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

李帅飞,李燕华,赵一帆,李伟

平高集团有限公司 河南省平顶山市 467000

摘要：近些年来科技高速发展，我国煤矿变电站系统逐渐发展到新的阶段，呈现数字化时代特征。数字化变电站的应用是在信息化时代背景下，变电站的变革与优化，能够在煤矿供电中发挥重要作用。此次研究首先分析数字化变电站继电保护系统的特征，随后提出数字化变电站继电保护系统设计工作要点及要求等。旨在通过此次研究为数字化变电站继电保护系统设计提供一定参考和依据，促进设计优化与系统有效应用。

关键词：数字化；变电站；继电保护系统；系统设计

前言：煤矿变电站属于中低配电网重要部分，变电站继电保护系统对于变电站设备电力监测以及控制和管理具有关键性作用，继电保护系统能够在设备发生故障或出现异常状态时实现自动切除，确保电力供电可靠性。继电保护系统具有反应迅速以及选择性和依靠性特征，进而迅速实现故障切除。在微机技术和电子技术高速发展的背景下，通过微机保护技术不断完善和优化继电保护技术，提升电网安全性和稳定性，对于煤矿供电及安全生产具有重要影响。

1.数字化变电站继电保护系统特征

第一，元件众多。传统变电站当中并没有合并单元以及交换机和智能终端等元件，数字化变电站继电保护系统则包含以上元件，这能够促使系统保护作用更好地发挥，但也在一定程度上对保护系统可靠性产生一定影响[1]。举例来说，电子式互感器运行原理和结构均与常规互感器存在显著差异，且此种互感器具有较多种类，工作原理也不尽相同，加之涉及到相关电子器件以及光学部件，通常情况下不能够对其运营情况进行有效控制，这种状况使得可靠性研究的难度明显增加。

第二，结构更加复杂。近些年来科学技术高速发展，以太网传输方式逐渐取代传统点对点传输方式，与此同时，单一拓扑结构也逐渐被交换机组成的网络所替代，这使得变电站继电保护系统愈加复杂[2]。基于此，交换机接线方式会对整体变电站继电保护系统信息通路可靠性产生决定性影响，需要在设计和应用中予以关注和重视。

第三，信息网络化传输。通常状况下，报文式网络通信形式可靠性相对较低，甚至会出现可靠性为零的相关因素，导致网络风暴或丢包等不良情况出现[3]。这些状况能够促使新型技术有效应用到数字化变电站运行当中，比如优先级队列技术等，能够促使变电站网络传输更加可靠和安全。

2.数字化变电站继电保护系统设计

2.1 整体方案

变电站正常工作状态下，电流与电压等工作参数会在一定范围内浮动，若系统发生故障电流与电压突变，会导致电气设备及电路损坏[4]。基于此，计算电气组件故障发生时的电流及电压界限值，能够判断故障位置。从煤矿变电站实际工作情况和电气元件布置情况出发，分析容易出现的故障类型和位置。继电保护系统要具备全站线路及电气元件保护功能，故障发生后迅速准确识别故障位置。同时继电保护系统还要具备可靠性、选择性和灵敏性特点，确保装置实用性与可行性，并按照煤矿变电站实际需求，选择继电保护系统方式。

2.2 硬件设计

继电保护系统硬件包括存储器模块、电源模块、数据采集模块、存储器模块、串口通信模块以及开关量输入输出模块和人机对话模块。其中处理器模块主要是存放系统保护主程序，确保变电站正常运行，处理器始终执行循环自检程序，在系统出现故障后形成中断脉冲，使处理器进入中断程序状态。数据采集模块能够获取系统被保护元件模拟信号以及电压和电流，在数模转换后提供给系统处理器应用。开关量输入输出模块可以接收外界远程控制信号等信息，或输出远程信号及界面信息。人机对话模块能够实现人机交换，确保系统规定以及调整和检查需求得以满足。存储器模块记录系统运行日志，为巡检工作提供依据和参考。电源模块可以确保保护系统精密电子仪器供电，稳定可靠运行。

第一，中央处理器选型。为确保适应煤矿供电的复杂环境，实现保护系统实时监测及保护功能，选取DSP定点处理器进行模拟信号采集与处理、保护识别与预判、开关动作量的输入和输出等。此处理器具备高精度处理单元，数字计算性较强，比较适合井下等工况复杂环境应用。同时多个触发信号源，实现数模转换，可以使中断控制，允许每个时间间隔内产生中断请求，对于多种数据采集和处理具有较大便捷性。

第二，外围电路。选用TI公司TPS7333Q芯片作为供电电源芯片。TMS320LF2407工作电压是3.3V，TPS7333Q芯片能够将输入的5V电压转换为3.3V需求电压，另外，芯片能够确保DSP芯片电气需求全部得到满足。TMS320LF2407芯片内时钟能够由低频率外部时钟合成。系统DSP芯片使用的是有源晶振，晶振频率5MHz，合成之后能够得到的最高值为20MHz的片内时钟。相较于无源晶振，有源晶振抗干扰性能更加突出。为确保芯片手动复位以及故障出现后的自动复位，综合比较分析，选定系统复位芯片为MAX811S芯片。在电源电压下降到最低电压值之下时，MAX811S芯片能够形成复位信号，并传送到DSP复位引脚。按下S1按钮之后，系统也能够手动复位。

第三，数据采集电路。系统电压采集电路电容C8是高频电容，能够滤除电压信号杂波，有效控制信号偏移发生风险，进而提升电路工作精准性。电阻R5属于测量电阻、电阻R6是分压电阻，处理器按照测量电阻两端电压和各电阻值计算获得电压值。二极管D1能够发挥稳定电路电压作用，对运算放大器输入具有限制作用，可以确保电路工作安全性。系统电流信号采集电路中，左侧连接反馈式霍尔电流传感器，这样能够很大程度上摒除环境干扰，确保电流信号检测的准确性，提升采集精确度。传感器输出信号经电路滤波，传输到处理器。

2.3 软件设计

良好软件系统能够确保继电保护系统设备更加稳定运行，与此同时，设计确保硬件电力性能得到有效改进的前提下，整个微机保护系统功能也能够更加稳定和优化。在软件系统设计工作中，为保证后续使用的继承性和扩展性，软件系统采取高级语言与模块化方式编程，以此确保不同部分功能实现互相独立，同时还有助于提升软件系统功能调试与维护的便捷性。

对软件系统主程序流程进行细化说明：保护装置通电之后，系统会进行初始化设置，完成开关输入输出量接口定义、寄存器以及定时器初始化，同时对各种标志向量表进行自定义设置。在初始化完成之后，系统进入自检程序，确保设备和系统能够正常运行。如自检过程中发现问题会在存储设备当中记录并储存问题时间及故障点，为后续维修保养奠定基础。完成自检之后，系统进入到数据采集和处理阶段，分析识别相关数据，确定继电保护装置运行状态，若存在故障则运行故障处理子程序，并进行报警。

结论：综上，研究设计基于DSP处理器的煤矿数字化变电站继电保护系统，优化设计变电站总体保护方案，更好地配置被保护元件保护方式，实现对系统处理模块及数据采集模块的选型与优化设计，并完善软件主流程序设计。此继电保护系统能够有效保护变电站稳定安全运行，同时井下工人工作中的生命安全也得到有效保障，且能够确保煤矿自动化生产中的稳定电源。

参考文献：

[1]苏雄.数字化变电站继电保护适应性探讨[J].现代工业经济和信息化，2023，13(3):313-314.

[2]赫嘉楠，栗磊，牛健，等.数字化变电站继电保护系统运行状态实时跟踪研究[J].微型电脑应用，2022，38(9):184-186，190.

[3]谢健，陈昕.基于证据理论的数字化变电站继电保护容错方法[J].光源与照明，2022(5):140-142.

[4]申丽圆.数字化变电站继电保护及自动化系统设计[J].科海故事博览，2021(9).