變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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摘要：為了解決目前煤礦對(duì)數(shù)字化變電站繼電保護(hù)缺乏有效措施的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種基于DSP處理器的繼電保護(hù)系統(tǒng)。結(jié)合煤礦數(shù)字化變電站的實(shí)際情況與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)電氣件的保護(hù)方式進(jìn)行了選擇與分析，在對(duì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用電氣元件工作機(jī)理與電路知識(shí)對(duì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中包括DSP的外圍電路、數(shù)據(jù)信號(hào)采集電路及主程序流程圖的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，繼電保護(hù)系統(tǒng)具有工作可靠，功耗低，實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，可有效地對(duì)煤礦數(shù)字化變電站進(jìn)行保護(hù)。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)；數(shù)字化；保護(hù)方式；DSP

隨著近幾年科學(xué)技術(shù)水平的整體提高，我國(guó)煤礦的變電站系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，變電站系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)數(shù)字化時(shí)代[1-2]。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變電站主要由一次設(shè)備和二次設(shè)備組成，一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的信息傳輸是靠大量的電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)妨礙了一次設(shè)備間的功能拓展，增大了制造建設(shè)成本。數(shù)字化變電站由電子式或光電式互感器和智能斷路器提供數(shù)字化接口，為設(shè)備之間的信息傳遞提供服務(wù)[3-4]。變電站作為煤礦生產(chǎn)中不可缺少的一部分，其正常的工作對(duì)井下生產(chǎn)安全有著至關(guān)重要的作用，本文主要對(duì)數(shù)字化變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

在變電站正常工作的情況下，電流和電壓等工作參數(shù)會(huì)在一定范圍上下浮動(dòng)，但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電流、電壓會(huì)發(fā)生突變，容易對(duì)電氣設(shè)備和電路等造成損壞。所以根據(jù)這個(gè)原理，可以計(jì)算出各電氣組件發(fā)生故障時(shí)電流、電壓的界限值來(lái)以此判斷發(fā)生故障的位置。根據(jù)煤礦變電站的工作情況與各電氣元件的布置情況，分析全站易出現(xiàn)的故障類型與故障位置。繼電保護(hù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)全站線路和各電氣元件的保護(hù)功能，當(dāng)產(chǎn)生故障時(shí)，能夠快速、準(zhǔn)確識(shí)別故障的產(chǎn)生位置。繼電保護(hù)系統(tǒng)要滿足變電站對(duì)可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性的要求，保證裝置的可行性和實(shí)用性。結(jié)合煤礦變電站的實(shí)際要求，對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的方式進(jìn)行選擇，具體如表1所示。

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

繼電保護(hù)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(chǔ)器模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊及人機(jī)對(duì)話模塊等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中箭頭的方向代表模塊之間信息的流動(dòng)。處理器模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)保護(hù)主程序的存放，為了保證變電站的正常工作，處理器會(huì)一直執(zhí)行循環(huán)自檢程序，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷脈沖，處理器進(jìn)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(hù)元件的模擬信號(hào)、電流和電壓等，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換提供給系統(tǒng)的處理器使用。開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊是保護(hù)系統(tǒng)接收外界遠(yuǎn)程控制信號(hào)等信息和輸出遠(yuǎn)程信號(hào)和界面信息的模塊。人機(jī)對(duì)話模塊完成人機(jī)交換功能，滿足保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)定、調(diào)整和檢查需求。存儲(chǔ)器模塊負(fù)責(zé)記錄系統(tǒng)運(yùn)行日志，供巡檢人員查看。電源模塊是保護(hù)系統(tǒng)的重要設(shè)施，保護(hù)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。2.1CPU選型。本系統(tǒng)在選用處理器時(shí)，考慮到系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的要求，選擇DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器。DSP微處理器特別適合于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，其主要特點(diǎn)是：（1）計(jì)算處理能力強(qiáng)，在一個(gè)指令周期內(nèi)可同時(shí)完成乘法和加法的運(yùn)算；（2）空間獨(dú)立，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間獨(dú)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(gè)指令；（6）流水線操作，系統(tǒng)讀取，執(zhí)行操作可重疊進(jìn)行[5-6]。在對(duì)DSP芯片對(duì)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(yùn)算能力和改進(jìn)的哈弗結(jié)構(gòu)；可執(zhí)行4級(jí)流水線操作，每秒可以獲得百萬(wàn)的指令，大大縮短了執(zhí)行命令的時(shí)間；具有5個(gè)外部中斷，2個(gè)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(jì)算能力[7-8]。2.2DSP的外圍電路設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)選用TI公司的TPS7333Q芯片作為DSP的供電電源芯片。TMS320LF2407的工作電壓為3.3V，TPS7333Q芯片通過(guò)將輸入的5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V的需求電壓，同時(shí)該芯片還可以滿足DSP芯片的一切電氣需求。如圖2所示為DSP電源電路。TMS320LF2407芯片內(nèi)的時(shí)鐘可以通過(guò)一個(gè)低頻率的外部時(shí)鐘來(lái)合成。本系統(tǒng)DSP芯片采用有源晶振，晶振頻率為5MHz，通過(guò)合成最高可以得到20MHz的片內(nèi)時(shí)鐘。與無(wú)源晶振相比，有源晶振具有更強(qiáng)的抗干擾性。如圖3所示為晶振電路。如圖4所示為DSP芯片的復(fù)位電路。為了實(shí)現(xiàn)芯片的手動(dòng)復(fù)位和在發(fā)生故障時(shí)的自動(dòng)復(fù)位，綜合對(duì)比分析后，選用MAX811S芯片作為本系統(tǒng)的復(fù)位芯片。當(dāng)電源電壓降至最低電壓以下時(shí)，MAX811S芯片會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，送至DSP的復(fù)位引腳。當(dāng)按下按鈕S1時(shí)，系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。2.3數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的電壓采集電路如圖5所示，電容C8為高頻電容，其作用是濾除電壓信號(hào)中的雜波，降低信號(hào)偏移，提高電路工作的精確性。電阻R5為測(cè)量電阻、電阻R6為分壓電阻，處理器根據(jù)測(cè)量電阻兩端的電壓及各電阻的阻值計(jì)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(yùn)算放大器的輸入，保護(hù)電路安全工作。如圖6所示為系統(tǒng)電流信號(hào)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(lái)降低環(huán)境對(duì)所測(cè)電流信號(hào)的干擾，提高采集的精確度。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)圖中所示電路濾波后，傳輸?shù)教幚砥鳌?/p>

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)相比于之前的系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)變電站的工作狀態(tài)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保護(hù)功能，保護(hù)模塊包含主程序和中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)的主程序主要承擔(dān)對(duì)變電站運(yùn)行的監(jiān)視功能。這些監(jiān)視功能系統(tǒng)的主程序中表現(xiàn)為不斷循環(huán)自檢的形式，以此來(lái)監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的工作情況，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障產(chǎn)生時(shí)，主程序跳轉(zhuǎn)到中斷程序，進(jìn)行故障處理。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖7所示。首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中包括主程序和各個(gè)子程序的初始化，初始化結(jié)束時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)初始化失敗后重新對(duì)系統(tǒng)初始化，直到檢測(cè)到初始化成功后，開(kāi)始繼續(xù)往下運(yùn)行。初始化后，系統(tǒng)開(kāi)始依次運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序、人機(jī)對(duì)話程序、串口通信程序和中斷檢測(cè)程序。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到變電站產(chǎn)生故障時(shí)，首先根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果與設(shè)定值對(duì)比，判斷故障部位，再對(duì)故障進(jìn)行處理，決定保護(hù)的方式，當(dāng)處理失敗后，系統(tǒng)報(bào)警裝置啟動(dòng)，需人工對(duì)其復(fù)位，當(dāng)故障處理完成時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)自檢。由圖7可以看出，主程序內(nèi)有兩部分檢驗(yàn)，一個(gè)是在系統(tǒng)初始化時(shí)，另一個(gè)是在進(jìn)入循環(huán)自檢前，由于檢驗(yàn)間隔時(shí)間長(zhǎng)，所以可在此期間對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備進(jìn)行全面檢查，以此可以大大降低保護(hù)系統(tǒng)的故障率。

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP處理器的煤礦數(shù)字化變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)變電站的總體保護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，配置了被保護(hù)元件的保護(hù)方式，對(duì)系統(tǒng)的處理器模塊和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了選型與設(shè)計(jì)，對(duì)軟件的主程序流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)系統(tǒng)有效地保護(hù)了變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為井下工人的生命安全提供了保障，同時(shí)保障了煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)所需的穩(wěn)定電源。

作者:曹雪 單位:西山煤電集團(tuán)發(fā)電分公司