摘要：随着科学技术的发展，我国的数字化技术有了很大进展，并在继电保护系统中得到了广泛的应用。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；保护方式；DSP
引言
随着社会和经济的发展，新型电网技术逐渐被应用于全世界的电力设施中，智能化或数字化电网也成为各国电网建设和发展的必然趋势。数字化变电站是数字化电网最核心的设备和节点，具有无可替代的地位。与传统变电站的三层结构相比，数字化变电站具有更加简洁的层次结构。其中，合并单元是负责变电站网络通信的重要部件，其主要工作包括电网实时状态信息的采集、分析、处理和判断。所以，合并单元承担了大量的通信任务，对于数字化变电站的日常运行和控制具有重要的作用。
1变电站数字化的现状
在当今的信息时代之下，数字化已经越来越受到人们的重视，这项技术不光是智能技术的基础，还是软件技术的基础。其特征主要体现在设备的智能化和管理的自动化等方面。我国的首座数字化变电站是在1998年进行投入生产的，直到2006年终于将其全部改造为数字化变电站，在经过长达七个月的试用运行之后，发现各项数据都没有出现问题，以此将我国的数字化建设技术推向了世界先进水平。数字化变电站在经过这十多年的发展之后，已经达到了一定的水平。在低电压变电站中采取了综合自动化技术之后，变电站基本不需要有人值班。而在220kV以上的高压变电站中，也采用了大量的自动化技术，不仅降低了工程的建设成本，还提升了电网建设的现代化水准。相信随着越来越多如电流电压感应器等的高科技诞生，还会为变电站数字化管理带来更多的机遇。从IEC61850标准颁布并且投入到使用后，我国对数字化变电站的投入力度再次加大，在各个专家的不懈钻研下，又制定出了DL/T860标准。也就此项标准出台之后，各个发电厂商纷纷开始了对数字化变电站的开发，并研究出了大量的先进设备，比如说GIS电流电压互感器和智能终端等。这些先进设备不但没有不符合标准，而且在某些特定方面还达到了世界先进水平。国家电力总公司对这些研发出来新型产品进行了多达六次的试验，结果无疑全部通过，与此同时，国家电力公司还在一些投入到实际应用的数字化变电站进行了试验工作，并获得了相当宝贵的试点经验，这些新型研发的技术为将来的数字化变电站投入实际应用奠定了基础。
2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。
3系统的硬件设计
3.1与电子互感器的接口模块
合并单元与电子互感器的交互数据一般使用曼彻斯特编码和FT3异步编码进行传输，其接口需要连接多路电压与电流通道。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆一般常用的合并单元与电子互感器的接口使用光纤连接，由7个电流信号和5个电压信号组成。接口需要实现数据信号的同步，从而保证站控层能够实时控制电网设备。在具体的测试过程中，该接口需满足3个要求：1）接口应能够完成多个电路信号数据的处理；2）接口应具有极高的可靠性和较小的时间延迟，从而保证系统的实时性与稳定性；3）由于接入多个电路信号，同时系统时间延迟要求较高，所以该接口的数据实时处理量较大。且数据传输速度也必须较高，才能更好地实现系统的实时性。
3.2CPU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。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。
3.3同步模块
合并单元的同步主要指所有合并单元的同步和同步单元与电子互感器之间的同步。第一，所有合并单元的同步需要使用GPS的同步信号来实现，而合并单元内部也应加装高精度的时钟，从而避免站内主钟故障导致的系统混乱；第二，合并单元和电子互感器之间可以通过硬件或者软件的方式实现信号的同步。其中，硬件同步方式是指合并单元发送与站内主钟信号同步的脉冲信号；而软件同步方式则是指使用插值法完成两种设备的信号同步。
4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。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。
结语
综上所述，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。
参考文献：
[1]罗杰.分析变电站数字化改造施工中的几个关键问题[J].通讯世界，2014（01）：71-72.
[2]张传杰.江苏高港110kV变电站数字化改造[D].华北电力大学，2013.
[3]潘岐深.浅谈变电站数字化改造施工技术[J].中华民居，2011（12）：36+42.
论文作者:王刚
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/6
标签：变电站论文; 系统论文; 故障论文; 主程序论文; 信号论文; 单元论文; 电网论文; 《基层建设》2019年第27期论文;