變電站繼電保護系統設計研究

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摘要：為了解決目前煤礦對數字化變電站繼電保護缺乏有效措施的現象，設計了一種基于DSP處理器的繼電保護系統。結合煤礦數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，在對系統總體方案設計的基礎上，利用電氣元件工作機理與電路知識對系統的硬件結構及軟件進行了設計，其中包括DSP的外圍電路、數據信號采集電路及主程序流程圖的設計。結果表明，繼電保護系統具有工作可靠，功耗低，實時性好的優點，可有效地對煤礦數字化變電站進行保護。

關鍵詞：繼電保護；數字化；保護方式；DSP

隨著近幾年科學技術水平的整體提高，我國煤礦的變電站系統進入了一個新的階段，變電站系統已經進入了一個數字化時代[1-2]。傳統結構的變電站主要由一次設備和二次設備組成，一次設備與二次設備之間的信息傳輸是靠大量的電纜來實現的，這種傳統結構妨礙了一次設備間的功能拓展，增大了制造建設成本。數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字化接口，為設備之間的信息傳遞提供服務[3-4]。變電站作為煤礦生產中不可缺少的一部分，其正常的工作對井下生產安全有著至關重要的作用，本文主要對數字化變電站的繼電保護系統進行設計。

1系統的整體方案設計

在變電站正常工作的情況下，電流和電壓等工作參數會在一定范圍上下浮動，但當系統發生故障時，電流、電壓會發生突變，容易對電氣設備和電路等造成損壞。所以根據這個原理，可以計算出各電氣組件發生故障時電流、電壓的界限值來以此判斷發生故障的位置。根據煤礦變電站的工作情況與各電氣元件的布置情況，分析全站易出現的故障類型與故障位置。繼電保護系統要實現全站線路和各電氣元件的保護功能，當產生故障時，能夠快速、準確識別故障的產生位置。繼電保護系統要滿足變電站對可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求，保證裝置的可行性和實用性。結合煤礦變電站的實際要求，對繼電保護系統的方式進行選擇，具體如表1所示。

2系統的硬件設計

繼電保護系統的硬件主要由處理器模塊、電源模塊、數據采集模塊、串口通信模塊、存儲器模塊、開關量輸入輸出模塊及人機對話模塊等組成。系統硬件結構如圖1所示，其中箭頭的方向代表模塊之間信息的流動。處理器模塊負責系統保護主程序的存放，為了保證變電站的正常工作，處理器會一直執行循環自檢程序，當系統發生故障時會產生中斷脈沖，處理器進入中斷服務程序中。數據采集模塊可以獲得系統被保護元件的模擬信號、電流和電壓等，經過數模轉換提供給系統的處理器使用。開關量輸入輸出模塊是保護系統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，滿足保護系統的設定、調整和檢查需求。存儲器模塊負責記錄系統運行日志，供巡檢人員查看。電源模塊是保護系統的重要設施，保護系統的裝置是精密的電子儀器，供電系統必須穩定可靠。2.1CPU選型。本系統在選用處理器時，考慮到系統對數字信號處理的要求，選擇DSP芯片，也稱數字信號處理器。DSP微處理器特別適合于數字信號處理運算，其主要特點是：（1）計算處理能力強，在一個指令周期內可同時完成乘法和加法的運算；（2）空間獨立，程序和數據存儲空間獨立，讀取指令和數據的效率高；（3）具有片內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，系統讀取，執行操作可重疊進行[5-6]。在對DSP芯片對比分析后，確定TI公司的TMS320LF2407芯片為本系統的微處理器。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構；可執行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，提高了芯片的計算能力[7-8]。2.2DSP的外圍電路設計。本系統選用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芯片通過將輸入的5V電壓轉換成3.3V的需求電壓，同時該芯片還可以滿足DSP芯片的一切電氣需求。如圖2所示為DSP電源電路。TMS320LF2407芯片內的時鐘可以通過一個低頻率的外部時鐘來合成。本系統DSP芯片采用有源晶振，晶振頻率為5MHz，通過合成最高可以得到20MHz的片內時鐘。與無源晶振相比，有源晶振具有更強的抗干擾性。如圖3所示為晶振電路。如圖4所示為DSP芯片的復位電路。為了實現芯片的手動復位和在發生故障時的自動復位，綜合對比分析后，選用MAX811S芯片作為本系統的復位芯片。當電源電壓降至最低電壓以下時，MAX811S芯片會自動產生復位信號，送至DSP的復位引腳。當按下按鈕S1時，系統也可以實現手動復位。2.3數據采集電路設計。系統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在電路中起到穩壓的作用，限制運算放大器的輸入，保護電路安全工作。如圖6所示為系統電流信號采集電路。電路的左側連接帶有反饋式的霍爾電流傳感器，以此來降低環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過圖中所示電路濾波后，傳輸到處理器。

3系統的軟件設計

本文設計的保護系統相比于之前的系統，該系統對變電站的工作狀態提供實時監測保護功能，保護模塊包含主程序和中斷服務程序。系統的主程序主要承擔對變電站運行的監視功能。這些監視功能系統的主程序中表現為不斷循環自檢的形式，以此來監視整個系統的工作情況，當系統檢測到故障產生時，主程序跳轉到中斷程序，進行故障處理。系統的主程序流程圖如圖7所示。首先要對系統進行初始化，其中包括主程序和各個子程序的初始化，初始化結束時對其進行檢測，當初始化失敗后重新對系統初始化，直到檢測到初始化成功后，開始繼續往下運行。初始化后，系統開始依次運行數據采集程序、人機對話程序、串口通信程序和中斷檢測程序。當系統檢測到變電站產生故障時，首先根據數據采集結果與設定值對比，判斷故障部位，再對故障進行處理，決定保護的方式，當處理失敗后，系統報警裝置啟動，需人工對其復位，當故障處理完成時，系統進入循環自檢。由圖7可以看出，主程序內有兩部分檢驗，一個是在系統初始化時，另一個是在進入循環自檢前，由于檢驗間隔時間長，所以可在此期間對系統硬件設備進行全面檢查，以此可以大大降低保護系統的故障率。

4結束語

本文設計了一種基于DSP處理器的煤礦數字化變電站的繼電保護系統，對變電站的總體保護方案進行了設計，配置了被保護元件的保護方式，對系統的處理器模塊和數據采集模塊進行了選型與設計，對軟件的主程序流程進行了設計。本文所設計的繼電保護系統有效地保護了變電站的安全穩定運行，為井下工人的生命安全提供了保障，同時保障了煤礦自動化生產所需的穩定電源。

作者:曹雪 單位:西山煤電集團發電分公司