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摘要：煤礦變電站作為中低配電網(wǎng)的重要組成部分，利用微機保護系統(tǒng)對變電站繼電保護系統(tǒng)進行數(shù)字化、智能化建設(shè)對于提高煤礦供電安全十分重要。在分析數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與保護要求的基礎(chǔ)上，利用DSP數(shù)字處理器，對保護系統(tǒng)的硬件軟件進行設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)了對變電站繼電保護系統(tǒng)實時監(jiān)測與保護功能。該系統(tǒng)在實際使用過程中運行穩(wěn)定，極大提高了煤礦供電的安全性。

關(guān)鍵詞：煤礦；變電站；繼電保護系統(tǒng)

引言

煤礦變電站是中低配電網(wǎng)的重要組成部分，變電站繼電保護系統(tǒng)部分對變電站設(shè)備的電力監(jiān)測、控制、管理有著不可替代的作用[1-2]。繼電保護系統(tǒng)可以對故障設(shè)備和異常狀態(tài)進行自動切除，從而保障電力供電的可靠性[3-4]。繼電保護系統(tǒng)正是依靠自身的反應(yīng)動作快、選擇性、可靠性進行切除故障，而隨著微機技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展，利用微機保護技術(shù)對進一步完善改進繼電保護技術(shù)，加強電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，是提高煤礦供電與安全生產(chǎn)的重要工作[5-6]。

1數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)分析

1.1變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文對煤礦上變電站進行數(shù)字化建設(shè)，整個數(shù)字化變電站采用分層式結(jié)構(gòu)，即分為站控層、間隔層、過程層以及相關(guān)通信協(xié)議。站控層作為整個系統(tǒng)的總控中心，安裝有主機服務(wù)器、通信設(shè)備、工作站、微機閉鎖系統(tǒng)等部分組成，從而可以完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、邏輯運算、監(jiān)測等功能，方便工作人員進行實時監(jiān)控與操作。間隔層安裝有測控裝置和微機保護系統(tǒng)、變壓器保護屏等裝置，即使是在高要求的電磁環(huán)境下各設(shè)備仍可以長期穩(wěn)定工作。過程層主要是通過安裝的通信設(shè)備完成各個間隔層之間的數(shù)據(jù)交換與調(diào)度功能，從而控制傳感器和執(zhí)行操作機構(gòu)，完成最終保護過程。

1.2變電站繼電保護設(shè)計

變電站繼電保護系統(tǒng)主要通過監(jiān)測裝置實時監(jiān)測變電站電力系統(tǒng)的正常、不正常、故障3種運行狀態(tài)的電氣量，并通過它們之間的差別將故障進行識別分類，對故障元器件進行判別警示[7]。而要實現(xiàn)繼電保護系統(tǒng)實時監(jiān)測與可靠性的保護功能，則需要進行微機系統(tǒng)設(shè)計投入運行，并且保護系統(tǒng)朝著智能化與網(wǎng)絡(luò)共享化發(fā)展。微機繼電保護系統(tǒng)通過高速通信網(wǎng)路采集系統(tǒng)的各器件裝置的電壓、電流以及一次設(shè)備運行的二次電壓、電流等模擬量信息，采集的模擬信息通過中央CPU處理，完成保護功能的邏輯判別運算，并將處理指令下傳至繼電保護裝置從而可以在故障時迅速完成故障保護。在所設(shè)計的保護系統(tǒng)中，繼電保護裝置根據(jù)需要根據(jù)不同故障的原理采取不同的保護形式。例如：電流速斷保護、差動保護、過電壓（電流）保護、瓦斯保護、后備保護等[8]。（1）差動保護差動保護作為變電站主保護方式之一，是根據(jù)基爾霍夫電流定理設(shè)計，通過將各要保護的設(shè)備裝置作為一個個節(jié)點，當(dāng)在正常運行狀態(tài)下電流流過設(shè)備裝置的前后是沒有電流差的，而當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障后，該設(shè)備的流過的電流值前后便出現(xiàn)電流差值，所以此時便需要設(shè)定當(dāng)電流差達到臨界整定值便需要觸發(fā)保護裝置。差動保護裝置的主要用于保護雙繞組或三繞組的變壓器等設(shè)備。（2）電流速斷保護當(dāng)線路及設(shè)備接線因短路故障產(chǎn)生較大短路電流時，其電壓也會隨之降低。故根據(jù)以上的電信號特點設(shè)計電流保護裝置，電流互感器將短路電流轉(zhuǎn)換為小電流從而通過電流繼電器中，繼電器根據(jù)流過電流的大小進行觸發(fā)斷路器，斷路器根據(jù)信號便可以將根據(jù)設(shè)定的電流閾值使得保護裝置能在很短的時間切斷故障電流。

2微機系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微機保護硬件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括模擬量采集模塊、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、RS485及CAN總線通信模塊、開關(guān)輸出模塊、繼電器輸出模塊、存儲單元等組成。

2.2中央處理器選型

該系統(tǒng)為適用煤礦供電復(fù)雜環(huán)境，完成保護系統(tǒng)的實時監(jiān)測與保護功能，以TMS320F28335為核心的嵌入式控制芯片進行模擬信號的采集與處理、保護識別與預(yù)判、開關(guān)動作量的輸入和輸出等功能的實現(xiàn)，其性能相比于DSP定點處理器，該處理器具有浮點運算能力內(nèi)核更為強大，數(shù)字邏輯處理速度更快。（1）該處理器增加了浮點運算單元以及高精度的PWM處理單元，比之前定點DSP處理器相比數(shù)字計算性能明顯增強，很適合井下等工礦的復(fù)雜環(huán)境使用。（2）同時可以使用S/W、EVA、EVB等多個觸發(fā)信號源啟動進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，使得中斷控制可以允許每個時間間隔內(nèi)產(chǎn)生中斷請求，從而極大方便對多種數(shù)據(jù)的采集與處理。

2.3測頻電路

為了減小中央處理器運算負擔(dān)，所以專門設(shè)計測頻電路進行頻率測量。該設(shè)計利用CPLD進行邏輯測控，通過在CPLD設(shè)置計數(shù)器，將輸入的模擬量進行轉(zhuǎn)換后送入CPLD進行計數(shù)并得出帶測量的頻率，所設(shè)計的測頻電路如圖2所示。根據(jù)電路圖，當(dāng)正弦交流輸入信號先經(jīng)過LM393比較器后便會成為具有高低電平的方波，在經(jīng)過TLP181隔離電路變換器后電信號轉(zhuǎn)換為5V的邏輯電平，但此時電平并不規(guī)則，所以再通過74HC14型的施密特反向觸發(fā)器進行整型便可以得出規(guī)則的5V邏輯電平，從而有利于計數(shù)器進行計數(shù)測頻。同時為了保證測頻的精確性，通過引入DSP的I/O口進行讀取DSP內(nèi)部定時器的定時時間進行校準(zhǔn)，從而得出一個更加準(zhǔn)確的頻率。

2.4顯示電路

為實時顯示開關(guān)保護系統(tǒng)供電參數(shù)、故障參數(shù)、系統(tǒng)菜單設(shè)置等，根據(jù)井下實際情況該系統(tǒng)在設(shè)計時便通過液晶顯示模塊顯示保護系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障參數(shù)，這樣使得工作人員很容易根據(jù)顯示狀態(tài)判別故障類型。該系統(tǒng)設(shè)計的顯示電路如圖3所示，該模塊通過3.3V電壓使用ST7920進行驅(qū)動，因該顯示模塊自帶字庫，可以通過簡單的指令完成字符調(diào)整、字間距、位置等設(shè)置。通過DSP的三個I/O端口與顯示模塊相連

3保護系統(tǒng)軟件設(shè)計

良好的軟件系統(tǒng)可以使繼電保護系統(tǒng)的設(shè)備更加穩(wěn)定，同時在所設(shè)計的硬件店里的性能改進提升基礎(chǔ)上，整個微機保護系統(tǒng)功能也更加完善與穩(wěn)定。在設(shè)計軟件系統(tǒng)時為了方便以后使用的繼承性與擴展性，該系統(tǒng)采用高級語言與模塊化方式進行編程，從而使得各部分功能之間相互獨立，也便于對軟件系統(tǒng)的功能分別進行調(diào)試和維護。其中對軟件系統(tǒng)的主程序流程圖進行詳細說明。如圖4所示，在保護裝置通電后系統(tǒng)首先進行初始化設(shè)置，主要完成開關(guān)輸入輸出量接口的定義、寄存器、定時器的初始化、以及各種標(biāo)志向量表的自定義設(shè)置。然后完成初始化后系統(tǒng)進入自檢程序，保證各設(shè)備與系統(tǒng)之間可以正常運行。當(dāng)自檢有問題時便會將時間與故障點記錄在存儲設(shè)備中保存以便以后工作人員進行維修。通過自檢后系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)采集與處理階段，通過數(shù)據(jù)的分析識別可以斷定繼電保護裝置之間的運行狀態(tài)，如有故障則進入故障處理子程序部分并進行報警。

4結(jié)論

本文通過對數(shù)字化變電站整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計研究，構(gòu)建了3層結(jié)構(gòu)，并對繼電保護系統(tǒng)的需求進行分析，同時重點分析了差動保護、電流速斷保護的原因與應(yīng)對措施。針對以上保護的要求，設(shè)計了基于DSP微機系統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)，并詳細介紹微機保護系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與軟件主程序設(shè)計，詳細說明測頻電路與顯示電路的電路設(shè)計。該系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，能在煤礦中很好完成數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)的各項要求。

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作者：許帥 單位：西山煤電集團官地礦