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２８ 《电气开关｝（２００６Ｎｏ．６） ．文章编号：１００４－－２８９Ｘ（２００６）０５－－００￣８－－０３ 基于ＡＲＭ的智能保护测控装置的研究 张喜俊牟龙华 （同济大学电气工程系 上海 ２０００９２） 摘 要：介绍了一种应用于矿井低压电网的智能化保护测控装置，该装置基于嵌入式芯片ＡＲＭ ＬＰＣ２２９２进行 ｉ￣ｉｉ－ 详细介绍了它的硬件组成、功能特点、工作原理以及所采用的保护测量算法。现场运行表明该装置性能稳 定，动作可靠，具有良好的推广应用价值。 关键词：微机保护；ＡＲＭ；馈电开关；算法 中图分类号：ＴＭ７７ 文献标识码：Ｂ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏ１ Ｄｅｖｉｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｚＨＡＮＧ Ｘｉ～ｉｕｎ ＭＵ Ｌｏｎｇ－－ｈｕａ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇ］ｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｖｉｃｅ ｕｓｅｄ ｏｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｌｏｗ－－ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＡＲＭ ｍｉｃｒ０Ｄｒｏｃｅｓｓｏｒ ＬＰＣ２２９２．Ｉｔｓ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ｇｏｏｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｗｉｌｌ ｂｅ ｏｆ ｇｒｅａｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ－－ｂａｓｅｄ ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ＡＲＭ；ｆｅｅｄｅｒ ｓｗｉｔｃｈ；ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 能保护测控装置的硬件框图如图１所示，主要由信号 １ 引言 采集电路、Ａ／Ｄ转换电路、输入输出通道和通信电路 Ｉｉ＝ 微机继电保护在我国的电力系统中得到了广泛的 应用，煤矿井下大多采用功能单一的电磁型继电器。随 转换器Ｈ 着煤炭生产机械化、自动化程度的提高，供电容量的增 ￣１９７］Ｕ ｌ ＬＰＣ２２９２大，对矿用隔爆型馈电开关的可靠性和安全性要求越 来越高。虽然传统的电磁式继电器在一定程度上也能 够满足井下电网保护的需要，但是随着微处理器技术、 匾ＥＥＰ囱ＲＣＭ［圃 蕊 图１智能保护测控装置硬件框图 信号处理算法以及人机接口等方面取得的重大进步， 等组成。 将各种保护功能集成到一个数字式的继电保护单元成 系统的输入信号包括三个相电流 、ｉ 和ｆ ，线电 为可能，并具有参数测量、事件报告、故障数据记录以 压‰，从零序电流互感器二次绕组引出的零序电流 及自检等功能ｎ Ｊ。 ｉ。，从零序电压互感器开口三角形侧获取的零序电压 ＬＰＣ２２９２是一个支持实时仿真和跟踪的１６／３２ 。，以及实现附加直流漏电保护检测的直流检测电压 位ＡＲＭ７ＴＤＭＩ—Ｓ处理器，具有丰富的外部接口。虽 输入电压、电流信号首先经过小ＰＴ、ＣＴ的变换和 然ＡＲＭ核不是专门用于数字信号处理的，没有单一 隔离，然后通过ＲＣ低通滤波器对这些模拟信号进行 的指令来实现乘法、累加和并行数据访问，但是通过重 滤波，以消除信号中的高次谐波分量和噪声，最后经过 复使用装载的数据，可以获取很好的ＤＳＰ性能。 滤波的信号经采样保持器送到Ａ／Ｄ转换器 根据香农 ２装置硬件结构和功能 采样定理，采样频率应该大于信号中最高频率分量的 基于嵌入式芯片ＡＲＭ ＬＰＣ２２９２的馈电开关智 ２倍，否则会产生混叠。由于采样频率越高，所需要的 数据处理时间也就越长，为了在这两者之间取得平衡， 维普资讯 http://www.cqvip.com
《电气开关》（２００６．Ｎｏ．６） ２９ 本装置中选取的采样频率为６００Ｈｚ。 本智能保护测控装置除具有短路保护、过载保护、 接地保护、负序电流保护、过／欠压保护以及测量、控制 功能外，还提供了完善的人机接口，可以方便的通过键 一— （ Ｒ一 Ｉ） Ｚ （５） √盘对各种保护参数进行整定。通信功能上配置有 ｉ 一 塞啦。ｓ（南 ２ｒｅ） 其中，．｛ｌ 暑 ｉＮ ｎ（凫 ２ｚ：） （６） ＲＳ４８５和以太网接口，可方便与其他设备交换信息。 ３保护与测量算法 为了实现上面的各种保护和测量功能，需要对输 入信号进行准确计算。假设由式（１）来表示要处理的电 流（电压）信号，信号主要由衰减直流分量、基波频率分 量以及高次谐波分量组成。 ｉ（￡）一 ｏｅｘｐ（－－ｔ／ｒ）＝ ｆｉＯＳ（ｎｃｏｔ＋口 ） （１） 其中ｉ（￡）是所测量电流的瞬时值，ｒ是衰减直流 分量的时间常数， 是谐波电流的次数，∞是基波角频 率， 是 次谐波分量的峰值，ａ 是 次谐波分量的初 相角。在采用了这种模型之后，就可以使用各种参数来 描述这种信号。例如：平均值、ＲＭＳ值、峰值以及基波 分量的ＲＭＳ值和相角［３］。 ３．１信号的ＲＭＳ值 以ｉ（ｆ）为例，其ＲＭＳ值定义为： ＩＲＭＳ＝＾ ∑Ｉｉ。 （２） 其中，Ⅳ为一个工频周期的采样点数，ＩＲＭｓ代表整 个信号的ＲＭｓ值，其中包括衰减直流分量和前（（Ｎ／ ２）一１）次谐波分量。 为了减少计算量，节约软件开销，式（２）可以写成 递归的形式： ＩＲＭＳ￣。一 ＲＭ 。＋ （３） ３。２基波分量的ＲＭＳ值和相角 一个正弦量 （￡）一 ｆｉＯＳ（ｏＪｔ＋ａ）对应的相量表示 为 一（Ｌ／√２） 。由于一个相量只能表示一个单一 频率的正弦波，考虑到在故障瞬间信号中必然存在大 量的谐波分量，因此暂态条件下不能直接应用相量来 表示信号。相反如果认为相量只是对一个有限长度波 形的基波分量的估计，那么就可以在暂态条件下应用。 假设对信号ｉ（￡）每周期进行Ⅳ点采样，那么根据 离散傅立叶变换（ＤＦＴ）可以得到 Ｎ 一｛ ∑ｉ√２ ＾一１ ｋｅ 霄 （４） 此离散化表达式可进一步表示为相量实部、虚部 的形式： 式（６）也可以写成递归的形式，这样每次采样只需 要做两次乘法。 Ｉ ＩＲｋ一 Ｒｋ－１＋ （ Ｎ）ｃ。ｓ（南 ） ｌ Ｉｌｋ Ｉ＝ＩＩｋ－１ ＋ （ Ｉ ｋ一 ）ｋ－Ｎ）ｓ ｉ（ｉｎ（ ） 同时基波分量的ＲＭＳ值和相角ａ可由式（８）得 ｆ ＲＭｓ （ ｌ。＋ 。）／２ （８） 【 口＝一ａｒｃｔａｎ（ＩＩ／ＩＲ） ３．３直流分量补偿 在电力系统发生故障时，输入信号中会含有较大 的衰减直流分量，此时使用ＤＦＴ算法得到的基波分量 的相量值会有较大的误差。为了克服衰减直流分量的 影响，采取了～种简化的方法来近似的估计出其大小。 依据原理是基波分量在ｔ时刻的值与ｆ＋７ｌ＂时刻的值 相比，它们的幅值相等而相位相反。假定衰减直流分量 是稳定的，那么在每周期采样１２点的情况下，可以得 到此直流分量为： 一． ｚｋ ６ 一— 一 （９） 专 ］（１０ 维普资讯 http://www.cqvip.com
３Ｏ 《电气开关￣（２００６Ｎｏ．６） ．１ｌ ２Ｒ－￣ＥＩａＲ一 １（ ｂＲ—Ｉ Ｒ）＋ （，ｂｌ－ＩｏＩ）］ （１１） ｆ １２，＝ ［ Ｉ－Ｔ。（１ｂＩ＋ Ｉ）一 （ ｂＲ— Ｒ）］ Ｊ。‘ — －。。。。。。。＿。。。。。‘ 。。一 ４结论 利用ＡＲＭ ＬＰＣ２２９２强大的数据处理能力，将保 护、测量、控制以及显示等功能集成在一起，提高了保 护装置的稳定性。随着工业以太网在矿山监控系统中 负序电流的模值为： ＝＝：√，ｇＲ２十 。。。 ３．５过载保护 煤矿井下的主要电气负载是电动机。在正常的工 作条件下，长时间的过负荷运行是导致电机故障的主 的应用，装置中设计了ＲＳ４８５和以太网两种通信接 口，方便将来系统的扩展。本文设计的微机保护测控装 置已经在生产现场得到应用，现场运行表明，该装置性 要原因。在分析了由于过负荷运行引起的热效应和电 动机的热辐射之后，采用式（１２）作为过负荷保护的模 型，它具有反时限的特性［ 。 ｄ ＃（ ）：∞（志＋Ｂ） （１２） 其中，ｔ（ ）是保护的动作时间，Ｓ；Ｍ是过载电流 的倍数；Ａ、Ｂ均为常数，ＴＤ为一个可设置的整定值。 这里分别选取常数Ａ＝１９．６１，Ｂ＝０．４９１，ＴＤ＝５。 ３．６接地保护 接地是供配电网络的主要故障形式之一，约占总 故障的７ｏ ９，５，不但会导致人身触电事故，还可能进一 步发展成为相间短路。针对我国煤矿井下电网大多采 用中性点不接地的辐射式供电的特点，本装餐采用了 基于零序电流方向的保护原理［引。图２是简化的具有 三条馈线的中性点不接地系统发生单相接地故障时的 零序等效网络图，假设线路厶的Ａ相发生接地故障， Ｒ为接地故障点的等效电阻。 图２中性点不接地系统单相接地零序等效网络 根据图２，故障线厶始端的零序电流为： ３１０３－ｊ３ＵｏｏＪ（ＣＥ－－Ｃ３）＝一３（ ０ｌ＋ ｏ２） （１３） 非故障线路厶和Ｌ。始端的零序电流为： ｆ ３１ｏｌ＝ｊＳＵ０“Ｃｌ Ｉ ３１０２－－ｊ３Ｕｏ ２ 其中ｃ∑－－Ｃｌ＋Ｃｚ十Ｃ。， 为系统的零序电压。 可见，流过故障线路的零序电流为非故障线路的 零序电流之和，且滞后 。９ｏ。。而流过非故障线路的零 序电流仅仅是本支路的对地电容电流，超前 。９ｏ。。因 此可以根据零序电流的方向来进行接地故障选线，具 有很高的灵敏度 能稳定，动作可靠，具有良好的应用价值。 参考文献 Ｅｌｉ牟龙华．供配电安全技术［Ｍ］．北京：机械工业 出版社．２００３ ［２］张举．微机型继电保护原理ｒＭ］．北京：中国水 利水电出版社，２００４ ［３］Ｍｕｒｔｙ Ｖ．Ｖ．Ｓ．Ｙａｌｌａ．Ａ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｒｅｌａｙ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，１ ９９２， ７（１）：１９３～２０１ ［４］ Ｗｏｒｋｉｎｇ ｇｒｏｕｐ Ｇ～７ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｙ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｒｅｌａｙｉｎｇ ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ． ＩＥＥＥ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｎｖｅｒｓｅ－－ｔｉｍｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｏｖｅｒｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｌａｙｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ， １９９９．１４（３）：８６８～８７２ ［５］ 宋建成，谢恒坤，杨同敏，李安平．基于零序电流 方向的选择性漏电保护系统的研究［Ｊ］．电网技术． １９９８．２２（９）：５３～５６ 收稿日期；２００６一Ｏ７—２０ 作者简介：张喜俊（１９８０一），男．硕士研究生，主要研究方向为电力系统 微机保护与监测监控 牟龙华（１９６３一）．男，博士。教授．博士生导师 主要研究方向为电力系 统微机保护、智能电器与电能质量。 投稿须知 凡向本刊投稿作者，请注明本人 的详细地址、单位、电话及职务和目 前所从事的工作，以便我们能随时与 作者联系。 投稿请用电子邮件或邮寄（附软 盘）至本刊编辑部。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｙｄｑｋｇ＠１６３．ｃｏｍ 欢 迎 投 稿