基于實時網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)的電力系統(tǒng)自動化裝置的研究

（國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司）

基于實時網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)的電力系統(tǒng)自動化裝置的研究

李 穎

（國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司）

使用實時網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)實現(xiàn)電力系統(tǒng)改造，能使系統(tǒng)的自動化水平得到進一步提升，進而更好地滿足社會對電力通訊設(shè)備的需求?；谶@種認識，本文對基于實時網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)的電力系統(tǒng)自動化裝置展開了研究，從實時網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)選擇、系統(tǒng)設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用三個方面進行了探討。

實時網(wǎng)絡(luò)；DSP技術(shù)；電力系統(tǒng)；自動化裝置

0 引言

在電力事業(yè)發(fā)展的過程中，電力系統(tǒng)自動化裝置發(fā)揮著重要的作用。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力企業(yè)還要通過實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化裝置改造更好地滿足社會用電需求。而就目前來看，實時網(wǎng)絡(luò)和DSP技術(shù)在電力系統(tǒng)改造上已經(jīng)得到了應(yīng)用，能夠使供電系統(tǒng)的可靠性和安全性得到提高。因此，相關(guān)人員還應(yīng)該加強基于實時網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)的電力系統(tǒng)自動化裝置的研究，以便更好地促進電力事業(yè)發(fā)展。

1 電力系統(tǒng)的實時網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)選擇

在進行基于實時網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)的電力系統(tǒng)自動化裝置設(shè)計時，還要確保裝置的設(shè)計能夠滿足運行需求。為此，還要先完成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和微處理器的選擇，以確保裝置的實際運行效益能夠得到提高。

在實時網(wǎng)絡(luò)選擇上，目前電力系統(tǒng)可以采取的網(wǎng)絡(luò)通信方式主要包含工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信和現(xiàn)場總線。采取工業(yè)以太網(wǎng)方式進行系統(tǒng)通信，可實現(xiàn)局域管理和控制，并獲得較高傳輸速度。但是，采取該方式只能在有限范圍內(nèi)通信，在實現(xiàn)系統(tǒng)傳輸介質(zhì)共享時，還將發(fā)生局域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息沖突，因此無法滿足電力系統(tǒng)的實時信息傳輸要求。采取無線通信方式，可在較廣范圍內(nèi)進行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布置，有利于提高系統(tǒng)通信效率。但是，采取該種通信方式容易受環(huán)境干擾，會出現(xiàn)通信中斷或信號失真問題，不適合在有較高實時管理和控制要求的電力系統(tǒng)中應(yīng)用。采取現(xiàn)場總線技術(shù)，可完成最底層總線型拓撲網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，所以能夠直接將終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)[1]。同時，由于該技術(shù)存在有多主站優(yōu)先權(quán)訪問特征和短幀結(jié)構(gòu)，所以能確保重要數(shù)據(jù)信息在第一時間得到傳輸，可滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性設(shè)計要求。

在微處理器選擇上，電力系統(tǒng)主要使用單片機、ARM和DSP這三種。其中，單片機價格較低，并且容易進行安裝操作，但數(shù)據(jù)處理性能較差。ARM具有成本低、體積小和性能高的特點，但需使用大量寄存器，且指令長度固定。DSP則具有較強數(shù)據(jù)處理能力，可在短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)運算處理，并實現(xiàn)復(fù)雜算法，但功耗相對較大。而考慮到電力自動化系統(tǒng)有著較高的數(shù)據(jù)處理和傳輸要求，所以需使用DSP技術(shù)進行系統(tǒng)開發(fā)。

2 基于實時網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)的電力系統(tǒng)自動化裝置

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1.1 硬件設(shè)計

在實際設(shè)計電力系統(tǒng)自動化裝置時，需考慮到電力系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制的裝置主要有哪些？目前，該類裝置可劃分為兩類，即保護控制裝置和自動化裝置。前一類包含線路保護裝置、穩(wěn)定控制裝置等；后一類包含備自投裝置和自動重合閘裝置等。利用這些裝置，可滿足電力系統(tǒng)的信息測量、通信、控制和保護等需求。結(jié)合這些需求，需完成電源插件、交流輸入插件、通訊插件、中央處理插件和人機接口插件等系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。其中，中央處理插件為系統(tǒng)設(shè)計核心，使用了DSP控制器，并連接有邏輯譯碼電路、通訊電路、雙口RAM和實時時鐘等電路或元器件，能實現(xiàn)系統(tǒng)一切裝置的直接或間接控制。在系統(tǒng)通信接口插件設(shè)計上，由于使用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，而DSP內(nèi)部存在有現(xiàn)場總線協(xié)議，所以只需實現(xiàn)收發(fā)器的擴展安裝就能實現(xiàn)通信。在交流輸入插件設(shè)計上，系統(tǒng)使用的是交流電，裝置接收到的為模擬信號，但DSP僅能實現(xiàn)數(shù)字信號處理，因此還要利用該插件將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號[2]。在電源插件設(shè)計上，需根據(jù)裝置安裝位置進行電源插件選擇。此外，在人機接口插件設(shè)計上，可以利用顯示設(shè)備和鍵盤實現(xiàn)人機交互。

2.1.2 軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計方面，需完成數(shù)據(jù)處理、故障判斷、信息輸出、算法實現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲、上電自檢等功能的設(shè)計。而系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境為CCS，其為TI公司推出的集成開發(fā)環(huán)境，可用于進行DSP芯片的集成開發(fā)。使用該軟件，可借助編譯、硬件調(diào)試、鏈接和軟件仿真等功能實現(xiàn)DSP程序的設(shè)計與開發(fā)。從系統(tǒng)軟件構(gòu)成上來看，其將由主程序和輔助功能程序構(gòu)成。系統(tǒng)運行主程序后，將先完成硬件自檢。在這一過程中，系統(tǒng)將完成相關(guān)裝置是否報錯等情況的查看。如果發(fā)現(xiàn)裝置報錯，會將報錯信息直接輸出，然后退出。如果沒有報錯，會進行相關(guān)參數(shù)的初始化操作，并完成上位機信息讀取，然后進行通信。完成人機接口通信后，系統(tǒng)將使看門狗計數(shù)器復(fù)位，并完成上位機信息重新讀取，并反復(fù)進行復(fù)位－讀?。ㄐ挪僮?。在硬件自檢模塊設(shè)計上，可確保繼電保護裝置運行前先自檢，以確保自動化系統(tǒng)的可靠性。在上位機通信模塊設(shè)計上，系統(tǒng)在與上位機通信時，將先完成緩沖區(qū)讀取，以確定是否有數(shù)據(jù)[3]。如果存在有遙控命令數(shù)據(jù)，則將進行該命令的執(zhí)行。如果沒有，則將進行同步字填充，并完成發(fā)送幀創(chuàng)建，以確定系統(tǒng)是否需插入信息。獲得完整數(shù)據(jù)幀后，系統(tǒng)將進行校驗和計算，然后實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的打包發(fā)送。在人機交互上，系統(tǒng)將先進行主界面初始化操作，通過掃描確定系統(tǒng)是否有鍵被按下。根據(jù)輸入信息，則能完成操作指令的判斷，并將操作信息發(fā)送給DSP，然后完成相關(guān)操作的顯示。

2.2 技術(shù)實際應(yīng)用

2.2.1 系統(tǒng)信號采集與監(jiān)測

采用實時網(wǎng)絡(luò)和DSP技術(shù)進行系統(tǒng)設(shè)計，可以更好地實現(xiàn)模擬量采集和實時信號監(jiān)測。在電力自動化裝置中，電力調(diào)度可運用SCADA、EMS和DMS等理念實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和測量。在裝置運行的過程中，可以變送器為主要依據(jù)將一次CT和PT上電氣量轉(zhuǎn)化為直流量。經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，則能夠?qū)⒅绷髁總鬏數(shù)接嬎銠C上。應(yīng)用交流采樣技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計后，則可以完成二次CT和PT轉(zhuǎn)換。在此基礎(chǔ)上，則可以實現(xiàn)每周波多點采樣值的直接計算，所以能夠減少變送器使用頻率，進而為實現(xiàn)變電站自動化運行提供保障。相較于過去使用51單片機進行數(shù)據(jù)處理的電力系統(tǒng)，使用DSP技術(shù)和實時網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)能夠有效提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)空間拓展，所以能夠為電力自動化裝置運行提供保障[4]。此外，使用DSP技術(shù)能夠完成系統(tǒng)實時頻譜分析，所以能夠提高裝置測量精度，并確保設(shè)備穩(wěn)定運行。

2.2.2 電能質(zhì)量監(jiān)控

應(yīng)用實時網(wǎng)絡(luò)和DSP技術(shù)，還能實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)控。近年來，配電網(wǎng)建設(shè)對電能質(zhì)量提出了更高的要求。而在電能質(zhì)量監(jiān)控方面，可應(yīng)用實時網(wǎng)絡(luò)和DSP技術(shù)實現(xiàn)電能質(zhì)量的實時監(jiān)控，并做好系統(tǒng)故障點檢測。在配電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，受外界因素干擾，一些位置節(jié)點將承受較大負荷，進而造成電壓凹陷。應(yīng)用DSP技術(shù)和實時網(wǎng)絡(luò)，則能夠運用小波方法實現(xiàn)故障檢測，從而使故障點的范圍得到盡快確定，繼而使故障得到及時排除。

2.2.3 系統(tǒng)繼電保護

在繼電保護方面，DSP技術(shù)和實時網(wǎng)絡(luò)也得到了應(yīng)用。在電力系統(tǒng)自動化設(shè)備中，繼電保護裝置應(yīng)用范圍較廣。而使用DSP技術(shù)，則能夠提供微機繼電保護。相較于傳統(tǒng)繼電保護裝置，該種裝置的應(yīng)用能夠促進系統(tǒng)自動化發(fā)展，從而使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性得到提高[5]。在系統(tǒng)正常運行的過程中，通過對系統(tǒng)諧波和基波展開有效分析，并利用微機繼電保護裝置完成系統(tǒng)故負荷特性特征進行較好把握，從而對存在的問題進行有效解決。再者，負荷特性分析系統(tǒng)的構(gòu)建，需要考慮到設(shè)置電網(wǎng)負荷安全評估系統(tǒng)，能夠在對負荷特性數(shù)據(jù)利用過程中，加強電網(wǎng)技術(shù)的不斷改進，發(fā)揮新技術(shù)優(yōu)勢，以確保電力系統(tǒng)在應(yīng)用新技術(shù)、新手段后，能夠更加可靠、平穩(wěn)地運行。

3 結(jié)束語

母線負荷預(yù)測技術(shù)以及負荷特性的把握，對于當下智能電網(wǎng)的發(fā)展有著十分重要的影響。母線負荷關(guān)系到了智能電網(wǎng)運行的平穩(wěn)性和可靠性，在當下供電日益緊張的形勢下，對母線負荷進行預(yù)測，并對負荷特性進行較好把握，顯得尤為必要。為了更好地滿足智能電網(wǎng)發(fā)展需要，在日后工作當中，要注重利用新技術(shù)手段，構(gòu)建完善的負荷特性分析系統(tǒng)，加強對這一系統(tǒng)性能的評估，保證對電網(wǎng)運行過程中存在的問題進行有效解決。除此之外，母線負荷預(yù)測技術(shù)及負荷特性分析過程中，要注重經(jīng)驗積累和技術(shù)完善工作，能夠為電網(wǎng)日后的平穩(wěn)發(fā)展，創(chuàng)造更加有利的條件。

[1]張文磊，周勇，廖峰，等.間接預(yù)測法在母線負荷預(yù)測中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013（12）.

[2]靜華，韋化.基于誘導(dǎo)有序加權(quán)平均算子的最優(yōu)組合短期負荷預(yù)測[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015（10）.

[3]陳新宇，康重慶，陳剛.規(guī)避壞數(shù)據(jù)影響的母線負荷預(yù)測新策略[J].中國電力，2014（9）.

2016-10-16）