【摘要】隨著廣播電視技術(shù)的數(shù)字化和高清化發(fā)展，傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)。數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）技術(shù)憑借其高速、高精度的信號(hào)處理能力，為解決供配電系統(tǒng)中的問(wèn)題提供了有效方案。本文探討了DSP技術(shù)在廣播電視臺(tái)供配電系統(tǒng)改造中的具體應(yīng)用，提出了基于DSP的系統(tǒng)改造方案。結(jié)果表明，DSP技術(shù)應(yīng)用顯著提升了支撐系統(tǒng)性能，總諧波失真降低45%，電壓偏差控制在±2%以內(nèi)，功率因數(shù)達(dá)到0.98以上。這些改進(jìn)保障了廣播電臺(tái)正常運(yùn)營(yíng)，并為其他行業(yè)電力系統(tǒng)優(yōu)化提供了支撐。

【關(guān)鍵詞】DSP技術(shù)；廣播電視臺(tái)；供配電系統(tǒng)；系統(tǒng)改造；電能質(zhì)量；諧波抑制；無(wú)功補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TN929" " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " "DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.21.010

廣播電視臺(tái)供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性關(guān)系到播出質(zhì)量與播出安全。數(shù)字化和高清化發(fā)展使傳統(tǒng)系統(tǒng)面臨諧波污染、電壓波動(dòng)、功率因數(shù)低等問(wèn)題，因此亟須改造。DSP技術(shù)憑借高速精確的信號(hào)處理能力，為解決這些問(wèn)題提供了新思路。DSP在電力系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)顯著：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析、快速響應(yīng)控制、復(fù)雜算法執(zhí)行和易于升級(jí)。本文探討了DSP技術(shù)在廣播電視臺(tái)供配電系統(tǒng)改造中的應(yīng)用，分析了其實(shí)施效果，為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)升級(jí)提供了參考。

1. DSP技術(shù)在供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 DSP技術(shù)的基本原理

DSP技術(shù)是一種基于數(shù)字處理器的信號(hào)處理技術(shù)，其核心內(nèi)容是通過(guò)專用的數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。在供配電系統(tǒng)中，DSP技術(shù)的應(yīng)用主要涉及信號(hào)采集、數(shù)字濾波、快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）和數(shù)字控制等方面[1]。信號(hào)采集階段使用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）對(duì)電壓、電流等模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，典型采樣率可達(dá)到10～100kHz。數(shù)字濾波采用FIR或IIR濾波器消除信號(hào)中的噪聲和干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。FFT算法用于對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，識(shí)別諧波成分，典型的DSP芯片可在毫秒級(jí)完成1024點(diǎn)FFT運(yùn)算。最后，根據(jù)處理結(jié)果生成控制信號(hào)，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital-to-Analog Converter，DAC）輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電系統(tǒng)的精確控制。

1.2 DSP技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

DSP技術(shù)相比傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)，在電力系統(tǒng)應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)（如表1所示）。DSP可以實(shí)現(xiàn)16位甚至32位的數(shù)據(jù)處理，大大提高了系統(tǒng)的控制精度，電壓測(cè)量精度可達(dá)0.1%，電流測(cè)量精度可達(dá)0.2%。DSP的高速處理能力可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的系統(tǒng)響應(yīng)，滿足電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制需求，典型的控制周期可達(dá)1～5ms。DSP的軟件可編程特性使系統(tǒng)功能易于擴(kuò)展和升級(jí)，無(wú)需更換硬件即可實(shí)現(xiàn)新的控制算法。一個(gè)DSP芯片可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能，如諧波分析、無(wú)功補(bǔ)償、電壓調(diào)節(jié)等，大大提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。

2. 廣播電視臺(tái)供配電系統(tǒng)的分析

2.1 傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)的主要問(wèn)題

廣播電視臺(tái)傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)面臨多重挑戰(zhàn)。諧波污染嚴(yán)重，THD常超5%，甚至達(dá)10%以上，遠(yuǎn)超國(guó)標(biāo)3%限值，導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱損耗。電壓波動(dòng)頻繁，偏差超出±5%范圍，會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行和播出安全。功率因數(shù)低（0.85～0.9），增加線路損耗，降低供電能力。系統(tǒng)可靠性不足，缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和快速響應(yīng)，增加了播出中斷風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 系統(tǒng)改造的必要性

系統(tǒng)改造是提升運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和效率的必然選擇。改造可提高電能質(zhì)量，抑制諧波，穩(wěn)定電壓，提高功率因數(shù)，優(yōu)化供電環(huán)境。同時(shí)也可以提升系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和快速響應(yīng)，降低播出中斷風(fēng)險(xiǎn)[2]。系統(tǒng)的改造還能提高能源利用效率，減少線路損耗，降低運(yùn)營(yíng)成本。電網(wǎng)改造為廣播電視臺(tái)數(shù)字化、高清化升級(jí)提供可靠電力保障，適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需求。

3. 基于DSP技術(shù)的供配電系統(tǒng)改造方案

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于DSP技術(shù)的供配電系統(tǒng)改造方案采用分層分布式架構(gòu)，主要包括現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和管理層三個(gè)層次。現(xiàn)場(chǎng)層由智能傳感器、執(zhí)行器和本地控制單元組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和初步處理。控制層是系統(tǒng)的核心，由DSP控制器、通信模塊和人機(jī)接口組成，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)處理和控制算法。管理層包括中央監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，負(fù)責(zé)全局優(yōu)化和決策支持[3]。系統(tǒng)各層次通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)，形成一個(gè)高度集成的智能化供配電系統(tǒng)。DSP控制器采用TI公司的TMS320F28335芯片，主頻150MHz，具備強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，可同時(shí)處理多路信號(hào)并執(zhí)行復(fù)雜算法。

3.2 DSP在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制中的應(yīng)用

DSP技術(shù)在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在高速數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)分析和快速響應(yīng)三個(gè)方面。系統(tǒng)采用16位ADC，采樣率高達(dá)1MSPS，能夠精確捕捉電網(wǎng)中的瞬態(tài)變化。DSP通過(guò)FFT算法實(shí)時(shí)分析采集到的電壓、電流信號(hào)，計(jì)算出電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、諧波含量等電能質(zhì)量指標(biāo)（如表2所示）?；谶@些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，DSP執(zhí)行預(yù)設(shè)的控制算法，如動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償、諧波抑制等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的閉環(huán)控制。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)5ms以內(nèi)，大大提高了電能質(zhì)量控制的精度和效率[4]。DSP還實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量事件的識(shí)別和記錄功能。通過(guò)設(shè)置多級(jí)閾值和判斷邏輯，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識(shí)別電壓驟降、驟升、中斷等電能質(zhì)量事件，并記錄事件的發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和波形特征，為后續(xù)分析和處理提供依據(jù)。

3.3 DSP在諧波抑制中的應(yīng)用

DSP技術(shù)在諧波抑制中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在諧波檢測(cè)和主動(dòng)濾波兩個(gè)方面。諧波檢測(cè)采用改進(jìn)的FFT算法，DSP能夠在一個(gè)工頻周期內(nèi)完成對(duì)50次以內(nèi)諧波的幅值和相位計(jì)算，精度達(dá)到0.1%?；跈z測(cè)結(jié)果，DSP控制器通過(guò)PWM技術(shù)驅(qū)動(dòng)有源電力濾波器（Active Power Filter，APF），產(chǎn)生與諧波相位相反、幅值相等的補(bǔ)償電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的動(dòng)態(tài)抑制。

DSP的高速處理能力使得系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)諧波的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，響應(yīng)時(shí)間小于1ms。同時(shí)，DSP還實(shí)現(xiàn)了諧波補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)控制，能夠根據(jù)負(fù)載變化和諧波特性的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整補(bǔ)償策略，保持最佳的抑制效果。實(shí)踐表明，采用DSP技術(shù)后，系統(tǒng)的總諧波失真率（Total Harmonic Distortion，THD）可從原來(lái)的8%降低到2.5%以下，顯著改善了電能質(zhì)量。

3.4 DSP在無(wú)功補(bǔ)償中的應(yīng)用

在無(wú)功補(bǔ)償方面，DSP技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在快速無(wú)功功率檢測(cè)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制兩個(gè)方面。DSP采用改進(jìn)的p-q理論進(jìn)行無(wú)功功率計(jì)算，計(jì)算周期可達(dá)0.5ms，能夠準(zhǔn)確捕捉負(fù)載無(wú)功功率的快速變化。基于檢測(cè)結(jié)果，DSP控制器通過(guò)IGBT開(kāi)關(guān)控制電容器組或靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Static Var Compensator，SVC），實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

DSP的應(yīng)用使得無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)具備了更高的響應(yīng)速度和控制精度。系統(tǒng)可以在半個(gè)工頻周期內(nèi)完成無(wú)功功率的檢測(cè)和補(bǔ)償，功率因數(shù)調(diào)節(jié)精度達(dá)到0.005。同時(shí)，DSP還實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹悄芸刂?，如預(yù)測(cè)控制、模糊控制等，進(jìn)一步提高了補(bǔ)償效果[5]。實(shí)踐表明，采用DSP技術(shù)后，系統(tǒng)的功率因數(shù)可穩(wěn)定保持在0.98以上，大大減少了線路損耗，提高了供電效率。

4. 改造方案的實(shí)施與效果分析

4.1 改造項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程

本改造項(xiàng)目于2023年7月至11月在某市的主要廣播中心實(shí)施，總歷時(shí)4個(gè)半月。第一階段為系統(tǒng)調(diào)研和方案設(shè)計(jì)，歷時(shí)1個(gè)月。在此階段，項(xiàng)目組對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行全面評(píng)估，分析了廣播中心的供電需求和負(fù)載特性，確定了改造目標(biāo)和技術(shù)路線。特別是項(xiàng)目組重點(diǎn)分析了主中心的供電特性和負(fù)載分布，為后續(xù)改造方案的制定奠定了基礎(chǔ)。

第二階段為硬件安裝和軟件開(kāi)發(fā)，歷時(shí)2個(gè)月。該階段在記錄中心的主控室和各樓層記錄間進(jìn)行，完成了DSP控制器、智能傳感器、執(zhí)行器的安裝調(diào)試和控制軟件的開(kāi)發(fā)及測(cè)試。特別值得一提的是，在新聞直播間和高清制作中心等關(guān)鍵區(qū)域，采用了語(yǔ)音設(shè)計(jì)，確保供電系統(tǒng)的高可靠性。

第三階段為系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和試運(yùn)行，歷時(shí)一個(gè)月。項(xiàng)目組對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試和優(yōu)化，重點(diǎn)驗(yàn)證了系統(tǒng)在高負(fù)載和負(fù)載突變情況下的性能。最后一個(gè)階段為系統(tǒng)驗(yàn)收和人員培訓(xùn)，用兩周時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了全面評(píng)估，重點(diǎn)對(duì)技術(shù)人員進(jìn)行了深入的運(yùn)維培訓(xùn)。

整個(gè)改造過(guò)程中，特別注重對(duì)報(bào)告業(yè)務(wù)的影響控制。采用大規(guī)模改造策略，利用每周二凌晨2：00至6：00的設(shè)備檢修窗口進(jìn)行安裝調(diào)試，最大限度地減少對(duì)正常報(bào)告的影響。同時(shí)，制定了詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案，配備了24小時(shí)待命團(tuán)隊(duì)，確保在改造過(guò)程中出現(xiàn)任何問(wèn)題都能快速響應(yīng)，報(bào)告保障。

4.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)比分析

改造完成后，項(xiàng)目組對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了為期一周的全面測(cè)試和評(píng)估。測(cè)試結(jié)果表明，基于DSP技術(shù)的新系統(tǒng)在各項(xiàng)性能指標(biāo)上都有了顯著提升（如表3所示）。電壓穩(wěn)定度從原來(lái)的±7%提升到了±2%，滿足了高清攝像設(shè)備對(duì)電源質(zhì)量的嚴(yán)格要求。THD從8%降低到2.5%，最大限度地減少了對(duì)敏感設(shè)備的干擾。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間從50ms左右到5 ms，為突發(fā)負(fù)載變化提供了快速響應(yīng)能力。

特別值得一提的是，在2023年9月的一次臺(tái)風(fēng)天氣期間，新系統(tǒng)成功應(yīng)對(duì)了多次市電活動(dòng)，保證了重要新聞節(jié)目的突發(fā)報(bào)道。系統(tǒng)無(wú)故障大幅提升（平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間MTBF從5000小時(shí)增加到20000小時(shí)）和年度故障次數(shù)顯著減少（從12次降到2次），充分體現(xiàn)了新系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益

基于DSP技術(shù)的供電系統(tǒng)改造不僅帶來(lái)了技術(shù)上的進(jìn)步，還產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。經(jīng)濟(jì)效益方面，主要體現(xiàn)在能源成本節(jié)約、設(shè)備壽命延長(zhǎng)、運(yùn)維成本降低和故障方面損失減少四個(gè)方面。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，改造后第一年就實(shí)現(xiàn)了85萬(wàn)元的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

能源成本方面，由于功率因數(shù)的提高和諧波的有效抑制，系統(tǒng)的能源利用效率從85%提升到94%，每年節(jié)省電費(fèi)約20萬(wàn)元（如表4所示）。設(shè)備壽命延長(zhǎng)方面，電能質(zhì)量的改善顯著減少了設(shè)備的老化速度，特別是對(duì)價(jià)值300萬(wàn)元的4K轉(zhuǎn)播搬運(yùn)設(shè)備，預(yù)計(jì)可延長(zhǎng)持續(xù)2～3年，平均每年可節(jié)省更新成本15萬(wàn)元。

運(yùn)維成本方面，系統(tǒng)的自動(dòng)化和可靠性提升使得每年運(yùn)維成本從50萬(wàn)元降低到30萬(wàn)元，每年節(jié)省20萬(wàn)元。最顯著的是故障損失的減少，每年故障次數(shù)從12次降到了2次，避免了至少4次重大責(zé)任事故，按每次事故損失25萬(wàn)元計(jì)算，共減少潛在損失100萬(wàn)元，當(dāng)?shù)鼐o急的事故應(yīng)急和成本凈節(jié)省30萬(wàn)元。

社會(huì)效益方面，改造項(xiàng)目的實(shí)施也產(chǎn)生了積極影響。首先，提高了質(zhì)量和可靠性，為該地區(qū)2100萬(wàn)電視用戶提供了更穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的廣播電視服務(wù)。其次，通過(guò)降低能源消耗，預(yù)計(jì)每年可減少碳排放150噸，為廣州市的節(jié)能工作做出了貢獻(xiàn)。再者，本項(xiàng)目為行業(yè)提供了DSP技術(shù)應(yīng)用的案例，已吸引了10余家省級(jí)電視臺(tái)前來(lái)參觀。最后，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施和后續(xù)運(yùn)營(yíng)，提升了廣東廣播電視臺(tái)15名技術(shù)人員的專業(yè)水平，為相關(guān)人才培養(yǎng)做出了貢獻(xiàn)。

5. 結(jié)束語(yǔ)

本文深入探討了DSP技術(shù)在廣播電視臺(tái)供配電系統(tǒng)改造中的應(yīng)用。通過(guò)理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證，證明了DSP技術(shù)在提高供配電系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和效率方面的顯著優(yōu)勢(shì)。研究成果不僅為廣播電視臺(tái)供配電系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造提供了技術(shù)支持，也為其他行業(yè)的電力系統(tǒng)優(yōu)化提供了借鑒。實(shí)踐表明，基于DSP技術(shù)的供配電系統(tǒng)改造方案能有效的解決諧波污染、電壓波動(dòng)和功率因數(shù)低等問(wèn)題，可顯著提升電能質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行效率。未來(lái)，隨著DSP技術(shù)的不斷發(fā)展及與人工智能技術(shù)的融合，其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將更加廣泛，將為電力行業(yè)的智能化、綠色化發(fā)展注入新的動(dòng)力。建議進(jìn)一步研究DSP技術(shù)與大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算的結(jié)合，探索更智能、更高效的供配電系統(tǒng)解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃蓓，張宗華，溫曉荃，等.基于人工智能的供配電系統(tǒng)故障診斷與恢復(fù)策略[J].廣西水利水電，2024（03）：128-131.

[2]顧洋洋.低壓供配電系統(tǒng)中智能節(jié)電器的運(yùn)用[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2024（11）：42-44.

[3]張勁松.廣播電視機(jī)房供配電系統(tǒng)管理技術(shù)探討[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2024，21（11）：43-45.

[4]顧洋洋.智能供配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探究[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2024（10）：56-58.

[5]侯富永.控制技術(shù)在智能供配電系統(tǒng)中解決方案分析[J].集成電路應(yīng)用，2024，41（05）：384-385.

作者簡(jiǎn)介：劉水龍（1990—），男，江西贛州人，助理工程師，研究方向：廣播電視工程。