煤矿智能变电站线路差动保护软件设计

赵林霖

（冀中能源邯郸矿业集团陶二煤矿，河北 邯郸 056105）

0 引言

随着IEC61850标准的推广，我国智能电网和智能变电站技术进一步成熟，煤炭作为我国能源供应的基础，煤矿工业自动化系统也在向网络化、智能化方向改造。作为一级负荷，煤矿生产的电力供应必须保证安全可靠性。变电站作为煤矿供电的重要节点，动作的快速准确是煤矿供电系统安全稳定运行的保障。差动保护在煤矿由地面到井下采区多层次的防越级跳闸系统中起着至关重要的作用。本文在IEC61850标准体系下，设计了采样值线路差动保护系统方案，并给出了软件整体结构图及主程序流程图。

1 差动保护原理

采样值差动保护直接采用采样值构成差动保护判据，一般保护判据为：

其中k为保护制动系数，一般设定为0.2～0.3。

对于采样值差动保护来说，采样值随时间周期变化，不同时刻采样点的制动值不一样［1］。不同采样点构成的制动值有所差别，某些采样点的制动较差，采样时应避开这些采样点，同时不影响判据的正确判断，一般采用R次中S次满足判据时才判定为故障的方法。其中，R为判断数据框，S为重复判断次数，R、S的选取直接关系到保护的灵敏性和可靠性。假设采样值差动保护每周期采样N个点，则S的选取必须满足：

当采样点满足上式时，可以达到很好的制动效果。考虑到极端的情况，当过零点位于2个相邻采样点的中点时，有可能使2个采样点都不能满足判据，因此一般R比S大2，但R值不能取过大，不能大于N／2，取值过大会影响保护的动作速度。当每周期采样12点时，一般S≥4，考虑到保护动作的快速性，在实际应用中，R－S一般取2，此时可靠性和灵敏性较好。每周期采样24点时，选取原则一般为：前半周期采用8取5，后半周期采用20取16［2］。采样值差动保护判别迅速，几乎没有复杂的计算，而且保护计算数据窗低于一个周期，保护判断出口时间缩短；如果有“坏数据”出现，“坏数据”的采样点数要比S小，不会误动，可靠性高，可作为煤矿变电站线路保护的主保护。

2 煤矿智能变电站体系结构

煤矿智能变电站以IEC61850为标准，分为“三层两网”结构。三层分别为过程层、间隔层、站控层，两网是指站控层网络和过程层网络［3］。

煤矿智能变电站体系结构如图1所示。

图1 煤矿智能变电站体系结构示意图

煤矿智能变电站最大的特点之一就是网络化的数据传输与共享。如图1所示，站控层网络采用MMS网和GOOSE网两网合一，过程层网络采用SV网和GOOSE网两网合一。为了实现故障时的快速动作，本文设计的线路差动保护采用直采直跳的方式。电压／电流互感器采集的数据经合并单元汇总发送SV报文至间隔层，用于故障的逻辑判断。如果判定发生故障，此时直接经GOOSE网向合并单元发送跳闸命令，同时向站控层发送告警信号。

3 基于IEC61850的线路差动保护IED功能建模

利用IEC61850标准体系对实际的保护设备抽象建模，对传统的保护过程中所实现的功能进行理解和分析，抽象出设备所含的逻辑节点，以及每个逻辑节点所含的数据及其属性，找出逻辑节点之间数据流向，得到保护IED的数据信息模型［4］。线路差动保护IED可分解为以下几个功能：电压／电流量的采集、开关量的输入／输出、分相电流差动、断路器、人机接口等。线路差动保护IED逻辑节点分层建模图如图2所示，其中PDIF为差动保护逻辑节点。

图2 差动保护IED逻辑节点分层建模图

4 软件设计

线路差动保护软件的设计要求实时性强，工作对象明确，逻辑结构简单，功能的正确性容易判别［5］。本文选用可靠性高、实时性强的Vx Works操作系统作为软件开发平台，并设计煤矿智能变电站线路差动保护软件方案。软件组成模块化，基本结构如图3所示。主要包括主程序、故障处理程序及采样中断处理程序，具体功能的实现可通过构建一系列子程序完成。

图3 保护程序整体结构示意图

主程序主要执行初始化和各种自检项目，程序设计流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

初始化分为硬件初始化和软件初始化2部分，上电后先对硬件系统进行初始化，读取开关等设备的状态或根据液晶菜单确定工作方式。如果系统为调试方式，则跳转到监控子程序；如果为运行方式，则进行自检。

自检包括：（1）定值自检；（2）TV断线自检；（3）TA断线自检；（4）通信通道异常判断等。

当有事件发生时，将会申请中断。中断服务程序是嵌入式应用系统获取各种事件的基本手段，而“事件”是实时性问题的讨论基础和时间计算的起点。采样中断处理是对采样数据进行逻辑判断，如果满足判据，则判定为发生故障，转入故障处理程序，并发送报文，程序流程图如图5所示。

图5 采样中断及故障处理程序流程图

5 结语

本文结合煤矿差动保护现状，以智能变电站为基础，提出基于电流采样值的线路差动保护系统方案，对线路差动保护系统进行建模，对IED功能进行划分，提出了差动保护软件设计思路，并给出了软件设计结构图和主程序流程图。

［1］林湘宁，何战虎，刘世明，等.电流采样值差动保护若干问题的探讨［J］.电力系统自动化，2001，25（19）：27～33

［2］李瑞生，李燕斌，周逢权.智能变电站功能架构及设计原则［J］.电力系统保护与控制，2010，38（21）：24～27

［3］赵应兵，周水斌，马朝阳.基于IEC61850-9-2的电子式互感器合并单元的研制［J］.电力系统保护与控制，2010，38（6）：104～106，110

［4］吴在军，窦晓波，胡敏强.基于IEC61850标准的数字保护装置建模［J］.电网技术，2005，29（21）：81～84

［5］张兆云，刘宏君，张润超.数字化变电站与传统变电站间光纤纵差保护研究［J］.电力系统保护与控制，2010，38（3）：58～60