一種數(shù)字相敏保護(hù)算法及其實(shí)現(xiàn)方法研究

張民

摘要：針對(duì)基于硬件的煤礦井下供電線路的相敏保護(hù)獲取功率因數(shù)角方法，采用對(duì)供電系統(tǒng)電流實(shí)時(shí)采樣，并利用dq坐標(biāo)變換計(jì)算功率因數(shù)角的方法，替代傳統(tǒng)的硬件方法，避免了因電壓和電流過零點(diǎn)的不同步造成硬件獲取的功率因數(shù)角存在較大誤差，從而避免了相敏保護(hù)誤動(dòng)作，提高了相敏保護(hù)的穩(wěn)定性和可靠性，改善了傳統(tǒng)保護(hù)中的不足。

關(guān)鍵詞：煤礦井下，相敏保護(hù)，dq坐標(biāo)變換，功率因數(shù)

中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1098（2015）01-0000-00

Abstract：Foucs on the acquisition method of power factor angle for phase-sensitive protection of circuit in coal mine based on hardware technology， employeeing the current real-time sampling for power supply system and dq coordinate transformation， the power factor angle is calculated. The method avoids the big erro of obtaining power factor angle due to the synchronization of the zero-crossing voltage and current， and then can eliminate the misoperation of phase-sensitive protection，and improve the stability and reliability of the phase-sensitive protection.

Key words：Coal mine； phase-sensitive protection.； dq coordinate transformation；power factor

短路保護(hù)是煤礦井下供電系統(tǒng)中的三大保護(hù)之一，它是一種保證供電可靠性和安全性所必需的保護(hù)措施。煤礦井下多采用異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力負(fù)載，異步電動(dòng)機(jī)在使用時(shí)配備有電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器。但是異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)和發(fā)生短路以及堵轉(zhuǎn)時(shí)都會(huì)造成電流快速上升。如果采用傳統(tǒng)的電流速斷保護(hù)則不能區(qū)分是哪種類型造成電流增大，有可能造成保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)。利用相敏保護(hù)可以準(zhǔn)確區(qū)分造成電流增大的類型。

相敏保護(hù)是能反應(yīng)被保護(hù)線路中電流相位的保護(hù)裝置?，F(xiàn)在的相敏保護(hù)大都通過硬件電路，對(duì)電壓和電流波形整形，通過檢測(cè)電壓和電流的過零點(diǎn)從而得到電壓和電流的相位，最終得到功率因數(shù)。但是供電線路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流中包含有非周期分量成分，當(dāng)檢測(cè)電壓和電流波形時(shí)便影響電壓和電流的過零點(diǎn)，從而影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性，造成相敏保護(hù)的誤動(dòng)作。同時(shí)現(xiàn)有的相敏保護(hù)只能對(duì)對(duì)稱性短路有效，對(duì)于不對(duì)稱短路則無法區(qū)分出其功率因素角。dq坐標(biāo)變換現(xiàn)在廣泛的被用為電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)和無功電流檢測(cè)。

本文提出運(yùn)用dq坐標(biāo)變換對(duì)采集到的三相瞬時(shí)電流進(jìn)行運(yùn)算，得到功率因數(shù)后再參與相敏保護(hù)。避免了因電壓和電流的過零點(diǎn)的不準(zhǔn)確造成相敏保護(hù)誤動(dòng)作，提高了相敏保護(hù)的準(zhǔn)確性，改善了傳統(tǒng)保護(hù)中的不足。

1相敏保護(hù)原理

煤礦井下供電系統(tǒng)中的負(fù)載均為感性負(fù)載，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，功率因數(shù)比較低，而在短路故障情況下，功率因數(shù)則很高，所以采用基于功率因數(shù)檢測(cè)的相敏保護(hù)原理不但可提高短路保護(hù)的靈敏度，而且還能保證其動(dòng)作的可靠性。

相敏保護(hù)的原理是：電動(dòng)機(jī)負(fù)載為感性負(fù)載，在直接起動(dòng)時(shí)，其功率因數(shù)是很低的（一般cos 在03 ～ 05），而線路出現(xiàn)短路時(shí)功率因數(shù)則很高（cos 可以達(dá)到1）。因此，若在檢測(cè)電流大小的同時(shí)，再檢測(cè)功率因數(shù)，就可以十分明顯地區(qū)別起動(dòng)電流和短路電流。

2數(shù)字相敏保護(hù)算法

煤礦井下采用的是三相對(duì)稱負(fù)載，在負(fù)荷無中線的情況下，三相電流ia、ib和ic經(jīng)過線性組合后，定義為定子電流空間矢量is。變換至α、β兩相系統(tǒng)只有α和β分量，在α、β坐標(biāo)系中，iα是is在α軸上的分量，iβ是is在β軸上的分量。當(dāng)三相電流ia、ib和ic三相平衡時(shí)，α和β分量的大小相等、相角差90°，即α、β兩相也是平衡的。

iα

iβ=231-12-12

032-32ia

ib

ic （1）

iα

iβ=cosφ-sinφ

sinφcosφid

iq （2）

三相電流信號(hào)經(jīng)α、β變換及dq 變換后，得出電流的基波有功分量和無功分量。abc靜止坐標(biāo)系中的電流ia、ib、ic經(jīng)派克變換后變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的有功分量id和無功分量iq。

id

iq=

23sin t-cos t

-cos t-sin t1-12-12

032-32ia

ib

ic （3）

根據(jù)電路理論可知，電流向量I·可分為有功分量I·a和無功分量I·r，I·a與電壓U·同相，Ia=Icosφ，I·r與電壓正交，Ir=Isinφ（見圖1）。這樣P=UIa，Q=UIr。所以

cos φ=idi2d+i2q （4）

得出cosφ后，根據(jù)相敏保護(hù)的原理建立數(shù)字相敏保護(hù)的判據(jù)條件：

1） 如果028

2） 如果085

3保護(hù)器裝置設(shè)計(jì)

31CPU簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)具有相敏短路保護(hù)功能的礦用電機(jī)保護(hù)器和饋電開關(guān)保護(hù)器時(shí)，控制核心采用了ST公司的基于32位ARM，Cortex-M3核的STM32F107型微處理器。STM32F107的外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)12位AD、兩個(gè)12位DA、兩個(gè)I2C接口、五個(gè)USART接口和三個(gè)SPI端口，可以滿足不同類型保護(hù)器的功能要求。該芯片運(yùn)算速度快，具有較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，能夠滿足保護(hù)器的實(shí)時(shí)工作要求。

32硬件和軟件設(shè)計(jì)

保護(hù)器的硬件系統(tǒng)包括主控單元、 數(shù)據(jù)采集單元、 人機(jī)接口和通信單元組成。 數(shù)據(jù)采集單元對(duì)供電線路中的三相實(shí)時(shí)電壓、 電流及零序電壓、 零序電流進(jìn)行采樣。 STM32F107的AD基準(zhǔn)電壓是+3 V，為此必須將供電線路的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行變換同時(shí)進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)換為0～+3V的信號(hào)供DSP采樣。A相電流采樣調(diào)理電路如圖2所示，系統(tǒng)的電流采用電流互感器獲得，電流互感器的一次側(cè)接供電線路，二次側(cè)接調(diào)理電路。通過電流互感器后，二次側(cè)為5A電流信號(hào)，再通過二次電壓變換轉(zhuǎn)化為-15～+15 V電壓信號(hào)，通過低通濾波、阻抗變換和電平提升后轉(zhuǎn)化為0～+3 V的信號(hào)送入一個(gè)多路開關(guān)中，通過對(duì)多路開關(guān)的控制，送入STM32F107的AD端口。其余兩路電流采樣和A相相同不再敘述。圖2A相電壓采樣調(diào)理電路STM32F107對(duì)采樣到的電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字相敏保護(hù)運(yùn)算，進(jìn)而計(jì)算出供電系統(tǒng)的功率因數(shù)角，將計(jì)算到的功率因數(shù)角和設(shè)定的電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)角以及短路時(shí)的功率因數(shù)角進(jìn)行比較。從而區(qū)別出這兩種狀況，在短路時(shí)發(fā)出跳閘信號(hào)，切斷供電線路（見圖3）。當(dāng)電流采集后，程序運(yùn)行數(shù)字相敏保護(hù)算法，計(jì)算出功率因數(shù)值cos ，當(dāng)028

在實(shí)驗(yàn)室采用一臺(tái)200A真空饋電，一臺(tái)200A磁力啟動(dòng)器和一臺(tái)22 KW的三相異步電機(jī)搭建了系統(tǒng)供電模型。試驗(yàn)參數(shù)為：供電電壓為660 V，電機(jī)額定電流40 A，轉(zhuǎn)速1475 r/min；電纜采用截面40 mm2的阻燃電纜，供電長(zhǎng)度50 m。實(shí)驗(yàn)的過程中模擬了遠(yuǎn)端接地短路，分別對(duì)電機(jī)起動(dòng)和這兩種短路情況下的功率因數(shù)進(jìn)行測(cè)試?；赿q坐標(biāo)變換的饋電開關(guān)的數(shù)字相敏保護(hù)測(cè)試時(shí)的技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

5結(jié)論

基于dq坐標(biāo)變換的數(shù)字相敏保護(hù)不受現(xiàn)場(chǎng)條件的影響，具有較高的靈敏度，能適應(yīng)不同狀況下功率因數(shù)變化的情況，達(dá)到快速檢測(cè)的要求。具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋建成，謝恒土，王雁欣，等.基于功率因數(shù)檢測(cè)的礦井低壓電網(wǎng)相敏保護(hù)的研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，1999，23（2）：38-41.

[2]羅軍濤，陳允平，曹華珍.基于功率因數(shù)角突變的故障線路判別[J].繼電器，2000，28（1）： 6-9.

[3]余道洋.礦用智能型電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器[J].工礦自動(dòng)化，2003，25（2）：21-22.

[4]王賓，祝龍記.基于單片機(jī)的礦用電動(dòng)機(jī)相敏保護(hù)的實(shí)現(xiàn)[J].工礦自動(dòng)化，2006，28（1）：27-29.

[5]馮建勤， 宋寅卯.基于電流采樣值的相敏過電流保護(hù)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2006，18（3）：77-80.