基于DSP的农村变电站电压无功控制方式研究

李宁宁，赵玉林*，王德状，韩如坤

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.烟台汽车工程职业学校，山东 烟台 265500）

电压是衡量电能质量的主要指标之一。电力系统是一个非线性系统，电压稳定是整个电力系统稳定在一个方面的表现，电压的稳定和质量对终端用户是非常重要的，对负载端的安全和经济运行有着至关重要的意义[3]。偏远农村的电网电压波动大，严重影响用户的正常使用，充分利用各种调压手段和无功电源的补偿作用，实现农网电压无功综合控制对于提高电压合格率和降低网损有很大的作用，能带来经济效益和社会效益。

1 控制方式

目前在变电站的电压无功控制中，用的是传统的9区图控制方法。传统的9区图法控制策略是按照固定的电压和无功（或变电站进线端功率因数）上下限将电压-无功平面划分为9个区域。传统的9区图法存在的主要问题是:控制策略是基于固定的电压无功上下限而未考虑无功调节对电压的影响及其相互协调关系；用于运算分析的信息有分散性、随机性的特点，这就造成了控制决策的盲目性和不确定性，实际表现为设备频繁调节[4]。17区图控制方法是在9区图中再细分8个小区。每个区的控制方案可自动整定，也可手动整定。自动整定时可按5种方式进行:只考虑电压、只考虑无功、电压优先、无功优先和综合考虑。虽然17区图控制方法有了很大的改进，但仍然没有克服定值与实际值的误差导致装置的误动作或振荡动作的缺点，加上分区过多而计算复杂[2]。因此本文不再使用传统的9区图控制方法和17区图控制方法，而根据电压定值、无功（或功率因数）定值和临界参数把整个区域分成13个部分，每一个区域设有不同的控制策略（见表1）。其中2条横线表示电压定值的上限和下限；2条竖线表示无功（或功率因数）定值的上限和下限；虚线表示临界参数，虚线之间表示电压无功合格区，虚线两边表示电压死区。用户可根据需要设置临界参数，电压定值和无功（或功率因数）定值可以多套，每天都可以设置不同的定值，很方便用户根据需要设置。与传统的9区图比较，13区图增加了4个控制域，控制范围更加精确，装置动作次数相对减少，控制区域划分如图1所示。

表1 各区域控制原则Table1 Principle of regional control

图1 13区结构Fig.1 13 district structure

2 系统的硬件设计

2.1 控制芯片的选择

TMS320LF2407具有高速信号处理和数字化控制功能所必需的结构特点。将其优化的外设单元和高性能的DSP内核相结合，可以实现先进控制技术。其主要特点为:

①其系统运行主频达30 MHz，使得指令周期缩短到33 ns，绝大部分指令均可在单周期内完成，提高了控制器的实时能力；

②2个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括2个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制（PWM）通道。它们能够实现三相控制；可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输入触发脉冲；16通道A/D转换器等功能；

③10位A/D转换器最小转换时间为500 ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器；

④高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚（GPIO）；

⑤双口RAM通讯具设计简单、数据传输快速方便等特点。

2.2 系统硬件结构

硬件设计从可靠性、可扩展性、灵活性、实时性、测量高精度的要求出发，对目前电压无功综合控制装置所存在的问题进行全面改进。装置按功能组成来划分。主要由模拟量处理部分、逻辑综合控制部分、通信扩展部分、人机界面部分、电源部分组成，结构如图2。

逻辑综合控制部分的核心是DSP。用于实现数据处理、逻辑判断、控制、存储等功能。通信扩展部分为了实现与多个系统进行通信，需要对DSP进行通信接口扩展。设计时扩展了4个串口，扩展了1个CAN接口，以便合谐处理插件通信。串口扩展芯片选择的是4串口扩展芯片ST16C554。16C2544通过8位数据总线与DSP相连。

抗干扰设计:工业现场的干扰信号来源非常复杂，既有来自装置内部的干扰，又有来自外部的干扰。这些干扰主要通过以下的途径传播的:电源系统；接地系统；I/O接口和信号传输电路；静脉冲；电磁感应等。针对这些噪声，采用了包括电源去耦、光电隔离等措施。

图2 电压无功综合控制硬件结构Fig.2 VQC hardware structure

3 系统软件设计

软件设计主要采用模块化的设计方法，如图3所示。DSP部分包括初始化功能模块、开关量功能模块、运行参数读取模块、控制主程序模块和辅助功能模块等。①初始化模块:清零标志位；启动时钟；设置脉冲输出；通讯设置。②开关量处理:检测开关量输入，判别系统的运行方式、设备状态及保护动作信号。③系统运行参数读取模块:与参数检测仪表进行通讯，成功获得运行参数后更新运行参数存储区。④控制主程序模块:运行参数更新后，进行参数的校验、运行区域的判别及与模拟量有关的保护、闭锁信号的处理，根据以上处理结果决定是否执行自动控制。⑤辅助处理模块:分接头日调节次数复位、切除后的电容器放电监测、调挡动作的校验及变压器过流的判定。

结果见图3。

图3 程序结构Fig.3 Program structure

电压无功综合控制装置的主要任务是将现场电流、电压信号模拟且进行采集，并对他们进行A/D转换处理，将处理后的数据送给DSP，在DSP中对这些数据进行计算，再结合采集到的现场开关量信号，作出相应逻辑判断，并发出对应指令。同时，这些信号需要通过人机界面显示出来，还能和调度端或者变电站其他综合自动化设备进行通信。DSP主程序流程如图4所示[1]。

图4 电压无功综合控制系统程序流程Fig.4 VQC system process flow chart

4 算法仿真

为了验证所确定的控制算法的正确性和优越性，在实验室使用matlab7.1中的Simulink中的电力系统模块（Sim power systems）对实例变电站进行搭建，系统参数和运行方式可灵活设定和输入，采用标幺值计算方式计算结果易于分析，在计算过程中综合考虑了对电压无功控制效果有影响的诸多因素的作用，使计算过程符合电力系统运行的实际情况。

表2 典型运行方式下的仿真数据Table2 Typical operating mode of the simulation data

针对R=0.01，X=0.1，qc=0.1，电容器为8组，分接头可调档位为17档、每档调节量为1.25%的系统参数；功率因数前的“-”表示无功过补偿；N代表投入电容器的组数；K代表分接头档位，K减小表示调分接头降压；表中P1、Q1的值为标准值并以本文的控制方式进行控制，运行模型得出仿真结果。并对大量仿真计算结果的分析，得到了如下结论:该算法可以对各种运行情况给出恰当的处理规则，并有效避免往复动作现象。表2记录了部分仿真计算数据并进行了分析说明。

5 结论

仿真试验说明，以DSP芯片为核心控制器的新型农村变电站电压无功综合控制系统，能够充分利用DSP控制器的快速的数字信号处理能力，提高农村变电站电压无功综合控制系统动作的实时性和准确性，进而提高供电质量，提高电压合格率，提高农村变电站的安全可靠性和系统的运行管理水平。该系统可以缩小变电站占地面积，降低造价，减少总投资，减少运行维护工作量，节约变电站运行成本，具有良好的应用前景和社会经济效益。

[1]召文权,刘重轩,刘毅力.基于DSP的变电站电压无功综合控制系统的设计[J].西安工程科技学院学报,2005,19(3):369-371.

[2]雷体文,庞清,杨君.基于15区图的变电站电压无功控制系统设计[J].水利电力机械,2007,29(7):46-50.

[3]程浩忠,吴浩.电力系统无功与电压稳定性[M].北京∶中国电力出版社,2004.

[4]李升.基于九区图的变电站电压无功控制策略研究[J].冶金动力,2004(5):3-6.

[5]王亚军,赵玉林,韩如坤.基于DSP的馈线自动化远方终端的研究[J].东北农业大学学报,2009,40(7):115-118.

[6]王春颖,赵玉林.静止无功发生器的无功电流检测及仿真[J].东北农业大学学报,2008,39(4):43-45.

[7]姚欣,赵玉林,董守田,等.基于GTO的无触点有载自动调压分接开关的研究[J].东北农业大学学报,2008,39(3):113-115.