數字化變電站繼電保護系統設計

王坤

[摘要]隨著電網的不斷發展，新建的變電站大多為數字化變電站或智能變電站，取代了傳統的變電站，提高了變電站的自動化水平和智能化水平。在數字化變電站中，需要對繼電保護裝置進行合理的優化配置，保證繼電保護裝置能夠正常可靠動作，對此進行詳細的分析。

[關鍵詞]變電站;智能;繼電保護;配置

1數字化變電站的構造

數字化變電站，就是將變電站中的電氣設備實現數字化轉變，轉換后與智能設備進行信息連通的過程，有利于實現兩者之間的可操作性。數字化變電站主要包括間隔層，過程層以及站控層。目前，在低電壓變電站中，幾乎可以實現全面數字化，在高電壓變電站中雖然沒有完全實現，但除了采樣值傳遞以外，其他基本上也實現了數字化轉變。

2數字化變電站概述

變電站在電力系統中得到了廣泛的采用，配電和輸電線路之間需要依靠變電站進行相互連接。數字化變電站可以運行先進的網絡通信技術，實現變電站數據的傳輸和存儲，這樣可以提高變電站的智能化水平。數字化變電站和常規的變電站相比，在多個方面都具有更高的性能，能夠使得網絡通信方式在變電站中得到大量的采用。。在變電站中的繼電保護裝置建模的過程中采用這種協議，可以使得保護裝置中的各類信號進行合理的傳遞和共享，提高了保護動作的效率和可靠性，降低了保護誤動的概率。

3數字化變電站中的繼電保護裝置

對于數字化變電站中的繼電保護裝置，一般是采用成套繼電保護裝置，模塊化安裝和運行，可以提高繼電保護動作的準確性和成功率。在數字變電站中，所采用的協議為61850，在該協議中對于繼電保護模塊，將智能電子裝置分為邏輯節點、邏輯設備、服務器等層次，通過對繼電保護裝置中的各個功能模塊進行模擬，構建基于IEC 61850協議的數字化變電站中的繼電保護裝置模型，實現保護數據的通信和共享，提高繼電保護動作的靈敏性。在110 kV數字化變電站繼電保護裝置中，可以接受和處理采集到的電氣一次設備信息，送入到繼電保護裝置中進行分析和邏輯判斷，并輸出相應的保護動作策略[2]，其中保護的各種動作信息可以通過相應的服務器進行存儲，對保護動作這一較為短暫的物理過程進行較為可靠的模擬，為分析事故跳閘提高了很大的幫助。此外，在數字變電站中一般也對實時數據和非實時數據進行了分區，其中變電站中的保護信息子站和故障錄波裝置位于非實時區，通信管理機位于變電站中的實時區，一般通過接入變電站中的調度數據網，實現保護動作信號往電力監控中心進行傳遞，實現對電網的監視和控制。

4 變電站繼電保護設計

4.1 差動保護。差動保護作為變電站主保護方式之一，是根據基爾霍夫電流定理設計，通過將各要保護的設備裝置作為一個個節點，當在正常運行狀態下電流流過設備裝置的前后是沒有電流差的，而當設備發生故障后，該設備的流過的電流值前后便出現電流差值，所以此時便需要設定當電流差達到臨界整定值便需要觸發保護裝置。差動保護裝置的主要用于保護雙繞組或三繞組的變壓器等設備。

4.2電流速斷保護。當線路及設備接線因短路故障產生較大短路電流時，其電壓也會隨之降低。故根據以上的電信號特點設計電流保護裝置，電流互感器將短路電流轉換為小電流從而通過電流繼電器中，繼電器根據流過電流的大小進行觸發斷路器，斷路器根據信號便可以將根據設定的電流閾值使得保護裝置能在很短的時間切斷故障電流。

5系統的硬件設計

5.1CPU選型

本系統在選用處理器時，考慮到系統對數字信號處理的要求，選擇DSP芯片，也稱數字信號處理器。DSP微處理器特別適合于數字信號處理運算，其主要特點是：（1）計算處理能力強，在一個指令周期內可同時完成乘法和加法的運算;（2）空間獨立，程序和數據存儲空間獨立，讀取指令和數據的效率高;（3）具有片內RAM，速率快;（4）硬件I/O接口支持快速的中斷處理;（5）可以并行處理多個指令;（6）流水線操作，系統讀取，執行操作可重疊進行。在對DSP芯片對比分析后，確定TI公司的TMS320LF2407芯片為本系統的微處理器。TMS320LF2407芯片具有豐富的指令集、高速的運算能力和改進的哈弗結構;可執行4級流水線操作，每秒可以獲得百萬的指令，大大縮短了執行命令的時間;具有5個外部中斷，2個事件管理器模塊;有3種低功耗模式，功耗降低;具有高性能的CMOS技術，提高了芯片的計算能力。

5.2測頻電路

為了減小中央處理器運算負擔，所以專門設計測頻電路進行頻率測量。該設計利用CPLD進行邏輯測控，通過在CPLD設置計數器，將輸入的模擬量進行轉換后送入CPLD進行計數并得出帶測量的頻率，所設計的測頻電路。根據電路圖，當正弦交流輸入信號先經過LM393比較器后便會成為具有高低電平的方波，在經過TLP181隔離電路變換器后電信號轉換為5V的邏輯電平，但此時電平并不規則，所以再通過74HC14型的施密特反向觸發器進行整型便可以得出規則的5V邏輯電平，從而有利于計數器進行計數測頻。

5.3數據采集電路設計

系統的電壓采集電路，電容C8為高頻電容，其作用是濾除電壓信號中的雜波，降低信號偏移，提高電路工作的精確性。電阻R5為測量電阻、電阻R6為分壓電阻，處理器根據測量電阻兩端的電壓及各電阻的阻值計算得到電壓值。二極管D1在電路中起到穩壓的作用，限制運算放大器的輸入，保護電路安全工作。電路的左側連接帶有反饋式的霍爾電流傳感器，以此來降低環境對所測電流信號的干擾，提高采集的精確度。

6 系統的軟件設計

本文設計的保護系統相比于之前的系統，該系統對變電站的工作狀態提供實時監測保護功能，保護模塊包含主程序和中斷服務程序。系統的主程序主要承擔對變電站運行的監視功能。這些監視功能系統的主程序中表現為不斷循環自檢的形式，以此來監視整個系統的工作情況，當系統檢測到故障產生時，主程序跳轉到中斷程序，進行故障處理。系統的主程序流程圖如圖1所示。首先要對系統進行初始化，其中包括主程序和各個子程序的初始化，初始化結束時對其進行檢測，當初始化失敗后重新對系統初始化，直到檢測到初始化成功后，開始繼續往下運行。初始化后，系統開始依次運行數據采集程序、人機對話程序、串口通信程序和中斷檢測程序。當系統檢測到變電站產生故障時，首先根據數據采集結果與設定值對比，判斷故障部位，再對故障進行處理，決定保護的方式，當處理失敗后，系統報警裝置啟動，需人工對其復位，當故障處理完成時，系統進入循環自檢。由圖1可以看出，主程序內有兩部分檢驗，一個是在系統初始化時，另一個是在進入循環自檢前，由于檢驗間隔時間長，所以可在此期間對系統硬件設備進行全面檢查，以此可以大大降低保護系統的故障率。

7 結語

電網的安全運行是電力企業追求的重要目標，繼電保護裝置在保護電網安全運行方面發揮了重要的作用，具有很重要的地位。變電站中的保護裝置的類型較多，涉及到的保護動作原理也存在較大的差異，應該對各套保護裝置進行合理的優化配置，保證變電站能夠實現數字化、自動化和智能化，提高電力生產的效率。

參考文獻：

[1] 高保泰.關于智能變電站繼電保護系統可靠性的探討[J].科技展望，2016，26（24）：123.

[2] 李德喜.數字化變電站繼電保護測試技術要點探討[J].工業c，2016（20）：00226.

[3]蔡蘭明，朱玲玲.110kV數字化變電站繼電保護配置方案[J].通訊世界，2014（2）：71-73.

[4]劉叢然，梁新蘭.110kV數字變電站繼電保護配置方案探討[J].電氣自動化，2017，39（1）：53-55.