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，隨著用戶對于電力質(zhì)量與穩(wěn)定性的要求日益增高，對變電站的運行調(diào)度能力及自動化水平均提出了更高的要求[1]。變電站綜合自動化控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，融入先進的計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及控制測量技術(shù)等對站內(nèi)電氣設(shè)備的功能進行重新組合和優(yōu)化設(shè)計。該系統(tǒng)的研究對于提高變電站自動化水平，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，為變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展提供了多樣化的新型發(fā)展平臺。本文所設(shè)計的變電站綜合自動化控制系統(tǒng)是以DSP微處理器為核心，結(jié)合測量、控制及通訊等技術(shù)完成系統(tǒng)的構(gòu)建。其目的主要是實現(xiàn)對變電站進行自動化管理，提高電網(wǎng)電力系統(tǒng)運行的高效性、可靠性，降低電力企業(yè)對電網(wǎng)的維護成本。所設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)φ緝?nèi)電氣設(shè)備的實時運行狀態(tài)進行跟蹤和監(jiān)視，并對信息數(shù)據(jù)進行采集、處理。同時，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)計實現(xiàn)對于電力產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要的參考價值和意義[7]。

1 DSP技術(shù)

DSP即數(shù)字信號處理，是利用計算機或?qū)ｉT數(shù)字處理設(shè)備，對采集到的信號進行處理的技術(shù)，包括對原始數(shù)據(jù)的采集、信號的變換以及估值與識別等。數(shù)字信號處理技術(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，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]。采集到的原始信號首先被輸入到抗混疊濾波模塊進行濾波和抽樣，然后通過A/D模塊將輸入的模擬信號變換成系統(tǒng)能夠處理的數(shù)字信號。隨后，將處理所得的數(shù)字信號輸入到DSP芯片中進行某種形式(乘法、卷積、乘累加等)的處理，得到所對應(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、卷積運算及快速傅里葉變換等，通常用于一些特定的項目工程中。DSP芯片的結(jié)構(gòu)特點可以總結(jié)為以下4點：

(1)哈佛結(jié)構(gòu)。DSP芯片通常采用數(shù)據(jù)與程序單獨存儲的并行哈佛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用兩條獨立的數(shù)據(jù)控制總線分別完成對其中數(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、譯碼以及運行這3個部分。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算中需要頻繁執(zhí)行，諸如∑b(n)×x(n-k)形式的運算。因此DSP芯片將乘法器與加法器相結(jié)合，在一個時鐘周期完成一次乘、加運算，并可以累加乘法運算的結(jié)果，使得運算變得更加高效;

(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式中所用到的變量及尋址方式。注釋則是為方便閱讀而對指令所做的說明。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

利用DSP芯片進行實時系統(tǒng)設(shè)計與開發(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)計了基于DSP的變電站綜合自動化控制系統(tǒng)，如圖3所示。該自動化系統(tǒng)以DSP芯片為核心，組成各種測控及保護單元，同時利用CAN bus(現(xiàn)場總線)來構(gòu)建站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)。變電站運行所產(chǎn)生的實時狀態(tài)信息首先被所對應(yīng)的測控保護裝置采集，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中,并經(jīng)過通信管理機將相關(guān)信息分發(fā)到站內(nèi)本地的監(jiān)控管理系統(tǒng)和遠方的電力調(diào)度控制總站，從而實現(xiàn)變電站的自動化保護、監(jiān)控以及控制。

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

該綜合自動化系統(tǒng)，不僅能完成對變電站內(nèi)相關(guān)儀器設(shè)備實時數(shù)據(jù)信息的采集和記錄。同時對原始數(shù)據(jù)進行分析處理，且還可以實現(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 試驗測試

為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)在實際變電站環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性，利用本文所設(shè)計的綜合自動化系統(tǒng)對某小型變電站的原有系統(tǒng)進行改造。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)對變電站中所需的部分功能進行測試。其中包括：常溫下的交流工頻電壓、電流基本誤差測試和測控及保護單元的抗干擾測試。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量結(jié)果，如表1和表2所示。

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

表2 工頻電流測試結(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)。通過實測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)電壓的對比分析可以發(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)，滿足變電站的測量要求。同時，系統(tǒng)中事件記錄時間分辨率滿足要求，可以保證在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時向工作人員反饋站內(nèi)狀態(tài)。

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

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

系統(tǒng)抗干擾測試結(jié)果說明，所設(shè)計的系統(tǒng)完全滿足設(shè)計要求，驗證了該系統(tǒng)在實際變電站環(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，研究設(shè)計了基于DSP的變電站綜合自動化控制系統(tǒng)。所設(shè)計的系統(tǒng)能夠在對站內(nèi)電氣設(shè)備實時運行狀態(tài)進行跟蹤和監(jiān)視的同時,完成對信息數(shù)據(jù)進行采集和處理。在實際試驗中，測試了該系統(tǒng)對于常溫下交流工頻電壓和電流的基本誤差、測控及保護單元的抗干擾能力。這3項測試結(jié)果說明，該系統(tǒng)能夠快速采集站內(nèi)電氣設(shè)備運行信息，并對其進行分析處理，具有較高的可靠性。