CN104283197A - 一种继电保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种继电保护系统，包括预处理单元、数据采集单元、信号处理单元及保护单元，预处理单元包括模拟量预处理模块、开关量预处理模块及工频整形模块，数据采集单元包括数据采集模块及电平转换模块，信号处理单元包括控制逻辑模块、数字信号处理器、片外处理模块，数据采集模块用于实现对多路模拟量的同步采样及储存，控制逻辑模块用于实现常规的逻辑功能和复杂的时序逻辑，数字信号处理器实现故障逻辑的判断功能和时序逻辑启停功能，保护单元用于控制继电器进行保护动作。本发明克服现有继电保护系统的不足，具有数据采样精度高、处理速度快、保护动作精确率高的优点。

Description

一种继电保护系统

技术领域

     本发明涉及电力系统控制领域，尤其是涉及一种继电保护系统。

背景技术

在实际运行中，电力系统总是会受到各种各样的干扰，打破电力系统的平衡运行。在受到干扰后，电力系统的结局便有两种可能，一种情况是电力系统从原来的稳定状态过渡到另一种新的稳定状态，由于电力系统中存在着很多惯性元件，在再次达到平衡之前，必然经历一个过渡过程，这种过渡过程就是暂态过程。实际的电力系统绝大部分时间总是处于这种动态的平衡重；另一种情况是系统的运行状态发生剧烈的变化，运行参数大大偏离正常值，以致电能质量严重恶化，甚至导致电力系统对用户的正常供电局部地乃至全都地遭到破坏。

为了避免这种情况出现，需要在系统中安装相应的继电保护装置，以便一旦发生故障可以迅速而有选择的切除故障元件，保证无故障部分正常的运行。作为一种监测电力系统运行状况并自动切除故障以保证电力系统正常运行的自动化装置，而现有继电保护系统具有以下缺点：1）保护动作精确率低。不能准确识别故障元件致使切除范围过大，从而造成停电范围扩大，不利于系统中无故障部分的安全运行。2）速动性、灵敏性差。保护系统在保护范围内发生故障或不正常运行状态时，反应能力弱致使不能迅速动作切除故障。3）系统可靠性差。在规定的保护范围内发生属于其应该动作的故障时拒绝动作；而在不属于其应该动作的情况却误动作。

发明内容

本发明的目的是克服现有继电保护系统的不足，提供一种继电保护系统，其能快速可靠地切除故障元件并限制事故影响范围以保证全系统的安全稳定运行，具有性能优越、可靠性高的优点。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：一种继电保护系统，包括预处理单元、数据采集单元、信号处理单元及保护单元，所述预处理单元包括模拟量预处理模块、开关量预处理模块及工频整形模块，所述数据采集单元包括数据采集模块及电平转换模块，所述信号处理单元包括控制逻辑模块、数字信号处理器、片外处理模块，其中：所述模拟量预处理模块用于滤除叠加在工频信号中的高频成分，并将微弱的工频信号放大处理转换成所需值；所述开关量预处理模块用于实现遥控信号的输入、自检、输出以及输入与输出间的绝缘隔离；所述工频整形模块用于将工频信号整形转换为一个同相位的方波信号；所述数据采集模块用于实现对多路模拟量的同步采样及储存；所述电平转换模块用于将采样后的数字信号转化为可与数字处理信号模块相匹配的数字信号；所述控制逻辑模块用于实现常规的逻辑功能和复杂的时序逻辑，并发出相应信号；所述数字信号处理器通过对数字信号的频率测量实现故障逻辑的判断功能和时序逻辑启停功能；所述片外处理模块用于记录、发送相应的故障报告；所述保护单元用于控制继电器进行保护动作。

进一步地，所述保护单元包括保护校验模块、闭锁模块及信号输出模块，所述保护校验模块用于防止程序跑飞造成的错误命令，所述闭锁模块用于实现对遥控信号的闭锁动作，所述信号输出模块用于检测开关量的输出通道，及时执行或者撤回跳闸总开关遥控信号。

进一步地，所述控制逻辑模块包括控制逻辑器、模数控制器、工频测量器及保护校验器，所述控制逻辑器用于常规的逻辑功能和复杂的时序逻辑，所述模数控制器用于产生满足模数转换时序要求的信号，所述工频测量器用于对整形后的工频信号进行频率测量，保护校验器用于对信号处理单元在故障发生时发出的跳闸命令信号进行确认处理。

进一步地，所述数据采集模块包括同步采样/保持模块、模数转换模块、储存器模块，所述模数转换模块用于将模拟信号转换为数字信号，所述同步采样/保持模块用于实现对多路模拟量的同步采样及保持，所述储存器模块用于储存转换结果。

进一步地，所述模拟量处理模块包括无源低通滤波及四运放大集成电路，所述开关量预处理模块包括光电耦合器及缓冲驱动器。

进一步地，所述模数控制器包括开关量读取模块和模数控制模块，所述开关量读取模块通过开关量预处理模块读取开关开合状态，所述模数控制模块用于产生满足模数转换时序要求的信号。

与现有继电保护技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明中，通过预处理单元的设置可实现模拟量的滤波，从而有效避免信号混叠失真；通过工频整形模块的设置，可将一路电压信号整形为同相位的方波，便于测量电力线路的工频周期。通过数据采集单元的设置，可实现对12路输入模拟量信号的同步采样，从而可对每一路模拟量信号的大小及相位关系进行采集并储存。通过数字信号处理单元的设置，可对采样数据进行高速运算快速分析。通过保护单元的设置校验继电保护命令，防止程序跑飞造成错误命令。本发明不仅抗干扰能力强、数据采样精度高、数据处理速度快，且保护动作精确率高、系统可靠性强。

附图说明

图1为本发明所述的一种继电保护系统一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种继电保护系统，包括预处理单元、数据采集单元、信号处理单元及保护单元，所述预处理单元包括模拟量预处理模块、开关量预处理模块及工频整形模块，所述数据采集单元包括数据采集模块及电平转换模块，所述信号处理单元包括控制逻辑模块、数字信号处理器、片外处理模块，其中：所述模拟量预处理模块用于滤除叠加在工频信号中的高频成分，并将微弱的工频信号放大处理转换成所需值；所述开关量预处理模块用于实现遥控信号的输入、自检、输出以及输入与输出间的绝缘隔离；所述工频整形模块用于将工频信号整形转换为一个同相位的方波信号；所述数据采集模块用于实现对多路模拟量的同步采样及储存；所述电平转换模块用于将采样后的数字信号转化为可与数字处理信号模块相匹配的数字信号；所述控制逻辑模块用于实现常规的逻辑功能和复杂的时序逻辑，并发出相应信号；所述数字信号处理器通过对数字信号的频率测量实现故障逻辑的判断功能和时序逻辑启停功能；所述片外处理模块用于记录、发送相应的故障报告；所述保护单元用于控制继电器进行保护动作。本实施例中，数字信号处理器可选用芯片TMS320VC5416，其运算速度最高可达160MIPS，内部还集成了定时器、同步/异步串口等多种硬件资源，能够满足设计的要求。还可采用SPI方式按着一定的协议负责与继电保护系统的监控模板通讯，发送故障报告。

    本实施例应用时，输入模拟信号是由PTCT模板的电压电流互感器输出的12路模拟量，在进行AD转换之前，每路输入的模拟信号经过模拟量预处理模块进行预处理，可将叠加在工频信号中的高频成分滤出来，以避免混叠失真。经整形后的工频信号有12路，采样要求保持同步，因此在本实施例中可设计有2套数据采集模块。输入开关信号为12路输入遥控信号，每路信号的输入都要经过光电隔离。控制逻辑模块通过开关量预处理模块将开关量信号读入从而获取输入遥控信号的开合状态，并发出相应地信号控制模数转换模块，比如转换器的时钟信号、转换启动信号，使其能够按要求正常地工作。预处理后，通过数据采集模块对其进行同步采样，再将采样后的模拟信号转换为信号处理单元所需的数字信号，以便进行信号的处理、存储和控制。数字信号处理器读入经过电平转换和整形后的数字信号，对其进行信号分析计算，实现频率故障启动判据、故障波形启动判据和故障幅值启动判据相应的算法机制，判断电路线路上是否有故障发生。一旦发现有故障问题，就通过逻辑控制器控制保护校验器启动保护程序，再通过保护单元校验输出或者撤销相应的跳闸命令。并将故障发生的时间、类型以及有关电气参数记录保存于片外处理模块内。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上作出了如下进一步限定：所述保护单元包括保护校验模块、闭锁模块及信号输出模块，所述保护校验模块用于防止程序跑飞造成的错误命令，所述闭锁模块用于实现对遥控信号的闭锁动作，所述信号输出模块用于检测开关量的输出通道，及时执行或者撤回跳闸总开关遥控信号。本实施例中，闭锁模块可选用SN74LS00。保护单元主要是指校验继电保护命令操作的单元，实际的继电器与跳闸开关在继电保护系统的继电器跳闸保护模板上。在本模板中，跳闸命令信号由数字信号处理器在确认故障发生时发出并经控制逻辑模块进行确认处理。保护单元主要是完成保护的动作，输出的信号必须经防止误动作的保护校验模块和闭锁模块验证，才可以通过信号输出模块输出相应的遥控信号给继电器跳闸保护模板。输出的遥控信号按设计可分为执行总信号、执行信号、和监测信号，具体为保护跳闸信号、保护合闸信号、远方跳闸信号、远方合闸信号、停信信号、保护启动信号、监控异常信号以及系统CPU异常信号。实际设计中将监测信号输出通道的电源与执行总信号、执行信号输出通道的电源隔离，防止不同模板之间出现串扰。

    实施例3

本实施例在实施例1~2中任意一项实施例的基础上作出了如下进一步限定：所述控制逻辑模块包括控制逻辑器、模数控制器、工频测量器及保护校验器，所述控制逻辑器用于常规的逻辑功能和复杂的时序逻辑，所述模数控制器用于产生满足模数转换时序要求的信号，所述工频测量器用于对整形后的工频信号进行频率测量，保护校验器用于对信号处理单元在故障发生时发出的跳闸命令信号进行确认处理。

实施例4

本实施例在实施例3的基础上作出了如下进一步限定：所述数据采集模块包括同步采样/保持模块、模数转换模块、储存器模块，所述模数转换模块用于将模拟信号转换为数字信号，所述同步采样/保持模块用于实现对多路模拟量的同步采样及保持，所述储存器模块用于储存转换结果。本实施例中，预处理后，通过同步采样/保持模块对其进行同步采样/保持，再通过模数转换模块将连续变化的模拟信号转换为处理单元所需的数字信号，以便进行信号的处理、存储和控制。本实施例中，在进行AD转换之前，每路输入的模拟信号经过无源低通滤波电路和四运放大集成电路进行预处理，无源低通滤波电路可以将叠加在工频信号中的高频成分滤出来，以避免信号混叠失真。实际设计中连续采用两次一阶低通滤波效果更佳。四运放大集成电路内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。光电耦合器的工作频率一定大于开关量变化的最大频率，否则开关量信号将不能反映开关量的开合状态。由于输入遥控信号的变化频率不是很高，普通的光电耦合器件可以满足要求。本实施例中可选用TLP181光电耦合器件，其隔离电压可达3750V，保障模板内部器件的安全；可选用SN74LVTH16244作为输入遥控信号的缓冲驱动器。

实施例5

本实施例在实施例3的基础上作出了如下进一步限定：所述模拟量处理模块包括无源低通滤波及四运放大集成电路，所述开关量预处理模块包括光电耦合器及缓冲驱动器。本实施例中，在进行AD转换之前，每路输入的模拟信号经过无源低通滤波电路和四运放大集成电路进行预处理，无源低通滤波电路可以将叠加在工频信号中的高频成分滤出来，以避免信号混叠失真。实际设计中连续采用两次一阶低通滤波效果更佳。四运放大集成电路内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。光电耦合器的工作频率一定大于开关量变化的最大频率，否则开关量信号将不能反映开关量的开合状态。由于输入遥控信号的变化频率不是很高，普通的光电耦合器件可以满足要求。本实施例中可选用TLP181光电耦合器件，其隔离电压可达3750V，保障模板内部器件的安全；可选用SN74LVTH16244作为输入遥控信号的缓冲驱动器。

实施例6

本实施例在实施例3的基础上作出了如下进一步限定：所述模数控制器包括开关量读取模块和模数控制模块，所述开关量读取模块通过开关量预处理模块读取开关开合状态，所述模数控制模块用于产生满足模数转换时序要求的信号。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种继电保护系统，其特征在于：包括预处理单元、数据采集单元、信号处理单元及保护单元，所述预处理单元包括模拟量预处理模块、开关量预处理模块及工频整形模块，所述数据采集单元包括数据采集模块及电平转换模块，所述信号处理单元包括控制逻辑模块、数字信号处理器、片外处理模块，其中：

所述模拟量预处理模块用于滤除叠加在工频信号中的高频成分，并将微弱的工频信号放大处理转换成所需值；

所述开关量预处理模块用于实现遥控信号的输入、自检、输出以及输入与输出间的绝缘隔离；

所述工频整形模块用于将工频信号整形转换为一个同相位的方波信号；

所述数据采集模块用于实现对多路模拟量的同步采样及储存；

所述电平转换模块用于将采样后的数字信号转化为可与数字处理信号模块相匹配的数字信号；

所述控制逻辑模块用于实现常规的逻辑功能和复杂的时序逻辑，并发出相应信号；

所述数字信号处理器通过对数字信号的频率测量实现故障逻辑的判断功能和时序逻辑启停功能；

所述片外处理模块用于记录、发送相应的故障报告；

所述保护单元用于控制继电器进行保护动作。

2.根据权利要求1所述的一种继电保护系统，其特征在于：所述保护单元包括保护校验模块、闭锁模块及信号输出模块，所述保护校验模块用于防止程序跑飞造成的错误命令，所述闭锁模块用于实现对遥控信号的闭锁动作，所述信号输出模块用于检测开关量的输出通道，及时执行或者撤回跳闸总开关遥控信号。

3.根据权利要求1~2中任意一项所述的一种继电保护系统，其特征在于：所述控制逻辑模块包括控制逻辑器、模数控制器、工频测量器及保护校验器，所述控制逻辑器用于常规的逻辑功能和复杂的时序逻辑，所述模数控制器用于产生满足模数转换时序要求的信号，所述工频测量器用于对整形后的工频信号进行频率测量，保护校验器用于对信号处理单元在故障发生时发出的跳闸命令信号进行确认处理。

4.根据权利要求3所述的一种继电保护系统，其特征在于：所述数据采集模块包括同步采样/保持模块、模数转换模块、储存器模块，所述模数转换模块用于将模拟信号转换为数字信号，所述同步采样/保持模块用于实现对多路模拟量的同步采样及保持，所述储存器模块用于储存转换结果。

5.根据权利要求3所述的一种继电保护系统，其特征在于：所述模拟量处理模块包括无源低通滤波及四运放大集成电路，所述开关量预处理模块包括光电耦合器及缓冲驱动器。

6.根据权利要求3所述的一种继电保护系统，其特征在于：所述模数控制器包括开关量读取模块和模数控制模块，所述开关量读取模块通过开关量预处理模块读取开关开合状态，所述模数控制模块用于产生满足模数转换时序要求的信号。