸入環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)中，該環(huán)節(jié)為信號(hào)的檢測(cè)與調(diào)理，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離功能、信號(hào)電平轉(zhuǎn)換功能、信號(hào)放大功能、信號(hào)濾波等功能，目的是為了滿足DSP對(duì)輸入信號(hào)的要求。

對(duì)于電壓的調(diào)理（見(jiàn)圖2），首先通過(guò)互感器調(diào)理變化，變化比

圖2 電壓調(diào)理電路

在第二級(jí)放大電路中引入了1.5 V 電壓，目的是為了將電壓信號(hào)雙極轉(zhuǎn)單極。

對(duì)于電流的調(diào)理（見(jiàn)圖3）與電壓類似，暫不分析。

圖3 電流調(diào)理電路

本設(shè)計(jì)選取的AD 芯片為AD7865，該AD 與DSP 通過(guò)總線連接，包含數(shù)據(jù)線、地址線、片選線，連接圖如圖4 所示。

圖4 DSP 與一片AD7865 的連接

1.2 通信單元設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)通信方式比較簡(jiǎn)單，且不存在長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，因此綜合考慮，在本系統(tǒng)中，DSP 與上位機(jī)之間采用RS-232 通信方式，僅采用三根信號(hào)線就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP 的控制。

由于DSP 具有異步串行通信功能，所以通信單元只需要增加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路即可，將3.3 V 電壓轉(zhuǎn)換成為異步串口電壓，具體電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 電平轉(zhuǎn)換電路

1.3 開(kāi)關(guān)單元設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)單元設(shè)計(jì)包含開(kāi)關(guān)輸入量和開(kāi)關(guān)輸出量?jī)蓚€(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于開(kāi)關(guān)輸入量，在配電系統(tǒng)中，對(duì)于采集斷路器狀態(tài)、合閘狀態(tài)等信息，一般都是通過(guò)光電隔離的形式輸入的，本系統(tǒng)需要采集的開(kāi)關(guān)輸入量有10路，選取H11AA4 型號(hào)的光電隔離器件，如圖6 所示，光隔離輸入至74LS14，然后DSP 完成之后的信息處理。

圖6 開(kāi)關(guān)量經(jīng)光隔輸入原理

對(duì)于開(kāi)關(guān)輸出量，由于DSP 輸出的是CMOS 電平，需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換之后才能控制外部設(shè)備的開(kāi)啟與關(guān)閉，如圖7 所示，本系統(tǒng)選取小型繼電器來(lái)控制合閘線圈與跳閘線圈的通斷，DSP 輸出首先經(jīng)過(guò)光電隔離，然后驅(qū)動(dòng)繼電器。

圖7 開(kāi)關(guān)量經(jīng)光隔輸出原理

1.4 硬件抗干擾設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，為了保證微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全，要重點(diǎn)考慮電磁兼容問(wèn)題，其中，硬件抗干擾技術(shù)能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題。經(jīng)分析，本文采取多種硬件抗干擾方法，第一種為PCB 的合理設(shè)計(jì)，要合理布局、安全走線，不同信號(hào)線走不同的PCB 層，數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)要分層布局，走線寬度、角度、長(zhǎng)度要合理分配；第二種為隔離技術(shù)，本設(shè)計(jì)采用了模數(shù)隔離芯片及電源隔離技術(shù)，能夠很好抑制外界尖峰脈沖干擾；第三種為接地技術(shù)，數(shù)字地與模擬地要嚴(yán)格分開(kāi)，當(dāng)不同接地點(diǎn)需要連接時(shí)，可以串入電感抑制電流突變；第四種為屏蔽技術(shù)，屏蔽技術(shù)主要用于不同空間的金屬隔離，本設(shè)計(jì)采樣了插針式設(shè)計(jì)，降低了不同板卡電氣連接導(dǎo)體面積，屏蔽板子可以與機(jī)殼大地連接。

2 配電線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在配電線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，主程序是軟件系統(tǒng)的主框架，對(duì)其他各個(gè)功能子模塊進(jìn)行管理滿足子模塊按正常流程執(zhí)行工作，主程序工作流程如圖8 所示。首先，在系統(tǒng)加載電壓或復(fù)位之后，DSP 對(duì)系統(tǒng)工作環(huán)境進(jìn)行初始化及設(shè)置，包含DSP 片內(nèi)所有用到的外設(shè)進(jìn)行設(shè)置，如A/D 模塊、CAN 控制器等。接著，DSP 從FLASH 中讀出設(shè)定好的系統(tǒng)配置參數(shù)及故障信息等數(shù)據(jù)，之后對(duì)液晶顯控設(shè)備進(jìn)行初始化，在顯控設(shè)備初始化結(jié)束之后，主程序開(kāi)始循環(huán)處理各個(gè)子模塊，如測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算、通信指令的處理、配置參數(shù)的存儲(chǔ)等。特別強(qiáng)調(diào)的是，在主程序循環(huán)工作時(shí)，只有子模塊的條件滿足才執(zhí)行相應(yīng)的子模塊功能，條件不滿足則執(zhí)行下一個(gè)子模塊。另外，數(shù)據(jù)采集與通信都有相應(yīng)的終端程序。

圖8 主程序流程

3 結(jié)語(yǔ)

信息化與工業(yè)化相輔相成，信息化更是促進(jìn)工業(yè)企業(yè)或行業(yè)發(fā)展的有力力量，本文以DSP 為核心控制單元，分別從配電線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與配電線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對(duì)配電保護(hù)進(jìn)行了研究，滿足了配電系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)需求，通過(guò)本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，在電力行業(yè)配電保護(hù)環(huán)節(jié)引入信息化技術(shù)能夠使電力運(yùn)行更加安全，從而降低了電力事故的發(fā)生，為電力行業(yè)減少了經(jīng)濟(jì)損失，電力行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益得到明顯提升。本文的研究對(duì)變電站配電系統(tǒng)保護(hù)具有一定的參考意義。