DSP在配電網自動化系統(tǒng)終端設備中的應用

1、DSP在配電網自動化系統(tǒng)終端設備中的應用 摘要本文簡單介紹DSP的特點以及其在處理FFT、FIR等數(shù)字信號處理方面的優(yōu)越性，分析了DSP在配網自動化終端設備中的交流采樣、故障檢測、小電流接地選線、電能質量分析、無功補償?shù)确矫娴膽?。關鍵詞 配電終端;數(shù)字信號處理;故障檢測;電能質量;1 前言配電網是電力生產和供應的最后一個環(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)。 配電網自動化系統(tǒng)終端設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、環(huán)網柜、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

2、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，其內存不斷增大，速度不斷提高，指令效率不斷增強。程序運行期間總線多不出芯片，DSP產家如ADI公司其DSP大多有工業(yè)級的芯片。同時和DSP相關的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。其應用已愈來愈廣泛。2 DSP的特點數(shù)字信號處理器(DSP)主要針對數(shù)學的卷積運算而設計，最典型的就是FFT的運算。由于DSP的高速發(fā)展，使

3、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，從而進一步促進DSP發(fā)展和廣泛的應用。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完成對存儲器的多次讀取。所以，在DSP中集成了多個片內總線和多端口片內存儲器。3）為了加快處理器中的運算，在DSP中集成了多個地址產生單元，以支持循環(huán)尋址和位翻轉尋址。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

4、的指令。5）大部分DSP都提供多個串行或并行I/O接口，以及特別I/O接口來處理特殊的數(shù)據，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結構總體框圖。EXTERNALADDRESSBUSx 12FULLMEMORY MODE2x PLLPOWERDOWNCONTROLEXTERNALDATABUSóINTERNAL SRAM16 BIT DATAMEMORY24 BIT PROGRAMMEMORYPROGRAMSEQUENCERDATA ADDRESSGENERATORSDAG2ICE PORTDAG1EXTERNALADDRESSBUSó14

5、BIT PM ADDRESS CHIP SEL & CONTROL14 BIT DM ADDRESSóó24 BIT PM DATABYTE DMA ENGINE16 BIT DM DATAóINTERNALDMAENGINETIMEREXTERNAL GP I/Oand INTERRUPT PINSSPORT1SPORT016 BIT FIXED POINTARITHMETIC UNITSSHIFTERMACALUADSP-21xx Corex 8 - 15x 5x 5HOST MODEBoot Option Via MODE Pins on 100 P

6、in Packages圖 1 ADSP218X總體框圖3 交流采樣在微機應用初期，電力系統(tǒng)的參數(shù)普遍采用直流采樣，即對經過整流后的直流量進行采樣測量。此方法軟件設計簡單，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、使得裝置的結構龐大、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)。比如可

7、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2139Cycles114214Cycles199572 Cycles執(zhí)行

8、時間0.06417mS5.7107mS199.572mS 4 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計一個高品質因數(shù)的帶通濾波器，這樣不但提高了抗高頻干擾的能力，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

9、1所示，要注意負荷在“冷啟動”電流可能很大，此時要恰當設置“t”延時躲開。帶通濾波器BP: (1)傅立葉變換DFT: (2)IDZI1BPDFT-+|_t_|故障軟遙信圖2 故障檢測示意圖 4.2 小電流系統(tǒng)單相接地故障檢測當小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障相的零序電流為非故障相的零序電流之和，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1。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

10、確判斷，單相接地故障時，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

11、，故障相的零序電流有功必然大于非故障相，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 電能質量 電能質量是電力工業(yè)產品的重要指標，傳統(tǒng)的電能質量只有三個主要指標，即電壓、頻率、可靠性。接著根據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量標準，隨著以半導體、計算機為核心的高新技術產業(yè)的發(fā)展，對電能質量的要求越來越高對電網電能質量

12、實施技術監(jiān)督勢在必行，要想有效地控制電能質量，首先要及時、準確地獲得有關“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

13、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的數(shù)學運算為乘法和累加。由于DSP的特殊結構可以在不增加硬件成本的情況下用軟件實現(xiàn)電能質量的實時分析。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。在電容器投入電網的瞬間，由于其初始態(tài)端電壓為零，一下子投到電網中，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，補償效果較差， 近年來

14、，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，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、改善電能質量。因此對無功補償?shù)年P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和零觸發(fā)技術，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ADSP2181DSP和TI公司的ADS8344

15、自帶8路多路轉換器16位AD器件。來設計一個低壓無功補償裝置，ADS2181內部集成30MIPS 21XX內核，13個通用IO，以及2個高速串行同步口。由于ADSP2181 速度非?？欤覀儗,B,C相分別半個周波計算一次，一旦需要投電容時在內部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中斷響應時間為3個指令周期置位IO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，設線路電流幅值為 380V則投切電容時的電壓值為 ：380V * =0.0143V14mV。其值非常小，不會造成涌流?？梢娎肈SP設計的無功補償裝置，省去了大量的外設，并且能夠利用軟件處理過零點的檢測和控制，使得設計的靈活性更大，可