王佳樂， 李珺磊， 麻超， 李樹廣

(1.上海工程技術(shù)大學 電子電氣工程學院，上海 201620；2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海廣吉電氣有限公司，上海 200233)

0 引言

我國金屬冶煉工業(yè)與電車鐵路的高速發(fā)展為我國提供重要經(jīng)濟基礎(chǔ)。然而，在許多重工業(yè)領(lǐng)域，如在金屬冶煉領(lǐng)域的電弧爐與高頻爐、鋁鉬鈦等金屬電解冶煉系統(tǒng)、風電設(shè)備的頻繁入網(wǎng)與切離、頻繁啟動與調(diào)相變速運行的鐵路電車對電網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波干擾與無功有害電力沖擊，對電網(wǎng)與通信控制系統(tǒng)產(chǎn)生極大干擾，嚴重影響人員及電力系統(tǒng)安全。電網(wǎng)質(zhì)量與安全已經(jīng)引起世界高度重視。

本文針對以下4種工況：1.鋼鐵鋁等金屬冶煉系統(tǒng)與電車鐵路領(lǐng)域的復雜動態(tài)瞬時變化電力系統(tǒng)與電網(wǎng)的高速檢測與監(jiān)控；2.抑制電網(wǎng)瞬時突變負荷所產(chǎn)生的沖擊與電網(wǎng)波動；3.電網(wǎng)負荷產(chǎn)生的諧波與無功有害電力的補償；4.電網(wǎng)在超過極限狀態(tài)的限定與故障異常狀態(tài)的電網(wǎng)系統(tǒng)保護。在此控制過程中，對電網(wǎng)三相負載突變與電網(wǎng)諧波與有害電力沖擊干擾的高速測控是后續(xù)補償?shù)馁|(zhì)量與系統(tǒng)保護效果的保證。對此，本論文提出一種基于多TMS320F28335-DSP高速信號處理與智能控制器在廣域電網(wǎng)動態(tài)檢測監(jiān)控與電網(wǎng)保護系統(tǒng)的構(gòu)建與拓撲邏輯分析，來完善廣域電網(wǎng)遙測監(jiān)控與電網(wǎng)系統(tǒng)保護與控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文以電解鋁金屬冶煉系統(tǒng)為例，電解鋁整流變壓器輸入電壓220 kV，負載輸出功率106 MW，變壓器補償繞組電壓10 kV，電網(wǎng)諧波與無功有害電力補償在第三補償執(zhí)行，補償裝置為GJ-IAF智能有源濾波器補償裝置，如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)智能檢測監(jiān)控與保護控制系統(tǒng)原理圖

每臺變壓器配置隔離開關(guān)保護裝置分別為：220 kV變壓器輸入高壓隔離開關(guān)、10 kV補償裝置隔離開關(guān)、變壓器輸出負載隔離開關(guān)，生產(chǎn)負荷為大功率直流電解鋁生產(chǎn)線。廣域電網(wǎng)智能檢測監(jiān)控與保護系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)遠程監(jiān)控與保護控制系統(tǒng)原理圖

地區(qū)電網(wǎng)220 kV，負荷為13臺220 kV/106MW電解鋁整流變壓器、5臺220 kV/56MW動力變壓器、高壓大功率電解鋁生產(chǎn)系統(tǒng)負荷，圖2所示電解鋁金屬冶煉電網(wǎng)檢測監(jiān)控與保護控制系統(tǒng)構(gòu)成原理圖。本系統(tǒng)由多臺變壓器，每臺變壓器配置電網(wǎng)檢測裝置與負載檢測裝置，DSP-PLC-A/D電網(wǎng)采集保護處理裝置、GJ-IAF智能有源濾波器補償裝置、系統(tǒng)保護隔離開關(guān)，構(gòu)成廣域電網(wǎng)大功率生產(chǎn)負荷檢測、監(jiān)控補償與保護系統(tǒng)；由TMS320F28335-DSP智能主控制器控制多DSP處理控制器構(gòu)成電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。電網(wǎng)檢測裝置由三相電壓電流霍爾傳感器構(gòu)、DSP-PLC- A/D處理器由多通道信號采集PLC程控器與A/D變換器和FFT信號處理分析裝置構(gòu)成、每臺變壓器配置一套DSP-IAF智能有源濾波器補償裝置與DSP-SPC系統(tǒng)保護控制裝置與多臺高壓大功率隔離開關(guān)構(gòu)成電網(wǎng)檢測監(jiān)控保護系統(tǒng)。

2 電網(wǎng)DSP智能監(jiān)控補償與系統(tǒng)保護

本系統(tǒng)由主TMS320F-DSP智能控制器控制多從DSP處理控制器構(gòu)成電網(wǎng)負荷檢測監(jiān)控補償與保護系統(tǒng)系統(tǒng)。所述主從DSP之間的數(shù)據(jù)通信采用雙口RAM-PIO通信接口，控制命令由主TMS320 F28355-DSP智能控制器送到從DSP-PLC-A/D電網(wǎng)檢測控制器與DSP-IAF補償控制器和DSP-SPC系統(tǒng)保護控制器，由從DSP控制各操作執(zhí)行裝置。

本系統(tǒng)為提高檢測裝置精度與高抗干擾能力，采用高抗干擾DSP/PLC多路信號數(shù)據(jù)采集控制器與濾波器及高精度DSP內(nèi)置A/D芯片，由PLC程序控制器把電網(wǎng)與負荷多路電壓電流與電網(wǎng)運行狀態(tài)檢測信號分別送入A/D變換器與FFT處理器對電網(wǎng)信號進行變換與分析，準確地檢測與計算出電網(wǎng)各次諧波的幅值、頻率與相位信息及電網(wǎng)信號動態(tài)信號數(shù)據(jù)，利用高速GJ-IAF智能有源濾波器對電網(wǎng)波動與諧波干擾信號進行抑制與補償，根據(jù)電網(wǎng)保護限度范圍與電網(wǎng)操作規(guī)范控制DSP-SPC系統(tǒng)保護裝置對電網(wǎng)進行監(jiān)控與安全保護，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的控制效果、高速性與安全性。

由于在實際金屬冶煉系統(tǒng)與高速鐵路牽引供電系統(tǒng)各相負荷相差極大，據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)表明，冶煉變壓器與電車牽引變壓器在很多時間處于單相負荷工作狀態(tài)，各相電壓/電流波動劇烈，造成嚴重的三相不平衡。金屬冶煉系統(tǒng)由于現(xiàn)場交直流電磁場對檢測裝置造成很大的磁場干擾與檢測誤差，需要A/D轉(zhuǎn)換芯片具有較大的測量范圍、較高的測量精度及高抗干擾能力。

系統(tǒng)保護裝置由DSP-SPC系統(tǒng)保護控制器與系統(tǒng)保護隔離開關(guān)構(gòu)成，對電網(wǎng)三相不平衡狀態(tài)與過極限運行狀態(tài)進行調(diào)整、限定與保護，從而提高電網(wǎng)與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性與電網(wǎng)質(zhì)量。當系統(tǒng)出現(xiàn)過負荷，TMS320F28355-DSP智能控制器根據(jù)電網(wǎng)操作規(guī)程對電網(wǎng)負荷進行調(diào)節(jié)；當電網(wǎng)負荷系統(tǒng)超過設(shè)定極限與出現(xiàn)異?；蚬收?，DSP智能控制器控制隔離保護開關(guān)裝置對電網(wǎng)與負載進行隔離與保護，即時切除故障點，使故障點脫離電網(wǎng)，保障電網(wǎng)安全運行，同時通過通信報警裝置發(fā)出報警信號，利用通信裝置把信號數(shù)據(jù)傳送的遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

3 多DSP控制器同步并行控制方式

在實際應(yīng)用中，由于電網(wǎng)與負載系統(tǒng)所需采集信號數(shù)據(jù)量大，要求實時性高，為了提高電網(wǎng)信號采集與數(shù)據(jù)處理速度與電網(wǎng)實時跟蹤控制能力，本系統(tǒng)采用多DSP同步并行運行模式，利用高速雙口RAM-PIO通信接口進行DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸及狀態(tài)同步工作，不僅提高了DSP數(shù)據(jù)采集能力和處理速度，克服了傳統(tǒng)電網(wǎng)檢測控制方案中多通道緩沖串行數(shù)據(jù)交換延時與傳輸速度慢等缺點。

本控制方式采用信號標志器仲裁方式，無需插入等待狀態(tài)，提高了通信速度。TMS320F28335提供了16個獨立于存儲空間的信號標志鎖存器，每個標志器都有一個單獨的地址，可由地址線A0～A3進行選擇，D0～D2用于標志鎖存器狀態(tài)的讀寫。各DSP可以通過I/O口讀寫鎖存器來設(shè)定信號標志，從而取得或放棄共享資源的使用權(quán)，并嚴格遵守對標志寄存器進行先寫后讀的原則，以避免出現(xiàn)爭奪總線的現(xiàn)象。本系統(tǒng)中主DSP控制器寫數(shù)據(jù)到各從DSP中，其主要特點是將雙口RAM中的輸人數(shù)據(jù)選擇單元和輸出數(shù)據(jù)選擇單元，按時序節(jié)拍相互配合，在不同周期進行切換，將經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流不停頓地送到數(shù)據(jù)流運算處理器進行處理，從而達到主從DSP數(shù)據(jù)的無縫緩沖和處理的目的。

4 信號采樣部分設(shè)計

本研究電網(wǎng)信號數(shù)據(jù)采集由TMS320F28335- DSP自帶的16通道高速高分辨率的DSP-A/D采樣變換系統(tǒng)與高抗干擾前置濾波電路，使本系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具有高抗外界干擾、抑制偏置誤差等各方面的影響，支持雙極性采樣信號的輸入，拓展了工作電壓范圍，使用更加靈活。本系統(tǒng)精確檢測出電網(wǎng)各點電壓電流及運行狀態(tài)與解析電網(wǎng)負載各點諧波頻率幅值與相位信息及控制指令，控制各補償裝置實時準確地進行電網(wǎng)調(diào)節(jié)補償與系統(tǒng)安全保護，以保證電網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和實時的高速數(shù)據(jù)處理功能與電網(wǎng)的安全運行與保護。

5 電網(wǎng)系統(tǒng)檢測分析與決策控制原理

電網(wǎng)檢測與監(jiān)控系統(tǒng)需要對電網(wǎng)狀態(tài)檢測、分析與評估，并根據(jù)電網(wǎng)規(guī)程進行決策。如圖2.所示，主DSP控制器對從DSP-PLC-A/D信號處理器對電網(wǎng)與生產(chǎn)負荷系統(tǒng)電壓電流與電網(wǎng)運行狀態(tài)進行檢測，計算出電網(wǎng)各點的功率狀態(tài)矢量S(t)、電壓狀態(tài)矢量U(t)、電流狀態(tài)矢量I(t)、導納狀態(tài)矢量Z(t)、電壓與電流狀態(tài)矢量角φ(t)，構(gòu)成系統(tǒng)狀態(tài)矩陣為W{U(t):I(t):Z(t):φ(t)}=[U(t):I(t):Z(t):φ(t):t]T，電網(wǎng)瞬時狀態(tài)矢量矩陣[1]為式(1)。

(1)

式(1)中，WA0為測量子矩陣元素。

(2)

電網(wǎng)系統(tǒng)傳輸狀態(tài)矩陣為Hij，兩節(jié)點之間電壓傳輸狀態(tài)矩陣方程為式(3)。

(3)

式(3)中Haa，Hbb，Hcc表示線路兩節(jié)點之間的傳輸狀態(tài)矩陣；Hab，Hba，Hac，Hca，Hcb，Hbc表示相間狀態(tài)相互影響的狀態(tài)相關(guān)參數(shù)；H(z)傳輸關(guān)系為式(4)。

(4)

H(z)中對應(yīng)狀態(tài)子式為式(5)。

(5)

式(5)中：ai,bi為傳函系數(shù)，ea(n),eb(n),ec(n)為誤差矢量為式(6)。

(6)

式(6)中Zaa,Zbb,Zcc為阻抗狀態(tài)矩陣；Zab、Zba、Zbc、Zca、Zcb、Zbc、分別為相間狀態(tài)相互影響的狀態(tài)相關(guān)參數(shù)。

本研究利用電網(wǎng)三相電壓電流檢測采樣數(shù)據(jù)、由于時序領(lǐng)域變換到復數(shù)域的周期性與對稱性[i]來簡化和提取特征有效項素，上述(6)式中電壓瞬時狀態(tài)矢量為式(7)～式(10)。

(7)

(8)

(9)

(10)

式(7)中AH(m)，SH(m)，ΦH(m)分別為各次高次諧波的幅值、頻率與相位。三相電流瞬時狀態(tài)矢量為式(11)。

(11)

電網(wǎng)電壓電流信號檢測采樣間隔T=20 ms/128，電網(wǎng)檢測瞬時狀態(tài)矢量矩陣由式(11)所示，數(shù)據(jù)經(jīng)由本研究的部分特征要素高速PFE-FFT計算出瞬時電壓狀態(tài)矢量矩陣為式(12)。

(12)

金屬電解鋁整流變壓器輸入側(cè)電壓220 kV，標準相電壓127 kV，輸入相電流176 A，由式(12)提取電壓電流動態(tài)瞬時狀態(tài)矢量數(shù)據(jù)矩陣表達，其檢測采樣錄用狀態(tài)矢量數(shù)據(jù)矩陣為式(13)。

(13)

220 kV電解鋁整流變壓器補償控制繞組10 kV電壓，標準相電壓5 773.67 V，由DSP-PLC-A/D電網(wǎng)補償檢測裝置輸出補償電壓電流，提取其輸出電壓電流動態(tài)瞬時狀態(tài)矢量數(shù)據(jù)矩陣表達式為式(14)。

(14)

由式(14)利用本研究由TMS320F28355-DSP- A/D-PLC處理器利用高速PFE-FFT計算分析出電網(wǎng)負載系統(tǒng)諧波電流成分為式(15)。

(15)

部分特征要素高速PFE-FFT計算流圖如圖3所示。

圖3 DSP部分特征要素PFE-FFT運算流圖

本研究220 kV電網(wǎng)與電解鋁冶煉變壓器負載的輸入側(cè)電壓電流實測數(shù)據(jù)與FFT分析算出的瞬時狀態(tài)矢量數(shù)據(jù)矩陣為式(16)。

(16)

上述(12)～(16)式中UA(%)、IA(%)、SH(Hz)、φH、COSφ分別表示電網(wǎng)與220 kV變壓器輸入實測側(cè)電壓、電流、諧波頻率、相位與功率因數(shù)測定值與標準電壓電流幅值的百分比值，作為系統(tǒng)補償控制與系統(tǒng)保護操作的參照值，由TMS320F28355-DSP-SPC系統(tǒng)保護控制器參照電網(wǎng)操作規(guī)程計算出系統(tǒng)各補償控制裝置指令值。當電網(wǎng)與負載系統(tǒng)電壓與電流超過系統(tǒng)設(shè)定值，由TMS320F28355-DSP-SPC控制器控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)負荷電壓與電流，電網(wǎng)或負荷系統(tǒng)超過系統(tǒng)保護設(shè)定值極限值或出現(xiàn)異常與故障，由TMS320F28355-DSP-SPC控制器控制電網(wǎng)或負荷保護隔離開關(guān)，使故障系統(tǒng)切離電網(wǎng)并報警，使電網(wǎng)或負荷系統(tǒng)得以保護。

本研究為對電網(wǎng)與負荷系統(tǒng)的檢測控制的高速性與精確性提供多方面保證：1.對電網(wǎng)負荷系統(tǒng)瞬時電壓電流信號的高速檢測與信息預處理，2.電網(wǎng)采樣信號PFE-FFT處理與分析。3.對電網(wǎng)與負載系統(tǒng)高次諧波無功與有害電力進行高速有效的抑制與補償，4.對電網(wǎng)運行操作提供可靠安全保護與精確可靠的信息。

本研究通過利用多DSP主從同步并行控制方式，利用TMS320F28335-DSP主控制器控制多個DSP執(zhí)行操作控制器、對電網(wǎng)負載信號檢測與分析，把電網(wǎng)電壓電流與諧波的幅值頻率與相位信息由RAM-PIO或CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送到與DSP-IAF控制補償裝置與DSP-SPC保護控制裝置，由DSP-IAF智能有源濾波補償裝置對電網(wǎng)諧波與無功有害電力進行高精度補償，通過相應(yīng)的DSP-PIO通信接口實時控制驅(qū)動各高壓保護隔離開關(guān)的分合閘操作，控制調(diào)節(jié)各負荷調(diào)節(jié)裝置與電網(wǎng)保護隔離開關(guān)裝置投入切除操作，以保障電網(wǎng)故障隔離切除與電網(wǎng)系統(tǒng)的安全保護運行。電網(wǎng)負載系統(tǒng)電壓檢測波形。如圖4所示。電網(wǎng)負載系統(tǒng)電壓電流DSP信號檢測采集與處理后數(shù)據(jù)顯示器圖面，如圖5所示。

圖4 電網(wǎng)負載系統(tǒng)電壓檢測波形

圖5 DSP電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示圖面

7 電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測與故障判別

電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測是指對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行檢測、分類、評估與決策。對電網(wǎng)運行異常狀態(tài)做出判斷，根據(jù)設(shè)定參數(shù)與歷史數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)與出現(xiàn)的故障特征，根據(jù)電網(wǎng)規(guī)程進行判斷故障性質(zhì)和程度，對電網(wǎng)進行決策與系統(tǒng)保護操作。電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)可為電網(wǎng)積累完整和科學的運行記錄資料，為現(xiàn)代電網(wǎng)的科學管理提供技術(shù)保證和實施依據(jù)。

電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過對電網(wǎng)信號檢測、數(shù)據(jù)分析建立故障模型。利用數(shù)理統(tǒng)計、模式識別等技術(shù)對電網(wǎng)運行狀態(tài)與故障進行判別與監(jiān)控。據(jù)故障統(tǒng)計，電力系統(tǒng)故障約有60%是各種不同的短路故障，約10%為斷路故障，8%為干擾信號引起，15%因系統(tǒng)波動沖擊引起，約10%為過負荷造成的過電流線路燒損或斷路器跳閘事故等。

圖5DSP電網(wǎng)檢測監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示更新周期為T(t)=20 ms，系統(tǒng)預測與實測誤差如圖6所示，預測值非常接近實測值。

圖6 系統(tǒng)預測與實測誤差

6 總結(jié)

本研究為電網(wǎng)運行狀態(tài)檢測、信號分析與電網(wǎng)控制操作分類、電網(wǎng)負荷監(jiān)測與電網(wǎng)系統(tǒng)保護，對電網(wǎng)狀態(tài)進行評估與操作決策，為現(xiàn)代電網(wǎng)的科學管理提供技術(shù)保證和實施依據(jù)。數(shù)據(jù)終端采集的數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)通信裝置向電網(wǎng)與生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)控部門實時傳送，數(shù)據(jù)的通信方式采用國際化PROFIBUS現(xiàn)場總線通信技術(shù)與開放式的通信協(xié)議標準，為變電站與遠程電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)提供了極其方便的數(shù)據(jù)通信形式和電網(wǎng)安全系統(tǒng)保護，同時也使系統(tǒng)構(gòu)成更為簡潔。