拓 崗

(延安大學,陜西 延安 716000)

0 引 言

智能電網環(huán)境下實現電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行是業(yè)內研究的重心,而智能變電站作為新型的電力系統(tǒng),對其安全穩(wěn)定控制裝置的要求無疑更加嚴苛[1]。就是說,基于智能變電站在電網系統(tǒng)中的應用越加廣泛,安全穩(wěn)定控制裝置技術滿足智能變電站的要求主要體現在裝置網絡化、信息化以及智能化等多方面[2]。鑒于保證智能電網穩(wěn)定運行離不開對于實時動態(tài)穩(wěn)定控制以及執(zhí)行穩(wěn)定的研究和分析。此次研究的根本方法主要是設計硬件和軟件進行采樣處理單元模塊處理,同時基于FPGA智能電網電氣量快速計算方法的硬件和軟件設計實現適用于智能變電站的安全穩(wěn)定控制裝置,繼而為未來智能變電器安全穩(wěn)定控制裝置的實現提供經驗。

1 基于FPGA的智能電網電氣量快速計算方法

1.1 硬件設計模塊

基于FPGA計算電氣量包括硬件設計模塊以及軟件設計模塊。其中,硬件設計模塊的主要作用包括計算實時相角、電流電壓有效值以及電力線路電氣量。而軟件設計模塊的作用主要體系現在讀取有效值和相角、啟動算法、完成采樣值寫入以及憑借相角實時計算各相頻率[3]。硬件實現具體層面上,此次研究通過應用自上而下模塊化的原理,并使用VUDL最終完成FPGA硬件設計。此次基于FPGA的智能電網電氣量快速計算的硬件設計中,選擇在FFT_LINE中僅僅集成單個FFT運算單元直接降低此次研究中的FPGA設計規(guī)模[4]。此外,在具體的應用中,根據計算線路數確定FPGA集成的FFT_LINE核數目,且各線路核之間的計算完全并行。

多線路電氣量計算集成結構主要包括運算控制器和核心控制器以及運算單元等模塊構成。其中,FPGA內部的各線路運算模塊的片選信號由地址譯碼單元提供。外部控制單元的主要作用或者主要優(yōu)勢體現在能夠為外部軟件提供復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實現中的關鍵技術只要包括高效數據接口管理單元、32點FFT運算單元設計,并以此集成以線路為單位的IP核FFT_LINE、基于流水線技術的CORDIC算法實現、嵌套狀態(tài)機控制技術[6]。

1.2 軟件設計模塊

軟件設計模塊的主要作用是根據相角差計算出各項頻率,此次研究采用以下算法進行運算,即設x a(t)為一帶限周期信號,周期為T,在利用相角差計算頻率的推導過程中其函數表達式具體如式(1):

式(1)中,f為信號頻率,N為數據窗的長度,Δλ為信號的偏移量,f s為采樣頻率。離散傅立葉變換計算結果是指只考慮基波分量時得到對應的結果。其中,F m指的是由離散傅立葉變換機損得到的x a的幅值而φm指的是由變換機損得到的x a的相角。當Δλ=0時,即為采樣同步,φm=φ以及F m=F,則表示結果準確?？梢哉f,此次基于FPGA的智能電網電氣量快速計算硬件和軟件設計對于智能變電站安全穩(wěn)控設計而言,既解決了傳統(tǒng)設計遺留的難題,同時又能夠快速計算出智能變電器的各項電氣量,由于該設計運行可靠性強且能滿足安全穩(wěn)定運行的實時性要求,因此能夠很好地適用于智能變電站安全穩(wěn)控裝置。

2 結果分析

在硬件設計層面,此次研究提出的方法的主要優(yōu)勢體現在,保證正確計算FFT的實現僅僅需要輸入當前采樣值,就是說,正確計算FFT也可以通過輸入32點采用數據完成?？梢哉f,此次研究提出的方法主要優(yōu)勢體現在,保證正確計算FFT的實現僅僅需要輸入當前采樣值,就是說,正確計算FFT也可以通過輸入32點采用數據完成。其中參考值與實際測量值對比如圖1所示。

圖1 參考值與實際測量值比較

如圖1所示,研究選取15個參考值進行計算,實驗結果表明,參考值與實際測量值變化不大。在軟件效率層面,為了能夠進一步提高此次研究提出的方法的操作效率,此次研究特別使用了或者說結合了流水操作機制加以實現軟件和硬件的具體功能,具體過程就是,保證每次定時中斷之后,利用此次研究提出的軟件部分的功能進行上次FPGA運算結果的讀取,緊接著在根據當前采樣值寫入FPGA輸入數據緩沖區(qū)啟動運算。次定時中斷之后,如若此次研究的軟件設計部分已啟動運算,那么則需要進行有效值和相角的實時保存和記錄。之后將每條線路的當前采樣值寫入對應的輸入數據緩沖區(qū),以此在完成啟動之后最終實現各線路的同步運算。之后軟件可以根據剛才讀取的相角實時計算各相頻率。最終得到保護測試儀模擬45 Hz-55 Hz電力線路對軟件測頻算法驗證結果。具體如圖2所示。

為了對測頻值進行驗證,此次研究通過利用保護測試儀模擬45Hz-55Hz電力線路對軟件測頻算法進行了驗證,由圖2可知,此次研究提出的方法達到安全穩(wěn)定控制裝置的0.01Hz精度要求。此次研究基于FPGA智能電網電氣量快速計算方法的硬件和軟件設計實現適用于智能變電站的安全穩(wěn)定控制裝置,不僅能夠節(jié)省操作時間,而且較之于傳統(tǒng)方法,此次研究提出的方法精確度更高。因此可以說,此次研究提出的于FPGA智能電網電氣量快速計算方法的硬件和軟件設計實現適用于智能變電站的安全穩(wěn)定控制裝置能夠保證在計算智能變電站電氣量時的實時性要求。

圖2 保護測試儀模擬45Hz-55Hz電力線路對軟件測頻算法驗證結果

3 結 語

此次研究的根本方法主要是設計硬件和軟件進行采樣處理單元模塊處理,同時基于FPGA智能電網電氣量快速計算方法的硬件和軟件設計實現適用于智能變電站的安全穩(wěn)定控制裝置。同時利用用保護測試儀模擬45 Hz-55 Hz電力線路對軟件測頻的精度進行了分析驗證。測頻結果表明,實際測量值與參考值的誤差在0.002左右,滿足且達到安全穩(wěn)定控制裝置的0.01 Hz精度要求。因此,該智能變電站安全穩(wěn)控設計既解決了傳統(tǒng)設計遺留的難題,同時又能夠快速計算出智能變電器的各項電氣量,由于該設計運行可靠性強且能滿足安全穩(wěn)定運行的實時性要求,因此能夠很好地適用于智能變電站安全穩(wěn)控裝置。