DSP在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)終端設(shè)備中的應(yīng)用

1、DSP在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)終端設(shè)備中的應(yīng)用 摘要本文簡(jiǎn)單介紹DSP的特點(diǎn)以及其在處理FFT、FIR等數(shù)字信號(hào)處理方面的優(yōu)越性，分析了DSP在配網(wǎng)自動(dòng)化終端設(shè)備中的交流采樣、故障檢測(cè)、小電流接地選線、電能質(zhì)量分析、無(wú)功補(bǔ)償?shù)确矫娴膽?yīng)用。關(guān)鍵詞 配電終端;數(shù)字信號(hào)處理;故障檢測(cè);電能質(zhì)量;1 前言配電網(wǎng)是電力生產(chǎn)和供應(yīng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，與千家萬(wàn)戶直接密切相連，在保證用戶的連續(xù)供電方面是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。 配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)終端設(shè)備主要用于配電系統(tǒng)變壓器、斷路器、重合器、分段器、柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、無(wú)功補(bǔ)償電容器的監(jiān)視與控制。具有數(shù)量大、運(yùn)行環(huán)境惡劣、性能價(jià)格比要求高，不易維護(hù)的特點(diǎn)。這就要求配電終端

2、可靠性要高，功能綜合性強(qiáng)，成本要低，可以遠(yuǎn)程維護(hù)等。近幾年DSP飛速發(fā)展，其內(nèi)存不斷增大，速度不斷提高，指令效率不斷增強(qiáng)。程序運(yùn)行期間總線多不出芯片，DSP產(chǎn)家如ADI公司其DSP大多有工業(yè)級(jí)的芯片。同時(shí)和DSP相關(guān)的ADC/DAC的速度和精度也越來(lái)越高。使得 DSP在快速采樣、軟件濾波、頻率跟蹤和鎖相、復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算如FFT、FWT方面具有得天獨(dú)厚的條件 。DSP運(yùn)用于配電終端使其性能大大增強(qiáng)，功能擴(kuò)充容易，通過(guò)軟件即可完成繼電保護(hù)、故障錄波等附加功能。其應(yīng)用已愈來(lái)愈廣泛。2 DSP的特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)主要針對(duì)數(shù)學(xué)的卷積運(yùn)算而設(shè)計(jì)，最典型的就是FFT的運(yùn)算。由于DSP的高速發(fā)展，使

3、得用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字濾波和快速傅立葉變換成為可能，從而進(jìn)一步促進(jìn)DSP發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字化的世界里DSP變得越來(lái)越重要，可以說(shuō)是無(wú)處不在。DSP最基本的特點(diǎn)是2： 1）能夠在一個(gè)指令周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一次或多次乘法累加（MAC）運(yùn)算。所以，在DSP中集成了多個(gè)乘法累加運(yùn)算單元，可以進(jìn)行并行乘法累加運(yùn)算。2）能夠在一個(gè)指令周期內(nèi)完成對(duì)存儲(chǔ)器的多次讀取。所以，在DSP中集成了多個(gè)片內(nèi)總線和多端口片內(nèi)存儲(chǔ)器。3）為了加快處理器中的運(yùn)算，在DSP中集成了多個(gè)地址產(chǎn)生單元，以支持循環(huán)尋址和位翻轉(zhuǎn)尋址。4）處理器中的運(yùn)算大多是重復(fù)的運(yùn)算，為了方便使用，大部分DSP都支持這種重復(fù)運(yùn)算，而不用額外編寫(xiě)重復(fù)運(yùn)算

4、的指令。5）大部分DSP都提供多個(gè)串行或并行I/O接口，以及特別I/O接口來(lái)處理特殊的數(shù)據(jù)，以降低成本和提高輸出/輸入性能。如圖1所示為ADI公司的16位定點(diǎn)DSP結(jié)構(gòu)總體框圖。EXTERNALADDRESSBUSx 12FULLMEMORY MODE2x PLLPOWERDOWNCONTROLEXTERNALDATABUSóINTERNAL SRAM16 BIT DATAMEMORY24 BIT PROGRAMMEMORYPROGRAMSEQUENCERDATA ADDRESSGENERATORSDAG2ICE PORTDAG1EXTERNALADDRESSBUSó14

5、BIT PM ADDRESS CHIP SEL & CONTROL14 BIT DM ADDRESSóó24 BIT PM DATABYTE DMA ENGINE16 BIT DM DATAóINTERNALDMAENGINETIMEREXTERNAL GP I/Oand INTERRUPT PINSSPORT1SPORT016 BIT FIXED POINTARITHMETIC UNITSSHIFTERMACALUADSP-21xx Corex 8 - 15x 5x 5HOST MODEBoot Option Via MODE Pins on 100 P

6、in Packages圖 1 ADSP218X總體框圖3 交流采樣在微機(jī)應(yīng)用初期，電力系統(tǒng)的參數(shù)普遍采用直流采樣，即對(duì)經(jīng)過(guò)整流后的直流量進(jìn)行采樣測(cè)量。此方法軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，對(duì)采樣值只需做比例變換即可得到被測(cè)量的數(shù)值。但直流采樣方法存在一些問(wèn)題：測(cè)量精確度直接受整流電路的影響，整流電路參數(shù)調(diào)整困難，受波形因素影響大等、而且一條線路的全電量采集需要多個(gè)變送器、使得裝置的結(jié)構(gòu)龐大、成本增加、可靠性降低。而交流采樣是按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得被測(cè)量的值。省去了直流變送器，降低了造價(jià)，簡(jiǎn)化了裝置構(gòu)成。通過(guò)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算就可以得到用直流采樣方法不易測(cè)量的參數(shù)。比如可

7、以測(cè)得電壓電流的基波向量，各次諧波含量，在現(xiàn)場(chǎng)可以根據(jù)電流/電壓的向量圖來(lái)判斷二次回路的接線是否正確。但涉及的計(jì)算量大，要用到大量乘法和累加運(yùn)算。普通的CPU由于多數(shù)內(nèi)部沒(méi)有集成MAC，很難勝任。一般采用專用的數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)計(jì)算所需的各種模擬量。我們以16.667MHz時(shí)鐘頻率的ADSP2181DSP和20MHz時(shí)鐘頻率80C196以及12MHz時(shí)鐘頻率的80C51單片機(jī)來(lái)比較做一個(gè)32點(diǎn)的FFT所需要的時(shí)間如表1。 表1 執(zhí)行一個(gè)32點(diǎn)的FFT所需時(shí)間CPU類型ADSP218180C19680C51執(zhí)行周期2139Cycles114214Cycles199572 Cycles執(zhí)行

8、時(shí)間0.06417mS5.7107mS199.572mS 4 故障檢測(cè)4.1 短路故障檢測(cè)對(duì)于短路故障完全可以采用饋線保護(hù)繼電器比較成熟的過(guò)電流檢測(cè)原理。但配電終端的故障檢測(cè)技術(shù)相對(duì)要簡(jiǎn)單一些，不要求它像保護(hù)繼電器那樣具有選擇性，只要能夠檢測(cè)出有故障電流出現(xiàn)即可，另外不要求像保護(hù)繼電器那樣輸出跳閘信號(hào)，對(duì)配電終端的故障檢測(cè)時(shí)間沒(méi)有太嚴(yán)格的要求只要在變電站保護(hù)跳閘之前檢測(cè)出故障電流即可，這就為配電終端對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分析、判斷嬴得時(shí)間。由于對(duì)時(shí)間的要求不是很高我們可以用軟件設(shè)計(jì)一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)的帶通濾波器，這樣不但提高了抗高頻干擾的能力，同時(shí)降低了短路故障時(shí)衰減的直流分量對(duì)測(cè)量精度的影響。如圖

9、1所示，要注意負(fù)荷在“冷啟動(dòng)”電流可能很大，此時(shí)要恰當(dāng)設(shè)置“t”延時(shí)躲開(kāi)。帶通濾波器BP: (1)傅立葉變換DFT: (2)IDZI1BPDFT-+|_t_|故障軟遙信圖2 故障檢測(cè)示意圖 4.2 小電流系統(tǒng)單相接地故障檢測(cè)當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相的零序電流為非故障相的零序電流之和，而且方向相反，目前小電流接地選線基本上是基于基波或五次諧波(帶消弧線圈)零序電流有效值及其方向作為判據(jù)1。由于接地電流小等原因，單相接地故障的檢測(cè)靈敏度和可靠性一直不高。另一方面，相當(dāng)一部分單相接地故障是間歇式電弧接地故障。間隙性接地現(xiàn)象引起持續(xù)的暫態(tài)過(guò)程，影響基于穩(wěn)態(tài)工頻或諧波分量的檢測(cè)方法的正

10、確判斷，單相接地故障時(shí)，暫態(tài)零序電流值大于穩(wěn)態(tài)值，因此，利用暫態(tài)零序電流值檢測(cè)有較高的靈敏度。我們可以利用高速AD和DSP對(duì)零序電流進(jìn)行過(guò)采樣，并通過(guò)GPS來(lái)進(jìn)行同步，通過(guò)比較在同一時(shí)刻不同的配電終端檢測(cè)到的暫態(tài)零序電流有效值，可以確定故障線路及故障區(qū)段。這種方法要增加一個(gè)GPS，另外會(huì)大大增加對(duì)主站的通訊，一個(gè)折中的方法是采用零序能量分析原理，通過(guò)判斷單相接地時(shí)零序基波的有功分量來(lái)確定故障線路(如公式3)，因?yàn)槌霈F(xiàn)單相接地時(shí)，未接地線路的零序電流為電容電流，相位超前零序電壓90°，其零序能量為零，接地線路的零序電流為感性電流，由于消弧線圈上存在有功功率損耗，加上接地點(diǎn)的電弧有功損耗

11、，故障相的零序電流有功必然大于非故障相，只要恰當(dāng)增大積分時(shí)間T，便會(huì)增加其檢測(cè)的準(zhǔn)確度，目前深圳市科陸電子科技股份有限公司的CL881柱上FTU小電流接地選線的判據(jù)便是基于零序能量分析原理。實(shí)踐證明在目前條件下不失為一種好方法。其主要運(yùn)算量還是乘法和加法運(yùn)算，利用DSP可以很好地解決能量的實(shí)時(shí)運(yùn)算問(wèn)題。 零序有功電能: = (3)5 電能質(zhì)量 電能質(zhì)量是電力工業(yè)產(chǎn)品的重要指標(biāo)，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量只有三個(gè)主要指標(biāo)，即電壓、頻率、可靠性。接著根據(jù)需要又增加了諧波和三相不平衡度、后來(lái)電壓波動(dòng)、閃變等也列入電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，隨著以半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)為核心的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量

12、實(shí)施技術(shù)監(jiān)督勢(shì)在必行，要想有效地控制電能質(zhì)量，首先要及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得有關(guān)“源”信息，如三相電壓、三相電流、中線電流及中線對(duì)地電壓等，然后對(duì)源信息進(jìn)行實(shí)時(shí)快速地分析得到所需要的信息，采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)為電能質(zhì)量分析注入新的活力，對(duì)于電壓閃變、諧波、三相不平衡這些變化相對(duì)較慢、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題，最簡(jiǎn)單的方法是在時(shí)域采用對(duì)稱分量法、諧波分析法但在時(shí)域分析計(jì)算大、耗時(shí)長(zhǎng)一般采用離散傅立葉變換(DFT)或快速傅立葉變換，分析出信號(hào)中的各個(gè)頻譜分量。對(duì)于電壓下跌、電壓上升、瞬時(shí)脈沖以及電壓瞬時(shí)中斷等這類電能質(zhì)量擾動(dòng)，由于持續(xù)時(shí)間短，發(fā)生時(shí)間具有很大的隨機(jī)性，傅立葉變換已不能滿足要求，一般

13、用加窗傅立葉變換、小波變換等.。無(wú)論是傅立葉變換還是小波變換其主要的數(shù)學(xué)運(yùn)算為乘法和累加。由于DSP的特殊結(jié)構(gòu)可以在不增加硬件成本的情況下用軟件實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)分析。6 無(wú)功補(bǔ)償以往低壓端的無(wú)功補(bǔ)償多采用接觸器投切電容器組的方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，往往會(huì)在接觸器觸點(diǎn)處產(chǎn)生極大的火花，在切斷電容器時(shí)，又容易粘住觸頭，造成咬死，松不開(kāi)現(xiàn)象。之所以出現(xiàn)這些問(wèn)題，是因?yàn)殡娙萜鞴逃械奈锢硖匦裕弘娙輧啥说碾妷翰荒苘S變。在電容器投入電網(wǎng)的瞬間，由于其初始態(tài)端電壓為零，一下子投到電網(wǎng)中，將造成巨大的浪涌電流，導(dǎo)致交流接觸器和電容器本身受到大電流沖擊而損壞，同時(shí)無(wú)法及時(shí)跟蹤快速變化的低壓負(fù)荷，補(bǔ)償效果較差， 近年來(lái)

14、，隨著我國(guó)工業(yè)的迅猛發(fā)展，大量的沖擊性負(fù)荷（如電弧爐、軋鋼機(jī)等）和非線性負(fù)荷（如電力機(jī)車等）接入電網(wǎng)，它們工作時(shí)無(wú)功功率的變化相當(dāng)劇烈，不僅引起系統(tǒng)電壓的波動(dòng)、閃變及不平衡，而且向系統(tǒng)注入大量的高次諧波，嚴(yán)重影響了供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。因此要求無(wú)功補(bǔ)償裝置能夠迅速地動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，來(lái)迅速抑制閃變、提高功率因數(shù)、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量。因此對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵一是實(shí)時(shí)檢測(cè)出無(wú)功偏差，二是在過(guò)零點(diǎn)投切電容器。利用DSP來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償裝置具有采集計(jì)算速度快，加上采用無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)和零觸發(fā)技術(shù)，很好地解決了由接觸器觸點(diǎn)投切電容器所帶來(lái)弊病。如圖2所示用ADI公司的ADSP2181DSP和TI公司的ADS8344

15、自帶8路多路轉(zhuǎn)換器16位AD器件。來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，ADS2181內(nèi)部集成30MIPS 21XX內(nèi)核，13個(gè)通用IO，以及2個(gè)高速串行同步口。由于ADSP2181 速度非?？?，我們對(duì)A,B,C相分別半個(gè)周波計(jì)算一次，一旦需要投電容時(shí)在內(nèi)部RAM中置位標(biāo)志，當(dāng)IRQ02檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)時(shí)便通過(guò)中斷置位PF1-3、PF4-6。ADSP2181中斷響應(yīng)時(shí)間為3個(gè)指令周期置位IO需要1個(gè)指令周期，所以從過(guò)零到控制輸出共4個(gè)指令周期的延時(shí)。一個(gè)指令周期為30nS，設(shè)線路電流幅值為 380V則投切電容時(shí)的電壓值為 ：380V * =0.0143V14mV。其值非常小，不會(huì)造成涌流?？梢?jiàn)利用DSP設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，省去了大量的外設(shè)，并且能夠利用軟件處理過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)和控制，使得設(shè)計(jì)的靈活性更大，可