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摘要：煤矿变电站作为中低配电网的重要组成部分，利用微机保护系统对变电站继电保护系统进行数字化、智能化建设对于提高煤矿供电安全十分重要。在分析数字化变电站继电保护系统结构与保护要求的基础上，利用DSP数字处理器，对保护系统的硬件软件进行设计开发，实现了对变电站继电保护系统实时监测与保护功能。该系统在实际使用过程中运行稳定，极大提高了煤矿供电的安全性。
关键词：继电保护；数字化；保护方式；
1.数字化变电站继电保护系统分析
1.1变电站系统结构
本文对煤矿上变电站进行数字化建设，整个数字化变电站采用分层式结构，即分为站控层、间隔层、过程层以及相关通信协议。站控层作为整个系统的总控中心，安装有主机服务器、通信设备、工作站、微机闭锁系统等部分组成，从而可以完成整个系统的数据采集、逻辑运算、监测等功能，方便工作人员进行实时监控与操作。间隔层安装有测控装置和微机保护系统、变压器保护屏等装置，即使是在高要求的电磁环境下各设备仍可以长期稳定工作。过程层主要是通过安装的通信设备完成各个间隔层之间的数据交换与调度功能，从而控制传感器和执行操作机构，完成最终保护过程。
1.2变电站继电保护设计
变电站继电保护系统主要通过监测装置实时监测变电站电力系统的正常、不正常、故障3种运行状态的电气量，并通过它们之间的差别将故障进行识别分类，对故障元器件进行判别警示[7]。而要实现继电保护系统实时监测与可靠性的保护功能，则需要进行微机系统设计投入运行，并且保护系统朝着智能化与网络共享化发展。微机继电保护系统通过高速通信网路采集系统的各器件装置的电压、电流以及一次设备运行的二次电压、电流等模拟量信息，采集的模拟信息通过中央CPU处理，完成保护功能的逻辑判别运算，并将处理指令下传至继电保护装置从而可以在故障时迅速完成故障保护。在所设计的保护系统中，继电保护装置根据需要根据不同故障的原理采取不同的保护形式。例如：电流速断保护、差动保护、过电压（电流）保护、瓦斯保护、后备保护等[8]。（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。（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。
2.DSP系统的整体方案设计
在变电站正常工作的情况下，电流和电压等工作参数会在一定范围上下浮动，但当系统发生故障时，电流、电压会发生突变，容易对电气设备和电路等造成损坏。所以根据这个原理，可以计算出各电气组件发生故障时电流、电压的界限值来以此判断发生故障的位置。根据煤矿变电站的工作情况与各电气元件的布置情况，分析全站易出现的故障类型与故障位置。继电保护系统要实现全站线路和各电气元件的保护功能，当产生故障时，能够快速、准确识别故障的产生位置。
3.系统的硬件设计
继电保护系统的硬件主要由处理器模块、电源模块、数据采集模块、串口通信模块、存储器模块、开关量输入输出模块及人机对话模块等组成。系统硬件结构如图1所示，其中箭头的方向代表模块之间信息的流动。处理器模块负责系统保护主程序的存放，为了保证变电站的正常工作，处理器会一直执行循环自检程序，当系统发生故障时会产生中断脉冲，处理器进入中断服务程序中。数据采集模块可以获得系统被保护元件的模拟信号、电流和电压等，经过数模转换提供给系统的处理器使用。开关量输入输出模块是保护系统接收外界远程控制信号等信息和输出远程信号和界面信息的模块。人机对话模块完成人机交换功能，满足保护系统的设定、调整和检查需求。存储器模块负责记录系统运行日志，供巡检人员查看。电源模块是保护系统的重要设施，保护系统的装置是精密的电子仪器，供电系统必须稳定可靠。
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图1系统的硬件结构框图
3.1CPU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[5]。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。
TI公司的TPS7333Q芯片作为DSP的供电电源芯片。TMS320LF2407的工作电压为3.3V，TPS7333Q芯片通过将输入的5V电压转换成3.3V的需求电压，同时该芯片还可以满足DSP芯片的一切电气需求。如图2所示为DSP电源电路。TMS320LF2407芯片内的时钟可以通过一个低频率的外部时钟来合成。本系统DSP芯片采用有源晶振，晶振频率为5MHz，通过合成最高可以得到20MHz的片内时钟。与无源晶振相比，有源晶振具有更强的抗干扰性。
芯片的复位电路。为了实现芯片的手动复位和在发生故障时的自动复位，综合对比分析后，选用MAX811S芯片作为本系统的复位芯片。当电源电压降至最低电压以下时，MAX811S芯片会自动产生复位信号，送至DSP的复位引脚。当按下按钮S1时，系统也可以实现手动复位。
结束语
本文设计了一种基于DSP处理器的煤矿数字化变电站的继电保护系统，对变电站的总体保护方案进行了设计，配置了被保护元件的保护方式，对系统的处理器模块和数据采集模块进行了选型与设计，对软件的主程序流程进行了设计。本文所设计的继电保护系统有效地保护了变电站的安全稳定运行，为井下工人的生命安全提供了保障，同时保障了煤矿自动化生产所需的稳定电源。
参考文献：
［1］李先妹，黄家栋，唐宝锋.数字化变电站继电保护测试技术的分析研究［J］.电力系统保护与控制，2012，40（3）：105-108.
［2］李俊峰.智能变电站数字化保护与同步系统方案设计［D］.北京：华北电力大学，片介绍及其选型［J］.单片机与嵌入式系统应用，2006（4）：8-11.