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

1、DSP在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)終端設(shè)備中地應(yīng)用摘要本文簡單介紹DSP地特點(diǎn)以及其在處理FFT FIR等數(shù)字信號處理方面地優(yōu) 越性,分析了 DSP在配網(wǎng)自動(dòng)化終端設(shè)備中地交流采樣、故障檢測、小電流接地選 線、電能質(zhì)量分析、無功補(bǔ)償?shù)确矫娴貞?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。1前言配電網(wǎng)是電力生產(chǎn)和供應(yīng)地最后一個(gè)環(huán)節(jié)，與千家萬戶直接密切相連，在保證用戶地連續(xù)供電方面是一個(gè)十分重要地環(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)荷開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、無功補(bǔ)償電容器地監(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)地特點(diǎn)這就要求配電終端可靠性要

2、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)級地芯片同時(shí) 和DSP相關(guān)地ADC/DAC地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(fù)雜地?cái)?shù)學(xué)運(yùn)算如FFT、FWT方面具有得天獨(dú)厚地條件 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)用已愈來愈廣泛2DSP&特點(diǎn)數(shù)字信號處理器（DSP>主要針對數(shù)學(xué)地卷積運(yùn)算而設(shè)計(jì)，最典型地就是 FFT地運(yùn)算因?yàn)镈SP地高速發(fā)展，

3、使得用軟件來實(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)展和廣泛地應(yīng)用在數(shù)字化地世界里 DSP變得越來越重要，可以說是無處不在DSP最基本地特點(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)完成對存儲器地多次讀取 所以，在DSP中集成了多個(gè)片內(nèi)總線和多端口片內(nèi)存儲器.3）為了加快處理器中地運(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 ）處理器中地運(yùn)算大多是重復(fù)地運(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

4、寫重復(fù)運(yùn)算地指令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/CEXTERNAL接口來處理特殊地?cái)?shù)據(jù)，以降低成本和提高輸出/輸入性能如圖1所示為ADI公司地16位定點(diǎn) BUS*' DSP吉構(gòu)總體框圖14 BIT PM14 BIT DM24 BIT PM DATAPROGRAMSEQUENCER|INTERNAL SRAM24 BIIPROGRAM |MEMORY16 BIT DATAMEMORY2x PLLADDRFSx 12FULLMEMORY MODEADDRESS1 fPOWERDOWN CONTROLICE PORTEXTERNALDATABUSEXTERNAL

5、ADDRESSBUSCHIP SEL &CONTROL圖1 ADSP218X總體框圖BYTE DMAENGINE11INTERNAL1DMA11I-ENGINEHOSTODEBoot Optio n Via MODE3交流采樣在微機(jī)應(yīng)用初期，電力系統(tǒng)地參數(shù)普遍采用直流采樣，即對經(jīng)過整流后地直流量進(jìn)行采樣測量此方法軟件設(shè)計(jì)簡單，計(jì)算方便，對采樣值只需做比例變換即可得到被測量地?cái)?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地影響，整流電路參數(shù)調(diào)整困難，受波形因素影響大等、而且一條線路地全電量采集需要多個(gè)變送器、使得裝置地結(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

6、信號地瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定地?cái)?shù)值算法求得被測量地值省去了直流變送器，降低了造價(jià)，簡化了裝置構(gòu)成通過各種數(shù)學(xué)運(yùn)算就可以得到用直流 采樣方法不易測量地參數(shù)比如可以測得電壓電流地基波向量，各次諧波含量，在現(xiàn)場可以根據(jù)電流/電壓地向量圖來判斷二次回路地接線是否正確但涉及地計(jì)算量大，要用到大量乘法和累加運(yùn)算.普通地 CPU因?yàn)槎鄶?shù)內(nèi)部沒有集成MAC,很難勝任.一般采用專用地?cái)?shù)字信號處理芯片(DSP計(jì)算所需地各種模擬量我們以16.667MHz時(shí)鐘頻率地 ADSP2181DSP和20MHz時(shí)鐘頻 率80C196以及12MHz時(shí)鐘頻率地80C51單片機(jī)來比較做一個(gè) 32點(diǎn)地FFT所需要地時(shí)間如表 1.表1

7、執(zhí)行一個(gè)32點(diǎn)地FFT所需時(shí)間CPU類型ADSP218180C19680C51執(zhí)行周期2139Cycles114214Cycles199572 Cycles執(zhí)行時(shí)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(hù)繼電器比較成熟地過電流檢測原理.但配電終端地故障檢測技術(shù)相對要簡單一些，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，對配電終端地故障檢測時(shí)間沒有太嚴(yán)格地要求只要在變電站保護(hù)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(jìn)行濾波、分析、判斷嬴得時(shí)間.因

8、為對時(shí)間地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) 地帶通濾波器，這樣不但提高了抗高頻干擾地能力，同時(shí)降低了短路故障時(shí)衰減地直流分量對測 量精度地影響.如圖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dBPDFT11| t |f 故障軟遙信電流系統(tǒng)單相接地故障檢測-，故障相地零序電流為非故障相地零序電流之和 4.2當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)fIdz，而(2>傅立葉變換DFT: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).因?yàn)榻拥仉娏餍〉仍颍瑔蜗嘟拥毓收系貦z測靈敏度和可靠性一直不高另一方面,

9、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)地暫態(tài)過程 ，影響基于穩(wěn)態(tài)工頻或諧波分量地檢測方法地正確判斷，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)零序電流值檢測有較高地靈敏度我們可以利用高速 AD和DSP對零序電流進(jìn)行過采樣，并通過GPS來進(jìn)行同步，通過比較在同一時(shí)刻不同地配電終端檢測到地暫態(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)大大增加對主站地通訊一個(gè)折中地方法是采用零序能量分析原理，通過判斷單相接地時(shí)零序基波地有功分量來確定故障線路（如公式3，因?yàn)槌霈F(xiàn)單相接地時(shí)，未接地線路地零序電流為電容電流，相位超前零序電壓9

10、0°，其零序能量為零，接地線路地零序電流為感性電流，因?yàn)橄【€圈上存在有功功率損耗，加上 接地點(diǎn)地電弧有功損耗，故障相地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)增加其檢測地準(zhǔn)確度，目前深圳市科陸電子科技股份有限公司地 CL881柱上FTU小電流接地 選線地判據(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地實(shí)時(shí)運(yùn)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)品地重要指標(biāo)，傳統(tǒng)地電能質(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

11、、后來電壓波動(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)為核心地高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)地發(fā)展，對電能質(zhì)量地要求越來越高對電網(wǎng)電能質(zhì)量實(shí)施技術(shù)監(jiān)督勢在必行，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、中線電流及中線對地電壓等撚后對源信息進(jìn)行實(shí)時(shí)快速地分析得到所需要地信息，采用數(shù)字信號處理（DSP為電能質(zhì)量分析注入新地活力，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(shí)間較長地電能質(zhì)量問題，最簡單地方法是在時(shí)域采用對稱分量法、諧波分析法但在時(shí)域分析計(jì)算大、耗時(shí)長一般采用離散傅立葉變換（DFT或快速傅立葉變換，分析出信號中地各個(gè)頻譜分量對于電壓下跌、電壓

12、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)，因?yàn)槌掷m(xù)時(shí)間短，發(fā)生時(shí)間具有很大地隨機(jī)性，傅立葉變換已不能滿足要求，一般用加窗傅立葉變換、小波變換等無論是傅立葉變換還是小波變換其主要地?cái)?shù)學(xué)運(yùn)算為乘法和累加 因?yàn)镈SP地特殊結(jié)構(gòu)可以在不增加硬件成本地情況下用軟件實(shí)現(xiàn) 電能質(zhì)量地實(shí)時(shí)分析6無功補(bǔ)償以往低壓端地?zé)o功補(bǔ)償多采用接觸器投切電容器組地方式進(jìn)行無功補(bǔ)償，往往會(huì)在接觸器觸點(diǎn)處產(chǎn)生極大地火花，在切斷電容器時(shí)，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?yàn)殡娙萜鞴逃械匚锢硖匦裕弘娙輧啥说仉妷翰荒苘S變在電容器投入電網(wǎng)地瞬間，因?yàn)槠涑跏紤B(tài)端電壓為零，一下子投到電網(wǎng)中，將造成巨大地

13、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)無法及時(shí)跟蹤快速變化地低壓負(fù)荷，補(bǔ)償效果較差，近年來，隨著我國工業(yè)地迅猛發(fā)展，大量地沖擊性負(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)無功功率地變化相當(dāng)劇烈，不僅引起系統(tǒng)電壓地波動(dòng)、閃變及不平衡而且向系統(tǒng)注入大量地高次諧波，嚴(yán)重影響了供電系統(tǒng)地電能質(zhì)量因此要求無功補(bǔ)償裝置能夠迅速地動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，來迅速抑制閃變、提高功率因數(shù)、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量因此對無功補(bǔ)償?shù)仃P(guān)鍵一是實(shí)時(shí)檢測出無功偏差，二是在過零點(diǎn)投切電容器利用DSP來設(shè)計(jì)無功補(bǔ)償裝置具有采集計(jì)算速度快，加上采用無觸點(diǎn)開關(guān)和零觸發(fā)技術(shù)，很好地解決了由

14、接觸器觸點(diǎn)投切電容器所帶來弊病如圖2所示用ADI公司地ADSP2181DSP和TI公司地ADS8344自帶8路多 路轉(zhuǎn)換器16位AD器件來設(shè)計(jì)一個(gè)低壓無功補(bǔ)償裝置，ADS2181內(nèi)部集成30MIPS 21XX內(nèi)核，13個(gè)通用10,以及2個(gè)高速串行同步口 因?yàn)锳DSP2181速度非常快 我們對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檢測到過零點(diǎn)時(shí)便通過中斷置位PF1-3、PF4-6.ADSP2181中斷響應(yīng)時(shí)間為 3個(gè)指令周期置位10需要1個(gè)指令周期，所 以從過零到控制輸出共4個(gè)指令周期地延時(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)地電壓值為：380V *JI=0.0143V疋14mV.其值非常小，不會(huì)造成涌流可見利用