基于DSP的農(nóng)村變電站電壓無功控制方式研究

李寧寧，趙玉林*，王德狀，韓如坤

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)校，山東 煙臺(tái) 265500）

電壓是衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。電力系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，電壓穩(wěn)定是整個(gè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定在一個(gè)方面的表現(xiàn)，電壓的穩(wěn)定和質(zhì)量對(duì)終端用戶是非常重要的，對(duì)負(fù)載端的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著至關(guān)重要的意義[3]。偏遠(yuǎn)農(nóng)村的電網(wǎng)電壓波動(dòng)大，嚴(yán)重影響用戶的正常使用，充分利用各種調(diào)壓手段和無功電源的補(bǔ)償作用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)網(wǎng)電壓無功綜合控制對(duì)于提高電壓合格率和降低網(wǎng)損有很大的作用，能帶來經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 控制方式

目前在變電站的電壓無功控制中，用的是傳統(tǒng)的9區(qū)圖控制方法。傳統(tǒng)的9區(qū)圖法控制策略是按照固定的電壓和無功（或變電站進(jìn)線端功率因數(shù)）上下限將電壓-無功平面劃分為9個(gè)區(qū)域。傳統(tǒng)的9區(qū)圖法存在的主要問題是:控制策略是基于固定的電壓無功上下限而未考慮無功調(diào)節(jié)對(duì)電壓的影響及其相互協(xié)調(diào)關(guān)系；用于運(yùn)算分析的信息有分散性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，這就造成了控制決策的盲目性和不確定性，實(shí)際表現(xiàn)為設(shè)備頻繁調(diào)節(jié)[4]。17區(qū)圖控制方法是在9區(qū)圖中再細(xì)分8個(gè)小區(qū)。每個(gè)區(qū)的控制方案可自動(dòng)整定，也可手動(dòng)整定。自動(dòng)整定時(shí)可按5種方式進(jìn)行:只考慮電壓、只考慮無功、電壓優(yōu)先、無功優(yōu)先和綜合考慮。雖然17區(qū)圖控制方法有了很大的改進(jìn)，但仍然沒有克服定值與實(shí)際值的誤差導(dǎo)致裝置的誤動(dòng)作或振蕩動(dòng)作的缺點(diǎn)，加上分區(qū)過多而計(jì)算復(fù)雜[2]。因此本文不再使用傳統(tǒng)的9區(qū)圖控制方法和17區(qū)圖控制方法，而根據(jù)電壓定值、無功（或功率因數(shù)）定值和臨界參數(shù)把整個(gè)區(qū)域分成13個(gè)部分，每一個(gè)區(qū)域設(shè)有不同的控制策略（見表1）。其中2條橫線表示電壓定值的上限和下限；2條豎線表示無功（或功率因數(shù)）定值的上限和下限；虛線表示臨界參數(shù)，虛線之間表示電壓無功合格區(qū)，虛線兩邊表示電壓死區(qū)。用戶可根據(jù)需要設(shè)置臨界參數(shù)，電壓定值和無功（或功率因數(shù)）定值可以多套，每天都可以設(shè)置不同的定值，很方便用戶根據(jù)需要設(shè)置。與傳統(tǒng)的9區(qū)圖比較，13區(qū)圖增加了4個(gè)控制域，控制范圍更加精確，裝置動(dòng)作次數(shù)相對(duì)減少，控制區(qū)域劃分如圖1所示。

表1 各區(qū)域控制原則Table1 Principle of regional control

圖1 13區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.1 13 district structure

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制芯片的選擇

TMS320LF2407具有高速信號(hào)處理和數(shù)字化控制功能所必需的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。將其優(yōu)化的外設(shè)單元和高性能的DSP內(nèi)核相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制技術(shù)。其主要特點(diǎn)為:

①其系統(tǒng)運(yùn)行主頻達(dá)30 MHz，使得指令周期縮短到33 ns，絕大部分指令均可在單周期內(nèi)完成，提高了控制器的實(shí)時(shí)能力；

②2個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括2個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)三相控制；可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖；16通道A/D轉(zhuǎn)換器等功能；

③10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500 ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器；

④高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）；

⑤雙口RAM通訊具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸快速方便等特點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

硬件設(shè)計(jì)從可靠性、可擴(kuò)展性、靈活性、實(shí)時(shí)性、測(cè)量高精度的要求出發(fā)，對(duì)目前電壓無功綜合控制裝置所存在的問題進(jìn)行全面改進(jìn)。裝置按功能組成來劃分。主要由模擬量處理部分、邏輯綜合控制部分、通信擴(kuò)展部分、人機(jī)界面部分、電源部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2。

邏輯綜合控制部分的核心是DSP。用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制、存儲(chǔ)等功能。通信擴(kuò)展部分為了實(shí)現(xiàn)與多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行通信，需要對(duì)DSP進(jìn)行通信接口擴(kuò)展。設(shè)計(jì)時(shí)擴(kuò)展了4個(gè)串口，擴(kuò)展了1個(gè)CAN接口，以便合諧處理插件通信。串口擴(kuò)展芯片選擇的是4串口擴(kuò)展芯片ST16C554。16C2544通過8位數(shù)據(jù)總線與DSP相連。

抗干擾設(shè)計(jì):工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)來源非常復(fù)雜，既有來自裝置內(nèi)部的干擾，又有來自外部的干擾。這些干擾主要通過以下的途徑傳播的:電源系統(tǒng)；接地系統(tǒng)；I/O接口和信號(hào)傳輸電路；靜脈沖；電磁感應(yīng)等。針對(duì)這些噪聲，采用了包括電源去耦、光電隔離等措施。

圖2 電壓無功綜合控制硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 VQC hardware structure

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，如圖3所示。DSP部分包括初始化功能模塊、開關(guān)量功能模塊、運(yùn)行參數(shù)讀取模塊、控制主程序模塊和輔助功能模塊等。①初始化模塊:清零標(biāo)志位；啟動(dòng)時(shí)鐘；設(shè)置脈沖輸出；通訊設(shè)置。②開關(guān)量處理:檢測(cè)開關(guān)量輸入，判別系統(tǒng)的運(yùn)行方式、設(shè)備狀態(tài)及保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。③系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)讀取模塊:與參數(shù)檢測(cè)儀表進(jìn)行通訊，成功獲得運(yùn)行參數(shù)后更新運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)。④控制主程序模塊:運(yùn)行參數(shù)更新后，進(jìn)行參數(shù)的校驗(yàn)、運(yùn)行區(qū)域的判別及與模擬量有關(guān)的保護(hù)、閉鎖信號(hào)的處理，根據(jù)以上處理結(jié)果決定是否執(zhí)行自動(dòng)控制。⑤輔助處理模塊:分接頭日調(diào)節(jié)次數(shù)復(fù)位、切除后的電容器放電監(jiān)測(cè)、調(diào)擋動(dòng)作的校驗(yàn)及變壓器過流的判定。

結(jié)果見圖3。

圖3 程序結(jié)構(gòu)Fig.3 Program structure

電壓無功綜合控制裝置的主要任務(wù)是將現(xiàn)場(chǎng)電流、電壓信號(hào)模擬且進(jìn)行采集，并對(duì)他們進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理，將處理后的數(shù)據(jù)送給DSP，在DSP中對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，再結(jié)合采集到的現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量信號(hào)，作出相應(yīng)邏輯判斷，并發(fā)出對(duì)應(yīng)指令。同時(shí)，這些信號(hào)需要通過人機(jī)界面顯示出來，還能和調(diào)度端或者變電站其他綜合自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行通信。DSP主程序流程如圖4所示[1]。

圖4 電壓無功綜合控制系統(tǒng)程序流程Fig.4 VQC system process flow chart

4 算法仿真

為了驗(yàn)證所確定的控制算法的正確性和優(yōu)越性，在實(shí)驗(yàn)室使用matlab7.1中的Simulink中的電力系統(tǒng)模塊（Sim power systems）對(duì)實(shí)例變電站進(jìn)行搭建，系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行方式可靈活設(shè)定和輸入，采用標(biāo)幺值計(jì)算方式計(jì)算結(jié)果易于分析，在計(jì)算過程中綜合考慮了對(duì)電壓無功控制效果有影響的諸多因素的作用，使計(jì)算過程符合電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況。

表2 典型運(yùn)行方式下的仿真數(shù)據(jù)Table2 Typical operating mode of the simulation data

針對(duì)R=0.01，X=0.1，qc=0.1，電容器為8組，分接頭可調(diào)檔位為17檔、每檔調(diào)節(jié)量為1.25%的系統(tǒng)參數(shù)；功率因數(shù)前的“-”表示無功過補(bǔ)償；N代表投入電容器的組數(shù)；K代表分接頭檔位，K減小表示調(diào)分接頭降壓；表中P1、Q1的值為標(biāo)準(zhǔn)值并以本文的控制方式進(jìn)行控制，運(yùn)行模型得出仿真結(jié)果。并對(duì)大量仿真計(jì)算結(jié)果的分析，得到了如下結(jié)論:該算法可以對(duì)各種運(yùn)行情況給出恰當(dāng)?shù)奶幚硪?guī)則，并有效避免往復(fù)動(dòng)作現(xiàn)象。表2記錄了部分仿真計(jì)算數(shù)據(jù)并進(jìn)行了分析說明。

5 結(jié)論

仿真試驗(yàn)說明，以DSP芯片為核心控制器的新型農(nóng)村變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)，能夠充分利用DSP控制器的快速的數(shù)字信號(hào)處理能力，提高農(nóng)村變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)動(dòng)作的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高供電質(zhì)量，提高電壓合格率，提高農(nóng)村變電站的安全可靠性和系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平。該系統(tǒng)可以縮小變電站占地面積，降低造價(jià)，減少總投資，減少運(yùn)行維護(hù)工作量，節(jié)約變電站運(yùn)行成本，具有良好的應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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