張穎輝

(中陽(yáng)縣煤炭工業(yè)局，山西 呂梁 033400)

0 引言

煤礦變電站是煤礦生產(chǎn)中必不可少的重要組成部分，變電站能否良好地運(yùn)行是煤礦保質(zhì)保量生產(chǎn)的前提。煤礦供電系統(tǒng)中的繼電保護(hù)系統(tǒng)以及控制裝置是評(píng)價(jià)一個(gè)煤礦變電站綜合自動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的煤礦變電站綜合自動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)中由于受傳統(tǒng)單片機(jī)的性能限制，變電站無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)一的測(cè)控和保護(hù)，大大限制了煤礦對(duì)變電站安全性和可靠性的要求。DSP(Digital Signal Processor)是20世紀(jì)90年代最先應(yīng)用于軍事和航天的一種低功耗、高性能的處理器，采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有高速的處理能力，廣泛應(yīng)用于通信和工控領(lǐng)域，其運(yùn)算速度與可用資源都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)單片機(jī)，滿足了現(xiàn)代化煤礦變電站的要求。本文提出了一種基于DSP的煤礦變電站新型繼電保護(hù)系統(tǒng)。

1 煤礦變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)

1.1 繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，正常情況下，電流和電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，發(fā)生故障時(shí)，電流、電壓的變化很大，會(huì)損壞電氣設(shè)備和線路等。我們可以計(jì)算出各位置發(fā)生故障時(shí)電流、電壓的臨界值，并以此來(lái)判斷發(fā)生故障的位置。煤礦變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)如圖1所示，在相應(yīng)的位置放置傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)與電壓檢測(cè)，并將電流與電壓信號(hào)通過(guò)CAN總線傳輸給DSP；DSP根據(jù)接收到的信號(hào)判斷是否故障，若有故障，則進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。在切斷故障的過(guò)程中，切斷速度與DSP的處理速度正相關(guān)，但是如果系統(tǒng)過(guò)于靈敏，則會(huì)產(chǎn)生誤操作，這會(huì)對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)產(chǎn)生無(wú)法估量的損失。

基于DSP的新型繼電保護(hù)系統(tǒng)主要包括5個(gè)部分：①存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)；②WATCHDOG監(jiān)控電路；③數(shù)據(jù)濾波通道；④通信電路模塊；⑤CPLD大規(guī)模邏輯器件。基于DSP的繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。繼電保護(hù)的本質(zhì)是要求本系統(tǒng)能夠迅速、準(zhǔn)確地對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，通過(guò)電壓互感器和電流互感器采集電壓和電流數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后由DSP處理并進(jìn)行FFT頻譜分析。

圖1 煤礦變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)

1.2 繼電保護(hù)系統(tǒng)原理及優(yōu)化設(shè)計(jì)

因?yàn)榫碌奶厥馇闆r，在煤礦的供電系統(tǒng)中一般采用中性點(diǎn)不接地的供電方式。在該接電方式下，當(dāng)單相發(fā)生接地時(shí)，能夠有效保護(hù)礦工的安全，各種電力設(shè)備也能在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)安全運(yùn)行。針對(duì)煤礦變電站的供電方式，本系統(tǒng)采用以下幾種特殊的保護(hù)方式：

(1) 無(wú)選擇的對(duì)地絕緣監(jiān)視：實(shí)時(shí)無(wú)選擇地監(jiān)測(cè)單相接地故障，當(dāng)單相電路對(duì)地絕緣減小時(shí)，電力系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生零序電流與零序電壓。對(duì)地監(jiān)測(cè)裝置原理如圖3所示。

(2) 零序電流的保護(hù)：如圖4所示，A、B、C分別是供電線路的第一、二、三相線，1、2、3是分別從A、B、C引出的三相線路，在正常狀態(tài)下，1、2相線上的零序電流都在各自的第三相上回流(如圖4(a)所示)；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，原本各自回流的零序電流都集中在了發(fā)生短路的第三相線上回流(如圖4(b)所示)，當(dāng)DSP根據(jù)電流互感器的數(shù)據(jù)檢測(cè)到零序電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，即可判斷發(fā)生接地。

(3) 備用電源自動(dòng)投入保護(hù)：煤礦變電站的特殊環(huán)境要求在任何情況下都必須保證井下的通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等正常工作，因此變電站最少會(huì)有兩路上游發(fā)電廠進(jìn)行供電，在一路電源突然斷電的情況下，備用電源自動(dòng)投入保護(hù)迅速動(dòng)作，切換電源，保證井下的必要設(shè)施正常工作。

(4) 單相接地自動(dòng)選線裝置：該裝置是基于DSP技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是一種正在發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)，其中硬件組成包括零序電流和零序電壓互感器、濾波抗干擾、A/D轉(zhuǎn)換等，其硬件組成框圖如圖5所示。

圖2 基于DSP的繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 對(duì)地監(jiān)測(cè)裝置原理

圖4 零序電流保護(hù)原理圖

圖5 單相接地自動(dòng)選線裝置硬件組成框圖

2 DSP選型與算法選擇

2.1 DSP選型

DSP由于擁有與傳統(tǒng)處理器馮諾曼架構(gòu)不同的哈佛結(jié)構(gòu)，使得DSP擁有了同等處理器兩倍的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力以及極高的運(yùn)行速度。TMS320F2812PGFA芯片為32位DSP芯片，150 MHz時(shí)鐘，處理性能為150 MIPS，指令周期為6.67 ns，12位A/D轉(zhuǎn)換，128 k×16位FLASH，18 k×16位SRAM。

2.2 基于DSP的算法選擇

在煤礦變電站的供電系統(tǒng)中，由于最為關(guān)注的是采集信號(hào)的頻譜和相位這些數(shù)據(jù)，在選擇算法時(shí)主要研究頻譜分析方面的處理算法。最常見(jiàn)最基本的算法是傅里葉算法，包括半波、全波和快速傅里葉變換算法(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)。其中，F(xiàn)FT算法主要分為兩種算法：DIT(按時(shí)間)和DIF(按頻率)。本文選擇DIF算法，減少了硬件系統(tǒng)的成本，在軟件計(jì)算上也能提高速度，增加準(zhǔn)確性，這在變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中是非常必要的。

3 CAN總線技術(shù)通信與軟件設(shè)計(jì)

CAN總線技術(shù)因其具有技術(shù)成熟、性能高且價(jià)格低廉以及較高的通信質(zhì)量等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到各種控制現(xiàn)場(chǎng)。為了保證及時(shí)與無(wú)差別的監(jiān)測(cè)，本煤礦變電站綜合自動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)的各個(gè)保護(hù)分布在需要監(jiān)測(cè)的被測(cè)對(duì)象處，將檢測(cè)到的電流和電壓等信息反饋到位于總調(diào)度室的總控制系統(tǒng)，每個(gè)保護(hù)和總控制系統(tǒng)之間采用CAN總線，各保護(hù)之間也由CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是為了適應(yīng)新型繼電保護(hù)對(duì)四遙(遙測(cè)、遙控、遙信、遙調(diào))的要求，系統(tǒng)的主程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

4 抗干擾設(shè)計(jì)

在電力系統(tǒng)中，因電線而產(chǎn)生的電磁波是無(wú)處不在的，若對(duì)此不加以控制，則會(huì)對(duì)監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的干擾，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)測(cè)量誤差過(guò)大，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

對(duì)于不同的干擾采取不同的辦法，但總的辦法分為3種：減少干擾源的干擾；切斷電磁波的傳播途徑；保護(hù)易被干擾的電子設(shè)備。實(shí)現(xiàn)這些方法一般從軟件和硬件上同時(shí)入手，采用時(shí)序交叉的程序，如對(duì)于干擾源極強(qiáng)且無(wú)法隔離的A設(shè)備和極易被干擾的B設(shè)備，在硬件上，讓它們產(chǎn)生一定的距離，或者使用交叉程序，在開(kāi)啟A設(shè)備的時(shí)候避免B設(shè)備啟用，開(kāi)啟B設(shè)備的時(shí)候避免A設(shè)備的使用。變電站中，因?yàn)殡姎庠O(shè)備的切換、雷擊等會(huì)產(chǎn)生巨大的干擾，也是瞬時(shí)干擾，這些由外部或者內(nèi)部產(chǎn)生的干擾會(huì)對(duì)所有的繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生影響，通過(guò)WATCHDOG復(fù)位電路、CAN與RS485雙通道等硬件設(shè)計(jì)在硬件上減少電磁干擾的影響，另外在設(shè)計(jì)保護(hù)機(jī)箱時(shí)，盡量減少環(huán)路，走直線，對(duì)于極易受干擾和不易受干擾的電路加以區(qū)分隔離，避免二次干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一款新型的基于高性能DSP的煤礦變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，有針對(duì)性地解決了目前煤礦急需解決的繼電保護(hù)系統(tǒng)的自動(dòng)化問(wèn)題。與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)相比，新型系統(tǒng)使用了DSP芯片，能夠快速準(zhǔn)確地處理大量數(shù)據(jù)，基于CAN總線的通訊技術(shù)，能夠和目前大多數(shù)煤礦的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫連接，具有完善的人機(jī)交互界面，并能將實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)快速計(jì)算后實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。