数字过流保护继电器方案设计

王晓丽，史建华

(1.中北大学电子计算机科学技术学院，山西太原030051；2.山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009)

继电保护装置是电力系统的重要组成部分，它对保证系统安全运行起着非常重要的作用；继电保护装置在电力系统发生故障或处于异常运行状态时能够迅速、正确地做出反应，从而保证电力系统的安全稳定运行中发挥了异常重要的作用[1-4]。

电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等5个环节组成的。在电力系统中。各种类型的、大量的电气设备通过电气线路紧密地联结在一起。由于其覆盖的地域极其辽阔、运行环境极其复杂以及各种人为因素的影响，电气故障的发生是不可避免的。一个或多个发电站由于故障停止产生电能，或某些负载需要突然从电网获得过多的电能，这种高能级的突发事件产生的不平衡会导致灾难性的事故。这些突发事件是不可避免的，人们也无法控制其发生。因此，主电网必须实时检测这样的故障状态，然后快速反应以最小化不利影响，这种监控功能典型地通过继电器实现。智能控制单元连续的监视电网的各种参数 (如电压，电流，温度等)，当某种故障状态发生时，便切换相应的继电器。由于需要通过微处理器处理大量的数据，因此，这样的继电器被称为数字保护继电器[5-6]。图1给出数字保护继电器在典型变电所中的应用。

图1 数字保护继电器在典型变电所中的应用

1 数字保护继电器的要求

1.1 速度要求

根据最终应用，有各种标准规定了继电器对故障的响应时间，这些响应特性通常用反时限最小延时保护曲线表示。相关公式见式1。

其中，tresponse：响应时间；DMF：延迟系数；IM：测量电流；ISET：设置电流；A，B，C：反时限最小延时保护参数。

对于给定曲线，延迟系数DMF越小，数字保护继电器的故障响应就越快，这将获得更高的产品等级。为了获得较小的延迟乘法系数以及更快的响应时间，控制环路中的所有元件的工作速度都必须尽可能的快。

1.2 精度要求

在数字保护继电器中，输入信号的动态范围通常是比较大的。比如，典型的过流保护继电器监视的电流通常从几安培到几千安培。在整个输入信号范围内，继电器需要保持其测量精度。根据应用要求，精度要求可以从1%到0.05%，当然，精度越高，继电器的性能越好。为了实现较高的精度，系统的模数转换器应该有比较高的分辨率 (对于精度为1%，则分辨率一般为10位，对于精度为0.05%，则分辨率一般为16位)，高线性，高稳定性，低噪声，甚至是更高的采样速度。

相对于delta-sigma(ΔΣ)模拟转换器，逐次逼近寄存器模数转换器在高采样率下具有零延迟以及高线性的特点。因此，数字保护继电器应该选用逐次逼近寄存器模数转换器，低噪声，低漂移的运算放大器应用在输入级以限制噪声和相关的漂移误差。

1.3 同时采样要求

对于大多数的数字保护继电器，信号之间的相位关系是非常重要的。比如，测量同一个信号的电压和电流，如果希望计算有功功率、无功功率、功率因素、阻抗或谐波，那么，这两个信号的相位关系是必需的。因此，在这种应用中，应该使用同时采样的模数转换器。

2 数字过流保护继电器方案设计及元件选择

基于故障状态的不同响应，数字保护继电器可以分为过流保护继电器，过压保护继电器，接地故障保护继电器，馈线保护继电器，等等。这些不同类型的继电器实际上具有类似的硬件电路配置。各种数字保护继电器之间的区别在于软件编程。

图2给出了典型的过流保护继电器的方框图。

2.1 仪器放大器

电流互感器通常用于感知电网电流，通过一个负载电阻，将感知的电流转换为差分电压信号。为了减少电流互感器原边的反射负载，副边应该使用尽可能小的负载电阻。因此，副边的电压信号通常非常小，一般为几毫伏，常常叠加在一个较大的共模电压信号上。

图2 典型过流保护继电器的方框图

因此，所选择的仪器放大器应该具有高增益，支持高的共模电压以及高的共模抑制比。美国德州仪器公司的INA128完全这种应用要求。INA128是一个低功耗，通用的仪器放大器，电流反馈输入电路使得其具有很宽的带宽，甚至在高增益时也具有较宽的带宽，如增益为100时，其带宽为200 kHz。单个外部电阻设置的增益可以从1到10 000。另外，其具有非常低的失调电压(50 μV)、和漂移电压(50 μV)，高共模抑制比 (在增益大于100时为120dB)。

每个电流互感器都需要一个INA128器件。

为了符合模数转换器的建立时间规范，在仪器放大器的输出和数据转换器之间可以使用一个额外的运算放大器，该运算放大器应该具有足够的带宽，低漂移和低噪声。为了最大化模数转换器的使用范围，运算放大器应该能够支持需要的输出电压范围。美国德州仪器公司的OPA277能够很好的满足这一要求。

2.2 模数转换器

不同测量目的以及不同精度和速度要求，对模数转换器要求概括如下：

1)多通道，能够同时采样。

2)采样速度更快，能够通过对输出代码取平均值来提高整个噪声性能。

3)更高的分辨率，量化误差更小。

4)支持大的输入范围，这样能够提高输入信号的动态范围和信噪比。

根据这些要求，美国德州仪器公司的ADS8556能够很好的满足这一要求。

2.3 电压参考

数据转换器的噪声性能与输入信号和电压参考一致。因此，用于模数转换的电压参考应该非常精确，并且在工作温度范围内应该非常稳定。ADS8556具有片上参考电压发生器，在整个工作温度范围内，其电压漂移不超过±10ppm/°C。 如果需要更高的稳定性，ADS8556可以使用外部的电压参考，如美国德州仪器公司的REF50XX系列，具有低噪声，极低的漂移(最大3ppm/°C)。

2.4 处理器

为了计算电网的各种参数，如有功功率，阻抗，谐波等等，需要对采集的数据进行FFT计算。因此，需要DSP计算引擎。特别地，对于某些应用，浮点DSP处理器相对于定点DSP处理器具有明显的性能优势。

除了必需的计算能力，为了驱动继电器以及与其他单元通信，各种定时器以及其他功能组件也是必不可少的。

2.5 接口和隔离电路

数字保护继电器使用RS-232或RS-485或以太网协议将系统状态传输给中央控制单元。为了避免各个模块同时失灵，对每个模块进行隔离是必要的。因此，需要对电源模块和通信模块进行隔离。这可以通过TI公司的ISO7221实现。整个系统如图3所示。

图3 过流保护继电器的具体实现

3 结论

数字保护继电器在任何配电子系统是都是关键部件。为了避免灾难性的故障，这些继电器应该使用高速和高精度的电子元件。给出数字过流保护继电器的解决方案能够满足高速和高精度这两个要求。

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