基于DSP 的地铁直流供电系统保护装置的设计研究

刘铭铭 南京南车铺镇车辆有限公司 210000

【文章摘要】

地铁直流供电系统保护装置主要承担着采集、处理数据以及发出跳闸指令等任务，直流保护装置高智能化的实现，对地铁供电系统的安全、稳定和经济运用意义重大。本文基于DSP 的地铁直流供电系统保护装置的工作原理，对直流保护装置的软硬件设计及其实现过程进行分析和研究， 更好地应用于我国地铁直流供电系统中，实现经济效益的最大化。

【关键词】

地铁；供电系统；直流保护装置；DSP

轨道交通是当前城市交通系统的主要发展方向之一，近年来，随着我国社会经济的快速发展，城市交通问题已经引发了社会的广泛关注，为了解决城市交通问题，我国正在推进轨道交通项目建设的进程，地铁现已成为解决大中城市交通拥堵问题的最佳方案。在轨道交通发展过程中，直流供电系统也得到了广泛的应用，其保护装置在保障地铁安全可靠运行中发挥着极为关键的作用，现阶段比较常用的是基于DSP 的直流保护装置，对相关设计的研究具有重要的理论指导意义。

1 基于DSP 的直流保护装置

1.1 DSP 保护单元

目前，国内地铁直流供电系统保护设备多采用国外保护单元，主要以德国Siemens 公司研发的DPU96 保护单元、Adtranz 公司研发的DCP106 保护单元以及瑞士Secheron 公司研发的SEPCOS 保护单元为主，随着我国城市轨道交通建设进程的加快，地铁直流供电系统保护装置的国产化进程也在加快，在电力电子技术的推动下，结合先进的保护控制理论，在国外保护单元基础上对直流保护装置功能进行优化，有助于地铁直流供电系统自动化、数字化、高度智能化的实现。基于DSP 的直流保护装置，主要体现为以下两点：其一，先进的控制算法和保护方式得到广泛应用，越来越注重遗传算法、自适应控制等人工智能技术的研究以及在继电保护装置中的应用；其二，微处理器性能日益提高的同时，电路设计越来越简化，基于DPS 的数字信号处理器，因性能优越，应用范围越来越广[1]。

1.2 直流供电系统的保护原理

直流供电系统的故障形式主要有过压故障、过负荷故障、短路故障等，其中， 以短路故障为主，因短路故障发生会引发线路电流和电压的变化，利用这一特征，能够形成基于电流电压的保护方法，在此主要对过电流瞬时、延时保护原理，以及热反时限保护原理进行介绍。过电流瞬时保护主要应用于快速切除近端短路故障， 鉴于过电流瞬时保护的灵敏性，发生近端短路时，电流上升速度较快，因此可以先于其他保护动作，这一保护功能对反向电流同样适用；过电流延时保护主要应用于馈电区段过载保护，具备过流、定时限的特点，对跳闸指令的响应时间为秒级；热反时限保护解决的是热过负荷故障，根据系统工作电流以及接触网的电阻率和修正系数，由经验公式得出电缆电缆温度，用通用公式予以表达[2]。

2 基于DSP 的直流保护装置的软硬件设计

2.1 硬件设计

直流供电系统保护参量有直流电流、直流电压、电流增量、电流变化率以及系统阻抗的检测，在地铁供电系统中，电流传感器主要应用于USP 屏和直流屏中来测量直流电流，保护装置除霍尔传感器外，还包括中央处理单元和直流隔离放大器两部分，其中，中央处理单元是保护装置的核心组成部分，主要由DSP 控制单元、I/O 扩展、外部扩展以及显示单元等内容构成，除了协助完成各中保护功能外，还能够智能控制断路器的保护跳闸。具体设计方案为：采用TI 公司的TMS320 构建DSP 控制单元，ALTERA 公司的CPLD 逻辑器件进行I/O 扩展，OTI 存储器（512K）进行外部扩展，显示单元采用CAN 总线通信，根据设计方案，得出保护装置的保护框图，并对其进行定值整定[3]。

2.2 软件设计

为确保系统软件功能更好地匹配系统硬件，应遵循模块化设计思想，对系统软件进行整体化设计，主要包括初始化模块、保护流程模块和控制流程模块。基于DSP 的地铁直流供电系统保护装置软件应采用具有可伸缩实时多任务的内核，使其能够适应嵌入式实时控制系统的基本管理功能，即实现任务管理、任务间通信管理、通信同步与数据内存管理等功能，这里选用DSP/BIOS 内核，其优点在于便于开发和部署应用，维护更为容易，且新功能的添加不会影响到保护装置的实时响应。要完成这些功能，首先要划分任务，通过时间内聚和功能内聚，确定优先级任务，然后设计时钟等中断，以便更好地控制信号[4]。

2.3 控制功能实现

控制功能实现指的是中断检测、保护软件、控制流程的实现，中断检测模块实际上就是数据采集模块，以中断方式对电流量和电压量的数据进行采集，并能够测量其他参量，当发现有需要检测额数据时，系统便会自动进入中断检测程序，同时输出采样信号和A/D 数据中断，并存入数据表，为系统运行提供保护策略算法。电流增量及变化率保护软件流程为：初始化→计算电流变化率和电流增量→判断Y/N →测量增量时间→跳闸触发→存储电流值和时间增量→返回，保护启动后，初始化数据库，载入保护参数，完成数据表更新，在该流程中，如果不是故障就继续测量时间，计算相关保护参量。基于DSP 的地铁直流供电系统保护装置的控制流程主要包括线路测试与自动重合闸控制流程、警告控制流程、闭锁控制流程和跳闸控制流程四部分，这也是流程设计的基本程序，通过系统软件主程序对各控制程序的整合，最终实现完整保护判断跳闸的功能[5]。

3 结论

综上所述，直流保护装置高智能化的实现，对地铁供电系统的安全、稳定和经济运用意义重大，基于DSP 的地铁直流供电系统保护装置的设计，能够填补国内这一领域研究的空白，更好地迎合直流供电系统保护装置的国产化发展趋势。

【参考文献】

[1] 赵元正，戴尔晗. 基于DSP 的地铁直流供电系统保护装置的设计[J]. 计算机工程与应用，2006，33 （12）:226-228.

[2] 王晓凯. 城市轨道交通供电直流侧短路故障定位的研究[D]. 北京交通大学，2014.

[3] 董晨阳. 基于AFB 的城市轨道交通直流馈线保护研究[D]. 北京交通大学，2013.

[4] 邸荣光. 地铁直流馈线保护方案及保护装置设计[J]. 沈阳工程学院学报( 自然科学版)，2009，12 （4）:352-355.

[5] 薛士敏，陈超超，金毅等. 直流配电系统保护技术研究综述[J]. 中国电机工程学报，2014，19 （7）:3114-3122.018