煤礦變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究范文

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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(jī)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化、智能化建設(shè)對(duì)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(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與保護(hù)要求的基礎(chǔ)上，利用DSP數(shù)字處理器，對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的硬件軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與保護(hù)功能。該系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中運(yùn)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(hù)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(hù)系統(tǒng)部分對(duì)變電站設(shè)備的電力監(jiān)測(cè)、控制、管理有著不可替代的作用[1-2]。繼電保護(hù)系統(tǒng)可以對(duì)故障設(shè)備和異常狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)切除，從而保障電力供電的可靠性[3-4]。繼電保護(hù)系統(tǒng)正是依靠自身的反應(yīng)動(dòng)作快、選擇性、可靠性進(jìn)行切除故障，而隨著微機(jī)技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展，利用微機(jī)保護(hù)技術(shù)對(duì)進(jìn)一步完善改進(jìn)繼電保護(hù)技術(shù)，加強(qiáng)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(hù)系統(tǒng)分析

1.1變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文對(duì)煤礦上變電站進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)，整個(gè)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(guò)程層以及相關(guān)通信協(xié)議。站控層作為整個(gè)系統(tǒng)的總控中心，安裝有主機(jī)服務(wù)器、通信設(shè)備、工作站、微機(jī)閉鎖系統(tǒng)等部分組成，從而可以完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、邏輯運(yùn)算、監(jiān)測(cè)等功能，方便工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與操作。間隔層安裝有測(cè)控裝置和微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、變壓器保護(hù)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(zhǎng)期穩(wěn)定工作。過(guò)程層主要是通過(guò)安裝的通信設(shè)備完成各個(gè)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(jī)構(gòu)，完成最終保護(hù)過(guò)程。

1.2變電站繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)主要通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電站電力系統(tǒng)的正常、不正常、故障3種運(yùn)行狀態(tài)的電氣量，并通過(guò)它們之間的差別將故障進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)，對(duì)故障元器件進(jìn)行判別警示[7]。而要實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與可靠性的保護(hù)功能，則需要進(jìn)行微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)投入運(yùn)行，并且保護(hù)系統(tǒng)朝著智能化與網(wǎng)絡(luò)共享化發(fā)展。微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)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(yùn)行的二次電壓、電流等模擬量信息，采集的模擬信息通過(guò)中央CPU處理，完成保護(hù)功能的邏輯判別運(yùn)算，并將處理指令下傳至繼電保護(hù)裝置從而可以在故障時(shí)迅速完成故障保護(hù)。在所設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)中，繼電保護(hù)裝置根據(jù)需要根據(jù)不同故障的原理采取不同的保護(hù)形式。例如：電流速斷保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、過(guò)電壓（電流）保護(hù)、瓦斯保護(hù)、后備保護(hù)等[8]。（1）差動(dòng)保護(hù)差動(dòng)保護(hù)作為變電站主保護(hù)方式之一，是根據(jù)基爾霍夫電流定理設(shè)計(jì)，通過(guò)將各要保護(hù)的設(shè)備裝置作為一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下電流流過(guò)設(shè)備裝置的前后是沒(méi)有電流差的，而當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障后，該設(shè)備的流過(guò)的電流值前后便出現(xiàn)電流差值，所以此時(shí)便需要設(shè)定當(dāng)電流差達(dá)到臨界整定值便需要觸發(fā)保護(hù)裝置。差動(dòng)保護(hù)裝置的主要用于保護(hù)雙繞組或三繞組的變壓器等設(shè)備。（2）電流速斷保護(hù)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(shí)，其電壓也會(huì)隨之降低。故根據(jù)以上的電信號(hào)特點(diǎn)設(shè)計(jì)電流保護(hù)裝置，電流互感器將短路電流轉(zhuǎn)換為小電流從而通過(guò)電流繼電器中，繼電器根據(jù)流過(guò)電流的大小進(jìn)行觸發(fā)斷路器，斷路器根據(jù)信號(hào)便可以將根據(jù)設(shè)定的電流閾值使得保護(hù)裝置能在很短的時(shí)間切斷故障電流。

2微機(jī)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微機(jī)保護(hù)硬件設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)輸出模塊、繼電器輸出模塊、存儲(chǔ)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(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與保護(hù)功能，以TMS320F28335為核心的嵌入式控制芯片進(jìn)行模擬信號(hào)的采集與處理、保護(hù)識(shí)別與預(yù)判、開(kāi)關(guān)動(dòng)作量的輸入和輸出等功能的實(shí)現(xiàn)，其性能相比于DSP定點(diǎn)處理器，該處理器具有浮點(diǎn)運(yùn)算能力內(nèi)核更為強(qiáng)大，數(shù)字邏輯處理速度更快。（1）該處理器增加了浮點(diǎn)運(yùn)算單元以及高精度的PWM處理單元，比之前定點(diǎn)DSP處理器相比數(shù)字計(jì)算性能明顯增強(qiáng)，很適合井下等工礦的復(fù)雜環(huán)境使用。（2）同時(shí)可以使用S/W、EVA、EVB等多個(gè)觸發(fā)信號(hào)源啟動(dòng)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，使得中斷控制可以允許每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，從而極大方便對(duì)多種數(shù)據(jù)的采集與處理。

2.3測(cè)頻電路

為了減小中央處理器運(yùn)算負(fù)擔(dān)，所以專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)測(cè)頻電路進(jìn)行頻率測(cè)量。該設(shè)計(jì)利用CPLD進(jìn)行邏輯測(cè)控，通過(guò)在CPLD設(shè)置計(jì)數(shù)器，將輸入的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換后送入CPLD進(jìn)行計(jì)數(shù)并得出帶測(cè)量的頻率，所設(shè)計(jì)的測(cè)頻電路如圖2所示。根據(jù)電路圖，當(dāng)正弦交流輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)LM393比較器后便會(huì)成為具有高低電平的方波，在經(jīng)過(guò)TLP181隔離電路變換器后電信號(hào)轉(zhuǎn)換為5V的邏輯電平，但此時(shí)電平并不規(guī)則，所以再通過(guò)74HC14型的施密特反向觸發(fā)器進(jìn)行整型便可以得出規(guī)則的5V邏輯電平，從而有利于計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)頻。同時(shí)為了保證測(cè)頻的精確性，通過(guò)引入DSP的I/O口進(jìn)行讀取DSP內(nèi)部定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)，從而得出一個(gè)更加準(zhǔn)確的頻率。

2.4顯示電路

為實(shí)時(shí)顯示開(kāi)關(guān)保護(hù)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(shí)際情況該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)便通過(guò)液晶顯示模塊顯示保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)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(lèi)型。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯示電路如圖3所示，該模塊通過(guò)3.3V電壓使用ST7920進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因該顯示模塊自帶字庫(kù)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的指令完成字符調(diào)整、字間距、位置等設(shè)置。通過(guò)DSP的三個(gè)I/O端口與顯示模塊相連

3保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

良好的軟件系統(tǒng)可以使繼電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備更加穩(wěn)定，同時(shí)在所設(shè)計(jì)的硬件店里的性能改進(jìn)提升基礎(chǔ)上，整個(gè)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)功能也更加完善與穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)時(shí)為了方便以后使用的繼承性與擴(kuò)展性，該系統(tǒng)采用高級(jí)語(yǔ)言與模塊化方式進(jìn)行編程，從而使得各部分功能之間相互獨(dú)立，也便于對(duì)軟件系統(tǒng)的功能分別進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。其中對(duì)軟件系統(tǒng)的主程序流程圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖4所示，在保護(hù)裝置通電后系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化設(shè)置，主要完成開(kāi)關(guān)輸入輸出量接口的定義、寄存器、定時(shí)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(jìn)入自檢程序，保證各設(shè)備與系統(tǒng)之間可以正常運(yùn)行。當(dāng)自檢有問(wèn)題時(shí)便會(huì)將時(shí)間與故障點(diǎn)記錄在存儲(chǔ)設(shè)備中保存以便以后工作人員進(jìn)行維修。通過(guò)自檢后系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理階段，通過(guò)數(shù)據(jù)的分析識(shí)別可以斷定繼電保護(hù)裝置之間的運(yùn)行狀態(tài)，如有故障則進(jìn)入故障處理子程序部分并進(jìn)行報(bào)警。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)數(shù)字化變電站整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，構(gòu)建了3層結(jié)構(gòu)，并對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，同時(shí)重點(diǎn)分析了差動(dòng)保護(hù)、電流速斷保護(hù)的原因與應(yīng)對(duì)措施。針對(duì)以上保護(hù)的要求，設(shè)計(jì)了基于DSP微機(jī)系統(tǒng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與軟件主程序設(shè)計(jì)，詳細(xì)說(shuō)明測(cè)頻電路與顯示電路的電路設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，能在煤礦中很好完成數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。

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作者：許帥 單位：西山煤電集團(tuán)官地礦