数字化变电站继电保护系统设计

数字化变电站继电保护系统设计

吴润、孙小东

国网朔州供电公司 ,山西省朔州市 036002

摘要：为了解决目前煤矿对数字化变电站继电保护缺乏有效措施的现象，设计了一种基于DSP处理器的继电保护系统。结合煤矿数字化变电站的实际情况与国家标准对各个电气件的保护方式进行了选择与分析，在对系统总体方案设计的基础上，利用电气元件工作机理与电路知识对系统的硬件结构及软件进行了设计，其中包括DSP的外围电路、数据信号采集电路及主程序流程图的设计。结果表明，继电保护系统具有工作可靠，功耗低，实时性好的优点，可有效地对煤矿数字化变电站进行保护。

关键词：继电保护；数字化；保护系统

引言

随着我国我国电力行业不断发展，当今智能变电站已经成为了电网建设的重要趋势，继电保护技术在此背景下也实现了自动化模式。由于数字化变电站融入了信息技术，这对继电保护技术提出了更高的要求。从宏观层面上分析，当今我国智能化技术还不够成熟，应用范围不够广泛、存在局限性，数字化变电站并没有全面普及和落实，是传统变电站和智能变电站混合体系，但是二者继电保护方式却存在着很大的差别，所以加强对数字化变电站继电保护技术的研究有着重要意义。

1数字化变电站继电保护系统架构

数字化变电站继电保护系统主要由一体化监控系统以及层次化保护系统组合而成。一体化监控系统能够更好的实现对管理机的有效运用以及为其提供更好的数据保护，促使MMS监控与保护的独立，保证其界面的管理更加清晰，如图1所示。层次化保护系统主要有站域级控制与保护，地级广域级保护控制与地级继电保护装置。其中，低级继电保护主要由就地化线路、智能终端以及集成性智能终端等组成，就地化保护能够与电气实现直接有效的连接，其本身有着非常高的可靠性；地域级主要由站域保护和站域级保护管控共同组合而成，站域级管控的内部主要有保信子站、智能诊断、可视化分析以及二次状态监测等相关操作。保护管控并非是一个子系统，其内部还包含了非常多的物理设备，通过合理调节这些物理设备，可促使其可靠性得到更加显著的提升。

2系统的硬件设计

2.1CPU选型

本系统在选用处理器时，考虑到系统对数字信号处理的要求，选择DSP芯片，也称数字信号处理器。DSP微处理器特别适合于数字信号处理运算，其主要特点是：（1）计算处理能力强，在一个指令周期内可同时完成乘法和加法的运算；（2）空间独立，程序和数据存储空间独立，读取指令和数据的效率高；（3）具有片内RAM，速率快；（4）硬件I/O接口支持快速的中断处理；（5）可以并行处理多个指令；（6）流水线操作，系统读取，执行操作可重叠进行[5-6]。在对DSP芯片对比分析后，确定TI公司的TMS320LF2407芯片为本系统的微处理器。TMS320LF2407芯片具有丰富的指令集、高速的运算能力和改进的哈弗结构；可执行4级流水线操作，每秒可以获得百万的指令，大大缩短了执行命令的时间；具有5个外部中断，2个事件管理器模块；有3种低功耗模式，功耗降低；具有高性能的CMOS技术，提高了芯片的计算能力。

2.2数据采集电路设计

系统的电压采集电路，电容C8为高频电容，其作用是滤除电压信号中的杂波，降低信号偏移，提高电路工作的精确性。电阻R5为测量电阻、电阻R6为分压电阻，处理器根据测量电阻两端的电压及各电阻的阻值计算得到电压值。二极管D1在电路中起到稳压的作用，限制运算放大器的输入，保护电路安全工作。如图2所示为系统电流信号采集电路。电路的左侧连接带有反馈式的霍尔电流传感器，以此来降低环境对所测电流信号的干扰，提高采集的精确度。传感器的输出信号经过图中所示电路滤波后，传输到处理器。

图2电流信号采集电路

3继电保护系统性能优化

3.1变压器保护

对于变压器继电保护来说，其工作重点就是避免短路短路造成的不平衡问题，以及故障电流和励磁涌流。在励磁涌流方面上，由于非周期分量比重相对较大，并且电磁式电流互感器对非周期分量转换不够明确，从而出现误判等问题，结合这一差异性可以重新判断、区分励磁电流和故障电流，这样就不会影响变压器差动保护。同时，电子继电保护可以保证四周暂态电流保持一致，从而提高匝间的敏捷度，提高了变压器差动保护工作效率。

3.2输电线路保护

由于互感器饱和问题会导致纵差保护判定失误。在数字化变电站当中，所使用的电子互感器不会产生饱和问题，这样可以增强元器件、阻抗元件、起动元件的保护性能，可以保护变电站正常运行。在过流保护层面上，传统继电保护中的互感器会由于二次电流产生变化，所以容易造成判定误差等问题，再加上传统继电器内部结构较为简单，受到饱和度的影响，从而产生保护失误等问题。但是在数字化继电保护系统中，电子互感器具有无饱和度的优势，所以在根源上就排除了误判可能性，在很大程度上可以提高继电保护性能。

3.3增加系统冗余性

为了能更好的实现对数字化变电站继电保护可靠性的提升，对系统的冗余性进行提升非常重要。在进行实际操作时，应通过下列措施来实现：第一，以太网中的数据链路层技术能够实现对变电站自动化的有效支持，并通过多种模式来更好的实现其目标；第二，结合网络架构的具体需求来实施分析，网络架构通常是由三个不同的网络组合而成，其最主要的目的是为了能更好的实现对数字化继电保护系统可靠性的有效提升。（1）环形结构。与总线结构相比，环形结构与之有着诸多相似的情况，环路上任何一个部位均能够实现不同冗余，其能够与以太网进行相互联合，从而更好的实现对交换机的管理，并能够形成树协议。这种操作还能够为机电系统在运时提供更多的物理中断的冗余，从而保证网络重构始终控制在要求的范围中，并且能够保障其收敛的时间更长，通常无法达到具体的操作任务，系统重构因此受到影响。（2）总线结构。总线结构可对交换机的相关数据进行传送，进而实现对接线的有效控制，但因冗余度本身就相对较差，在实际使用期间必须经过长时间的操作才能得到有效实现。

结语

综上所述，在电力行业不断发展背景下，网络化、数字化电力系统建设已经成为了必然趋势，在未来十年内，我国会进一步加强智能电网的建设工作。这就需要关注数字化变电站继电保护技术的研究工作，针对继电保护技术层面，需要不断加强该项技术的研究工作，针对现有问题提出解决策略，融入先进的辅助技术，从而提高继电器的保护性能。

参考文献

[1]宫立咏,徐普,杨园秀.数字化变电站继电保护技术[J].环球市场,2017(23):125-126.

[2]任绍俊.220kV智能变电站继电保护及自动化系统设计［D］.北京：华北电力大学，2014.