数字化变电站继电保护系统设计

李建钊 黄亮亮

摘要：为了解决目前煤矿对数字化变电站继电保护缺乏有效措施的现象，设计了一种基于DSP处理器的继电保护系统。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：数字化变电站;继电保护;系统设计

引 言

电力发展与人民生活息息相关，随着社会经济的发展和科学技术的进步，人们的生活水平逐渐提高，对电网质量也有了更高的要求。电力行业正进行着数字化改革，使变电站的继电保护更加数字化，使数字化变电站的运行过程和运行环境更加有保障。提高数字化变电站继电保护能力的水平和进行继电保护适应性的改革已经成为了电力部门的重中之重，如果完成此目标，我国的电力行业又将向前迈进一大步。

一、数字化变电站继电保护中存在的问题

数字化变电站是将变电站的模拟信息数据通过解码转换，翻译为数字信息以进行处理。数字化变电站可以大大提高信息处理的效率，节省更多时间，可以很快查找到需要的信息。现有变电站的信息非常不好储存，尤其是历史年代比较久远的信息，丢失或破损等情况经常发生，而数字化变电站能够有效防止数字信息丢失或者破损。如果将变电站的资源进行共享，并及时整理更新，实现变电站的智能化管理，那么数字化变电站就能拥有自动化的特点，接线比较便捷。查找信息不再费时费力，只需通过数字化提供部分信息，就能查找到信息全貌，这样不仅节省人力资源，更节省了查找信息的人力时间与精力。如果数字化变电站改革能够成功，能够达到的电磁兼容性会更高，变电站会具有更高、更准确的计算测量功能，更安全、更可靠的网络平台，妥善利用可以为变电站带来巨大的经济利益。

对继电保护先一步研究，是数字化变电站变革中极为重要的一环。数字化变电站的优点有很多，使用过程中通过改善传统的继电保护装置，使部分显著弊端得到改善。但传统的继电保护装置在实际检测过程中，其动态范围比较狭小，其问题的范围也比较小，对于数据故障的检测精度不够准确，对于数字测量的频率映射度比较小，这些问题使得数字化变电站在运行过程中的稳定性和安全性得不到有效保证。这使得电力系统在正常工作的过程中存在一些弊端，需要不断加强对数字变电站适应性的继电保护工作。

二、数字化继电保护与传统继电保护间的区别

想配合继电保护的更新对测试技术进行对应调整，就需要对数字化继电保护与传统继电保护间的区别有所了解。从技术层面分析，两者的差距主要分为以下两点。

（1）设施硬件的差别

传统微机保护主要由开关量输入输出接口、模拟量输入接口单元、人机接口、通信接口及数据处理单元等结构构成。但数字化保护其数据来源为ECT/EVT传输的数字信号，较传统保护方式而言，两者间对数据的接收方式和处理方式等差

别也体现了两者结构上的不同。数字化保护主要构成为光接口单元、中央处理单元、开关单元、人机接口及通信接口等结构组成，较传统保护更为精密。

（2）信号的传输方式

传统变电站是依靠电缆传输，将模拟信息传递到保护装置，在保护装置处，会将模拟信息转化为数字信号后对其进行处理，再经由网线完成将数字量传送到监控系统的工作。在这种运作模式中，监控系统与测控保护对于单次设备的控制也是通过模拟信号来实现的。在IEC-61850的规定中，过程层的互感器应经内部转换，把采样值转化为信号后，经由光纤将其传输至合并单元，合并单元再将各互感器传输的数据汇总，最后传输至总线等智能装置。数字化保护系统对于跳闸信号的传递，也由原来的电缆接线传输改为光纤以太网传输。

通过IEC-61850的规定，数字化变电站的保护系统也都改为以网络作为数据信息的传递载体，传统的对于保护系统的测试方式也不再适用，所以对于新测试系统的开发是现阶段完善数字化变电站运行的一大要务。对于测试系统的革新可以保证对继电保护装置的闭环测试的实施，同时还可以以测试为方法对电力系统的实际运作情况进行了解，对网络装置的接口运作及网络负荷状态进行深入分析。

三、系统的硬件设计

继电保护系统的硬件主要由处理器模块、电源模块、数据采集模块、串口通信模块、存储器模块、开关量输入输出模块及人机对话模块等组成。

处理器模块负责系统保护主程序的存放，为了保证变电站的正常工作，处理器会一直执行循环自检序，当系统发生故障时会产生中断脉冲，处理器进入中断服务程序中。数据采集模块可以获得系统被保护元件的模拟信号、电流和电压等，经过数模转换提供给系统的处理器使用。开关量输入输出模块是保护系统接收外界远程控制信号等信息和输出远程信号和界面信息的模块。人机对话模块完成人机交换功能，满足保护系统的设定、调整和检查需求。存储器模块负责记录系统运行日志，供巡检人员查看。电源模块是保护系统的重要设施，保护系统的装置是精密的电子仪器，供电系统必须稳定可靠。

1.CPU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。

2.数据采集电路设计

系统的电压采集电路如图1所示，电容C8为高频电容，其作用是滤除电压信号中的杂波，降低信号偏移，提高电路工作的精确性。电阻R5为测量电阻、电阻R6为分压电阻，处理器根据测量电阻两端的电压及各电阻的阻值计算得到电压值。二极管D1在电路中起到稳压的作用，限制运算放大器的输入，保护电路安全工作。

如图2所示为系统电流信号采集电路。电路的左侧连接带有反馈式的霍尔电流传感器，以此来降低环境對所测电流信号的干扰，提高采集的精确度。传感器的输出信号经过图中所示电路滤波后，传输到处理器。

结束语：继电保护装置和数字化变电站的有机统一是尤为重要的，要保证继电保护装置的科学性，从而促进我国电力行业的高速发展。要提高继电保护的水准，为我国数字化变电站保驾护航。

参考文献：

【1】赵康伟，徐志强，周田华，张强.数字化变电站电子式电流互感器精度测量[J].电力建设，2019（6）：54-57.

【2】李先妹，黄家栋，唐宝锋.数字化变电站继电保护测试技术的分析研究[J].电力系统保护与控制，2019，40（3）：105-108.

【3】李先妹，黄家栋，唐宝锋.数字化变电站继电保护测试技术的分析研究[J].电力系统保护与控制，2019，40（3）：105-108.