信息化技术在电力工业配电线路微机保护中的应用

谷广超， 李金方

（漯河职业技术学院， 河南 漯河 462000）

0 引言

随着工业经济的不断壮大，各行各业用电需求越来越高，进一步加快了我国电网的建设，同时，也给供电的可靠性提出了更高的要求。尤其是配电线路，作为电力系统的最后环节，与用户关系更紧，因此，保证配电系统的稳定性、安全性意义重大。

现阶段，供电部门采取了多种方法对配电线路系统进行了保护，显著降低了用电安全事故的发生，但大多数是从自动化调度方面来实现的，应该看到，这仅仅是不够的，还应该从配电线路与自动化设备应用角度来考虑。提高配电线路供电可靠性通常的做法是在线路上增加保护装置，随着信息化的进展，DSP 的出现，为微机继电保护提供了新的思路[1-3]。

本文顺应微机保护发展的方向，采用TI 公司的TMS320LF2407DSP 芯片为控制核心，充分利用DSP强大的数据处理能力、丰富的外设和速度，针对10kV配电线路微机保护的原理、算法、以及软件平台进行研究。旨在从整体上提高微机保护的精度和可靠性。

1 配电线路微机保护系统硬件设计

本系统设计的硬件架构整体框图如图1 所示，基于TMS320LF2407 型号的DSP 为核心控制单元，硬件系统从电网采集到模拟信号，然后将该模拟信号转换成ADC 可以处理的微弱输入信号，之后进入DSP 进行一系列操作。所涉及到的模块有主控模块、数采模块、通信模块、开关模块、电源模块、显示模块等。

图1 装置原理

1.1 数据采集单元设计

在模拟量输入环节设计中，该环节为信号的检测与调理，实现强弱电隔离功能、信号电平转换功能、信号放大功能、信号滤波等功能，目的是为了满足DSP对输入信号的要求。

对于电压的调理（见图2），首先通过互感器调理变化，变化比

图2 电压调理电路

在第二级放大电路中引入了1.5 V 电压，目的是为了将电压信号双极转单极。

对于电流的调理（见图3）与电压类似，暂不分析。

图3 电流调理电路

本设计选取的AD 芯片为AD7865，该AD 与DSP 通过总线连接，包含数据线、地址线、片选线，连接图如图4 所示。

图4 DSP 与一片AD7865 的连接

1.2 通信单元设计

由于本系统通信方式比较简单，且不存在长距离信号传输，因此综合考虑，在本系统中，DSP 与上位机之间采用RS-232 通信方式，仅采用三根信号线就可以实现对DSP 的控制。

由于DSP 具有异步串行通信功能，所以通信单元只需要增加相应的驱动电路即可，将3.3 V 电压转换成为异步串口电压，具体电路设计如图5 所示。

图5 电平转换电路

1.3 开关单元设计

开关单元设计包含开关输入量和开关输出量两个环节。对于开关输入量，在配电系统中，对于采集断路器状态、合闸状态等信息，一般都是通过光电隔离的形式输入的，本系统需要采集的开关输入量有10路，选取H11AA4 型号的光电隔离器件，如图6 所示，光隔离输入至74LS14，然后DSP 完成之后的信息处理。

图6 开关量经光隔输入原理

对于开关输出量，由于DSP 输出的是CMOS 电平，需要经过转换之后才能控制外部设备的开启与关闭，如图7 所示，本系统选取小型继电器来控制合闸线圈与跳闸线圈的通断，DSP 输出首先经过光电隔离，然后驱动继电器。

图7 开关量经光隔输出原理

1.4 硬件抗干扰设计

在本系统中，为了保证微机保护系统的稳定安全，要重点考虑电磁兼容问题，其中，硬件抗干扰技术能够很好地解决这个问题。经分析，本文采取多种硬件抗干扰方法，第一种为PCB 的合理设计，要合理布局、安全走线，不同信号线走不同的PCB 层，数字信号与模拟信号要分层布局，走线宽度、角度、长度要合理分配；第二种为隔离技术，本设计采用了模数隔离芯片及电源隔离技术，能够很好抑制外界尖峰脉冲干扰；第三种为接地技术，数字地与模拟地要严格分开，当不同接地点需要连接时，可以串入电感抑制电流突变；第四种为屏蔽技术，屏蔽技术主要用于不同空间的金属隔离，本设计采样了插针式设计，降低了不同板卡电气连接导体面积，屏蔽板子可以与机壳大地连接。

2 配电线路微机保护系统软件设计

在配电线路微机保护系统软件设计中，主程序是软件系统的主框架，对其他各个功能子模块进行管理满足子模块按正常流程执行工作，主程序工作流程如图8 所示。首先，在系统加载电压或复位之后，DSP 对系统工作环境进行初始化及设置，包含DSP 片内所有用到的外设进行设置，如A/D 模块、CAN 控制器等。接着，DSP 从FLASH 中读出设定好的系统配置参数及故障信息等数据，之后对液晶显控设备进行初始化，在显控设备初始化结束之后，主程序开始循环处理各个子模块，如测量数据的计算、通信指令的处理、配置参数的存储等。特别强调的是，在主程序循环工作时，只有子模块的条件满足才执行相应的子模块功能，条件不满足则执行下一个子模块。另外，数据采集与通信都有相应的终端程序。

图8 主程序流程

3 结语

信息化与工业化相辅相成，信息化更是促进工业企业或行业发展的有力力量，本文以DSP 为核心控制单元，分别从配电线路微机保护系统硬件设计与配电线路微机保护系统软件设计两个方面对配电保护进行了研究，满足了配电系统的现实需求，通过本文的研究可以发现，在电力行业配电保护环节引入信息化技术能够使电力运行更加安全，从而降低了电力事故的发生，为电力行业减少了经济损失，电力行业经济效益得到明显提升。本文的研究对变电站配电系统保护具有一定的参考意义。