高速DSP電網智能遠程檢測監控與保護控制系統

王佳樂， 李珺磊， 麻超， 李樹廣

(1.上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620；2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海廣吉電氣有限公司，上海 200233)

0 引言

我國金屬冶煉工業與電車鐵路的高速發展為我國提供重要經濟基礎。然而，在許多重工業領域，如在金屬冶煉領域的電弧爐與高頻爐、鋁鉬鈦等金屬電解冶煉系統、風電設備的頻繁入網與切離、頻繁啟動與調相變速運行的鐵路電車對電網產生大量諧波干擾與無功有害電力沖擊，對電網與通信控制系統產生極大干擾，嚴重影響人員及電力系統安全。電網質量與安全已經引起世界高度重視。

本文針對以下4種工況：1.鋼鐵鋁等金屬冶煉系統與電車鐵路領域的復雜動態瞬時變化電力系統與電網的高速檢測與監控；2.抑制電網瞬時突變負荷所產生的沖擊與電網波動；3.電網負荷產生的諧波與無功有害電力的補償；4.電網在超過極限狀態的限定與故障異常狀態的電網系統保護。在此控制過程中，對電網三相負載突變與電網諧波與有害電力沖擊干擾的高速測控是后續補償的質量與系統保護效果的保證。對此，本論文提出一種基于多TMS320F28335-DSP高速信號處理與智能控制器在廣域電網動態檢測監控與電網保護系統的構建與拓撲邏輯分析，來完善廣域電網遙測監控與電網系統保護與控制。

1 系統設計

本文以電解鋁金屬冶煉系統為例，電解鋁整流變壓器輸入電壓220 kV，負載輸出功率106 MW，變壓器補償繞組電壓10 kV，電網諧波與無功有害電力補償在第三補償執行，補償裝置為GJ-IAF智能有源濾波器補償裝置，如圖1所示。

圖1 電網智能檢測監控與保護控制系統原理圖

每臺變壓器配置隔離開關保護裝置分別為：220 kV變壓器輸入高壓隔離開關、10 kV補償裝置隔離開關、變壓器輸出負載隔離開關，生產負荷為大功率直流電解鋁生產線。廣域電網智能檢測監控與保護系統，如圖2所示。

圖2 電網遠程監控與保護控制系統原理圖

地區電網220 kV，負荷為13臺220 kV/106MW電解鋁整流變壓器、5臺220 kV/56MW動力變壓器、高壓大功率電解鋁生產系統負荷，圖2所示電解鋁金屬冶煉電網檢測監控與保護控制系統構成原理圖。本系統由多臺變壓器，每臺變壓器配置電網檢測裝置與負載檢測裝置，DSP-PLC-A/D電網采集保護處理裝置、GJ-IAF智能有源濾波器補償裝置、系統保護隔離開關，構成廣域電網大功率生產負荷檢測、監控補償與保護系統；由TMS320F28335-DSP智能主控制器控制多DSP處理控制器構成電網監控系統。電網檢測裝置由三相電壓電流霍爾傳感器構、DSP-PLC- A/D處理器由多通道信號采集PLC程控器與A/D變換器和FFT信號處理分析裝置構成、每臺變壓器配置一套DSP-IAF智能有源濾波器補償裝置與DSP-SPC系統保護控制裝置與多臺高壓大功率隔離開關構成電網檢測監控保護系統。

2 電網DSP智能監控補償與系統保護

本系統由主TMS320F-DSP智能控制器控制多從DSP處理控制器構成電網負荷檢測監控補償與保護系統系統。所述主從DSP之間的數據通信采用雙口RAM-PIO通信接口，控制命令由主TMS320 F28355-DSP智能控制器送到從DSP-PLC-A/D電網檢測控制器與DSP-IAF補償控制器和DSP-SPC系統保護控制器，由從DSP控制各操作執行裝置。

本系統為提高檢測裝置精度與高抗干擾能力，采用高抗干擾DSP/PLC多路信號數據采集控制器與濾波器及高精度DSP內置A/D芯片，由PLC程序控制器把電網與負荷多路電壓電流與電網運行狀態檢測信號分別送入A/D變換器與FFT處理器對電網信號進行變換與分析，準確地檢測與計算出電網各次諧波的幅值、頻率與相位信息及電網信號動態信號數據，利用高速GJ-IAF智能有源濾波器對電網波動與諧波干擾信號進行抑制與補償，根據電網保護限度范圍與電網操作規范控制DSP-SPC系統保護裝置對電網進行監控與安全保護，提高電網系統的控制效果、高速性與安全性。

由于在實際金屬冶煉系統與高速鐵路牽引供電系統各相負荷相差極大，據現場測量數據表明，冶煉變壓器與電車牽引變壓器在很多時間處于單相負荷工作狀態，各相電壓/電流波動劇烈，造成嚴重的三相不平衡。金屬冶煉系統由于現場交直流電磁場對檢測裝置造成很大的磁場干擾與檢測誤差，需要A/D轉換芯片具有較大的測量范圍、較高的測量精度及高抗干擾能力。

系統保護裝置由DSP-SPC系統保護控制器與系統保護隔離開關構成，對電網三相不平衡狀態與過極限運行狀態進行調整、限定與保護，從而提高電網與電力系統的穩定性、安全性與電網質量。當系統出現過負荷，TMS320F28355-DSP智能控制器根據電網操作規程對電網負荷進行調節；當電網負荷系統超過設定極限與出現異常或故障，DSP智能控制器控制隔離保護開關裝置對電網與負載進行隔離與保護，即時切除故障點，使故障點脫離電網，保障電網安全運行，同時通過通信報警裝置發出報警信號，利用通信裝置把信號數據傳送的遠程計算機監控系統。

3 多DSP控制器同步并行控制方式

在實際應用中，由于電網與負載系統所需采集信號數據量大，要求實時性高，為了提高電網信號采集與數據處理速度與電網實時跟蹤控制能力，本系統采用多DSP同步并行運行模式，利用高速雙口RAM-PIO通信接口進行DSP之間的數據傳輸及狀態同步工作，不僅提高了DSP數據采集能力和處理速度，克服了傳統電網檢測控制方案中多通道緩沖串行數據交換延時與傳輸速度慢等缺點。

本控制方式采用信號標志器仲裁方式，無需插入等待狀態，提高了通信速度。TMS320F28335提供了16個獨立于存儲空間的信號標志鎖存器，每個標志器都有一個單獨的地址，可由地址線A0～A3進行選擇，D0～D2用于標志鎖存器狀態的讀寫。各DSP可以通過I/O口讀寫鎖存器來設定信號標志，從而取得或放棄共享資源的使用權，并嚴格遵守對標志寄存器進行先寫后讀的原則，以避免出現爭奪總線的現象。本系統中主DSP控制器寫數據到各從DSP中，其主要特點是將雙口RAM中的輸人數據選擇單元和輸出數據選擇單元，按時序節拍相互配合，在不同周期進行切換，將經過緩沖的數據流不停頓地送到數據流運算處理器進行處理，從而達到主從DSP數據的無縫緩沖和處理的目的。

4 信號采樣部分設計

本研究電網信號數據采集由TMS320F28335- DSP自帶的16通道高速高分辨率的DSP-A/D采樣變換系統與高抗干擾前置濾波電路，使本系統在實際應用中具有高抗外界干擾、抑制偏置誤差等各方面的影響，支持雙極性采樣信號的輸入，拓展了工作電壓范圍，使用更加靈活。本系統精確檢測出電網各點電壓電流及運行狀態與解析電網負載各點諧波頻率幅值與相位信息及控制指令，控制各補償裝置實時準確地進行電網調節補償與系統安全保護，以保證電網系統能夠實現連續的數據采集和實時的高速數據處理功能與電網的安全運行與保護。

5 電網系統檢測分析與決策控制原理

電網檢測與監控系統需要對電網狀態檢測、分析與評估，并根據電網規程進行決策。如圖2.所示，主DSP控制器對從DSP-PLC-A/D信號處理器對電網與生產負荷系統電壓電流與電網運行狀態進行檢測，計算出電網各點的功率狀態矢量S(t)、電壓狀態矢量U(t)、電流狀態矢量I(t)、導納狀態矢量Z(t)、電壓與電流狀態矢量角φ(t)，構成系統狀態矩陣為W{U(t):I(t):Z(t):φ(t)}=[U(t):I(t):Z(t):φ(t):t]T，電網瞬時狀態矢量矩陣[1]為式(1)。

(1)

式(1)中，WA0為測量子矩陣元素。

(2)

電網系統傳輸狀態矩陣為Hij，兩節點之間電壓傳輸狀態矩陣方程為式(3)。

(3)

式(3)中Haa，Hbb，Hcc表示線路兩節點之間的傳輸狀態矩陣；Hab，Hba，Hac，Hca，Hcb，Hbc表示相間狀態相互影響的狀態相關參數；H(z)傳輸關系為式(4)。

(4)

H(z)中對應狀態子式為式(5)。

(5)

式(5)中：ai,bi為傳函系數，ea(n),eb(n),ec(n)為誤差矢量為式(6)。

(6)

式(6)中Zaa,Zbb,Zcc為阻抗狀態矩陣；Zab、Zba、Zbc、Zca、Zcb、Zbc、分別為相間狀態相互影響的狀態相關參數。

本研究利用電網三相電壓電流檢測采樣數據、由于時序領域變換到復數域的周期性與對稱性[i]來簡化和提取特征有效項素，上述(6)式中電壓瞬時狀態矢量為式(7)～式(10)。

(7)

(8)

(9)

(10)

式(7)中AH(m)，SH(m)，ΦH(m)分別為各次高次諧波的幅值、頻率與相位。三相電流瞬時狀態矢量為式(11)。

(11)

電網電壓電流信號檢測采樣間隔T=20 ms/128，電網檢測瞬時狀態矢量矩陣由式(11)所示，數據經由本研究的部分特征要素高速PFE-FFT計算出瞬時電壓狀態矢量矩陣為式(12)。

(12)

金屬電解鋁整流變壓器輸入側電壓220 kV，標準相電壓127 kV，輸入相電流176 A，由式(12)提取電壓電流動態瞬時狀態矢量數據矩陣表達，其檢測采樣錄用狀態矢量數據矩陣為式(13)。

(13)

220 kV電解鋁整流變壓器補償控制繞組10 kV電壓，標準相電壓5 773.67 V，由DSP-PLC-A/D電網補償檢測裝置輸出補償電壓電流，提取其輸出電壓電流動態瞬時狀態矢量數據矩陣表達式為式(14)。

(14)

由式(14)利用本研究由TMS320F28355-DSP- A/D-PLC處理器利用高速PFE-FFT計算分析出電網負載系統諧波電流成分為式(15)。

(15)

部分特征要素高速PFE-FFT計算流圖如圖3所示。

圖3 DSP部分特征要素PFE-FFT運算流圖

本研究220 kV電網與電解鋁冶煉變壓器負載的輸入側電壓電流實測數據與FFT分析算出的瞬時狀態矢量數據矩陣為式(16)。

(16)

上述(12)～(16)式中UA(%)、IA(%)、SH(Hz)、φH、COSφ分別表示電網與220 kV變壓器輸入實測側電壓、電流、諧波頻率、相位與功率因數測定值與標準電壓電流幅值的百分比值，作為系統補償控制與系統保護操作的參照值，由TMS320F28355-DSP-SPC系統保護控制器參照電網操作規程計算出系統各補償控制裝置指令值。當電網與負載系統電壓與電流超過系統設定值，由TMS320F28355-DSP-SPC控制器控制調節系統負荷電壓與電流，電網或負荷系統超過系統保護設定值極限值或出現異常與故障，由TMS320F28355-DSP-SPC控制器控制電網或負荷保護隔離開關，使故障系統切離電網并報警，使電網或負荷系統得以保護。

本研究為對電網與負荷系統的檢測控制的高速性與精確性提供多方面保證：1.對電網負荷系統瞬時電壓電流信號的高速檢測與信息預處理，2.電網采樣信號PFE-FFT處理與分析。3.對電網與負載系統高次諧波無功與有害電力進行高速有效的抑制與補償，4.對電網運行操作提供可靠安全保護與精確可靠的信息。

本研究通過利用多DSP主從同步并行控制方式，利用TMS320F28335-DSP主控制器控制多個DSP執行操作控制器、對電網負載信號檢測與分析，把電網電壓電流與諧波的幅值頻率與相位信息由RAM-PIO或CAN總線網絡傳送到與DSP-IAF控制補償裝置與DSP-SPC保護控制裝置，由DSP-IAF智能有源濾波補償裝置對電網諧波與無功有害電力進行高精度補償，通過相應的DSP-PIO通信接口實時控制驅動各高壓保護隔離開關的分合閘操作，控制調節各負荷調節裝置與電網保護隔離開關裝置投入切除操作，以保障電網故障隔離切除與電網系統的安全保護運行。電網負載系統電壓檢測波形。如圖4所示。電網負載系統電壓電流DSP信號檢測采集與處理后數據顯示器圖面，如圖5所示。

圖4 電網負載系統電壓檢測波形

圖5 DSP電網智能監控系統數據顯示圖面

7 電網狀態監測與故障判別

電網狀態監測是指對電網運行狀態進行檢測、分類、評估與決策。對電網運行異常狀態做出判斷，根據設定參數與歷史數據、運行狀態與出現的故障特征，根據電網規程進行判斷故障性質和程度，對電網進行決策與系統保護操作。電網監測系統可為電網積累完整和科學的運行記錄資料，為現代電網的科學管理提供技術保證和實施依據。

電網監控系統通過對電網信號檢測、數據分析建立故障模型。利用數理統計、模式識別等技術對電網運行狀態與故障進行判別與監控。據故障統計，電力系統故障約有60%是各種不同的短路故障，約10%為斷路故障，8%為干擾信號引起，15%因系統波動沖擊引起，約10%為過負荷造成的過電流線路燒損或斷路器跳閘事故等。

圖5DSP電網檢測監控數據顯示更新周期為T(t)=20 ms，系統預測與實測誤差如圖6所示，預測值非常接近實測值。

圖6 系統預測與實測誤差

6 總結

本研究為電網運行狀態檢測、信號分析與電網控制操作分類、電網負荷監測與電網系統保護，對電網狀態進行評估與操作決策，為現代電網的科學管理提供技術保證和實施依據。數據終端采集的數據通過高速數據通信裝置向電網與生產系統監控部門實時傳送，數據的通信方式采用國際化PROFIBUS現場總線通信技術與開放式的通信協議標準，為變電站與遠程電網監控系統提供了極其方便的數據通信形式和電網安全系統保護，同時也使系統構成更為簡潔。