基于DSP的變電站綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究

陳貴州

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 沭陽 223600)

變電站是電力系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，隨著用戶對(duì)于電力質(zhì)量與穩(wěn)定性的要求日益增高，對(duì)變電站的運(yùn)行調(diào)度能力及自動(dòng)化水平均提出了更高的要求[1]。變電站綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，融入先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及控制測(cè)量技術(shù)等對(duì)站內(nèi)電氣設(shè)備的功能進(jìn)行重新組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的研究對(duì)于提高變電站自動(dòng)化水平，向用戶提供高質(zhì)量的電能均具有重要作用[2-5]。

經(jīng)過多年的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing, DSP)技術(shù)不斷完善，芯片性能不斷提高，已逐漸成為數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中使用最為廣泛的技術(shù)[6]。DSP技術(shù)與其他相關(guān)技術(shù)的結(jié)合，為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展提供了多樣化的新型發(fā)展平臺(tái)。本文所設(shè)計(jì)的變電站綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)是以DSP微處理器為核心，結(jié)合測(cè)量、控制及通訊等技術(shù)完成系統(tǒng)的構(gòu)建。其目的主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站進(jìn)行自動(dòng)化管理，提高電網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的高效性、可靠性，降低電力企業(yè)對(duì)電網(wǎng)的維護(hù)成本。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)φ緝?nèi)電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)視，并對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理。同時(shí)，該系統(tǒng)在一定程度上可代替變電站常規(guī)的二次設(shè)備功能，簡化變電站的二次接線。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)于電力產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要的參考價(jià)值和意義[7]。

1 DSP技術(shù)

DSP即數(shù)字信號(hào)處理，是利用計(jì)算機(jī)或?qū)ｉT數(shù)字處理設(shè)備，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理的技術(shù)，包括對(duì)原始數(shù)據(jù)的采集、信號(hào)的變換以及估值與識(shí)別等。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)通常通過軟件、硬件和軟硬件結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)[8-10]。由于軟硬件結(jié)合的方式在DSP系統(tǒng)(芯片)的開發(fā)中，具有開發(fā)周期短、安全穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，因此該方式是DSP研究中的重要內(nèi)容。

典型的DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[11]。采集到的原始信號(hào)首先被輸入到抗混疊濾波模塊進(jìn)行濾波和抽樣，然后通過A/D模塊將輸入的模擬信號(hào)變換成系統(tǒng)能夠處理的數(shù)字信號(hào)。隨后，將處理所得的數(shù)字信號(hào)輸入到DSP芯片中進(jìn)行某種形式(乘法、卷積、乘累加等)的處理，得到所對(duì)應(yīng)的數(shù)字樣值[12]。最后，經(jīng)D/A模塊將DSP芯片處理后的數(shù)字樣值轉(zhuǎn)換為模擬樣值，再進(jìn)行內(nèi)插和平滑濾波便可得到連續(xù)的模擬波形。

在DSP系統(tǒng)中，DSP芯片是其中核心的組成部分，其是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，一般可劃分為通用型和專用型兩種[13]。通用型芯片指的是可利用相關(guān)編程軟件與語言編寫實(shí)現(xiàn)程序的一類，其應(yīng)用范圍廣泛。專用型芯片則根據(jù)需求內(nèi)置被處理過的專用算法，如數(shù)字濾波、卷積運(yùn)算及快速傅里葉變換等，通常用于一些特定的項(xiàng)目工程中。DSP芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以總結(jié)為以下4點(diǎn)：

(1)哈佛結(jié)構(gòu)。DSP芯片通常采用數(shù)據(jù)與程序單獨(dú)存儲(chǔ)的并行哈佛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用兩條獨(dú)立的數(shù)據(jù)控制總線分別完成對(duì)其中數(shù)據(jù)與程序的讀寫、訪問等操作，使得芯片處理速度更快、執(zhí)行效率更高;

(2)流水線操作[14]。DSP處理器中指令的執(zhí)行一般劃分為取值、譯碼以及運(yùn)行這3個(gè)部分。DSP處理器采用流水線并行處理的方式，在同一階段處理、執(zhí)行多個(gè)任務(wù)指令，逐漸提高處理器的效率；

(3)專用MAC乘法器。由于DSP芯片在FFT、卷積及各種矢量的計(jì)算中需要頻繁執(zhí)行，諸如∑b(n)×x(n-k)形式的運(yùn)算。因此DSP芯片將乘法器與加法器相結(jié)合，在一個(gè)時(shí)鐘周期完成一次乘、加運(yùn)算，并可以累加乘法運(yùn)算的結(jié)果，使得運(yùn)算變得更加高效;

(4)特殊的DSP指令。DSP芯片的編程指令采用重復(fù)模式、延遲傳輸和并行指令，進(jìn)一步提高了芯片處理能力。DSP指令的匯編語法格式為[15]：操作碼[操作數(shù)]；注釋。

操作碼由可描述指令特征的助記符表示，其規(guī)定了指令的操作功能。在操作數(shù)中定義了該句法表達(dá)式中所用到的變量及尋址方式。注釋則是為方便閱讀而對(duì)指令所做的說明。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用DSP芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的流程框架如圖2所示[16]。

在此框架的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了基于DSP的變電站綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)，如圖3所示。該自動(dòng)化系統(tǒng)以DSP芯片為核心，組成各種測(cè)控及保護(hù)單元，同時(shí)利用CAN bus(現(xiàn)場(chǎng)總線)來構(gòu)建站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)。變電站運(yùn)行所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息首先被所對(duì)應(yīng)的測(cè)控保護(hù)裝置采集，然后通過站內(nèi)通信層將采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)阶冸娬镜耐ㄐ殴芾頇C(jī)中,并經(jīng)過通信管理機(jī)將相關(guān)信息分發(fā)到站內(nèi)本地的監(jiān)控管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)方的電力調(diào)度控制總站，從而實(shí)現(xiàn)變電站的自動(dòng)化保護(hù)、監(jiān)控以及控制。

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的差動(dòng)保護(hù)、后備保護(hù)、線路保護(hù)等測(cè)控以及保護(hù)單元的硬件結(jié)構(gòu)相似，包含模擬信號(hào)輸入、DSP芯片、數(shù)字信號(hào)輸入輸出和通信網(wǎng)等模塊，組成架構(gòu)如圖4所示。

該綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，不僅能完成對(duì)變電站內(nèi)相關(guān)儀器設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的采集和記錄。同時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，且還可以實(shí)現(xiàn)故障錄波、諧波分析、小電流接地選線及低周減載等功能。

3 試驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際變電站環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性，利用本文所設(shè)計(jì)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)某小型變電站的原有系統(tǒng)進(jìn)行改造。在完成所有準(zhǔn)備工作并確定各模塊工作正常后，利用該系統(tǒng)對(duì)變電站中所需的部分功能進(jìn)行測(cè)試。其中包括：常溫下的交流工頻電壓、電流基本誤差測(cè)試和測(cè)控及保護(hù)單元的抗干擾測(cè)試。不同電壓下的交流工頻電壓與不同電流下的交流工頻電流基本誤差測(cè)量結(jié)果，如表1和表2所示。

表1 工頻電壓測(cè)試結(jié)果Table 1. Power frequency voltage test results

表2 工頻電流測(cè)試結(jié)果Table 2. Power frequency current test results

根據(jù)變電站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，常溫條件下的交流工頻電流電壓基本誤差應(yīng)控制在±0.5%以內(nèi)。通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)電壓的對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，電壓誤差的最大值為0.215%，電流誤差的最大值為0.2%，均在正常范圍之內(nèi)，滿足變電站的測(cè)量要求。同時(shí)，系統(tǒng)中事件記錄時(shí)間分辨率滿足要求，可以保證在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)向工作人員反饋站內(nèi)狀態(tài)。

隨后進(jìn)行系統(tǒng)抗干擾試驗(yàn)，加入的干擾包括快速瞬變脈沖、浪涌及高頻，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 抗干擾測(cè)試結(jié)果Table 3. Anti-interference test results

系統(tǒng)抗干擾測(cè)試結(jié)果說明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在實(shí)際變電站環(huán)境中的可靠性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

本文通過介紹DSP的基本原理，分析DSP微處理器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了基于DSP的變電站綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠在對(duì)站內(nèi)電氣設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)視的同時(shí),完成對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。在實(shí)際試驗(yàn)中，測(cè)試了該系統(tǒng)對(duì)于常溫下交流工頻電壓和電流的基本誤差、測(cè)控及保護(hù)單元的抗干擾能力。這3項(xiàng)測(cè)試結(jié)果說明，該系統(tǒng)能夠快速采集站內(nèi)電氣設(shè)備運(yùn)行信息，并對(duì)其進(jìn)行分析處理，具有較高的可靠性。