中压直流系统短路电流快速识别装置*

琚兴宝, 王 伟

(中国舰船研究设计中心, 湖北 武汉 430064)

0 引 言

随着直流电网容量和电力负荷需求的不断增长,直流输配电系统的优势也愈发明显[1-3]。目前,直流电的优势不仅仅体现在直流电机、电镀、电机励磁、蓄电池充电、半导体电路等领域,在高电压大电流的直流输电系统、中压直流牵引系统和船舶供电系统等中高压领域中,其优势得到了更加广泛的发展和应用[4-6]。同交流输电相比,直流输电的优势主要有[3,7]:线路走廊窄,可以节省大量土地和资金,线路造价低;传送容量大,线路损耗小;调节快速,运行可靠。但是,随着系统容量和电压等级的提高导致短路电流水平显著增加,较高的直流电压等级对电力系统的安全性、可靠性和稳定性提出了更高的要求。

在中压直流系统中,由于供电线路较短导致各电源首端的短路电流和分支的短路电流相差不大;线路阻抗小使得短路电流幅值大,同时短路电流的上升速度很大,这是中压直流系统短路电流的显著特点[6,8]。因此,直流电力系统在发生短路故障时会产生巨大短路电流,这将对电气设备产生严重的危害:短路电流在电气设备中会产生高温和极大的电动力;巨大的短路电流会引起电压下降而严重损坏某些重要设备。因此短路故障将对系统的安全与稳定运行产生严重影响。

在系统故障发生初期,电流快速上升,在该阶段对故障电流进行限制并开断,可以有效清除系统故障。因此,对直流系统短路故障的快速识别可以为后续系统故障可靠清除起到十分重要的作用,具有必要的研究意义[9-11]。

因此,针对直流电网短路电流识别的研究,将有效解决中压直流电力系统短路电流上升过快所引起的开断失败,同时可以提高中压直流电力系统的智能化水平,保证系统安全、稳定的运行。文献[12]基于纵联差动保护,在供电回路中,通过配置光电流传感器来减小信号传输时间,并采取差动电流检测实现对不同类型故障的快速识别,但是该保护工作原理基于双端电气量,需要依赖通信系统,在保护动作速度上有缺陷。文献[13]分析电网中直流电抗器故障过程的暂态特性,并基于小波变换对波形高频分量进行提取,通过比较两侧直流电压幅值进行故障方向的判别,可靠识别区内外故障,但同样需要依赖通信系统,且保护整定比较复杂。文献[14-15]针对行波保护方案进行了改进,虽然所提检测方法均基于单端电气量,故障检测和识别的速度极快,但其可靠性较差。基于此,本文采用基于电流上升率di/dt保护和电流增量ΔI的保护方案,实现就地保护,无需通信设备,具有极快的动作速度,保护也较为灵敏,同时在设备成本上具有一定优势。

1 短路识别算法

基于直流电网短路故障特点,采用DDL保护为短路识别算法。DDL保护是以电流上升率di/dt保护和电流增量ΔI作为检测量,将di/dt和ΔI两者结合考虑来决定保护的动作特性,即上升率di/dt作为保护启动和返回的判据,电流增量ΔI配合不同延时作为故障的判别依据,分别形成了DDL+ΔI保护和DDL+ΔT保护。在保护过程中,两者同时进行判定,其中任一保护先达到动作要求立刻动作。这样不但解决单独的ΔI保护存在拒动现象,而且克服di/dt保护易受干扰而误动的缺点。

1.1 DDL+ΔI保护原理

DDL+ΔI保护原理图如图1所示。DDL+ΔI保护启动后,在延时Tmax时间内,检测到电流增量ΔI>ΔImax的时间大于或等于参数tΔImax,DDL+ΔI保护动作。若在保护出口动作之前检测到电流上升率di/dt

图1 DDL+ΔI保护原理

1.2 DDL+ΔT保护原理

DDL+ΔT保护原理如图2所示。DDL+ΔT保护启动后,当检测到延时Δt>Tmax,同时电流增量ΔI>ΔImin,DDL+ΔT保护动作。若在保护出口动作之前检测到电流上升率di/dt

图2 DDL+ΔT保护原理

2 装置硬件设计

短路电流识别装置的整体方案如图3所示。主回路的电流信号通过直流电流传感器获取并经过信号调理后由AD采样并输入到基于FPGA的主控模块中进行数据处理和故障识别,视其结果交互以及相应的控制策略再进一步执行。

图3 短路电流识别装置的整体方案

2.1 主控模块设计

FPGA是由各种门级连接起来形成乘法器、寄存器、地址发生器等,应用硬件描述语言设计的数字电路,由多个与非门及D触发器构成,上电后所有的与非门和D触发器同时工作。FPGA的并行处理特性可保持数据率和系统时钟一致,对于实现简单的数字信号处理其速度优势更明显。因此,由FPGA组成的最小系统可以在百微秒内实现故障短路电流的快速识别。

直流电网短路电流识别装置不仅要满足对速度的设计要求,同时还要满足可操作性的要求,即具有友好的人机交互模块和通信模块。FPGA擅长完成逻辑运算,而单片机则更善于实现控制和管理功能。因此,短路电流识别装置的总体方案采用FPGA+AVR的双处理器结构,FPGA实现短路电流快速识别和断路器开断控制功能,AVR实现通信和人机交互等控制和管理功能。

针对短路电流故障识别装置的主控模块设计包括FPGA最小系统、AVR测控单元及FPGA与单片机通信电路。

2.1.1 FPGA最小系统

该系统由FPGA主芯片、电源电路、时钟电路、JTAG接口、配置电路和下载电路6部分组成。

FPGA的电源系统内核供电电压和数字PLL供电电压是1.2 V,模拟PLL供电电压是2.5 V,I/O供电电压是3.3 V。分别采用TPS75733、AMS1117-ADJ和SPX3819提供3.3 V、2.5 V和1.2 V共3路电源。

FPGA的全局时钟管脚接入40 MHz有源晶振,有源晶振具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力,使用更加稳定可靠。由于CycloneIII系列中EP3C25Q240C8NI/O电平是3.3 V,故选用3.3 V作为有源晶振的供电电源。根据CycloneIII的设计手册,在有源晶振电源端串接一个120 Ω/100 MHz的铁氧体磁珠用于滤除干扰。

JTAG接口是一个业界标准接口,在FPGA系统中用于在线编程和下载调试。FPGA基本上都可以支持JTAG命令来配置FPGA的方式,而且JTAG的配置方式优先级高于其他任何一种配置方式。

根据FPGA在配置电路中的角色,其配置数据的方式有3种:FPGA主动方式、FPGA被动方式和JTAG方式。本文采用双处理器结构,FPGA作为主处理器,因此FPGA的配置方式采用主动串行(AS)方式,由PROM加载FPGA。在QuartusII9.0以后的版本允许使用与EPCS命令兼容的第三方FLASH,第三方FLASH成本更低,性能稳定。因此本文采用M25P64作为配置芯片。

2.1.2 AVR测控单元

作为从处理器的AVR,主要实现包括与上位机通信功能、液晶显示功能和与FPGA通信功能,ATmega128测控单元主要包括微处理器ATmega128、复位电路、晶体振荡电路、扩展SRAM电路等。MCU测控单元的结构框图如图4所示。

图4 MCU测控单元的结构框图

2.1.3 FPGA与单片机通信电路

在主控模块中,FPGA与AVR双处理器之间的硬件通信电路设计十分重要[16]。二者之间可靠稳定的数据交换,可以使短路电流识别算法阈值设定、直流断路器工作状态显示和故障电流波形显示等功能的实现。通信传输方式主要有串行通信和并行通信,前者多采用SPI串行外设接口,数据传输成本低,对线路要求小,抗干扰能力强,但传输数据容量小,速度慢。而并行通信恰好相反。因此,并行通信更能满足直流系统短路故障的快速识别需求。

因此,本装置采用并行访问外部寄存器方式,FPGA实现相应寄存器功能。当单片机向FPGA传送数据,片选信号CS使能,地址线访问相应地址的寄存器;当FPGA向单片机传送数据,FPGA产生中断信号,读取该地址的寄存器值。FPGA的编程方式采用硬件描述语言对硬件电路进行行为描述、寄存器传输描述或者结构化描述,实际是使用软件的方式实现硬件电路。

2.2 信号采集调理模块设计

在设备的实际运行现场,会受到一定的电磁干扰导致采集到的信号与实际不一致。主要来自两方面的电磁干扰:一方面,现场中工作的电力设备会产生较强的电磁干扰,这是工作于电力系统中的电磁装置通常要避免的噪声干扰;另一方面,直流系统的噪声主要来源于整流波形的纹波[17,18]。因此,采用硬件低通滤波器和软件滤波,可以有效屏蔽干扰。不仅如此,采取硬件低通滤波器可以防止软件滤波的频谱混叠的现象[19]。

有源滤波器采用有源放大器,不仅可以补充无源网络中的能量损耗,还可以根据要求提高信号的输出功率,且具有体积小、精度高、性能稳定、易于调试等特点,同时由于运放具有高输入阻抗和低输出阻抗,多级相连时互相影响很小,可以用低阶滤波器级联的方法构成高阶滤波器,且负载效应不明显[20]。

为了保证由传感器取得的信号不被衰减而真实反应直流系统中流过电流情况,信号检测调理电路的输入阻抗应足够大,因而在硬件滤波模块中采用输入阻抗大的单倍增益低通滤波器[21]。

完成模拟信号采集之后,需要对信号进行调理转换[22]。由于直流系统发生短路故障后,电流上升率大,为了满足故障电流快速识别的需求,数模转换调理电路也需要尽量快速、准确的将传感器采集的模拟信号转换成数字信号送给主控模块,便于核心处理器进行短路故障识别;另一方面,在故障识别时计算上升率的过程中可能产生负值。这两方面就要求模数转换模块采样速率快,分辨率高,能够双极性输入。采样电路基于成熟的采样模块进行开发,提高整体装置的可靠性和稳定性。

3 装置软件开发

在传统简单的装置模块开发中,通常采用自顶向下(Top_Down)的设计思想作为主导。但是对于比较底层的设计层次,需要用电路逻辑实现行为级描述。这时对开发过程的细节要求较高较为复杂,具体电路的设计是自底层逐级向上层来实现的。模块的编译和测试流程如图5所示。

图5 模块的编译和测试流程

FPGA作为短路电流识别装置中的核心器件,需要实现对短路电流快速识别、开断控制和双CPU通信,其功能模块可划分为AD采集控制模块、FIR数字滤波模块、DDL保护算法模块、与AVR通信模块及触发信号逻辑控制模块。根据数据流向,FPGA实现框图如图6所示。

图6 FPGA实现框图

基于FPGA的数字滤波器也是装置的关键功能模块。FIR数字滤波模块能够滤除直流电流系统中的整流纹波,为DDL保护算法提供无干扰的电流信号。

串行结构和并行结构是FPGA实现直接型FIR数字滤波器的两种方法[23]。串行结构是由一个乘法器和一个加法器组成,串行方式的优点在于结构简单,占用的资源少,缺点则是处理速度慢,因此难以满足直流电网故障电流识别的快速性要求。相反,并行结构是将具有对称系数的输入数据相加,采用多个乘法器并行实现系数与数据的乘法运算,并将乘积结果相加输出,可以在一个周期内完成一次滤波,并行流水线FIR数字滤波器的结构如图7所示。这种结构的优点在于运算速度快,虽然占用的FPGA片上资源较多,但是考虑到直流系统控制保护对时间的要求,并行结构在直流检测中具有明显的优势。由于FPGA内部包含大量乘法器,可以保证高系统时钟的优势,因此用FPGA实现并行FIR滤波算法能够满足快速瞬变信号对处理,FIR数字滤波器设计的基本流程如图8所示。

图7 并行流水线FIR数字滤波器的结构

图8 FIR数字滤波器设计的基本流程

AVR处理器采用实时多任务思想进行设计开发,每一个硬件功能模块都有相应的软件设计模块与之相对应,主要包括以下几个模块:系统初始化任务模块、与FPGA通信任务模块、上下位机通信任务模块、人机交互任务模块。FPGA通信任务分为单片机读取数据任务和单片机写入数据任务,上下位机通信任务分为下位机主动上传数据任务和上位机召唤上传数据任务,人机交互任务分为液晶显示任务和键码回传任务,其中,单片机读取数据任务、上位机召唤上传数据任务和键码回传任务由中断设置。主程序流程如图9所示。

图9 主程序流程

4 装置测试与结果分析

4.1 FIR数字滤波器的验证

对所设计的基于FPGA的FIR数字滤波器进行功能性验证。利用直流回路模拟短路故障电流,电流信号由开环霍尔传感器CS10000HB进行采集,原始信号时域曲线如图10所示。

图10 原始信号时域曲线

在MODELSIM中进行仿真,模拟FPGA处理过程,对FIR数字滤波器进行分析,将原始信号进行滤波处理。同时,在MATLAB中进行同样处理形成对照验证,数字滤波器结果对比如图11所示。由图11可见,验证了基于FPGA所实现的FIR数字滤波器的准确性。

图11 数字滤波器结果对比

4.2 装置可行性验证

对短路电流识别装置进行了故障实验验证,装置功能测试实验原理图和实物图如图12所示。系统电压采用250 V,实验电流为3 000～6 000 A。电流信号传感器采用开环霍尔电流传感器CS10000HB,量程为10 000 A/4 V,供电电压为±15 V。在实验中,通过改变实验回路的阻抗,来模拟不同上升率和幅值情况的短路故障电流。

图12 装置功能测试实验原理图和实物图

装置的故障快速识别功能,其核心算法采用了基于DDL的短路电流识别算法,分为DDL+ΔI

保护和DDL+ΔT保护。因此,在上述实验条件的基础上,分别对两种保护进行功能性验证。

在DDL+ΔI保护测试中,分别设定DDL+ΔI保护和DDL+ΔT保护中的整定值电流上升率E与F、电流幅值Imax与延时时间tImax和电流幅值Imin与延时时间Tmax,改变被检测电流信号幅值来模拟不同上升率和幅值的短路电流情况,使得被检测电流始终不满足DDL+ΔT保护的整定值,验证DDL+ΔI保护能否准确动作。而在DDL+ΔT保护测试中,设定参数使得被检测电流始终不满足DDL+ΔI保护的整定值,验证DDL+ΔT保护能否准确动作。保护实验参数如表1所示。DDL+ΔI和DDL+ΔT保护测试结果分别如图13、图14所示。

图13 DDL+ΔI保护测试结果

图14 DDL+ΔT保护测试结果

表1 保护实验参数

可以看出,当系统中通过的电流符合基于DDL的短路电流识别的判别条件时,短路电流识别与开断控制装置能够准确发出动作信号;当电流不满足其判别条件时,短路电流快速识别装置不会发出动作信号,没有发生误判断和误操作。

针对现有保护方案进行进一步深入研究,保护方案对比如表2所示。行波保护更适用于长距离输电线路保护,且对信号处理设备要求高,在工程使用中具有一定局限性;差动保护依托通信设备进行信号传输,在动作速度上具有一定劣势,且设备成本较高,不适合在直流配电网络中大规模使用。本文基于DDL算法短路电流快速识别装置,一方面采用电流上升率di/dt保护和电流增量ΔI相结合,弥补了单一电气量幅值保护的选择性差问题,另一方面在硬件结构上针对AVR测控单元及通信电路进行优化,在提高通信速度和采样频率的同时,降低信号干扰。同时,采用就地保护方案,不需要长距离通信设备,进一步降低成本,提高保护速度。

表2 保护方案对比分析

5 结 语

本文设计了面向中压直流系统短路电流识别装置,从硬件和软件上实现了设计要求并验证了装置快速识别短路电流功能。该装置能够实现对中压直流断路器主回路电流的实时监测,并结合直流牵引系统中常用的DDL保护算法进行短路故障快速识别,提高直流系统运行的安全性与可靠性。