数字化变电站继电保护系统设计

王坤

[摘要]随着电网的不断发展，新建的变电站大多为数字化变电站或智能变电站，取代了传统的变电站，提高了变电站的自动化水平和智能化水平。在数字化变电站中，需要对继电保护装置进行合理的优化配置，保证继电保护装置能够正常可靠动作，对此进行详细的分析。

[关键词]变电站;智能;继电保护;配置

1数字化变电站的构造

数字化变电站，就是将变电站中的电气设备实现数字化转变，转换后与智能设备进行信息连通的过程，有利于实现两者之间的可操作性。数字化变电站主要包括间隔层，过程层以及站控层。目前，在低电压变电站中，几乎可以实现全面数字化，在高电压变电站中虽然没有完全实现，但除了采样值传递以外，其他基本上也实现了数字化转变。

2数字化变电站概述

变电站在电力系统中得到了广泛的采用，配电和输电线路之间需要依靠变电站进行相互连接。数字化变电站可以运行先进的网络通信技术，实现变电站数据的传输和存储，这样可以提高变电站的智能化水平。数字化变电站和常规的变电站相比，在多个方面都具有更高的性能，能够使得网络通信方式在变电站中得到大量的采用。。在变电站中的继电保护装置建模的过程中采用这种协议，可以使得保护装置中的各类信号进行合理的传递和共享，提高了保护动作的效率和可靠性，降低了保护误动的概率。

3数字化变电站中的继电保护装置

对于数字化变电站中的继电保护装置，一般是采用成套继电保护装置，模块化安装和运行，可以提高继电保护动作的准确性和成功率。在数字变电站中，所采用的协议为61850，在该协议中对于继电保护模块，将智能电子装置分为逻辑节点、逻辑设备、服务器等層次，通过对继电保护装置中的各个功能模块进行模拟，构建基于IEC 61850协议的数字化变电站中的继电保护装置模型，实现保护数据的通信和共享，提高继电保护动作的灵敏性。在110 kV数字化变电站继电保护装置中，可以接受和处理采集到的电气一次设备信息，送入到继电保护装置中进行分析和逻辑判断，并输出相应的保护动作策略[2]，其中保护的各种动作信息可以通过相应的服务器进行存储，对保护动作这一较为短暂的物理过程进行较为可靠的模拟，为分析事故跳闸提高了很大的帮助。此外，在数字变电站中一般也对实时数据和非实时数据进行了分区，其中变电站中的保护信息子站和故障录波装置位于非实时区，通信管理机位于变电站中的实时区，一般通过接入变电站中的调度数据网，实现保护动作信号往电力监控中心进行传递，实现对电网的监视和控制。

4 变电站继电保护设计

4.1 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。

4.2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。

5系统的硬件设计

5.1CPU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。

5.2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。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。

5.3数据采集电路设计

系统的电压采集电路，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。电路的左侧连接带有反馈式的霍尔电流传感器，以此来降低环境对所测电流信号的干扰，提高采集的精确度。

6 系统的软件设计

本文设计的保护系统相比于之前的系统，该系统对变电站的工作状态提供实时监测保护功能，保护模块包含主程序和中断服务程序。系统的主程序主要承担对变电站运行的监视功能。这些监视功能系统的主程序中表现为不断循环自检的形式，以此来监视整个系统的工作情况，当系统检测到故障产生时，主程序跳转到中断程序，进行故障处理。系统的主程序流程图如图1所示。首先要对系统进行初始化，其中包括主程序和各个子程序的初始化，初始化结束时对其进行检测，当初始化失败后重新对系统初始化，直到检测到初始化成功后，开始继续往下运行。初始化后，系统开始依次运行数据采集程序、人机对话程序、串口通信程序和中断检测程序。当系统检测到变电站产生故障时，首先根据数据采集结果与设定值对比，判断故障部位，再对故障进行处理，决定保护的方式，当处理失败后，系统报警装置启动，需人工对其复位，当故障处理完成时，系统进入循环自检。由图1可以看出，主程序内有两部分检验，一个是在系统初始化时，另一个是在进入循环自检前，由于检验间隔时间长，所以可在此期间对系统硬件设备进行全面检查，以此可以大大降低保护系统的故障率。

7 结语

电网的安全运行是电力企业追求的重要目标，继电保护装置在保护电网安全运行方面发挥了重要的作用，具有很重要的地位。变电站中的保护装置的类型较多，涉及到的保护动作原理也存在较大的差异，应该对各套保护装置进行合理的优化配置，保证变电站能够实现数字化、自动化和智能化，提高电力生产的效率。

参考文献：

[1] 高保泰.关于智能变电站继电保护系统可靠性的探讨[J].科技展望，2016，26（24）：123.

[2] 李德喜.数字化变电站继电保护测试技术要点探讨[J].工业c，2016（20）：00226.

[3]蔡兰明，朱玲玲.110kV数字化变电站继电保护配置方案[J].通讯世界，2014（2）：71-73.

[4]刘丛然，梁新兰.110kV数字变电站继电保护配置方案探讨[J].电气自动化，2017，39（1）：53-55.