变电站继电保护系统设计研究

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；保护方式；DSP

随着近几年科学技术水平的整体提高，我国煤矿的变电站系统进入了一个新的阶段，变电站系统已经进入了一个数字化时代[1-2]。传统结构的变电站主要由一次设备和二次设备组成，一次设备与二次设备之间的信息传输是靠大量的电缆来实现的，这种传统结构妨碍了一次设备间的功能拓展，增大了制造建设成本。数字化变电站由电子式或光电式互感器和智能断路器提供数字化接口，为设备之间的信息传递提供服务[3-4]。变电站作为煤矿生产中不可缺少的一部分，其正常的工作对井下生产安全有着至关重要的作用，本文主要对数字化变电站的继电保护系统进行设计。

1系统的整体方案设计

在变电站正常工作的情况下，电流和电压等工作参数会在一定范围上下浮动，但当系统发生故障时，电流、电压会发生突变，容易对电气设备和电路等造成损坏。所以根据这个原理，可以计算出各电气组件发生故障时电流、电压的界限值来以此判断发生故障的位置。根据煤矿变电站的工作情况与各电气元件的布置情况，分析全站易出现的故障类型与故障位置。继电保护系统要实现全站线路和各电气元件的保护功能，当产生故障时，能够快速、准确识别故障的产生位置。继电保护系统要满足变电站对可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求，保证装置的可行性和实用性。结合煤矿变电站的实际要求，对继电保护系统的方式进行选择，具体如表1所示。

2系统的硬件设计

继电保护系统的硬件主要由处理器模块、电源模块、数据采集模块、串口通信模块、存储器模块、开关量输入输出模块及人机对话模块等组成。系统硬件结构如图1所示，其中箭头的方向代表模块之间信息的流动。处理器模块负责系统保护主程序的存放，为了保证变电站的正常工作，处理器会一直执行循环自检程序，当系统发生故障时会产生中断脉冲，处理器进入中断服务程序中。数据采集模块可以获得系统被保护元件的模拟信号、电流和电压等，经过数模转换提供给系统的处理器使用。开关量输入输出模块是保护系统接收外界远程控制信号等信息和输出远程信号和界面信息的模块。人机对话模块完成人机交换功能，满足保护系统的设定、调整和检查需求。存储器模块负责记录系统运行日志，供巡检人员查看。电源模块是保护系统的重要设施，保护系统的装置是精密的电子仪器，供电系统必须稳定可靠。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[7-8]。2.2DSP的电路设计。本系统选用TI公司的TPS7333Q芯片作为DSP的供电电源芯片。TMS320LF2407的工作电压为3.3V，TPS7333Q芯片通过将输入的5V电压转换成3.3V的需求电压，同时该芯片还可以满足DSP芯片的一切电气需求。如图2所示为DSP电源电路。TMS320LF2407芯片内的时钟可以通过一个低频率的外部时钟来合成。本系统DSP芯片采用有源晶振，晶振频率为5MHz，通过合成最高可以得到20MHz的片内时钟。与无源晶振相比，有源晶振具有更强的抗干扰性。如图3所示为晶振电路。如图4所示为DSP芯片的复位电路。为了实现芯片的手动复位和在发生故障时的自动复位，综合对比分析后，选用MAX811S芯片作为本系统的复位芯片。当电源电压降至最低电压以下时，MAX811S芯片会自动产生复位信号，送至DSP的复位引脚。当按下按钮S1时，系统也可以实现手动复位。2.3数据采集电路设计。系统的电压采集电路如图5所示，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6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。

3系统的软件设计

本文设计的保护系统相比于之前的系统，该系统对变电站的工作状态提供实时监测保护功能，保护模块包含主程序和中断服务程序。系统的主程序主要承担对变电站运行的监视功能。这些监视功能系统的主程序中表现为不断循环自检的形式，以此来监视整个系统的工作情况，当系统检测到故障产生时，主程序跳转到中断程序，进行故障处理。系统的主程序流程图如图7所示。首先要对系统进行初始化，其中包括主程序和各个子程序的初始化，初始化结束时对其进行检测，当初始化失败后重新对系统初始化，直到检测到初始化成功后，开始继续往下运行。初始化后，系统开始依次运行数据采集程序、人机对话程序、串口通信程序和中断检测程序。当系统检测到变电站产生故障时，首先根据数据采集结果与设定值对比，判断故障部位，再对故障进行处理，决定保护的方式，当处理失败后，系统报警装置启动，需人工对其复位，当故障处理完成时，系统进入循环自检。由图7可以看出，主程序内有两部分检验，一个是在系统初始化时，另一个是在进入循环自检前，由于检验间隔时间长，所以可在此期间对系统硬件设备进行全面检查，以此可以大大降低保护系统的故障率。

4结束语

本文设计了一种基于DSP处理器的煤矿数字化变电站的继电保护系统，对变电站的总体保护方案进行了设计，配置了被保护元件的保护方式，对系统的处理器模块和数据采集模块进行了选型与设计，对软件的主程序流程进行了设计。本文所设计的继电保护系统有效地保护了变电站的安全稳定运行，为井下工人的生命安全提供了保障，同时保障了煤矿自动化生产所需的稳定电源。

作者:曹雪 单位:西山煤电集团发电分公司