時間:2014-08-19 15:05:05來源:北京合康億盛變頻科技股份有限公司 孫紹慈
技術背景
微機保護是由微型計算機構成的繼電保護,具有高可靠性,高選擇性和高靈敏度的優(yōu)點,是電力系統(tǒng)繼電保護的發(fā)展方向(現(xiàn)已基本實現(xiàn),尚需發(fā)展)。微機保護系統(tǒng)以微處理器為核心,配以輸入輸出通道、人機接口和通訊接口等。微機保護系統(tǒng)廣泛應用于電力、石化、礦山冶煉、鐵路以及民用建筑等領域。
微機保護裝置的硬件可以通用,而保護性能和功能的大小則由軟件的功能決定。微機保護系統(tǒng)的微處理器的主流芯片為單片機(MCU),輸入輸出通道包括模擬量輸入通道和數(shù)字量輸入輸出通道、人機接口、各種報警信號、跳閘信號及電度脈沖等。
傳統(tǒng)的繼電保護裝置是使輸入的電流、電壓信號直接在模擬量之間進行比較和運算處理,使模擬量與裝置中給定的機械量(如彈簧力矩)或電氣量(如門檻電壓)進行比較和運算處理,決定xx是否跳閘。較于傳統(tǒng)的繼電保護,微機保護系統(tǒng)的工作過程更加系統(tǒng)化和智能化,微機保護的工作過程如下:
當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時,故障電氣量通過模擬量輸入系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,然后送入計算機的中央處理器,對故障信息按相應的保護算法和程序進行運算,
將運算的結(jié)果隨時與給定的整定值進行比較,判別是否發(fā)生故障。
確認區(qū)內(nèi)故障發(fā)生,根據(jù)開關量輸入的當前斷路器和跳閘繼電器的狀態(tài),經(jīng)開關量輸出系統(tǒng)發(fā)出跳閘信號,并顯示和記錄故障信息。
在高壓變頻器的應用上,目前國內(nèi)外尚無使用微機保護裝置的先例。究其原因,首先是因為高壓變頻器設有幾十路模擬信號,在現(xiàn)有的電力系統(tǒng)上使用微機保護裝置成本太高,其次由于高壓變頻器的控制器具備一定的信號采集、處理和系統(tǒng)保護功能,使微機保護的應用相對困難。但是,由于高壓變頻器的功率單元一直存在一個問題:若無啟動電阻,啟動電流太大;加上啟動電阻,則每個單元需加3個功率電阻和一個交流接觸器,若是9級串聯(lián)的高壓變頻器(有27個功率單元),則需額外增加81個功率電阻和27個接觸器。如此一來,不僅無法省去熔斷器,還增大了變頻器的體積和生產(chǎn)成本。
技術方案
若將微機保護系統(tǒng)應用在高壓變頻器上,首先要考慮微機保護裝置的安裝體積問題,不能給高壓變頻器增加太大負擔。相比低壓變頻器來說,高壓變頻器系統(tǒng)復雜,但是相比整個電力系統(tǒng)或者電站,高壓變頻器的容量很小。所以,現(xiàn)行的微機保護裝置不能用在高壓變頻器上,想要應用微機保護,只能簡化微機保護裝置。
高壓變頻器運行控制的核心為控制器,系統(tǒng)控制核心是接口板,顯示和發(fā)送命令靠監(jiān)視器,所有涉及運行有關的狀態(tài)和指令都跟控制器聯(lián)系,涉及系統(tǒng)保護和啟停命令的狀態(tài)和指令要經(jīng)過接口板,跟顯示有關的狀態(tài)要送到監(jiān)視器。比如電網(wǎng)電壓的幅值、相位和頻率都會快速給到控制器;輸入電壓、電流、功率及功率因數(shù)需要通信傳到監(jiān)視器;而過流過壓保護跳閘信號需傳給接口板。
微機保護裝置由硬件和軟件兩部分組成,其中硬件電路由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機主系統(tǒng)、開關量輸入輸出電路、工作電源、通信接口和人機對話系統(tǒng)六個功能單元構成;軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集管理模塊、故障檢出模塊、故障計算模塊、自檢模塊等組成。
人機對話系統(tǒng)用監(jiān)視器代替;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的模擬量在重要電壓電流信號上,而且在保證整體需求滿足的情況下,模擬量采集越少越好;開關量輸入輸出電路通過接口板實現(xiàn);至于通信系統(tǒng),微機保護跟控制器和監(jiān)視器進行數(shù)據(jù)交換。如此一來,微機保護裝置不僅實現(xiàn)了結(jié)構小巧緊湊,而且能跟整個系統(tǒng)進行信息交換。
合康第三代高壓變頻器開始應用微機保護裝置。如圖1,在數(shù)據(jù)采集管理模塊上,微機保護裝置采集主電路的模擬信號(包括電壓電流信號),檢測主電路的運行狀態(tài);在開關量輸入輸出電路模塊上,微機保護裝置與接口板進行信息交換,能夠?qū)崟r了解高壓變頻器的工況和輸出保護信號;在通信接口上,微機保護裝置與控制器進行485慢速通信和光纖快速通信,各模擬信號的狀態(tài)能及時反饋到控制器(一部分數(shù)據(jù)控制器做自用,一部分數(shù)據(jù)控制器再與監(jiān)視器進行485通信,送到監(jiān)視器做顯示),光纖快速通信保證了控制器數(shù)據(jù)更新的實時性,485慢速通信的通信速率也能滿足顯示要求。
圖1微機保護裝置框架圖
下面詳細介紹一下第三代高壓變頻器微機保護裝置,如圖2。
高壓變頻器微機保護裝置,包括一塊主控板、一塊微機保護接口板(此處區(qū)別高壓變頻器的接口板)及三塊單元電流檢測板,主控板和每塊單元電流檢測板上各有一個控制器;單元電流檢測板用來檢測單元輸入電流并進行處理;主控板是微機保護裝置的核心;微機保護接口板是微機保護系統(tǒng)用來與別的系統(tǒng)進行IO信號傳輸、485通信、光纖通信的連接板。
通過電流互感器及電路處理,將每個單元的電流模擬信號轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號,通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,單元電流檢測板的控制器中將每一路數(shù)字信號通過三級反時限特性運算,模擬熔斷器的特性,進而對高壓變頻器進行保護;因為主控板的控制器通過IO信號與高壓變頻器的控制系統(tǒng)通信,所以能夠區(qū)分上電和正常運行兩種情況,然后所述主控板將這個信號通過SPI通信方式傳給所述單元電流檢測板,避免了熔斷器的選型偏大的缺點;主控板和單元電流檢測板的控制器均采用了STM32F103ZE芯片,這款芯片擁有最多21路ADC,可以采集21路模擬信號;同時這款芯片擁有豐富的SPI通信和485通信外設,因此單元電流檢測板可以將輸入電流狀態(tài)快速傳給所述主控板的控制器;按照高壓變頻9級串聯(lián)設計微機保護裝置,高壓變頻器U、V、W三相均由9個單元級聯(lián),移相變壓器二次側(cè)有27組A、B、C三相線圈,高壓變頻器的每個單元連接移相變壓器的一個A、B、C三相線圈,但只采集每個單元的A、C兩相輸入電流,每相需要采集18路電流信號,每個單元電流檢測板采集U、V、W中的一相輸入電流。
圖2 微機保護裝置原理圖
總結(jié)
目前,高壓變頻器的功率單元在上電時沖擊電流很大,為避開上電沖擊電流,熔斷器的選型往往偏大,因此導致高壓變頻器運行時熔斷器無法保護功率單元的隱患(通常表現(xiàn)為功率單元燒毀,而熔斷器還沒進行保護;嚴重者可能會燒掉變頻器的移相變壓器,而熔斷器依然沒有保護動作)。高壓變頻器加入微機保護裝置后,既能克服熔斷器選型偏大的缺點,又能允許上電沖擊大電流,還能在正常運行時實現(xiàn)過流有效保護。因此,微機保護的應用會給高壓變頻器更安全有效地保護。
在眾人的期待和矚目中,合康變頻第三代高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應運而生。從最初的課題設立,到任務分配,再到具體的研發(fā)細節(jié),近于一年的艱苦奮戰(zhàn),300多個難眠的日日夜夜,這款集傳統(tǒng)科技與創(chuàng)新技術于一體的高性能變頻器,凝聚了全體技術小組成員們心血和汗水。所有的創(chuàng)造都是艱苦的,第三代高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)也不例外,在它誕生的道路上,項目小組遇到了一個又一個的技術難題,微機保護系統(tǒng)的應用就是最典型的一個。
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