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

1、封面作者： PanHongliang僅供個人學習DSP 在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)終端設(shè)備中的應(yīng)用摘要本文簡單介紹 DSPDSP 的特點以及其在處理 FFTFFT FIRFIR 等數(shù)字信號處理方面的 優(yōu)越性，分析了 DSPDSP 在配網(wǎng)自動化終端設(shè)備中的交流采樣、故障檢測、小電流 接地選線、電能質(zhì)量分析、無功補償?shù)确矫娴膽?yīng)用。關(guān)鍵詞 配電終端。數(shù)字信號處理。故障檢測。電能質(zhì)量。DAG1AG2PROGRAMEQUENCERINTERNAL SRAM24 BII PROGRAMMEMORY16 BIT DATAMEMORY14一PORT0EXTERNALDATAICE PORTBUSEXTERNALADD

2、RESSBUSCHIP SEL &CONTROLBYTE DMAENGINEEXTERNAL GP I/Oand INTERRUPTPINSINTERNALDMAENGINE/、八1 前言配電網(wǎng)是電力生產(chǎn)和供應(yīng)的最后一個環(huán)節(jié)，與千家萬戶直接密切相連，在保證用戶的連續(xù)供電方面是一個十分重要的環(huán)節(jié)。配電網(wǎng)自動化系統(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、柱上負荷開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、無功補償電容器的監(jiān)視與控 制。具有數(shù)量大、運行環(huán)境惡劣、性能價格比要求高，不易維護的特點。這就要求配電終 端可靠性要高，功能綜合性強，成本要低，可以遠程維護等。近幾年DSP 飛速發(fā)展，其內(nèi)存不斷增大，速

3、度不斷提高，指令效率不斷增強。程序運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)級的芯片。同時和DSP 相關(guān)的 ADC/DAC 的速度和精度也越來越高。使得DSP 在快速采樣、軟件濾波、頻率跟蹤和鎖相、復雜的數(shù)學運算如FFT、FWT 方面具有得天獨厚的條件。DSP 運用于配電終端使其性能大大增強，功能擴充容易，通過軟件即可完成繼電保護、故 障錄波等附加功能。其應(yīng)用已愈來愈廣泛。2 DS 啲特點數(shù)字信號處理器（DSP）主要針對數(shù)學的卷積運算而設(shè)計，最典型的就是FFT 的運算。由于 DSP 的高速發(fā)展，使得用軟件來實現(xiàn)各種數(shù)字濾波和快速傅立葉變換成為可能，從而進 一步促

4、進 DSP發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字化的世界里DSP 變得越來越重要，可以說是無處不在。DSP 最基本的特點是2:1 ）能夠在一個指令周期內(nèi)實現(xiàn)一次或多次乘法累加（ MAC運算。所以，在 DSP 中集成了多個乘法累加運算單元，可以進行并行乘法累加運算。2）能夠在一個指令周期內(nèi)完成對存儲器的多次讀取。所以，在DSP 中集成了多個片內(nèi)總線和多端口片內(nèi)存儲器。3）為了加快處理器中的運算，在DSP 中集成了多個地址產(chǎn)生單元，以支持循環(huán)尋址和位翻轉(zhuǎn)尋址。4）處理器中的運算大多是重復的運算，為了方便使用，大部分DSP 都支持這種重復運算，而不用額外編寫重復運算的指令。5）大部分 DSP 都提供多個串行或并行

5、 I/O 接口，以及特別 I/O 接口來處理特殊的數(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 DSP 結(jié)構(gòu)總體框圖。EXTERNALADDRESSBUSADDRESSGENERATORSIfUARIADSP-21xx Core16 BIT FIXED POINTICUNITS ISHIFTERJIADDRES24 BIT PM DATAFULLMEMORY MODE2x PLLDDRESS14 BIT DMATIMERPORT1POWERDOWNCONTROL16 BIT DM DATAIx 12HOST MODEBoot Optio n Via

6、MODEPins on 100 Pin Packages在微機應(yīng)用初期，電力系統(tǒng)的參數(shù)普遍采用直流采樣，即對經(jīng)過整流后的直流量進 行采樣測量。此方法軟件設(shè)計簡單，計算方便，對采樣值只需做比例變換即可得到被測量 的數(shù)值。但直流采樣方法存在一些問題：測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)律對被測信號的瞬時值進 行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得被測量的值。省去了直流變送器，降低了造價，簡化了 裝置構(gòu)成。通過各種數(shù)學運算就可以得到用直流采樣方法不易測量的參數(shù)。比如

7、可以測得 電壓電流的基波向量，各次諧波含量，在現(xiàn)場可以根據(jù)電流/電壓的向量圖來判斷二次回路的接線是否正確。但涉及的計算量大，要用到大量乘法和累加運算。普通的CPU 由于多數(shù)內(nèi)部沒有集成 MAC，很難勝任。一般采用專用的數(shù)字信號處理芯片(DSP)計算所需的各種模擬量。我們以 16.667MHz 時鐘頻率的 ADSP2181DSP 和 20MHz 時鐘頻率 80C196 以及 12MHz 時鐘頻率的 80C51 單片機來比較做一個 32 點的 FFT 所需要的時間如表 1。表 1 執(zhí)行一個 32 點的 FFT 所需時間CPU 類型ADSP218180C19680C51執(zhí)行周期2139Cycles1

8、14214Cycles199572 Cycles執(zhí)行時間：0.06417mS5.7107mS199.572mS4 故障檢測4.1短路故障檢測對于短路故障完全可以采用饋線保護繼電器比較成熟的過電流檢測原理。但配電終 端的故障檢測技術(shù)相對要簡單一些，不要求它像保護繼電器那樣具有選擇性，只要能夠檢 測出有故障電流出現(xiàn)即可，另外不要求像保護繼電器那樣輸出跳閘信號，對配電終端的故 障檢測時間沒有太嚴格的要求只要在變電站保護跳閘之前檢測出故障電流即可，這就為配 電終端對采樣數(shù)據(jù)進行濾波、分析、判斷嬴得時間。由于對時間的要求不是很高我們可以 用軟件設(shè)計一個高品質(zhì)因數(shù)的帶通濾波器，這樣不但提高了抗高頻干擾的能

9、3 交流采樣X5X5X 8 -15圖 1 ADSP218X 總體框圖力，同時降低 了短路故障時衰減的直流分量對測量精度的影響。如圖1 所示， 要注意負荷在冷啟動”電流可能很大，此時要恰當設(shè)置“t ”延時躲開。帶通濾波器 BP:(1)傅立葉變換 DFT: (2)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) 。由于接地電流小等原因，單相接地故障的檢測靈敏度和 可靠性一直不高。另一方面，相當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)過程，影響基于穩(wěn)態(tài)工頻或諧波分量的檢測方法的正確判斷，單相 接地故障時，暫態(tài)零序

10、電流值大于穩(wěn)態(tài)值，因此，利用暫態(tài)零序電流值檢測有較高的靈敏度。我們可以利用高速 AD 和 DSP 對零序電流進行過采樣，并通過GPS 來進行同步，通過比較在同一時刻不同的配電終端檢測到的暫態(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GPS，另外會大大增加對主站的通訊，一個折中的方法是采用零序能量分析原理，通過判斷單相接地時零序基波的有功分量來確定故障線路（如公式 3），因為出現(xiàn)單相接地時，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 接地點的電弧有功損耗，故障相的零序電流有功必然大于

11、非故障相，只要恰當增大積分時間 T,便會增加其檢測的準確度，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。實踐證明在目前條件下不失為一 種好方法。其主要運算量還是乘法和加法運算，利用DSP 可以很好地解決能量的實時運算問題。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，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量只有三個主要指標，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、后來電壓波動、閃變等也列入 電能質(zhì)量標準，隨著以半導體、計算機為核心的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對電能質(zhì)量的要求 越來越高 對電網(wǎng)電能質(zhì)量實施技術(shù)監(jiān)督勢在

12、必行，要想有效地控制電能質(zhì)量，首先要及時、準確地 獲得有關(guān)“源”信息，如三相電壓、三相電流、中線電流及中線對地電壓等，然后對源信 息進行實時快速地分析得到所需要的信息，采用數(shù)字信號處理（DSP）為電能質(zhì)量分析注入新的活力，對于電壓閃變、諧波、三相不平衡這些變化相對較慢、持續(xù)時間較長的電能質(zhì)量 問題，最簡單的方法是在時域采用對稱分量法、諧波分析法但在時域分析計算大、耗時長一般采用離散傅立葉變換（DFT）或快速傅立葉變換，分析出信號中的各個頻譜分量。對于 電壓下跌、電壓上升、瞬時脈沖以及電壓瞬時中斷等這類電能質(zhì)量擾動，由于持續(xù)時間 短，發(fā)生時間具有很大的隨機性，傅立葉變換已不能滿足要求，一般用加窗

13、傅立葉變換、 小波變換等 .。無論是傅立葉變換還是小波變換其主要的數(shù)學運算為乘法和累加。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現(xiàn)電能質(zhì)量的實時分析。6無功補償以往低壓端的無功補償多采用接觸器投切電容器組的方式進行無功補償，往往會在 接觸器觸點處產(chǎn)生極大的火花，在切斷電容器時，又容易粘住觸頭，造成咬死，松不開現(xiàn) 象。之所以出現(xiàn)這些問題，是因為電容器固有的物理特性：電容兩端的電壓不能躍變。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， 導致交流接觸器和電容器本身受到大電流沖擊而損壞，同時無法及時跟蹤快速變 化的低壓負荷，補償效果較

14、差，近年來，隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，大量的沖擊性負荷 （如電弧爐、軋鋼機等）和非線性負荷（如電力機車等）接入電網(wǎng)，它們工作時無功功率 的變化相當劇烈，不僅引起系統(tǒng)電壓的波動、閃變及不平衡，而且向系統(tǒng)注入大量的高次 諧波，嚴重影響了供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。因此要求無功補償裝置能夠迅速地動態(tài)補償，來 迅速抑制閃變、提高功率因數(shù)、增強系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量。因此對無功補償?shù)年P(guān)鍵 一是實時檢測出無功偏差，二是在過零點投切電容器。利用DSP 來設(shè)計無功補償裝置具有采集計算速度快， 加上采用無觸點開關(guān)和零觸發(fā)技術(shù)， 很好地解決了由接觸器觸點投切電 容器所帶來弊病。如圖 2 所示用 ADI 公司的 ADSP2

15、181DSP 和 TI 公司的 ADS8344 自帶 8路多路轉(zhuǎn)換器 16 位 AD 器件。來設(shè)計一個低壓無功補償裝置，ADS2181 內(nèi)部集成 30MIPS21XX 內(nèi)核，13 個通用 10,以及 2 個高速串行同步口。由于ADSP2181 速度非?？?，我們對 A,B,C 相分別半個周波計算一次，一旦需要投電容時在內(nèi)部RAM 中置位標志，當IRQ02 檢測到過零點時便通過中斷置位PF1-3、PF4-6。ADSP2181 中斷響應(yīng)時間為 3 個指令周期置位 10 需要 1 個指令周期，所以從過零到控制輸出共4 個指令周期的延時。一個指令周期為 30nS，設(shè)線路電流幅值為 380V 則投切電容時

16、的電壓值為：380V * =0.0143V疋14mV。其值非常小，不會造成涌流?？梢娎肈SP 設(shè)計的無功補償裝置，省去了大量的外設(shè)，并且能夠利用軟件處理過零點的檢測和控制，使得設(shè)計的靈活性更大，可靠性更高。7 結(jié)語DSP 在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)終端中的應(yīng)用已越來越廣泛，隨著DSP 技術(shù)的發(fā)展，信號處理理論的完善以及一些新的數(shù)學分析工具的逐步成熟（如小波分析方法）、DSP 在這一領(lǐng)域正被進一步擴大。參考文獻1 陳遠春，電力系統(tǒng)自動化控制技術(shù)標準規(guī)范與操作管理實務(wù)全書，電力工業(yè)出版社2 本杰明，漫談數(shù)字信號處理器，世界電子元器件版權(quán)申明本文部分內(nèi)容，包括文字、圖片、以及設(shè)計等在網(wǎng)上搜集整理。版權(quán)為潘

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