变电站便携式保护装置的设计与分析

王 丹

(黑龙江省能源研究所，哈尔滨 150001)

0 引 言

继电保护装置是电力系统稳定运行的关键设备之一，其工作状态的好坏直接影响系统安全。我国电力事业正在飞速发展，并计划于2016年至2020年建成统一的“坚强智能电网”，“坚强智能电网”以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，覆盖所有电压等级，包括电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节。而电力系统的可靠性又是发展“坚强智能电网”的前提[1-3]。目前我国变电站主要由常规变电站和数字化变电站组成，其中110 kV以下采取单套配置的保护系统，一旦保护装置发生故障后，需要停电进行检修，影响了供电的持续性，其中220 kV以上采用双套配置的保护系统，但是其中一套故障后，则降为单套配置的保护系统，大大影响了系统的可靠性。研制能够通过简单安装并能够快速投入保护状态的便携性保护装置，既可以提高变电环境的可靠性，又能保证供电的持续性是非常重要的。

1 系统组成

1.1 工作原理

选用型号为EP4CE6E22C8D的FPGA芯片作为硬件电路的主芯片，该芯片是由Altera公司制造的Cyclone Ⅳ系列产品，是整个装置的核心，完成对信号采集的处理、微机保护算法的实现、人机交互部分的控制，以及输出控制信号等，通过硬件描述语言在芯片上完成逻辑控制输出、参数读写、算法实现、保护等功能[4-6]。

1.2 硬件电路

设计装置的结构图如图1所示。该装置采用模块化思想，将硬件电路分为：数据采集处理模块、控制模块、人机交互模块、输出模块等。

图1 硬件装置结构

在常规继电保护的基础上，数据模块采用ISO122芯片进行信号隔离，降低了系统干扰，选用钳式互感器采集后送入信号处理模块，信号处理模块将采集的模拟信号整形放大送到转换芯片AD7656，将转换的数字信号送入FPGA；控制模块为根据FPGA输出的控制信号执行控制动作。

1.3 软件程序流程

采用VHDL语言对电路进行描述，VHDL语言的数据类型丰富，灵活性高的特点可以简化开发难度。应用模块化思想对硬件进行逐个描述，然后用顶层文件用顶层文件对各部分模块进行协调和控制，以保护模块程序框架为例，如图2所示。

图2 保护模块程序流程

1.4 算法的选择

便携式保护装置通过对送入系统的数据进行分析来判断保护动作，所以，算法的速度和精度也影响着系统的性能。

实际差动电流并不是标准正弦波，含有直流分量、高次谐波，当设采样频率f为1 200 Hz，采样点数为24点，对变压器内部发生的AB相短路进行仿真，对输出电流的差动电流进行分析可以观察到在变压器内两相短路故障时，差动电流中基波分量最多，其次是直流分量和高次谐波。如图3所示。

图3 差动电流波形分析

在数字信号处理时候，为得到精准的得到基波分量，可以利用傅里叶级数：

(1)

式中，n=0,1,2，…;an为各次谐波分量的余弦分量的幅值；bn为各次谐波分量的正弦分量的幅值。

可求出an、bn分别为：

(2)

代入式(1)可得到基波分量表达式为：

x1(t)=b1sinω1t+a1cosω1t

(3)

合并正弦、余弦：

(4)

可求出周期函数的有效值和相角：

2X2=a12+b12

(5)

(6)

经过采样、模数变换后常得到离散的值，所以将傅里叶离散化处理，表述为：

(7)

(8)

式中，N为每个周期内对基波采样的采样次数；i(k)为k时刻信号的采样值。

为了降低非周期分量的影响，可将一次差分滤波加在傅里叶算法之前。经过反复验证，比较各类算法，本装置采用差分滤波的全波傅里叶算法，该算法具有良好的滤波效果，也适用于便携式保护装置。

2 仿真与应用

2.1 控制系统仿真

控制部分原理图如图4所示，FPGA主控模块发出控制信号H,通过光耦U3驱动继电器K3,与中间接触器K2，K2合闸后对保护继电器K1进行控制。

图4 控制部分原理

通过MATLAB，对所设计的控制方案进行仿真验证。以电流差动保护原理，对单相接地故障进行仿真，设置A相为故障相得到线路左右两侧三相电流波形图，如图5所示。

图5 线路两侧三相电流

由图5可见，经过傅氏算法采样对三相电流进行滤波处理后得到的曲线接近正弦波，得到较好的滤波效果。仿真得到三相电流差动电流和制动电流图，如图6所示。

图6 三相电流差动电流及制动电流

由图6可知，在0.1 s时线路发生A相故障差动电流值高于制动电流值，输出动作信号，非故障相制动电流高于差动电流，保护不动作。

2.2 实例分析

为减少故障及事故引起的经济损失，提高电力系统变电站的运行的可靠性，要定期对一次设备和二次设备进行停电维护，检修线路和变压器内部故障时，也影响了供电的持续性[3]。在变电站检修期间，接入便携式装置可以提供临时性的保护，来保证电力系统的安全可靠运行。

以常规变电站为例，如图7所示，让装置暂时性接替原有保护装置的保护工作，从而降低越级跳闸的风险性，保证系统安全。

图7 常规变电站保护替换方式

3 结束语

变电站便携式保护克服了常规变电站与智能变电站在故障检修时无法保证系统可靠性与供电持续性问题，与传统微机继电保护装置不同，采用FPGA做为核心主控芯片，实现差分滤波的傅里叶算法，对各个模块协调控制，并将装置设计为箱式结构，便于携带，设计进一步工作为在软件方面，继续进行大量动态模拟仿真试验，数字仿真实验，验证了装置的灵敏度以及提高装置的抗干扰能力。