焦立新

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機(jī)電與暖通工程學(xué)院，呼和浩特010070）

電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型的設(shè)計(jì)

焦立新

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機(jī)電與暖通工程學(xué)院，呼和浩特010070）

對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分散控制系統(tǒng) （distributed control systems，DCS）設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。傳統(tǒng)的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制采用基于電磁耦合補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)增益控制方法，在進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制中出現(xiàn)非線性失真，過壓保護(hù)性能不好。提出一種基于分散控制和匹配濾波檢測(cè)的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型設(shè)計(jì)方法。自動(dòng)控制的主控系統(tǒng)采用ADI公司的ADSP21160處理器系統(tǒng)，抗干擾設(shè)計(jì)采用FIR帶通濾波器，通過PCI總線將過壓信息送到DSP，DSP接收后通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出，經(jīng)過放大、濾波、阻抗變換實(shí)現(xiàn)對(duì)過壓信息的A/D采樣和信號(hào)調(diào)理，采用philips公司的D類功放芯片--TDA8920BTH構(gòu)建模擬發(fā)射電路，進(jìn)行了電網(wǎng)監(jiān)控的過壓自動(dòng)控制的集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制，提高了電網(wǎng)監(jiān)控的過壓保護(hù)能力，性能優(yōu)越。

電網(wǎng)；分散控制系統(tǒng)；自動(dòng)控制；過壓；電磁耦合

0 引言

電網(wǎng)系統(tǒng)是關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)控，避免過負(fù)荷和過壓運(yùn)行，保障電網(wǎng)設(shè)施的安全性和可靠性。在電網(wǎng)監(jiān)控中，因?yàn)殡娏φ{(diào)度的不均衡性和用戶的隨機(jī)性，容易導(dǎo)致用電過壓，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來隱患，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的管理的一個(gè)重要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的過壓自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)智能斷電和智能調(diào)度，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的故障檢測(cè)和過壓控制能力。采用分散控制系統(tǒng) （Distributed Control Systems，DCS）進(jìn)行電網(wǎng)的過壓控制的原理是對(duì)影響電網(wǎng)監(jiān)控的過壓控制參數(shù)進(jìn)行分散自回歸分析，通過DCS控制器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和各個(gè)分離單元的過壓信息檢測(cè)，從而提高電網(wǎng)的監(jiān)控和管理能力，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，研究電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型具有重要意義[1]。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要采用的是基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、基于專家控制系統(tǒng)的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制方法和基于PLC可編程邏輯的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制方法等[2-3]，但上述控制系統(tǒng)存在誤差較大和失真偏移等問題，對(duì)此相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。其中，文獻(xiàn)[4]提出一種基于VXI總線系統(tǒng)隨機(jī)共振調(diào)度的電網(wǎng)監(jiān)控DCS過壓自動(dòng)控制算法，并采用VXI總線模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了DCS控制系統(tǒng)的兼容性，但是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成復(fù)雜，系統(tǒng)的自檢能力較差。文獻(xiàn)[5]提出一種基于自動(dòng)增益控制的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型，在對(duì)電網(wǎng)過壓的采樣率進(jìn)行功率方法，提高了對(duì)過壓信息數(shù)據(jù)的采樣通道數(shù)，通過信號(hào)脈寬的壓控放大提高了電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制的穩(wěn)定性，但是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法使得動(dòng)態(tài)增益控制碼的壓控放大過程中容易出現(xiàn)失真，導(dǎo)致控制偏移，性能不好。文獻(xiàn)[6]提出一種基于雙通道全雙工分散控制的電網(wǎng)監(jiān)控DCS機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了電網(wǎng)監(jiān)控DCS控制系統(tǒng)的RTC模塊和底層供電模塊，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但隨著電網(wǎng)工作環(huán)境噪聲的干擾影響增強(qiáng)，出現(xiàn)零點(diǎn)漂移，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的收斂性不好。文獻(xiàn)[7]提出一種基于自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的電網(wǎng)監(jiān)控DCS過壓控制模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以電網(wǎng)監(jiān)控DCS的電磁轉(zhuǎn)矩為特征輸入，進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS的系統(tǒng)耦合控制，但是該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境要求較高，難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制?？梢?，傳統(tǒng)的過壓自動(dòng)控制方法采用電磁耦合補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)增益控制方法，在進(jìn)行 電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制中出現(xiàn)非線性失真，過壓保護(hù)性能不好[8-9]。針對(duì)上述問題，筆者提出一種基于分散控制和匹配濾波檢測(cè)的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述，進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件電路模塊化設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測(cè)試，展示了筆者設(shè)計(jì)的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型的優(yōu)越性能。

1 電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制原理和系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 電網(wǎng)監(jiān)控的分散控制原理和體系結(jié)構(gòu)

筆者在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)下進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS的分散控制設(shè)計(jì)，電網(wǎng)監(jiān)控的分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電壓數(shù)據(jù)信息的采集是基礎(chǔ)，通過對(duì)過載電壓數(shù)據(jù)信息的采集，進(jìn)行模擬信號(hào)構(gòu)建，對(duì)信號(hào)作頻譜分析，進(jìn)行斷電自動(dòng)控制，選用繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)電源發(fā)射端的斷開操作，收發(fā)轉(zhuǎn)換電路的控制模擬信號(hào)，對(duì)電網(wǎng)的電壓信息進(jìn)行回波模擬，得到電網(wǎng)監(jiān)控的分散控制的信息處理框圖如圖1所示。圖1中所示的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模塊主要有DSP信號(hào)處理器、頻率控制D/A轉(zhuǎn)換電路，PCI總線及A/D采樣電路、電網(wǎng)過壓負(fù)載的邏輯控制設(shè)備、PCI橋接芯片、外部I/O設(shè)備、外部存儲(chǔ)器以及時(shí)鐘電路。

圖1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of the control system

在大型電網(wǎng)的監(jiān)控體系平臺(tái)下，進(jìn)行分散DCS控制，保障電網(wǎng)監(jiān)控管理和控制信息安全。電網(wǎng)監(jiān)控DCS的過壓自動(dòng)控制的系統(tǒng)開發(fā)主要包絡(luò)了網(wǎng)絡(luò)適配層、功能模塊開發(fā)層和DCS分散控制適配層，DCS控制的中間件配置采用ADI公司的DSP，且開發(fā)工具可以通用，采用模塊化的方法進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的選擇，電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制的主控系統(tǒng)采用ADI公司的ADSP21160處理器系統(tǒng)，最低采樣率為24 MHz，VCE隨電流的增大而增大，采樣256道數(shù)據(jù)。使用16位定點(diǎn)DSP進(jìn)行斷電控制，功耗VCE一般在10 V左右溫度范圍是0℃～70℃，主頻600 MHz，通過模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)放大，將一個(gè)32位RISC型指令集與電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓指令集體系進(jìn)行串聯(lián)，對(duì)DCS控制器進(jìn)行中間件配置假設(shè)VCE=0.2 VS，電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子公司的K9F1208UOB型號(hào)作為核心邏輯控制器件，工作電壓為2.7 V～3.6 V。系統(tǒng)采用philips公司的D類功放芯片——TDA8920BTH構(gòu)建模擬發(fā)射電路，得到控制系統(tǒng)的主控單元如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)監(jiān)控自動(dòng)控制系統(tǒng)的TDA8920BTH接法示意圖Fig.2 TDA8920BTH connection diagram of grid monitoring automatic control system

圖中，輸出級(jí)匹配電容C的通過DSP控制D/A轉(zhuǎn)換器的功率輸出為

功率放大器輸出的壓控功率為

開關(guān)控制電平調(diào)節(jié)電網(wǎng)的供電效率ηE和壓控放大器的運(yùn)放耗散功率PD分別為

當(dāng)采樣率cos φ=1時(shí)，PCI總線送采樣數(shù)據(jù)為電網(wǎng)過壓控制的純電阻負(fù)載，電網(wǎng)的供電效率ηE=輸出多路回波信號(hào)為ηE與ηD及cos φ 的自相關(guān)特征，可見當(dāng)|φ|=30°時(shí)，動(dòng)態(tài)增益增大，此時(shí)電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制電源輸出功率幾乎被耗散，根據(jù)上述分析，分散控制和匹配濾波檢測(cè)進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型設(shè)計(jì)。

1.2 電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制功能描述和指標(biāo)性能分析

在上述系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型構(gòu)建，通過構(gòu)建優(yōu)化的控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)過壓的自動(dòng)控制，控制算法采用的是PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，算法在文獻(xiàn)[5]中給出，這里不再贅述，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能描述和指標(biāo)性能分析。電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)抗干擾設(shè)計(jì)采用FIR帶通濾波器，控制系統(tǒng)中除了主要控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）外，還包括了過壓的中斷處理、任務(wù)調(diào)度等功能，本文設(shè)計(jì)的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)功能模塊描述包括如下幾個(gè)方面：

1）采用可編程邏輯控制外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的任務(wù)調(diào)度和過載信息數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建轉(zhuǎn)換電路，利用5 409 A循環(huán)尋址進(jìn)行電力分散控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2）采用LabWindows/CVI進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成對(duì)過載和過壓的自動(dòng)控制功能，通過PCI總線將過壓信息送到DSP，DSP接收后通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括對(duì)硬件、軟件的設(shè)計(jì)。

3）硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)，采用FIR級(jí)聯(lián)濾波器對(duì)控制系統(tǒng)的干擾信息進(jìn)行合理濾除，將電力分散控制分解成若干個(gè)IMF分量，經(jīng)過放大、濾波、阻抗變換實(shí)現(xiàn)對(duì)過壓信息的A/D采樣和信號(hào)調(diào)理，基于體系結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

4）系統(tǒng)集成：采用差分放大模式把電網(wǎng)監(jiān)控的DCS分散控制和過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，選用AD公司的AD797作為運(yùn)算放大器，改進(jìn)單元設(shè)計(jì)過程

5）系統(tǒng)測(cè)試：對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)能否滿足遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和電網(wǎng)監(jiān)控的功能。

通過上述功能分析，筆者設(shè)計(jì)的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的指標(biāo)描述如下：

過壓自動(dòng)控制電壓 （VDD和VSS）的范圍：從±15 V到±30 V；過壓自動(dòng)控制的輸出最大功率：2×100 W，變阻器分壓的效率：90%，BTL輸出模式下的噪聲輸出電壓100 μVrms，信號(hào)的PWM調(diào)制放大器閉環(huán)增益：30±1 dB，THD≤0.15%（P=1 W，f=1 kHz）。電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制采用單通道（SE）和橋接負(fù)載（BTL）兩種方式，變阻器分壓送到TDA8920BTH的輸入引腳；采樣通道：8通道同步、異步輸入；D/A分辨率：12位（至少）；共模抑制比高達(dá) 93 dB，帶寬 BGG＝100＝120 kHz。

在上述指標(biāo)性能分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)和集設(shè)計(jì)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分散控制系統(tǒng)DCS設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。而當(dāng)前的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制采用基于電磁耦合補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)增益控制方法，在進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制中出現(xiàn)非線性失真，過壓保護(hù)性能不好。為了克服傳統(tǒng)方法的弊端，在上述總體模型設(shè)計(jì)和功能指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，筆者提出一種基于分散控制和匹配濾波檢測(cè)的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)部分描述如下。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含了數(shù)據(jù)采集模塊、阻抗匹配濾波檢測(cè)模塊、功率放大器模塊、收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊、模擬預(yù)處理機(jī)模塊和DSP模塊等，分別對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)過程描述如下。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)和阻抗匹配濾波檢測(cè)模塊

電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控和過壓數(shù)據(jù)信息的采集，電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是采用DSP信號(hào)處理器作為PCI總線，通過橋接電路進(jìn)行信號(hào)采集、處理，處理器內(nèi)部RAM中運(yùn)行過壓自動(dòng)控制程序，設(shè)置合理的采樣頻率，控制電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的A/D轉(zhuǎn)換，與外部SRAM通信，進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓數(shù)據(jù)信息的分散控制?；嚱邮盏男盘?hào)通過采樣通道實(shí)現(xiàn)PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸，輸出多路過壓數(shù)據(jù)信息到功率放大器，模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制。電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路如圖3所示，圖中，接收通道、參考通道兩路信號(hào)經(jīng)過放大、濾波，進(jìn)行信號(hào)增益控制，多級(jí)接收機(jī)的增益（1～1 000），放大倍數(shù)為

式中，NFi為第i級(jí)的噪聲系數(shù)，運(yùn)算放大器AD620失真度為：-120 dB@20 kHz。濾波系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

其中零頻增益為

圖3 電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.3 Power grid monitoring overvoltage of DCS automatic control model of data acquisition system

在數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)阻抗匹配濾波檢測(cè)模塊，此處選擇：C1＝C2＝C，R1＝R2＝R，電壓過壓保護(hù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的抗干擾濾波需求 ωn＝25 kHz，G0＝2，采用窄帶阻抗匹配對(duì)過壓自動(dòng)控制的某個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行阻抗匹配，得到阻抗匹配濾波檢測(cè)的匹配等效電路如圖4所示。

圖4 阻抗匹配濾波檢測(cè)等效電路Fig.4 Equivalent circuit of impedance matched filtering detection

D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓由ZL的進(jìn)行接入，各分模塊之間的功放管和變壓器的導(dǎo)納φX＜φ0時(shí)，DCS電力控制的負(fù)載功率PL增加了倍，經(jīng)過選頻濾波處理，它與相角φ0、φX值有關(guān)。當(dāng)模擬預(yù)處理機(jī)的輸入振蕩幅值φX＝0時(shí)，電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制的VINA范圍增加（1+tan2φ0）倍。采用ADG3301設(shè)計(jì)電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)相角φ0越大，P增加越大，此時(shí)DCS控制器的回路電流也越大。設(shè)則有：

發(fā)射效率恒小于1，輸出電流幅值：

負(fù)載功率PL分別為：

其中，VCE為運(yùn)放管壓降，電壓幅值為Vm＝VSVCE電壓幅值為電源供電效率

2.2 DSP模塊設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

在上述功能模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的核心控制模塊設(shè)計(jì)和集成設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制的數(shù)字電路部分由 A/D、D/A、信號(hào)處理器（DSP）組成，系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.5 System integration design function structure

其中，A/D采樣電路負(fù)責(zé)對(duì)調(diào)理后的接收和參考信號(hào)進(jìn)行采樣，為DSP提供復(fù)位信號(hào)，包括上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位。采用ADSP-BF561（以下簡(jiǎn)稱BF561）處理器進(jìn)行過壓自動(dòng)控制的系統(tǒng)編程，主控系統(tǒng)包括了2個(gè)16位MAC，2個(gè)40位ALU，兼容3.3 V及2.5 V I/O，采用2個(gè)并行輸入/輸出外圍接口單元（PPI）設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器 DMA控制器，其中，DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸出接口有48個(gè)可編程標(biāo)志引腳。D/A模塊負(fù)責(zé)提供發(fā)射信號(hào)，芯片由基準(zhǔn)電源，加電復(fù)位電路，移位寄存器組成，AD5621的三線串口可兼容 SPI、QSPI，實(shí)現(xiàn)DSP之間的連接，芯片接口圖如圖6所示。

圖6中第二級(jí)選用VCA810，提供4通道輸入、轉(zhuǎn)換速度 1.65 μs，工作電壓±1.5 V，通過 0電阻單點(diǎn)相連，進(jìn)行分散控制和過壓斷電控制，在電源入口處放一個(gè)10～100 μF的晶振電容，模塊輸入為寬電壓范圍：9V～15 V，輸出包括 3 路：±27 V，6 V，選用線性穩(wěn)壓芯片。在上述功能模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了電網(wǎng)監(jiān)控的過壓自動(dòng)控制的集成設(shè)計(jì)，硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用4片AD8582，與5 409 A數(shù)據(jù)總線連接，輸入的12位數(shù)據(jù)按照二進(jìn)制原碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從AD8582輸出的電壓值利用放大器加法器原理進(jìn)行功率放大。內(nèi)核電源分別是+3.3 V與+1.6 V，DC-DC芯片滿足5 409 A最大輸出電流，提高過壓自動(dòng)控制的穩(wěn)定性，得到本設(shè)計(jì)的電網(wǎng)監(jiān)控的DCS過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)電路如圖7所示。

圖6 過壓自動(dòng)控制的主控DS P的AD5621的三線串口接口圖Fig.6 Three-wire serial interface diagram for master control DS P AD5621 of overvoltage automatic control

圖7 電網(wǎng)監(jiān)控的DCS過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)電路Fig.7 Integration circuit design for DCS overpressure automatic control system in grid monitoring

集成電路模型中，過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)字板主要芯片電壓及工作電流見表1。

3 系統(tǒng)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的基于分散控制和匹配濾波檢測(cè)的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過壓自動(dòng)控制和電壓監(jiān)控保護(hù)中的性能，進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中，主控計(jì)算機(jī)讀取一個(gè)64位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行電壓負(fù)荷數(shù)據(jù)信息采用，調(diào)用函數(shù)hpe1432_setCalcData（）返回?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)，通過VME總線發(fā)送下一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，5 409 A處理中斷電網(wǎng)監(jiān)控的DCS過壓自動(dòng)控制的過負(fù)荷請(qǐng)求，中斷響應(yīng)。系統(tǒng)上電時(shí)，DSP將檢查外部引腳的狀態(tài)，ROM的0FF80H起執(zhí)行程序進(jìn)行過壓自動(dòng)控制，外部存儲(chǔ)器0FF80H從在FLASH的0FF80H處開始執(zhí)行自動(dòng)控制加載程序，得到過壓自動(dòng)控制的程序加載流程如圖8所示。

表1 過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)字板主要芯片電壓及工作電流Table 1 Digital plate main chips working voltage and current for overvoltage automatic control system

圖8 系統(tǒng)調(diào)試的程序加載流程Fig.8 Program loading process of system debugging

系統(tǒng)選用MBM29LV400BC進(jìn)行讀、寫和擦除命令操作，選用ADI公司的TS201S作為主處理器，得到過壓自動(dòng)控制的數(shù)據(jù)采樣輸出結(jié)果如圖9所示。

圖9 過壓自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣Fig.9 Overvoltage automatic control system data sampling

選用CF（Compact FLASH）卡對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，在封裝的EPM7128AETI100中進(jìn)行程序加載和過壓分散控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的自動(dòng)監(jiān)控和過壓數(shù)據(jù)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和過壓中斷的目的，最后仿真實(shí)驗(yàn)得出輸出的過壓自動(dòng)控制的D/A測(cè)試波形如圖10所示。

圖10 過壓自動(dòng)控制的D/A測(cè)試波形Fig.10 D/A test waveform of overvoltage automatic control

從圖10可見，采用該系統(tǒng)進(jìn)行電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制，采樣輸入信號(hào)為-4～0 V，共模抑制比高達(dá) 93 dB，帶寬 BGG＝100＝120 kHz，經(jīng)過基線恢復(fù)能夠有效抑制干擾，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)參量，提高了控制性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的過壓自動(dòng)保護(hù)，提高對(duì)電網(wǎng)的控制性能。

4 結(jié)語

對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分散控制系統(tǒng)DCS設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。筆者提出一種基于分散控制和匹配濾波檢測(cè)的電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模型設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電網(wǎng)監(jiān)控DCS中的過壓自動(dòng)控制模塊主要有DSP信號(hào)處理器、頻率控制D/A轉(zhuǎn)換電路，PCI總線及A/D采樣電路、電網(wǎng)過壓負(fù)載的邏輯控制設(shè)備、PCI橋接芯片、外部I/O設(shè)備、外部存儲(chǔ)器以及時(shí)鐘電路。A/D采樣電路負(fù)責(zé)對(duì)調(diào)理后的接收和參考信號(hào)進(jìn)行采樣，為DSP提供復(fù)位信號(hào)采用ADSP-BF561（以下簡(jiǎn)稱BF561）處理器進(jìn)行過壓自動(dòng)控制的系統(tǒng)編程，完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和集成設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的監(jiān)控和分散控制，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)自動(dòng)控制，性能優(yōu)越。

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Design of the Overvoltage Automatic Control Model in Power Grid Monitoring DCS

JIAO Lixin
（Inner Mongolia Technical College of Construction，College of Mechanical and HVAC Engineering，Hohhot 010070，China）

The distributed control system （DCS） is designed for power grid，which can realize overvoltage protection and ensure the stability and reliability of power grid system.The automatic gain control method based on electromagnetic coupling compensation is used in the traditional voltage control system of DCS.The nonlinear distortion is occurred in the overvoltage in the power grid monitoring DCS and overvoltage protection performance is not good.An overvoltage automatic control model design method in power grid monitoring system based on distributed control and matched filter detection DCS is proposed.Automatic control system use ADI ADSP21160 processor system，anti jamming design use FIR filter，overvoltage information is send through the PCI bus to DSP，and output through the D/A converter after DSP receive，after amplification，filtering，impedance converter to achieve the A/D sampling and signal conditioning for overvoltage information，analog transmitter circuit is established by using D class Philips power amplifier chip-TDA8920BTH，the integrate design，hardware circuit design and software development of the overvoltage automatic control in power grid monitoring.System debugging results show that the system can effectively realize the overvoltage automatic control in the power grid monitoring DCS，and improve overvoltage protection capability，it has superior performance.

power grid；distributed control system；automatic control；overvoltage；electromagnetic coupling

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.021

2015-11-14

焦立新 （1983—），女，碩士，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樽詣?dòng)控制。