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煤矿数字化变压器保护系统设计研究

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摘要:煤矿变电站作为中低配电网的重要组成部分,利用微机保护系统对变电站继电保护系统进行数字化、智能化建设对于提高煤矿供电安全十分重要。在分析数字化变电站继电保护系统结构与保护要求的基础上,利用DSP数字处理器,对保护系统的硬件软件进行设计开发,实现了对变电站继电保护系统实时监测与保护功能。该系统在实际使用过程中运行稳定,极大提高了煤矿供电的安全性。

关键词:煤矿;变电站;继电保护系统

引言

煤矿变电站是中低配电网的重要组成部分,变电站继电保护系统部分对变电站设备的电力监测、控制、管理有着不可替代的作用[1-2]。继电保护系统可以对故障设备和异常状态进行自动切除,从而保障电力供电的可靠性[3-4]。继电保护系统正是依靠自身的反应动作快、选择性、可靠性进行切除故障,而随着微机技术与电子技术的发展,利用微机保护技术对进一步完善改进继电保护技术,加强电网的安全稳定,是提高煤矿供电与安全生产的重要工作[5-6]。

1数字化变电站继电保护系统分析

1.1变电站系统结构

本文对煤矿上变电站进行数字化建设,整个数字化变电站采用分层式结构,即分为站控层、间隔层、过程层以及相关通信协议。站控层作为整个系统的总控中心,安装有主机服务器、通信设备、工作站、微机闭锁系统等部分组成,从而可以完成整个系统的数据采集、逻辑运算、监测等功能,方便工作人员进行实时监控与操作。间隔层安装有测控装置和微机保护系统、变压器保护屏等装置,即使是在高要求的电磁环境下各设备仍可以长期稳定工作。过程层主要是通过安装的通信设备完成各个间隔层之间的数据交换与调度功能,从而控制传感器和执行操作机构,完成最终保护过程。

1.2变电站继电保护设计

变电站继电保护系统主要通过监测装置实时监测变电站电力系统的正常、不正常、故障3种运行状态的电气量,并通过它们之间的差别将故障进行识别分类,对故障元器件进行判别警示[7]。而要实现继电保护系统实时监测与可靠性的保护功能,则需要进行微机系统设计投入运行,并且保护系统朝着智能化与网络共享化发展。微机继电保护系统通过高速通信网路采集系统的各器件装置的电压、电流以及一次设备运行的二次电压、电流等模拟量信息,采集的模拟信息通过中央CPU处理,完成保护功能的逻辑判别运算,并将处理指令下传至继电保护装置从而可以在故障时迅速完成故障保护。在所设计的保护系统中,继电保护装置根据需要根据不同故障的原理采取不同的保护形式。例如:电流速断保护、差动保护、过电压(电流)保护、瓦斯保护、后备保护等[8]。(1)差动保护差动保护作为变电站主保护方式之一,是根据基尔霍夫电流定理设计,通过将各要保护的设备装置作为一个个节点,当在正常运行状态下电流流过设备装置的前后是没有电流差的,而当设备发生故障后,该设备的流过的电流值前后便出现电流差值,所以此时便需要设定当电流差达到临界整定值便需要触发保护装置。差动保护装置的主要用于保护双绕组或三绕组的变压器等设备。(2)电流速断保护当线路及设备接线因短路故障产生较大短路电流时,其电压也会随之降低。故根据以上的电信号特点设计电流保护装置,电流互感器将短路电流转换为小电流从而通过电流继电器中,继电器根据流过电流的大小进行触发断路器,断路器根据信号便可以将根据设定的电流阈值使得保护装置能在很短的时间切断故障电流。

2微机系统硬件电路设计

2.1保护系统结构

微机保护硬件设计总体结构如图1所示,主要包括模拟量采集模块、滤波电路、A/D转换模块、RS485及CAN总线通信模块、开关输出模块、继电器输出模块、存储单元等组成。

2.2中央处理器选型

该系统为适用煤矿供电复杂环境,完成保护系统的实时监测与保护功能,以TMS320F28335为核心的嵌入式控制芯片进行模拟信号的采集与处理、保护识别与预判、开关动作量的输入和输出等功能的实现,其性能相比于DSP定点处理器,该处理器具有浮点运算能力内核更为强大,数字逻辑处理速度更快。(1)该处理器增加了浮点运算单元以及高精度的PWM处理单元,比之前定点DSP处理器相比数字计算性能明显增强,很适合井下等工矿的复杂环境使用。(2)同时可以使用S/W、EVA、EVB等多个触发信号源启动进行数模转换,使得中断控制可以允许每个时间间隔内产生中断请求,从而极大方便对多种数据的采集与处理。

2.3测频电路

为了减小中央处理器运算负担,所以专门设计测频电路进行频率测量。该设计利用CPLD进行逻辑测控,通过在CPLD设置计数器,将输入的模拟量进行转换后送入CPLD进行计数并得出带测量的频率,所设计的测频电路如图2所示。根据电路图,当正弦交流输入信号先经过LM393比较器后便会成为具有高低电平的方波,在经过TLP181隔离电路变换器后电信号转换为5V的逻辑电平,但此时电平并不规则,所以再通过74HC14型的施密特反向触发器进行整型便可以得出规则的5V逻辑电平,从而有利于计数器进行计数测频。同时为了保证测频的精确性,通过引入DSP的I/O口进行读取DSP内部定时器的定时时间进行校准,从而得出一个更加准确的频率。

2.4显示电路

为实时显示开关保护系统供电参数、故障参数、系统菜单设置等,根据井下实际情况该系统在设计时便通过液晶显示模块显示保护系统的运行状态和故障参数,这样使得工作人员很容易根据显示状态判别故障类型。该系统设计的显示电路如图3所示,该模块通过3.3V电压使用ST7920进行驱动,因该显示模块自带字库,可以通过简单的指令完成字符调整、字间距、位置等设置。通过DSP的三个I/O端口与显示模块相连。

3保护系统软件设计

良好的软件系统可以使继电保护系统的设备更加稳定,同时在所设计的硬件店里的性能改进提升基础上,整个微机保护系统功能也更加完善与稳定。在设计软件系统时为了方便以后使用的继承性与扩展性,该系统采用高级语言与模块化方式进行编程,从而使得各部分功能之间相互独立,也便于对软件系统的功能分别进行调试和维护。其中对软件系统的主程序流程图进行详细说明。如图4所示,在保护装置通电后系统首先进行初始化设置,主要完成开关输入输出量接口的定义、寄存器、定时器的初始化、以及各种标志向量表的自定义设置。然后完成初始化后系统进入自检程序,保证各设备与系统之间可以正常运行。当自检有问题时便会将时间与故障点记录在存储设备中保存以便以后工作人员进行维修。通过自检后系统进入数据采集与处理阶段,通过数据的分析识别可以断定继电保护装置之间的运行状态,如有故障则进入故障处理子程序部分并进行报警。

4结论

本文通过对数字化变电站整体系统结构进行设计研究,构建了3层结构,并对继电保护系统的需求进行分析,同时重点分析了差动保护、电流速断保护的原因与应对措施。针对以上保护的要求,设计了基于DSP微机系统的继电保护系统,并详细介绍微机保护系统的硬件电路设计与软件主程序设计,详细说明测频电路与显示电路的电路设计。该系统整体运行稳定,能在煤矿中很好完成数字化变电站继电保护系统的各项要求。

参考文献:

[1]高翔.数字化变电站应用技术[M].北京:中国电力出版社,2008.1.

[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,2012,40(3):105-108

[3]李亮玉,唐宝锋,赵贤龙,等.智能变电站就地化保护研究现状及应用展望[J].华电技术,2018,40(5):17-20,24.

[4]易永辉,王雷涛,陶永健.智能变电站过程层应用技术研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(21):1-5.

[5]王忠,张晓莉,李忠安,等.继电保护装置自动测试系统设计[J].电力系统保护与控制,2015,(5):130-135.

[6]王超.数字化变电站继电保护系统可靠性研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[7]东春亮,牛敏敏.关于数字化变电站继电保护技术的分析与探讨[J].电子制作,2014(6x):224-225.

[8]王旖旎.数字化变电站继电保护系统可靠性设计技术研究[D].上海:上海交通大学,2011.

作者:许帅 单位:西山煤电(集团)官地矿

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