王 丹

(黑龍江省能源研究所，哈爾濱 150001)

0 引 言

繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一，其工作狀態(tài)的好壞直接影響系統(tǒng)安全。我國(guó)電力事業(yè)正在飛速發(fā)展，并計(jì)劃于2016年至2020年建成統(tǒng)一的“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”，“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”以堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺(tái)為支撐，以智能控制為手段，覆蓋所有電壓等級(jí)，包括電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個(gè)環(huán)節(jié)。而電力系統(tǒng)的可靠性又是發(fā)展“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的前提[1-3]。目前我國(guó)變電站主要由常規(guī)變電站和數(shù)字化變電站組成，其中110 kV以下采取單套配置的保護(hù)系統(tǒng)，一旦保護(hù)裝置發(fā)生故障后，需要停電進(jìn)行檢修，影響了供電的持續(xù)性，其中220 kV以上采用雙套配置的保護(hù)系統(tǒng)，但是其中一套故障后，則降為單套配置的保護(hù)系統(tǒng)，大大影響了系統(tǒng)的可靠性。研制能夠通過簡(jiǎn)單安裝并能夠快速投入保護(hù)狀態(tài)的便攜性保護(hù)裝置，既可以提高變電環(huán)境的可靠性，又能保證供電的持續(xù)性是非常重要的。

1 系統(tǒng)組成

1.1 工作原理

選用型號(hào)為EP4CE6E22C8D的FPGA芯片作為硬件電路的主芯片，該芯片是由Altera公司制造的Cyclone Ⅳ系列產(chǎn)品，是整個(gè)裝置的核心，完成對(duì)信號(hào)采集的處理、微機(jī)保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)、人機(jī)交互部分的控制，以及輸出控制信號(hào)等，通過硬件描述語言在芯片上完成邏輯控制輸出、參數(shù)讀寫、算法實(shí)現(xiàn)、保護(hù)等功能[4-6]。

1.2 硬件電路

設(shè)計(jì)裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該裝置采用模塊化思想，將硬件電路分為：數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制模塊、人機(jī)交互模塊、輸出模塊等。

圖1 硬件裝置結(jié)構(gòu)

在常規(guī)繼電保護(hù)的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)模塊采用ISO122芯片進(jìn)行信號(hào)隔離，降低了系統(tǒng)干擾，選用鉗式互感器采集后送入信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊將采集的模擬信號(hào)整形放大送到轉(zhuǎn)換芯片AD7656，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送入FPGA；控制模塊為根據(jù)FPGA輸出的控制信號(hào)執(zhí)行控制動(dòng)作。

1.3 軟件程序流程

采用VHDL語言對(duì)電路進(jìn)行描述，VHDL語言的數(shù)據(jù)類型豐富，靈活性高的特點(diǎn)可以簡(jiǎn)化開發(fā)難度。應(yīng)用模塊化思想對(duì)硬件進(jìn)行逐個(gè)描述，然后用頂層文件用頂層文件對(duì)各部分模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，以保護(hù)模塊程序框架為例，如圖2所示。

圖2 保護(hù)模塊程序流程

1.4 算法的選擇

便攜式保護(hù)裝置通過對(duì)送入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來判斷保護(hù)動(dòng)作，所以，算法的速度和精度也影響著系統(tǒng)的性能。

實(shí)際差動(dòng)電流并不是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，含有直流分量、高次諧波，當(dāng)設(shè)采樣頻率f為1 200 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為24點(diǎn)，對(duì)變壓器內(nèi)部發(fā)生的AB相短路進(jìn)行仿真，對(duì)輸出電流的差動(dòng)電流進(jìn)行分析可以觀察到在變壓器內(nèi)兩相短路故障時(shí)，差動(dòng)電流中基波分量最多，其次是直流分量和高次諧波。如圖3所示。

圖3 差動(dòng)電流波形分析

在數(shù)字信號(hào)處理時(shí)候，為得到精準(zhǔn)的得到基波分量，可以利用傅里葉級(jí)數(shù)：

(1)

式中，n=0,1,2，…;an為各次諧波分量的余弦分量的幅值；bn為各次諧波分量的正弦分量的幅值。

可求出an、bn分別為：

(2)

代入式(1)可得到基波分量表達(dá)式為：

x1(t)=b1sinω1t+a1cosω1t

(3)

合并正弦、余弦：

(4)

可求出周期函數(shù)的有效值和相角：

2X2=a12+b12

(5)

(6)

經(jīng)過采樣、模數(shù)變換后常得到離散的值，所以將傅里葉離散化處理，表述為：

(7)

(8)

式中，N為每個(gè)周期內(nèi)對(duì)基波采樣的采樣次數(shù)；i(k)為k時(shí)刻信號(hào)的采樣值。

為了降低非周期分量的影響，可將一次差分濾波加在傅里葉算法之前。經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，比較各類算法，本裝置采用差分濾波的全波傅里葉算法，該算法具有良好的濾波效果，也適用于便攜式保護(hù)裝置。

2 仿真與應(yīng)用

2.1 控制系統(tǒng)仿真

控制部分原理圖如圖4所示，F(xiàn)PGA主控模塊發(fā)出控制信號(hào)H,通過光耦U3驅(qū)動(dòng)繼電器K3,與中間接觸器K2，K2合閘后對(duì)保護(hù)繼電器K1進(jìn)行控制。

圖4 控制部分原理

通過MATLAB，對(duì)所設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。以電流差動(dòng)保護(hù)原理，對(duì)單相接地故障進(jìn)行仿真，設(shè)置A相為故障相得到線路左右兩側(cè)三相電流波形圖，如圖5所示。

圖5 線路兩側(cè)三相電流

由圖5可見，經(jīng)過傅氏算法采樣對(duì)三相電流進(jìn)行濾波處理后得到的曲線接近正弦波，得到較好的濾波效果。仿真得到三相電流差動(dòng)電流和制動(dòng)電流圖，如圖6所示。

圖6 三相電流差動(dòng)電流及制動(dòng)電流

由圖6可知，在0.1 s時(shí)線路發(fā)生A相故障差動(dòng)電流值高于制動(dòng)電流值，輸出動(dòng)作信號(hào)，非故障相制動(dòng)電流高于差動(dòng)電流，保護(hù)不動(dòng)作。

2.2 實(shí)例分析

為減少故障及事故引起的經(jīng)濟(jì)損失，提高電力系統(tǒng)變電站的運(yùn)行的可靠性，要定期對(duì)一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行停電維護(hù)，檢修線路和變壓器內(nèi)部故障時(shí)，也影響了供電的持續(xù)性[3]。在變電站檢修期間，接入便攜式裝置可以提供臨時(shí)性的保護(hù)，來保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

以常規(guī)變電站為例，如圖7所示，讓裝置暫時(shí)性接替原有保護(hù)裝置的保護(hù)工作，從而降低越級(jí)跳閘的風(fēng)險(xiǎn)性，保證系統(tǒng)安全。

圖7 常規(guī)變電站保護(hù)替換方式

3 結(jié)束語

變電站便攜式保護(hù)克服了常規(guī)變電站與智能變電站在故障檢修時(shí)無法保證系統(tǒng)可靠性與供電持續(xù)性問題，與傳統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置不同，采用FPGA做為核心主控芯片，實(shí)現(xiàn)差分濾波的傅里葉算法，對(duì)各個(gè)模塊協(xié)調(diào)控制，并將裝置設(shè)計(jì)為箱式結(jié)構(gòu)，便于攜帶，設(shè)計(jì)進(jìn)一步工作為在軟件方面，繼續(xù)進(jìn)行大量動(dòng)態(tài)模擬仿真試驗(yàn)，數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了裝置的靈敏度以及提高裝置的抗干擾能力。