（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司）

基于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)的電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置的研究

李 穎

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司）

使用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)改造，能使系統(tǒng)的自動(dòng)化水平得到進(jìn)一步提升，進(jìn)而更好地滿足社會(huì)對(duì)電力通訊設(shè)備的需求。基于這種認(rèn)識(shí)，本文對(duì)基于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)的電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置展開(kāi)了研究，從實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用三個(gè)方面進(jìn)行了探討。

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)；DSP技術(shù)；電力系統(tǒng)；自動(dòng)化裝置

0 引言

在電力事業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置發(fā)揮著重要的作用。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力企業(yè)還要通過(guò)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置改造更好地滿足社會(huì)用電需求。而就目前來(lái)看，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和DSP技術(shù)在電力系統(tǒng)改造上已經(jīng)得到了應(yīng)用，能夠使供電系統(tǒng)的可靠性和安全性得到提高。因此，相關(guān)人員還應(yīng)該加強(qiáng)基于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)的電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置的研究，以便更好地促進(jìn)電力事業(yè)發(fā)展。

1 電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)選擇

在進(jìn)行基于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)的電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置設(shè)計(jì)時(shí)，還要確保裝置的設(shè)計(jì)能夠滿足運(yùn)行需求。為此，還要先完成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和微處理器的選擇，以確保裝置的實(shí)際運(yùn)行效益能夠得到提高。

在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)選擇上，目前電力系統(tǒng)可以采取的網(wǎng)絡(luò)通信方式主要包含工業(yè)以太網(wǎng)、無(wú)線通信和現(xiàn)場(chǎng)總線。采取工業(yè)以太網(wǎng)方式進(jìn)行系統(tǒng)通信，可實(shí)現(xiàn)局域管理和控制，并獲得較高傳輸速度。但是，采取該方式只能在有限范圍內(nèi)通信，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸介質(zhì)共享時(shí)，還將發(fā)生局域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息沖突，因此無(wú)法滿足電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息傳輸要求。采取無(wú)線通信方式，可在較廣范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置，有利于提高系統(tǒng)通信效率。但是，采取該種通信方式容易受環(huán)境干擾，會(huì)出現(xiàn)通信中斷或信號(hào)失真問(wèn)題，不適合在有較高實(shí)時(shí)管理和控制要求的電力系統(tǒng)中應(yīng)用。采取現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可完成最底層總線型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，所以能夠直接將終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)[1]。同時(shí)，由于該技術(shù)存在有多主站優(yōu)先權(quán)訪問(wèn)特征和短幀結(jié)構(gòu)，所以能確保重要數(shù)據(jù)信息在第一時(shí)間得到傳輸，可滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性設(shè)計(jì)要求。

在微處理器選擇上，電力系統(tǒng)主要使用單片機(jī)、ARM和DSP這三種。其中，單片機(jī)價(jià)格較低，并且容易進(jìn)行安裝操作，但數(shù)據(jù)處理性能較差。ARM具有成本低、體積小和性能高的特點(diǎn)，但需使用大量寄存器，且指令長(zhǎng)度固定。DSP則具有較強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，可在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法，但功耗相對(duì)較大。而考慮到電力自動(dòng)化系統(tǒng)有著較高的數(shù)據(jù)處理和傳輸要求，所以需使用DSP技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

2 基于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與DSP技術(shù)的電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件設(shè)計(jì)

在實(shí)際設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置時(shí)，需考慮到電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的裝置主要有哪些？目前，該類裝置可劃分為兩類，即保護(hù)控制裝置和自動(dòng)化裝置。前一類包含線路保護(hù)裝置、穩(wěn)定控制裝置等；后一類包含備自投裝置和自動(dòng)重合閘裝置等。利用這些裝置，可滿足電力系統(tǒng)的信息測(cè)量、通信、控制和保護(hù)等需求。結(jié)合這些需求，需完成電源插件、交流輸入插件、通訊插件、中央處理插件和人機(jī)接口插件等系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其中，中央處理插件為系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心，使用了DSP控制器，并連接有邏輯譯碼電路、通訊電路、雙口RAM和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等電路或元器件，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一切裝置的直接或間接控制。在系統(tǒng)通信接口插件設(shè)計(jì)上，由于使用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，而DSP內(nèi)部存在有現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，所以只需實(shí)現(xiàn)收發(fā)器的擴(kuò)展安裝就能實(shí)現(xiàn)通信。在交流輸入插件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)使用的是交流電，裝置接收到的為模擬信號(hào)，但DSP僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理，因此還要利用該插件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)[2]。在電源插件設(shè)計(jì)上，需根據(jù)裝置安裝位置進(jìn)行電源插件選擇。此外，在人機(jī)接口插件設(shè)計(jì)上，可以利用顯示設(shè)備和鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2.1.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)方面，需完成數(shù)據(jù)處理、故障判斷、信息輸出、算法實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、上電自檢等功能的設(shè)計(jì)。而系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為CCS，其為TI公司推出的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可用于進(jìn)行DSP芯片的集成開(kāi)發(fā)。使用該軟件，可借助編譯、硬件調(diào)試、鏈接和軟件仿真等功能實(shí)現(xiàn)DSP程序的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。從系統(tǒng)軟件構(gòu)成上來(lái)看，其將由主程序和輔助功能程序構(gòu)成。系統(tǒng)運(yùn)行主程序后，將先完成硬件自檢。在這一過(guò)程中，系統(tǒng)將完成相關(guān)裝置是否報(bào)錯(cuò)等情況的查看。如果發(fā)現(xiàn)裝置報(bào)錯(cuò)，會(huì)將報(bào)錯(cuò)信息直接輸出，然后退出。如果沒(méi)有報(bào)錯(cuò)，會(huì)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的初始化操作，并完成上位機(jī)信息讀取，然后進(jìn)行通信。完成人機(jī)接口通信后，系統(tǒng)將使看門狗計(jì)數(shù)器復(fù)位，并完成上位機(jī)信息重新讀取，并反復(fù)進(jìn)行復(fù)位－讀取－通信操作。在硬件自檢模塊設(shè)計(jì)上，可確保繼電保護(hù)裝置運(yùn)行前先自檢，以確保自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性。在上位機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)在與上位機(jī)通信時(shí)，將先完成緩沖區(qū)讀取，以確定是否有數(shù)據(jù)[3]。如果存在有遙控命令數(shù)據(jù)，則將進(jìn)行該命令的執(zhí)行。如果沒(méi)有，則將進(jìn)行同步字填充，并完成發(fā)送幀創(chuàng)建，以確定系統(tǒng)是否需插入信息。獲得完整數(shù)據(jù)幀后，系統(tǒng)將進(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的打包發(fā)送。在人機(jī)交互上，系統(tǒng)將先進(jìn)行主界面初始化操作，通過(guò)掃描確定系統(tǒng)是否有鍵被按下。根據(jù)輸入信息，則能完成操作指令的判斷，并將操作信息發(fā)送給DSP，然后完成相關(guān)操作的顯示。

2.2 技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

2.2.1 系統(tǒng)信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)

采用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和DSP技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以更好地實(shí)現(xiàn)模擬量采集和實(shí)時(shí)信號(hào)監(jiān)測(cè)。在電力自動(dòng)化裝置中，電力調(diào)度可運(yùn)用SCADA、EMS和DMS等理念實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和測(cè)量。在裝置運(yùn)行的過(guò)程中，可以變送器為主要依據(jù)將一次CT和PT上電氣量轉(zhuǎn)化為直流量。經(jīng)過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，則能夠?qū)⒅绷髁總鬏數(shù)接?jì)算機(jī)上。應(yīng)用交流采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，則可以完成二次CT和PT轉(zhuǎn)換。在此基礎(chǔ)上，則可以實(shí)現(xiàn)每周波多點(diǎn)采樣值的直接計(jì)算，所以能夠減少變送器使用頻率，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化運(yùn)行提供保障。相較于過(guò)去使用51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的電力系統(tǒng)，使用DSP技術(shù)和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)能夠有效提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)空間拓展，所以能夠?yàn)殡娏ψ詣?dòng)化裝置運(yùn)行提供保障[4]。此外，使用DSP技術(shù)能夠完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)頻譜分析，所以能夠提高裝置測(cè)量精度，并確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.2 電能質(zhì)量監(jiān)控

應(yīng)用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和DSP技術(shù)，還能實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)控。近年來(lái)，配電網(wǎng)建設(shè)對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求。而在電能質(zhì)量監(jiān)控方面，可應(yīng)用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并做好系統(tǒng)故障點(diǎn)檢測(cè)。在配電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，受外界因素干擾，一些位置節(jié)點(diǎn)將承受較大負(fù)荷，進(jìn)而造成電壓凹陷。應(yīng)用DSP技術(shù)和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，則能夠運(yùn)用小波方法實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)，從而使故障點(diǎn)的范圍得到盡快確定，繼而使故障得到及時(shí)排除。

2.2.3 系統(tǒng)繼電保護(hù)

在繼電保護(hù)方面，DSP技術(shù)和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)也得到了應(yīng)用。在電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備中，繼電保護(hù)裝置應(yīng)用范圍較廣。而使用DSP技術(shù)，則能夠提供微機(jī)繼電保護(hù)。相較于傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置，該種裝置的應(yīng)用能夠促進(jìn)系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展，從而使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性得到提高[5]。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)諧波和基波展開(kāi)有效分析，并利用微機(jī)繼電保護(hù)裝置完成系統(tǒng)故負(fù)荷特性特征進(jìn)行較好把握，從而對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行有效解決。再者，負(fù)荷特性分析系統(tǒng)的構(gòu)建，需要考慮到設(shè)置電網(wǎng)負(fù)荷安全評(píng)估系統(tǒng)，能夠在對(duì)負(fù)荷特性數(shù)據(jù)利用過(guò)程中，加強(qiáng)電網(wǎng)技術(shù)的不斷改進(jìn)，發(fā)揮新技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以確保電力系統(tǒng)在應(yīng)用新技術(shù)、新手段后，能夠更加可靠、平穩(wěn)地運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

母線負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)以及負(fù)荷特性的把握，對(duì)于當(dāng)下智能電網(wǎng)的發(fā)展有著十分重要的影響。母線負(fù)荷關(guān)系到了智能電網(wǎng)運(yùn)行的平穩(wěn)性和可靠性，在當(dāng)下供電日益緊張的形勢(shì)下，對(duì)母線負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)負(fù)荷特性進(jìn)行較好把握，顯得尤為必要。為了更好地滿足智能電網(wǎng)發(fā)展需要，在日后工作當(dāng)中，要注重利用新技術(shù)手段，構(gòu)建完善的負(fù)荷特性分析系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)這一系統(tǒng)性能的評(píng)估，保證對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行有效解決。除此之外，母線負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)及負(fù)荷特性分析過(guò)程中，要注重經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)完善工作，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)日后的平穩(wěn)發(fā)展，創(chuàng)造更加有利的條件。

[1]張文磊，周勇，廖峰，等.間接預(yù)測(cè)法在母線負(fù)荷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013（12）.

[2]靜華，韋化.基于誘導(dǎo)有序加權(quán)平均算子的最優(yōu)組合短期負(fù)荷預(yù)測(cè)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015（10）.

[3]陳新宇，康重慶，陳剛.規(guī)避壞數(shù)據(jù)影響的母線負(fù)荷預(yù)測(cè)新策略[J].中國(guó)電力，2014（9）.

2016-10-16）