DPS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

賀紫倩

摘 要：電力系統(tǒng)是由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的一個(gè)規(guī)模宏大、瞬息多變的多輸入輸出的系統(tǒng)，幾乎在每個(gè)環(huán)節(jié)都包含著數(shù)據(jù)的采集與傳輸。電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)要求的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，不僅包括頻率，電壓，電流，有功，無(wú)功，諧波分量，序分量等，還有些采集的特征量頻率變化快而且復(fù)雜。普通的采集處理方法在實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量和計(jì)算速度方面已遠(yuǎn)不能適應(yīng)電力系統(tǒng)的要求，正是在這種情況下，DSP技術(shù)逐漸被應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：DSP；電力系統(tǒng)；應(yīng)用；

中圖分類號(hào)：TM727 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2015）-09-00-01

一、DSP技術(shù)介紹

DSP（Digital Signal Processor）是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器。DSP技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要基于DSP芯片，DSP芯片是基于超大規(guī)模集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種高速專用微處理器，有強(qiáng)大的運(yùn)算功能和高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，能方便地處理以運(yùn)算為主的不允許時(shí)延的實(shí)時(shí)信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，變換，濾波，估值，增強(qiáng)，壓縮，識(shí)別等處理。

DSP處理器的主要特點(diǎn)包括：

（一）哈佛體系結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，馮諾依曼結(jié)構(gòu)將指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一編址；而在哈佛結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開的空間中，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問(wèn)，并相應(yīng)設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，因此取指和執(zhí)行能完全重疊進(jìn)行，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。

（二）流水線操作。與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時(shí)間，增強(qiáng)了處理器的處理能力。在多級(jí)流水線操作中，取指、譯碼、執(zhí)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的操作可以并行、獨(dú)立得處理，這可使指令執(zhí)行能完全重疊，從而大大提高了處理器的處理速度。

（三）內(nèi)置專用的硬件乘法器。DSP芯片由于有專用的硬件乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，這可以大大縮短數(shù)據(jù)處理算法中的乘法運(yùn)算時(shí)間。這對(duì)于電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樵谘b置軟件中，對(duì)數(shù)據(jù)的處理算法（如電力系統(tǒng)中常用的傅式算法）中就有很會(huì)用到大量的乘法運(yùn)算。若能縮短每條乘法指令的運(yùn)算時(shí)間，就可以大大節(jié)省程序運(yùn)行時(shí)間。

在電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置中，對(duì)主控制器的要求主要體現(xiàn)在運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)處理能力以及復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)能力等，而對(duì)事務(wù)管理能力以及低功耗的要求并不高。綜合考慮各種要求，電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置選用DSP作為處理器[2]。

二、DSP技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）DSP技術(shù)在電能質(zhì)量監(jiān)控中的應(yīng)用。電能同其它產(chǎn)品一樣，也有嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在電壓、頻率和波形三個(gè)方面。一旦發(fā)現(xiàn)各質(zhì)量指標(biāo)不符合規(guī)定和要求，可以根據(jù)不同的需要發(fā)出告警信號(hào)、引起上位機(jī)中斷或直接進(jìn)行相應(yīng)控制等。在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置中可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)諸多參數(shù)，規(guī)程要求的高次諧波的次數(shù)為29次，根據(jù)奈奎斯特定理，采樣率至少要達(dá)到29×2×50=2900Hz，，這樣高的采樣率最好用專門的DSP芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。

另外，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障或有些節(jié)點(diǎn)突然投入大負(fù)荷時(shí)，會(huì)引起較大的電壓凹陷，并會(huì)持續(xù)一定的時(shí)間，這需要我們根據(jù)其電壓降低程度實(shí)時(shí)快速地進(jìn)行補(bǔ)償。DSP技術(shù)又將在其中發(fā)揮不可替代的作用，如小波方法對(duì)奇異點(diǎn)的檢測(cè)，DSP芯片的高速計(jì)算和反饋控制。可以說(shuō)，電能質(zhì)量控制是DSP技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的一個(gè)最佳結(jié)合點(diǎn)。

（二）DSP與電力電子技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于電網(wǎng)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償。無(wú)功功率補(bǔ)償對(duì)觸發(fā)時(shí)間和算法的快速性有著較高的要求，DSP技術(shù)和芯片在這里能發(fā)揮巨大作用。將DSP與電力電子裝置的控制聯(lián)系起來(lái)，發(fā)揮其控制靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，就可以很好地實(shí)現(xiàn)諧波抑制。在電力系統(tǒng)中應(yīng)用電力電子裝置無(wú)功控制的同時(shí)，不可避免地會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波污染。解決這個(gè)問(wèn)題的一種途徑是裝設(shè)有源濾波裝置對(duì)諧波進(jìn)行合理補(bǔ)償。基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)方法需要進(jìn)行大量實(shí)時(shí)計(jì)算，DSP芯片可以充分發(fā)揮高速實(shí)時(shí)運(yùn)算。另一種解決辦法是改進(jìn)電力電子裝置，使其不產(chǎn)生諧波且不消耗無(wú)功功率，或根據(jù)需要控制功率因數(shù)。這種方法可使用大容量變流器采用多重化技術(shù)，將多個(gè)方波疊加以消除低次諧波，從而得到接近正弦波的階梯波[4]。

兩者相比，采用改進(jìn)電力電子裝置的方法，實(shí)現(xiàn)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償更為有效。不過(guò)，這兩種方法都表現(xiàn)出了對(duì)DSP技術(shù)的需求，這種需求，必然促進(jìn)DSP技術(shù)與電力電子技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的光明前景。

（三）DSP在繼電保護(hù)中的應(yīng)用。目前，微機(jī)繼電保護(hù)產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，大大提高了電力系統(tǒng)供電的安全性和可靠性，促進(jìn)了電力系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展。然而，到目前為止，應(yīng)用于我國(guó)電力系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品采用的單片機(jī)對(duì)非正常運(yùn)行條件下的系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量，在速度和精度上無(wú)法滿足要求?；贒SP技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)由于其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力和特殊設(shè)計(jì)，都使得它在繼電保護(hù)方面的實(shí)現(xiàn)上得心應(yīng)手。小波變換的分析方法就是DSP技術(shù)在電力系統(tǒng)暫態(tài)控制的應(yīng)用中的具體實(shí)踐。

（四）DSP在電力系統(tǒng)微機(jī)故障錄波裝置中的應(yīng)用

故障錄波器可以記錄因短路故障、系統(tǒng)震蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等大擾動(dòng)引起的系統(tǒng)電流、電壓及其導(dǎo)出量，如有功、無(wú)功及系統(tǒng)頻率的全過(guò)程變化現(xiàn)象，是分析系統(tǒng)故障的重要依據(jù)。因此，豐富詳盡的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)尤其是故障或非正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，具有越來(lái)越重要的價(jià)值。DSP技術(shù)以其高速運(yùn)算功能和數(shù)據(jù)處理功能，在故障錄波器中發(fā)揮著不可小視的作用。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)DSP技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用做的敘述與探索，對(duì)DSP在電力領(lǐng)域中的應(yīng)用產(chǎn)生極大的信心。隨著DSP技術(shù)的新發(fā)展，相信會(huì)有更新的技術(shù)融入到電力系統(tǒng)的理論與實(shí)踐中去，這無(wú)疑會(huì)給電力領(lǐng)域帶來(lái)機(jī)遇與挑戰(zhàn)，讓電力系統(tǒng)的發(fā)展越來(lái)越完善和造福社會(huì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李國(guó)湘等.DSP技術(shù)在電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理中的應(yīng)用[D]. 天津理工大學(xué). 2005 （04）

[2]崔學(xué)深等. DSP技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和硬件實(shí)現(xiàn)方式[J]. 現(xiàn)代電力. 2002 （02）：36-40

[3]羊劍等.嵌入式平臺(tái)和DSP技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 電氣應(yīng)用. 2005 （24）：57-60

[4]藺祥宇.基于DSP的電力系統(tǒng)故障錄波器的數(shù)據(jù)采集與傳輸研究[D].北京交通大學(xué). 2006