适用于智能变电站的安全稳定控制装置设计①

拓 岗

(延安大学,陕西 延安 716000)

0 引 言

智能电网环境下实现电力系统的稳定安全运行是业内研究的重心,而智能变电站作为新型的电力系统,对其安全稳定控制装置的要求无疑更加严苛[1]。就是说,基于智能变电站在电网系统中的应用越加广泛,安全稳定控制装置技术满足智能变电站的要求主要体现在装置网络化、信息化以及智能化等多方面[2]。鉴于保证智能电网稳定运行离不开对于实时动态稳定控制以及执行稳定的研究和分析。此次研究的根本方法主要是设计硬件和软件进行采样处理单元模块处理,同时基于FPGA智能电网电气量快速计算方法的硬件和软件设计实现适用于智能变电站的安全稳定控制装置,继而为未来智能变电器安全稳定控制装置的实现提供经验。

1 基于FPGA的智能电网电气量快速计算方法

1.1 硬件设计模块

基于FPGA计算电气量包括硬件设计模块以及软件设计模块。其中,硬件设计模块的主要作用包括计算实时相角、电流电压有效值以及电力线路电气量。而软件设计模块的作用主要体系现在读取有效值和相角、启动算法、完成采样值写入以及凭借相角实时计算各相频率[3]。硬件实现具体层面上,此次研究通过应用自上而下模块化的原理,并使用VUDL最终完成FPGA硬件设计。此次基于FPGA的智能电网电气量快速计算的硬件设计中,选择在FFT_LINE中仅仅集成单个FFT运算单元直接降低此次研究中的FPGA设计规模[4]。此外,在具体的应用中,根据计算线路数确定FPGA集成的FFT_LINE核数目,且各线路核之间的计算完全并行。

多线路电气量计算集成结构主要包括运算控制器和核心控制器以及运算单元等模块构成。其中,FPGA内部的各线路运算模块的片选信号由地址译码单元提供。外部控制单元的主要作用或者主要优势体现在能够为外部软件提供复位寄存器等系列狗官寄存器的作用[5]。另外,需要指出的是在FPGA实现中的关键技术只要包括高效数据接口管理单元、32点FFT运算单元设计,并以此集成以线路为单位的IP核FFT_LINE、基于流水线技术的CORDIC算法实现、嵌套状态机控制技术[6]。

1.2 软件设计模块

软件设计模块的主要作用是根据相角差计算出各项频率,此次研究采用以下算法进行运算,即设x a(t)为一带限周期信号,周期为T,在利用相角差计算频率的推导过程中其函数表达式具体如式(1):

式(1)中,f为信号频率,N为数据窗的长度,Δλ为信号的偏移量,f s为采样频率。离散傅立叶变换计算结果是指只考虑基波分量时得到对应的结果。其中,F m指的是由离散傅立叶变换机损得到的x a的幅值而φm指的是由变换机损得到的x a的相角。当Δλ=0时,即为采样同步,φm=φ以及F m=F,则表示结果准确。可以说,此次基于FPGA的智能电网电气量快速计算硬件和软件设计对于智能变电站安全稳控设计而言,既解决了传统设计遗留的难题,同时又能够快速计算出智能变电器的各项电气量,由于该设计运行可靠性强且能满足安全稳定运行的实时性要求,因此能够很好地适用于智能变电站安全稳控装置。

2 结果分析

在硬件设计层面,此次研究提出的方法的主要优势体现在,保证正确计算FFT的实现仅仅需要输入当前采样值,就是说,正确计算FFT也可以通过输入32点采用数据完成。可以说,此次研究提出的方法主要优势体现在,保证正确计算FFT的实现仅仅需要输入当前采样值,就是说,正确计算FFT也可以通过输入32点采用数据完成。其中参考值与实际测量值对比如图1所示。

图1 参考值与实际测量值比较

如图1所示,研究选取15个参考值进行计算,实验结果表明,参考值与实际测量值变化不大。在软件效率层面,为了能够进一步提高此次研究提出的方法的操作效率,此次研究特别使用了或者说结合了流水操作机制加以实现软件和硬件的具体功能,具体过程就是,保证每次定时中断之后,利用此次研究提出的软件部分的功能进行上次FPGA运算结果的读取,紧接着在根据当前采样值写入FPGA输入数据缓冲区启动运算。次定时中断之后,如若此次研究的软件设计部分已启动运算,那么则需要进行有效值和相角的实时保存和记录。之后将每条线路的当前采样值写入对应的输入数据缓冲区,以此在完成启动之后最终实现各线路的同步运算。之后软件可以根据刚才读取的相角实时计算各相频率。最终得到保护测试仪模拟45 Hz-55 Hz电力线路对软件测频算法验证结果。具体如图2所示。

为了对测频值进行验证,此次研究通过利用保护测试仪模拟45Hz-55Hz电力线路对软件测频算法进行了验证,由图2可知,此次研究提出的方法达到安全稳定控制装置的0.01Hz精度要求。此次研究基于FPGA智能电网电气量快速计算方法的硬件和软件设计实现适用于智能变电站的安全稳定控制装置,不仅能够节省操作时间,而且较之于传统方法,此次研究提出的方法精确度更高。因此可以说,此次研究提出的于FPGA智能电网电气量快速计算方法的硬件和软件设计实现适用于智能变电站的安全稳定控制装置能够保证在计算智能变电站电气量时的实时性要求。

图2 保护测试仪模拟45Hz-55Hz电力线路对软件测频算法验证结果

3 结 语

此次研究的根本方法主要是设计硬件和软件进行采样处理单元模块处理,同时基于FPGA智能电网电气量快速计算方法的硬件和软件设计实现适用于智能变电站的安全稳定控制装置。同时利用用保护测试仪模拟45 Hz-55 Hz电力线路对软件测频的精度进行了分析验证。测频结果表明,实际测量值与参考值的误差在0.002左右,满足且达到安全稳定控制装置的0.01 Hz精度要求。因此,该智能变电站安全稳控设计既解决了传统设计遗留的难题,同时又能够快速计算出智能变电器的各项电气量,由于该设计运行可靠性强且能满足安全稳定运行的实时性要求,因此能够很好地适用于智能变电站安全稳控装置。