基于DSP的变电站综合自动化控制系统研究

陈贵州

(江苏联合职业技术学院，江苏 沭阳 223600)

变电站是电力系统中不可或缺的组成部分，随着用户对于电力质量与稳定性的要求日益增高，对变电站的运行调度能力及自动化水平均提出了更高的要求[1]。变电站综合自动化控制系统是在传统自动化系统的基础上，融入先进的计算机技术、通信技术以及控制测量技术等对站内电气设备的功能进行重新组合和优化设计。该系统的研究对于提高变电站自动化水平，向用户提供高质量的电能均具有重要作用[2-5]。

经过多年的发展，数字信号处理(Digital Signal Processing, DSP)技术不断完善，芯片性能不断提高，已逐渐成为数字信号处理领域中使用最为广泛的技术[6]。DSP技术与其他相关技术的结合，为变电站自动化系统的发展提供了多样化的新型发展平台。本文所设计的变电站综合自动化控制系统是以DSP微处理器为核心，结合测量、控制及通讯等技术完成系统的构建。其目的主要是实现对变电站进行自动化管理，提高电网电力系统运行的高效性、可靠性，降低电力企业对电网的维护成本。所设计的系统能够对站内电气设备的实时运行状态进行跟踪和监视，并对信息数据进行采集、处理。同时，该系统在一定程度上可代替变电站常规的二次设备功能，简化变电站的二次接线。该系统的设计实现对于电力产业的稳定发展具有重要的参考价值和意义[7]。

1 DSP技术

DSP即数字信号处理，是利用计算机或专门数字处理设备，对采集到的信号进行处理的技术，包括对原始数据的采集、信号的变换以及估值与识别等。数字信号处理技术通常通过软件、硬件和软硬件结合的方式来实现[8-10]。由于软硬件结合的方式在DSP系统(芯片)的开发中，具有开发周期短、安全稳定性高等优势，因此该方式是DSP研究中的重要内容。

典型的DSP系统结构如图1所示[11]。采集到的原始信号首先被输入到抗混叠滤波模块进行滤波和抽样，然后通过A/D模块将输入的模拟信号变换成系统能够处理的数字信号。随后，将处理所得的数字信号输入到DSP芯片中进行某种形式(乘法、卷积、乘累加等)的处理，得到所对应的数字样值[12]。最后，经D/A模块将DSP芯片处理后的数字样值转换为模拟样值，再进行内插和平滑滤波便可得到连续的模拟波形。

在DSP系统中，DSP芯片是其中核心的组成部分，其是一种具有特殊结构的微处理器，一般可划分为通用型和专用型两种[13]。通用型芯片指的是可利用相关编程软件与语言编写实现程序的一类，其应用范围广泛。专用型芯片则根据需求内置被处理过的专用算法，如数字滤波、卷积运算及快速傅里叶变换等，通常用于一些特定的项目工程中。DSP芯片的结构特点可以总结为以下4点：

(1)哈佛结构。DSP芯片通常采用数据与程序单独存储的并行哈佛结构，该结构利用两条独立的数据控制总线分别完成对其中数据与程序的读写、访问等操作，使得芯片处理速度更快、执行效率更高;

(2)流水线操作[14]。DSP处理器中指令的执行一般划分为取值、译码以及运行这3个部分。DSP处理器采用流水线并行处理的方式，在同一阶段处理、执行多个任务指令，逐渐提高处理器的效率；

(3)专用MAC乘法器。由于DSP芯片在FFT、卷积及各种矢量的计算中需要频繁执行，诸如∑b(n)×x(n-k)形式的运算。因此DSP芯片将乘法器与加法器相结合，在一个时钟周期完成一次乘、加运算，并可以累加乘法运算的结果，使得运算变得更加高效;

(4)特殊的DSP指令。DSP芯片的编程指令采用重复模式、延迟传输和并行指令，进一步提高了芯片处理能力。DSP指令的汇编语法格式为[15]：操作码[操作数]；注释。

操作码由可描述指令特征的助记符表示，其规定了指令的操作功能。在操作数中定义了该句法表达式中所用到的变量及寻址方式。注释则是为方便阅读而对指令所做的说明。

2 控制系统设计

利用DSP芯片进行实时系统设计与开发的流程框架如图2所示[16]。

在此框架的基础上，本文设计了基于DSP的变电站综合自动化控制系统，如图3所示。该自动化系统以DSP芯片为核心，组成各种测控及保护单元，同时利用CAN bus(现场总线)来构建站内通信网络。变电站运行所产生的实时状态信息首先被所对应的测控保护装置采集，然后通过站内通信层将采集到的数据统一传输到变电站的通信管理机中,并经过通信管理机将相关信息分发到站内本地的监控管理系统和远方的电力调度控制总站，从而实现变电站的自动化保护、监控以及控制。

所设计系统中的差动保护、后备保护、线路保护等测控以及保护单元的硬件结构相似，包含模拟信号输入、DSP芯片、数字信号输入输出和通信网等模块，组成架构如图4所示。

该综合自动化系统，不仅能完成对变电站内相关仪器设备实时数据信息的采集和记录。同时对原始数据进行分析处理，且还可以实现故障录波、谐波分析、小电流接地选线及低周减载等功能。

3 试验测试

为了验证所设计系统在实际变电站环境中的可靠性和稳定性，利用本文所设计的综合自动化系统对某小型变电站的原有系统进行改造。在完成所有准备工作并确定各模块工作正常后，利用该系统对变电站中所需的部分功能进行测试。其中包括：常温下的交流工频电压、电流基本误差测试和测控及保护单元的抗干扰测试。不同电压下的交流工频电压与不同电流下的交流工频电流基本误差测量结果，如表1和表2所示。

表1 工频电压测试结果Table 1. Power frequency voltage test results

表2 工频电流测试结果Table 2. Power frequency current test results

根据变电站相关标准，常温条件下的交流工频电流电压基本误差应控制在±0.5%以内。通过实测数据与标准电压的对比分析可以发现，电压误差的最大值为0.215%，电流误差的最大值为0.2%，均在正常范围之内，满足变电站的测量要求。同时，系统中事件记录时间分辨率满足要求，可以保证在系统出现故障时及时向工作人员反馈站内状态。

随后进行系统抗干扰试验，加入的干扰包括快速瞬变脉冲、浪涌及高频，测试结果如表3所示。

表3 抗干扰测试结果Table 3. Anti-interference test results

系统抗干扰测试结果说明，所设计的系统完全满足设计要求，验证了该系统在实际变电站环境中的可靠性和准确性。

4 结束语

本文通过介绍DSP的基本原理，分析DSP微处理器的结构特点，研究设计了基于DSP的变电站综合自动化控制系统。所设计的系统能够在对站内电气设备实时运行状态进行跟踪和监视的同时,完成对信息数据进行采集和处理。在实际试验中，测试了该系统对于常温下交流工频电压和电流的基本误差、测控及保护单元的抗干扰能力。这3项测试结果说明，该系统能够快速采集站内电气设备运行信息，并对其进行分析处理，具有较高的可靠性。