DSP在配电网自动化系统终端设备中的应用

1DSP在配电网自动化系统终端设备中的应用[摘要]本文简单介绍DSP的特点以及其在处理FFT、FIR等数字信号处理方面的优越性，分析了DSP在配网自动化终端设备中的交流采样、故障检测、小电流接地选线、电能质量分析、无功补偿等方面的应用。[关键词]配电终端;数字信号处理;故障检测;电能质量;1前言配电网是电力生产和供应的最后一个环节，与千家万户直接密切相连，在保证用户的连续供电方面是一个十分重要的环节。配电网自动化系统终端设备主要用于配电系统变压器、断路器、重合器、分段器、柱上负荷开关、环网柜、无功补偿电容器的监视与控制。具有数量大、运行环境恶劣、性能价格比要求高，不易维护的特点。这就要求配电终端可靠性要高，功能综合性强，成本要低，可以远程维护等。近几年DSP飞速发展，其内存不断增大，速度不断提高，指令效率不断增强。程序运行期间总线多不出芯片，DSP产家如ADI公司其DSP大多有工业级的芯片。同时和DSP相关的ADC/DAC的速度和精度也越来越高。使得DSP在快速采样、软件滤波、频率跟踪和锁相、复杂的数学运算如FFT、FWT方面具有得天独厚的条件。DSP运用于配电终端使其性能大大增强，功能扩充容易，通过软件即可完成继电保护、故障录波等附加功能。其应用已愈来愈广泛。2DSP的特点数字信号处理器(DSP)主要针对数学的卷积运算而设计，最典型的就是FFT的运算。由于DSP的高速发展，使得用软件来实现各种数字滤波和快速傅立叶变换成为可能，从而进一步促进DSP发展和广泛的应用。在数字化的世界里DSP变得越来越重要，可以说是无处不在。DSP最基本的特点是[2]：1）能够在一个指令周期内实现一次或多次乘法累加（MAC）运算。所以，在DSP中集成了多个乘法累加运算单元，可以进行并行乘法累加运算。2）能够在一个指令周期内完成对存储器的多次读取。所以，在DSP中集成了多个片内总线和多端口片内存储器。3）为了加快处理器中的运算，在DSP中集成了多个地址产生单元，以支持循环寻址和位翻转寻址。4）处理器中的运算大多是重复的运算，为了方便使用，大部分DSP都支持这种重复运算，而不用额外编写重复运算的指令。5）大部分DSP都提供多个串行或并行I/O接口，以及特别I/O接口来处理特殊的数据，以降低成本和提高输出/输入性能。如图1所示为ADI公司的16位定点DSP结构总体框图。23交流采样在微机应用初期，电力系统的参数普遍采用直流采样，即对经过整流后的直流量进行采样测量。此方法软件设计简单，计算方便，对采样值只需做比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样方法存在一些问题：测量精确度直接受整流电路的影响，整流电路参数调整困难，受波形因素影响大等、而且一条线路的全电量采集需要多个变送器、使得装置的结构庞大、成本增加、可靠性降低。而交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量的值。省去了直流变送器，降低了造价，简化了装置构成。通过各种数学运算就可以得到用直流采样方法不易测量的参数。比如可以测得电压电流的基波向量，各次谐波含量，在现场可以根据电流/电压的向量图来判断二次回路的接线是否正确。但涉及的计算量大，要用到大量乘法和累加运算。普通的CPU由于多数内部没有集成MAC，很难胜任。一般采用专用的数字信号处理芯片(DSP)计算所需的各种模拟量。我们以16.667MHz时钟频率的ADSP2181DSP和20MHz时钟频率80C196以及12MHz时钟频率的80C51单片机来比较做一个32点的FFT所需要的时间如表1。表1执行一个32点的FFT所需时间CPU类型ADSP218180C19680C51执行周期2139Cycles114214Cycles199572Cycles执行时间0.06417mS5.7107mS199.572mS14BITPMADDRESS14BITDMADDRESS24BITPMDATA16BITDMDATADATAADDRESSGENERATORSDAG1PROGRAMSEQUENCER16BITFIXEDPOINTARITHMETICUNITSALUMACSHIFTERPOWERDOWNCONTROL24BITPROGRAMMEMORY16BITDATAMEMORYSPORT0SPORT1EXTERNALGPI/OandINTERRUPTPINSTIMER2xPLLICEPORTINTERNALSRAMFULLMEMORYMODEBYTEDMAENGINEEXTERNALADDRESSBUSCHIPSEL&CONTROLINTERNALDMAENGINEHOSTMODEBootOptionViaMODEPinson100PinPackagesx12x5x5x8-15DAG2ADSP-21xxCore图1ADSP218X总体框图EXTERNALADDRESSBUSEXTERNALDATABUS34故障检测4.1短路故障检测对于短路故障完全可以采用馈线保护继电器比较成熟的过电流检测原理。但配电终端的故障检测技术相对要简单一些，不要求它像保护继电器那样具有选择性，只要能够检测出有故障电流出现即可，另外不要求像保护继电器那样输出跳闸信号，对配电终端的故障检测时间没有太严格的要求只要在变电站保护跳闸之前检测出故障电流即可，这就为配电终端对采样数据进行滤波、分析、判断嬴得时间。由于对时间的要求不是很高我们可以用软件设计一个高品质因数的带通滤波器，这样不但提高了抗高频干扰的能力，同时降低了短路故障时衰减的直流分量对测量精度的影响。如图1所示，要注意负荷在“冷启动”电流可能很大，此时要恰当设置“t”延时躲开。带通滤波器BP:Niickixky0)(*)()((1)傅立叶变换DFT:NkNkkNkykNkyNI1212]2sin)([]2cos)([11(2)4.2小电流系统单相接地故障检测当小电流接地系统发生单相接地故障时，故障相的零序电流为非故障相的零序电流之和，而且方向相反，目前小电流接地选线基本上是基于基波或五次谐波(带消弧线圈)零序电流有效值及其方向作为判据[1]。由于接地电流小等原因，单相接地故障的检测灵敏度和可靠性一直不高。另一方面，相当一部分单相接地故障是间歇式电弧接地故障。间隙性接地现象引起持续的暂态过程，影响基于稳态工频或谐波分量的检测方法的正确判断，单相接地故障时，暂态零序电流值大于稳态值，因此，利用暂态零序电流值检测有较高的灵敏度。我们可以利用高速AD和DSP对零序电流进行过采样，并通过GPS来进行同步，通过比较在同一时刻不同的配电终端检测到的暂态零序电流有效值，可以确定故障线路及故障区段。这种方法要增加一个GPS，另外会大大增加对主站的通讯，一个折中的方法是采用零序能量分析原理，通过判断单相接地时零序基波的有功分量来确定故障线路(如公式3)，因为出现单相接地时，未接地线路的零序电流为电容电流，相位超前零序电压90°，其零序能量为零，接地线路的零序电流为感性电流，由于消弧线圈上存在有功功率损耗，加上接地点的电弧有功损耗，故障相的零序电流有功必然大于非故障相，只要恰当增大积分时间T，便会增加其检测的准确度，目前深圳市科陆电子科技股份有限公司的CL881柱上FTU小电流接地选线的判据便是基于零序能量分析原理。实践证明在目前条件下不失为一种好方法。其主要运算量还是乘法和加法运算，利用DSP可以很好地解决能量的实时运算问题。IDZI1)(ky)(ixBPDFT-+|_t__|故障软遥信图2故障检测示意图4零序有功电能:dtIUET0000=)(*)(000iIiUNi(3)5电能质量电能质量是电力工业产品的重要指标，传统的电能质量只有三个主要指标，即电压、频率、可靠性。接着根据需要又增加了谐波和三相不平衡度、后来电压波动、闪变等也列入电能质量标准，随着以半导体、计算机为核心的高新技术产业的发展，对电能质量的要求越来越高对电网电能质量实施技术监督势在必行，要想有效地控制电能质量，首先要及时、准确地获得有关“源”信息，如三相电压、三相电流、中线电流及中线对地电压等，然后对源信息进行实时快速地分析得到所需要的信息，采用数字信号处理(DSP)为电能质量分析注入新的活力，对于电压闪变、谐波、三相不平衡这些变化相对较慢、持续时间较长的电能质量问题，最简单的方法是在时域采用对称分量法、谐波分析法但在时域分析计算大、耗时长一般采用离散傅立叶变换(DFT)或快速傅立叶变换，分析出信号中的各个频谱分量。对于电压下跌、电压上升、瞬时脉冲以及电压瞬时中断等这类电能质量扰动，由于持续时间短，发生时间具有很大的随机性，傅立叶变换已不能满足要求，一般用加窗傅立叶变换、小波变换等.。无论是傅立叶变换还是小波变换其主要的数学运算为乘法和累加。由于DSP的特殊结构可以在不增加硬件成本的情况下用软件实现电能质量的实时分析。6无功补偿以往低压端的无功补偿多采用接触器投切电容器组的方式进行无功补偿，往往会在接触器触点处产生极大的火花，在切断电容器时，又容易粘住触头，造成咬死，松不开现象。之所以出现这些问题，是因为电容器固有的物理特性：电容两端的电压不能跃变。在电容器投入电网的瞬间，由于其初始态端电压为零，一下子投到电网中，将造成巨大的浪涌电流，导致交流接触器和电容器本身受到大电流冲击而损坏，同时无法及时跟踪快速变化的低压负荷，补偿效果较差，近年来，随着我国工业的迅猛发展，大量的冲击性负荷（如电弧炉、轧钢机等）和非线性负荷（如电力机车等）接入电网，它们工作时无功功率的变化相当剧烈，不仅引起系统电压的波动、闪变及不平衡，而且向系统注入大量的高次谐波，严重影响了供电系统的电能质量。因此要求无功补偿装置能够迅速地动态补偿，来迅速抑制闪变、提高功率因数、增强系统稳定性、改善电能质量。因此对无功补偿的关键一是实时检测出无功偏差，二是在过零点投切电容器。利用DSP来设计无功补偿装置具有采集计算速度快，加上采用无触点开关和零触发技术，很好地解决了由接触器触点投切电容器所带来弊病。如图2所示用ADI公司的ADSP2181DSP和TI公司的ADS8344自带8路多路转换器16位AD器件。来设计一个低压无功补偿装置，ADS2181内部集成30MIPS21XX内核，13个通用IO，以及2个高速串行同步口。由于ADSP2181速度非常快，我们对A,B,C相分别半个周波计算一次，一旦需要投电容时在内部RAM中置位标志，当IRQ0~2检测到过零点时便通过中断置位PF1-3、PF4-6。ADSP2181中断响应时间为3个指令周期置位IO需要1个指令周期，所以从过零到控制输出共4个指令周期的延时。一个指令周期为30nS，设线路电流幅值为380V则投切电容时的电压值为：380V*))1000000*20/(4*30*2sin(=0.0143V≈14mV。其值非常小，不会造成涌流。可见利5用DSP设计的无功补偿装置，省去了大量的外设，并且能够利用软件处理过零点的检测和控制，使得设计的灵活性更大，可靠性更高。7结语DSP在配电网自动化系统终端中的应用已越来越广泛，随着DSP技术的发展，信号处理理论的完善以及一些新的数学分析工具的逐步成熟（如小波分析方法）、DSP在这一领域正被进一步扩大。参考文献[1]陈远春，电力系统自动化控制技术标准规范与操作管理实务全书，电力工业出版社[2]本杰明，漫谈数字信号处理器，世界电子元器件Ua,b,cIa,b,c图3无功补偿示意图SP0ADSP2181IRQ0-3Ua,b,c-+PF1-3PF4-6AN18MUX+ADAN8ADS8344