DPS技术在电力系统中的应用

贺紫倩

摘 要：电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的一个规模宏大、瞬息多变的多输入输出的系统，几乎在每个环节都包含着数据的采集与传输。电力系统数据要求的实时性很强，不仅包括频率，电压，电流，有功，无功，谐波分量，序分量等，还有些采集的特征量频率变化快而且复杂。普通的采集处理方法在实时性、数据量和计算速度方面已远不能适应电力系统的要求，正是在这种情况下，DSP技术逐渐被应用到电力系统中。

关键词：DSP；电力系统；应用；

中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-09-00-01

一、DSP技术介绍

DSP（Digital Signal Processor）是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。DSP技术的实现主要基于DSP芯片，DSP芯片是基于超大规模集成电路技术和计算机技术发展起来的一种高速专用微处理器，有强大的运算功能和高速的数据传输能力，能方便地处理以运算为主的不允许时延的实时信号，对信号进行采集，变换，滤波，估值，增强，压缩，识别等处理。

DSP处理器的主要特点包括：

（一）哈佛体系结构。哈佛结构是不同于传统的冯诺依曼结构的并行体系结构，冯诺依曼结构将指令和数据存储在同一存储器中，统一编址；而在哈佛结构中，数据和程序存储器在两个分开的空间中，每个存储器独立编址，独立访问，并相应设置了程序总线和数据总线两条总线，因此取指和执行能完全重叠进行，使数据的吞吐率提高了一倍。

（二）流水线操作。与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，增强了处理器的处理能力。在多级流水线操作中，取指、译码、执行和数据存储的操作可以并行、独立得处理，这可使指令执行能完全重叠，从而大大提高了处理器的处理速度。

（三）内置专用的硬件乘法器。DSP芯片由于有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成，这可以大大缩短数据处理算法中的乘法运算时间。这对于电力系统自动化装置的设计来说非常重要，因为在装置软件中，对数据的处理算法（如电力系统中常用的傅式算法）中就有很会用到大量的乘法运算。若能缩短每条乘法指令的运算时间，就可以大大节省程序运行时间。

在电力系统自动化装置中，对主控制器的要求主要体现在运算速度、数据处理能力以及复杂算法的实现能力等，而对事务管理能力以及低功耗的要求并不高。综合考虑各种要求，电力系统自动化装置选用DSP作为处理器[2]。

二、DSP技术在电力系统中的应用

（一）DSP技术在电能质量监控中的应用。电能同其它产品一样，也有严格的质量标准，这些标准主要体现在电压、频率和波形三个方面。一旦发现各质量指标不符合规定和要求，可以根据不同的需要发出告警信号、引起上位机中断或直接进行相应控制等。在电能质量监测装置中可实时监测诸多参数，规程要求的高次谐波的次数为29次，根据奈奎斯特定理，采样率至少要达到29×2×50=2900Hz，，这样高的采样率最好用专门的DSP芯片来实现[3]。

另外，当配电网发生故障或有些节点突然投入大负荷时，会引起较大的电压凹陷，并会持续一定的时间，这需要我们根据其电压降低程度实时快速地进行补偿。DSP技术又将在其中发挥不可替代的作用，如小波方法对奇异点的检测，DSP芯片的高速计算和反馈控制。可以说，电能质量控制是DSP技术在电力系统中应用的一个最佳结合点。

（二）DSP与电力电子技术相结合应用于电网谐波抑制和无功补偿。无功功率补偿对触发时间和算法的快速性有着较高的要求，DSP技术和芯片在这里能发挥巨大作用。将DSP与电力电子装置的控制联系起来，发挥其控制灵活、实时性强的特点，就可以很好地实现谐波抑制。在电力系统中应用电力电子装置无功控制的同时，不可避免地会在电网中产生谐波污染。解决这个问题的一种途径是装设有源滤波装置对谐波进行合理补偿。基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法需要进行大量实时计算，DSP芯片可以充分发挥高速实时运算。另一种解决办法是改进电力电子装置，使其不产生谐波且不消耗无功功率，或根据需要控制功率因数。这种方法可使用大容量变流器采用多重化技术，将多个方波叠加以消除低次谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波[4]。

两者相比，采用改进电力电子装置的方法，实现谐波抑制和无功补偿更为有效。不过，这两种方法都表现出了对DSP技术的需求，这种需求，必然促进DSP技术与电力电子技术结合应用的光明前景。

（三）DSP在继电保护中的应用。目前，微机继电保护产品在电力系统中得到了广泛的应用，大大提高了电力系统供电的安全性和可靠性，促进了电力系统自动化的发展。然而，到目前为止，应用于我国电力系统的微机保护产品采用的单片机对非正常运行条件下的系统参数测量，在速度和精度上无法满足要求。基于DSP技术的数据采集和处理系统由于其强大的数学运算能力和特殊设计，都使得它在继电保护方面的实现上得心应手。小波变换的分析方法就是DSP技术在电力系统暂态控制的应用中的具体实践。

（四）DSP在电力系统微机故障录波装置中的应用

故障录波器可以记录因短路故障、系统震荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电压及其导出量，如有功、无功及系统频率的全过程变化现象，是分析系统故障的重要依据。因此，丰富详尽的现场实测数据尤其是故障或非正常状态下的数据，具有越来越重要的价值。DSP技术以其高速运算功能和数据处理功能，在故障录波器中发挥着不可小视的作用。

三、结束语

本文通过对DSP技术及其在电力系统中的应用做的叙述与探索，对DSP在电力领域中的应用产生极大的信心。随着DSP技术的新发展，相信会有更新的技术融入到电力系统的理论与实践中去，这无疑会给电力领域带来机遇与挑战，让电力系统的发展越来越完善和造福社会。

参考文献：

[1]李国湘等.DSP技术在电力系统数据采集及处理中的应用[D]. 天津理工大学. 2005 （04）

[2]崔学深等. DSP技术在电力系统中的应用和硬件实现方式[J]. 现代电力. 2002 （02）：36-40

[3]羊剑等.嵌入式平台和DSP技术在电力监控系统中的应用研究[J]. 电气应用. 2005 （24）：57-60

[4]蔺祥宇.基于DSP的电力系统故障录波器的数据采集与传输研究[D].北京交通大学. 2006