高速DSP电网智能远程检测监控与保护控制系统

王佳乐， 李珺磊， 麻超， 李树广

(1.上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620；2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海广吉电气有限公司，上海 200233)

0 引言

我国金属冶炼工业与电车铁路的高速发展为我国提供重要经济基础。然而，在许多重工业领域，如在金属冶炼领域的电弧炉与高频炉、铝钼钛等金属电解冶炼系统、风电设备的频繁入网与切离、频繁启动与调相变速运行的铁路电车对电网产生大量谐波干扰与无功有害电力冲击，对电网与通信控制系统产生极大干扰，严重影响人员及电力系统安全。电网质量与安全已经引起世界高度重视。

本文针对以下4种工况：1.钢铁铝等金属冶炼系统与电车铁路领域的复杂动态瞬时变化电力系统与电网的高速检测与监控；2.抑制电网瞬时突变负荷所产生的冲击与电网波动；3.电网负荷产生的谐波与无功有害电力的补偿；4.电网在超过极限状态的限定与故障异常状态的电网系统保护。在此控制过程中，对电网三相负载突变与电网谐波与有害电力冲击干扰的高速测控是后续补偿的质量与系统保护效果的保证。对此，本论文提出一种基于多TMS320F28335-DSP高速信号处理与智能控制器在广域电网动态检测监控与电网保护系统的构建与拓扑逻辑分析，来完善广域电网遥测监控与电网系统保护与控制。

1 系统设计

本文以电解铝金属冶炼系统为例，电解铝整流变压器输入电压220 kV，负载输出功率106 MW，变压器补偿绕组电压10 kV，电网谐波与无功有害电力补偿在第三补偿执行，补偿装置为GJ-IAF智能有源滤波器补偿装置，如图1所示。

图1 电网智能检测监控与保护控制系统原理图

每台变压器配置隔离开关保护装置分别为：220 kV变压器输入高压隔离开关、10 kV补偿装置隔离开关、变压器输出负载隔离开关，生产负荷为大功率直流电解铝生产线。广域电网智能检测监控与保护系统，如图2所示。

图2 电网远程监控与保护控制系统原理图

地区电网220 kV，负荷为13台220 kV/106MW电解铝整流变压器、5台220 kV/56MW动力变压器、高压大功率电解铝生产系统负荷，图2所示电解铝金属冶炼电网检测监控与保护控制系统构成原理图。本系统由多台变压器，每台变压器配置电网检测装置与负载检测装置，DSP-PLC-A/D电网采集保护处理装置、GJ-IAF智能有源滤波器补偿装置、系统保护隔离开关，构成广域电网大功率生产负荷检测、监控补偿与保护系统；由TMS320F28335-DSP智能主控制器控制多DSP处理控制器构成电网监控系统。电网检测装置由三相电压电流霍尔传感器构、DSP-PLC- A/D处理器由多通道信号采集PLC程控器与A/D变换器和FFT信号处理分析装置构成、每台变压器配置一套DSP-IAF智能有源滤波器补偿装置与DSP-SPC系统保护控制装置与多台高压大功率隔离开关构成电网检测监控保护系统。

2 电网DSP智能监控补偿与系统保护

本系统由主TMS320F-DSP智能控制器控制多从DSP处理控制器构成电网负荷检测监控补偿与保护系统系统。所述主从DSP之间的数据通信采用双口RAM-PIO通信接口，控制命令由主TMS320 F28355-DSP智能控制器送到从DSP-PLC-A/D电网检测控制器与DSP-IAF补偿控制器和DSP-SPC系统保护控制器，由从DSP控制各操作执行装置。

本系统为提高检测装置精度与高抗干扰能力，采用高抗干扰DSP/PLC多路信号数据采集控制器与滤波器及高精度DSP内置A/D芯片，由PLC程序控制器把电网与负荷多路电压电流与电网运行状态检测信号分别送入A/D变换器与FFT处理器对电网信号进行变换与分析，准确地检测与计算出电网各次谐波的幅值、频率与相位信息及电网信号动态信号数据，利用高速GJ-IAF智能有源滤波器对电网波动与谐波干扰信号进行抑制与补偿，根据电网保护限度范围与电网操作规范控制DSP-SPC系统保护装置对电网进行监控与安全保护，提高电网系统的控制效果、高速性与安全性。

由于在实际金属冶炼系统与高速铁路牵引供电系统各相负荷相差极大，据现场测量数据表明，冶炼变压器与电车牵引变压器在很多时间处于单相负荷工作状态，各相电压/电流波动剧烈，造成严重的三相不平衡。金属冶炼系统由于现场交直流电磁场对检测装置造成很大的磁场干扰与检测误差，需要A/D转换芯片具有较大的测量范围、较高的测量精度及高抗干扰能力。

系统保护装置由DSP-SPC系统保护控制器与系统保护隔离开关构成，对电网三相不平衡状态与过极限运行状态进行调整、限定与保护，从而提高电网与电力系统的稳定性、安全性与电网质量。当系统出现过负荷，TMS320F28355-DSP智能控制器根据电网操作规程对电网负荷进行调节；当电网负荷系统超过设定极限与出现异常或故障，DSP智能控制器控制隔离保护开关装置对电网与负载进行隔离与保护，即时切除故障点，使故障点脱离电网，保障电网安全运行，同时通过通信报警装置发出报警信号，利用通信装置把信号数据传送的远程计算机监控系统。

3 多DSP控制器同步并行控制方式

在实际应用中，由于电网与负载系统所需采集信号数据量大，要求实时性高，为了提高电网信号采集与数据处理速度与电网实时跟踪控制能力，本系统采用多DSP同步并行运行模式，利用高速双口RAM-PIO通信接口进行DSP之间的数据传输及状态同步工作，不仅提高了DSP数据采集能力和处理速度，克服了传统电网检测控制方案中多通道缓冲串行数据交换延时与传输速度慢等缺点。

本控制方式采用信号标志器仲裁方式，无需插入等待状态，提高了通信速度。TMS320F28335提供了16个独立于存储空间的信号标志锁存器，每个标志器都有一个单独的地址，可由地址线A0～A3进行选择，D0～D2用于标志锁存器状态的读写。各DSP可以通过I/O口读写锁存器来设定信号标志，从而取得或放弃共享资源的使用权，并严格遵守对标志寄存器进行先写后读的原则，以避免出现争夺总线的现象。本系统中主DSP控制器写数据到各从DSP中，其主要特点是将双口RAM中的输人数据选择单元和输出数据选择单元，按时序节拍相互配合，在不同周期进行切换，将经过缓冲的数据流不停顿地送到数据流运算处理器进行处理，从而达到主从DSP数据的无缝缓冲和处理的目的。

4 信号采样部分设计

本研究电网信号数据采集由TMS320F28335- DSP自带的16通道高速高分辨率的DSP-A/D采样变换系统与高抗干扰前置滤波电路，使本系统在实际应用中具有高抗外界干扰、抑制偏置误差等各方面的影响，支持双极性采样信号的输入，拓展了工作电压范围，使用更加灵活。本系统精确检测出电网各点电压电流及运行状态与解析电网负载各点谐波频率幅值与相位信息及控制指令，控制各补偿装置实时准确地进行电网调节补偿与系统安全保护，以保证电网系统能够实现连续的数据采集和实时的高速数据处理功能与电网的安全运行与保护。

5 电网系统检测分析与决策控制原理

电网检测与监控系统需要对电网状态检测、分析与评估，并根据电网规程进行决策。如图2.所示，主DSP控制器对从DSP-PLC-A/D信号处理器对电网与生产负荷系统电压电流与电网运行状态进行检测，计算出电网各点的功率状态矢量S(t)、电压状态矢量U(t)、电流状态矢量I(t)、导纳状态矢量Z(t)、电压与电流状态矢量角φ(t)，构成系统状态矩阵为W{U(t):I(t):Z(t):φ(t)}=[U(t):I(t):Z(t):φ(t):t]T，电网瞬时状态矢量矩阵[1]为式(1)。

(1)

式(1)中，WA0为测量子矩阵元素。

(2)

电网系统传输状态矩阵为Hij，两节点之间电压传输状态矩阵方程为式(3)。

(3)

式(3)中Haa，Hbb，Hcc表示线路两节点之间的传输状态矩阵；Hab，Hba，Hac，Hca，Hcb，Hbc表示相间状态相互影响的状态相关参数；H(z)传输关系为式(4)。

(4)

H(z)中对应状态子式为式(5)。

(5)

式(5)中：ai,bi为传函系数，ea(n),eb(n),ec(n)为误差矢量为式(6)。

(6)

式(6)中Zaa,Zbb,Zcc为阻抗状态矩阵；Zab、Zba、Zbc、Zca、Zcb、Zbc、分别为相间状态相互影响的状态相关参数。

本研究利用电网三相电压电流检测采样数据、由于时序领域变换到复数域的周期性与对称性[i]来简化和提取特征有效项素，上述(6)式中电压瞬时状态矢量为式(7)～式(10)。

(7)

(8)

(9)

(10)

式(7)中AH(m)，SH(m)，ΦH(m)分别为各次高次谐波的幅值、频率与相位。三相电流瞬时状态矢量为式(11)。

(11)

电网电压电流信号检测采样间隔T=20 ms/128，电网检测瞬时状态矢量矩阵由式(11)所示，数据经由本研究的部分特征要素高速PFE-FFT计算出瞬时电压状态矢量矩阵为式(12)。

(12)

金属电解铝整流变压器输入侧电压220 kV，标准相电压127 kV，输入相电流176 A，由式(12)提取电压电流动态瞬时状态矢量数据矩阵表达，其检测采样录用状态矢量数据矩阵为式(13)。

(13)

220 kV电解铝整流变压器补偿控制绕组10 kV电压，标准相电压5 773.67 V，由DSP-PLC-A/D电网补偿检测装置输出补偿电压电流，提取其输出电压电流动态瞬时状态矢量数据矩阵表达式为式(14)。

(14)

由式(14)利用本研究由TMS320F28355-DSP- A/D-PLC处理器利用高速PFE-FFT计算分析出电网负载系统谐波电流成分为式(15)。

(15)

部分特征要素高速PFE-FFT计算流图如图3所示。

图3 DSP部分特征要素PFE-FFT运算流图

本研究220 kV电网与电解铝冶炼变压器负载的输入侧电压电流实测数据与FFT分析算出的瞬时状态矢量数据矩阵为式(16)。

(16)

上述(12)～(16)式中UA(%)、IA(%)、SH(Hz)、φH、COSφ分别表示电网与220 kV变压器输入实测侧电压、电流、谐波频率、相位与功率因数测定值与标准电压电流幅值的百分比值，作为系统补偿控制与系统保护操作的参照值，由TMS320F28355-DSP-SPC系统保护控制器参照电网操作规程计算出系统各补偿控制装置指令值。当电网与负载系统电压与电流超过系统设定值，由TMS320F28355-DSP-SPC控制器控制调节系统负荷电压与电流，电网或负荷系统超过系统保护设定值极限值或出现异常与故障，由TMS320F28355-DSP-SPC控制器控制电网或负荷保护隔离开关，使故障系统切离电网并报警，使电网或负荷系统得以保护。

本研究为对电网与负荷系统的检测控制的高速性与精确性提供多方面保证：1.对电网负荷系统瞬时电压电流信号的高速检测与信息预处理，2.电网采样信号PFE-FFT处理与分析。3.对电网与负载系统高次谐波无功与有害电力进行高速有效的抑制与补偿，4.对电网运行操作提供可靠安全保护与精确可靠的信息。

本研究通过利用多DSP主从同步并行控制方式，利用TMS320F28335-DSP主控制器控制多个DSP执行操作控制器、对电网负载信号检测与分析，把电网电压电流与谐波的幅值频率与相位信息由RAM-PIO或CAN总线网络传送到与DSP-IAF控制补偿装置与DSP-SPC保护控制装置，由DSP-IAF智能有源滤波补偿装置对电网谐波与无功有害电力进行高精度补偿，通过相应的DSP-PIO通信接口实时控制驱动各高压保护隔离开关的分合闸操作，控制调节各负荷调节装置与电网保护隔离开关装置投入切除操作，以保障电网故障隔离切除与电网系统的安全保护运行。电网负载系统电压检测波形。如图4所示。电网负载系统电压电流DSP信号检测采集与处理后数据显示器图面，如图5所示。

图4 电网负载系统电压检测波形

图5 DSP电网智能监控系统数据显示图面

7 电网状态监测与故障判别

电网状态监测是指对电网运行状态进行检测、分类、评估与决策。对电网运行异常状态做出判断，根据设定参数与历史数据、运行状态与出现的故障特征，根据电网规程进行判断故障性质和程度，对电网进行决策与系统保护操作。电网监测系统可为电网积累完整和科学的运行记录资料，为现代电网的科学管理提供技术保证和实施依据。

电网监控系统通过对电网信号检测、数据分析建立故障模型。利用数理统计、模式识别等技术对电网运行状态与故障进行判别与监控。据故障统计，电力系统故障约有60%是各种不同的短路故障，约10%为断路故障，8%为干扰信号引起，15%因系统波动冲击引起，约10%为过负荷造成的过电流线路烧损或断路器跳闸事故等。

图5DSP电网检测监控数据显示更新周期为T(t)=20 ms，系统预测与实测误差如图6所示，预测值非常接近实测值。

图6 系统预测与实测误差

6 总结

本研究为电网运行状态检测、信号分析与电网控制操作分类、电网负荷监测与电网系统保护，对电网状态进行评估与操作决策，为现代电网的科学管理提供技术保证和实施依据。数据终端采集的数据通过高速数据通信装置向电网与生产系统监控部门实时传送，数据的通信方式采用国际化PROFIBUS现场总线通信技术与开放式的通信协议标准，为变电站与远程电网监控系统提供了极其方便的数据通信形式和电网安全系统保护，同时也使系统构成更为简洁。