电网监控DCS中的过压自动控制模型的设计

焦立新

（内蒙古建筑职业技术学院，机电与暖通工程学院，呼和浩特010070）

电网监控DCS中的过压自动控制模型的设计

焦立新

（内蒙古建筑职业技术学院，机电与暖通工程学院，呼和浩特010070）

对电网进行分散控制系统 （distributed control systems，DCS）设计，实现过压保护，保障电网系统的稳定可靠运行。传统的电网监控DCS中的过压自动控制采用基于电磁耦合补偿的自动增益控制方法，在进行电网监控DCS中的过压自动控制中出现非线性失真，过压保护性能不好。提出一种基于分散控制和匹配滤波检测的电网监控DCS中的过压自动控制模型设计方法。自动控制的主控系统采用ADI公司的ADSP21160处理器系统，抗干扰设计采用FIR带通滤波器，通过PCI总线将过压信息送到DSP，DSP接收后通过D/A转换器输出，经过放大、滤波、阻抗变换实现对过压信息的A/D采样和信号调理，采用philips公司的D类功放芯片--TDA8920BTH构建模拟发射电路，进行了电网监控的过压自动控制的集成设计，实现硬件电路设计和软件开发。系统调试结果表明，该系统能有效实现对电网监控DCS中的过压自动控制，提高了电网监控的过压保护能力，性能优越。

电网；分散控制系统；自动控制；过压；电磁耦合

0 引言

电网系统是关系国家经济发展和人民生产生活的基础设施，对电网系统进行有效监控，避免过负荷和过压运行，保障电网设施的安全性和可靠性。在电网监控中，因为电力调度的不均衡性和用户的随机性，容易导致用电过压，对电网的安全运行带来隐患，对电网系统的管理的一个重要任务就是实现对电网系统的过压自动控制，实现智能断电和智能调度，提高电网系统的故障检测和过压控制能力。采用分散控制系统 （Distributed Control Systems，DCS）进行电网的过压控制的原理是对影响电网监控的过压控制参数进行分散自回归分析，通过DCS控制器设计，实现对电力网络的实时监控和各个分离单元的过压信息检测，从而提高电网的监控和管理能力，保障电网的安全稳定运行，研究电网监控DCS中的过压自动控制模型具有重要意义[1]。

传统的电网监控DCS中的过压自动控制系统设计中，主要采用的是基于模糊神经网络控制的电网监控DCS中的过压自动控制系统设计方法、基于专家控制系统的电网监控DCS中的过压自动控制方法和基于PLC可编程逻辑的电网监控DCS中的过压自动控制方法等[2-3]，但上述控制系统存在误差较大和失真偏移等问题，对此相关文献进行了改进设计。其中，文献[4]提出一种基于VXI总线系统随机共振调度的电网监控DCS过压自动控制算法，并采用VXI总线模块化结构设计方法实现对过压自动控制系统的设计，提高了DCS控制系统的兼容性，但是该系统设计构成复杂，系统的自检能力较差。文献[5]提出一种基于自动增益控制的电网监控DCS中的过压自动控制模型，在对电网过压的采样率进行功率方法，提高了对过压信息数据的采样通道数，通过信号脉宽的压控放大提高了电网监控DCS中的过压自动控制的稳定性，但是该系统设计方法使得动态增益控制码的压控放大过程中容易出现失真，导致控制偏移，性能不好。文献[6]提出一种基于双通道全双工分散控制的电网监控DCS机电控制系统设计方法，设计了电网监控DCS控制系统的RTC模块和底层供电模块，提高了系统的稳定性，但随着电网工作环境噪声的干扰影响增强，出现零点漂移，导致控制系统的收敛性不好。文献[7]提出一种基于自适应模糊神经网络控制的电网监控DCS过压控制模块优化设计方法，以电网监控DCS的电磁转矩为特征输入，进行电网监控DCS的系统耦合控制，但是该控制系统设计对环境要求较高，难以实现自适应控制。可见，传统的过压自动控制方法采用电磁耦合补偿的自动增益控制方法，在进行 电网监控DCS中的过压自动控制中出现非线性失真，过压保护性能不好[8-9]。针对上述问题，笔者提出一种基于分散控制和匹配滤波检测的电网监控DCS中的过压自动控制模型设计方法。首先进行了系统的总体设计描述，进行控制系统的硬件电路模块化设计，最后进行系统调试，通过仿真实验进行了性能测试，展示了笔者设计的电网监控DCS中的过压自动控制模型的优越性能。

1 电网监控DCS中的过压自动控制原理和系统总体结构设计

1.1 电网监控的分散控制原理和体系结构

笔者在网络监控体系结构下进行电网监控DCS的分散控制设计，电网监控的分散控制系统设计中，电压数据信息的采集是基础，通过对过载电压数据信息的采集，进行模拟信号构建，对信号作频谱分析，进行断电自动控制，选用继电器实现对电源发射端的断开操作，收发转换电路的控制模拟信号，对电网的电压信息进行回波模拟，得到电网监控的分散控制的信息处理框图如图1所示。图1中所示的电网监控DCS中的过压自动控制模块主要有DSP信号处理器、频率控制D/A转换电路，PCI总线及A/D采样电路、电网过压负载的逻辑控制设备、PCI桥接芯片、外部I/O设备、外部存储器以及时钟电路。

图1 控制系统的总体设计Fig.1 Overall design of the control system

在大型电网的监控体系平台下，进行分散DCS控制，保障电网监控管理和控制信息安全。电网监控DCS的过压自动控制的系统开发主要包络了网络适配层、功能模块开发层和DCS分散控制适配层，DCS控制的中间件配置采用ADI公司的DSP，且开发工具可以通用，采用模块化的方法进行电网监控DCS中的过压自动控制系统的电路设计。首先进行DSP（数字信号处理器）的选择，电网监控DCS中的过压自动控制的主控系统采用ADI公司的ADSP21160处理器系统，最低采样率为24 MHz，VCE随电流的增大而增大，采样256道数据。使用16位定点DSP进行断电控制，功耗VCE一般在10 V左右温度范围是0℃～70℃，主频600 MHz，通过模拟信号预处理机放大，将一个32位RISC型指令集与电网监控DCS中的过压指令集体系进行串联，对DCS控制器进行中间件配置假设VCE=0.2 VS，电网监控DCS中的过压自动控制系统采用西门子公司的K9F1208UOB型号作为核心逻辑控制器件，工作电压为2.7 V～3.6 V。系统采用philips公司的D类功放芯片——TDA8920BTH构建模拟发射电路，得到控制系统的主控单元如图2所示。

图2 电网监控自动控制系统的TDA8920BTH接法示意图Fig.2 TDA8920BTH connection diagram of grid monitoring automatic control system

图中，输出级匹配电容C的通过DSP控制D/A转换器的功率输出为

功率放大器输出的压控功率为

开关控制电平调节电网的供电效率ηE和压控放大器的运放耗散功率PD分别为

当采样率cos φ=1时，PCI总线送采样数据为电网过压控制的纯电阻负载，电网的供电效率ηE=输出多路回波信号为ηE与ηD及cos φ 的自相关特征，可见当|φ|=30°时，动态增益增大，此时电网监控DCS中的过压自动控制电源输出功率几乎被耗散，根据上述分析，分散控制和匹配滤波检测进行电网监控DCS中的过压自动控制模型设计。

1.2 电网监控DCS中的过压自动控制功能描述和指标性能分析

在上述系统总体设计的基础上，进行电网监控DCS中的过压自动控制模型构建，通过构建优化的控制算法实现对过压的自动控制，控制算法采用的是PID神经网络控制算法，算法在文献[5]中给出，这里不再赘述，在此基础上，进行电网监控DCS中的过压自动控制系统的功能描述和指标性能分析。电网监控DCS中的过压自动控制系统的信号抗干扰设计采用FIR带通滤波器，控制系统中除了主要控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）外，还包括了过压的中断处理、任务调度等功能，本文设计的电网监控DCS中的过压自动控制系统功能模块描述包括如下几个方面：

1）采用可编程逻辑控制外围设备实现对电网的任务调度和过载信息数据采集，构建转换电路，利用5 409 A循环寻址进行电力分散控制数据的存储。

2）采用LabWindows/CVI进行体系结构设计，设计系统完成对过载和过压的自动控制功能，通过PCI总线将过压信息送到DSP，DSP接收后通过D/A转换器输出，系统设计包括对硬件、软件的设计。

3）硬件/软件协同设计，采用FIR级联滤波器对控制系统的干扰信息进行合理滤除，将电力分散控制分解成若干个IMF分量，经过放大、滤波、阻抗变换实现对过压信息的A/D采样和信号调理，基于体系结构对系统的软件、硬件进行详细设计。

4）系统集成：采用差分放大模式把电网监控的DCS分散控制和过压自动控制系统进行集成，选用AD公司的AD797作为运算放大器，改进单元设计过程

5）系统测试：对系统程序进行调试，验证过压自动控制系统能否满足远程自动控制和电网监控的功能。

通过上述功能分析，笔者设计的电网监控DCS中的过压自动控制系统的指标描述如下：

过压自动控制电压 （VDD和VSS）的范围：从±15 V到±30 V；过压自动控制的输出最大功率：2×100 W，变阻器分压的效率：90%，BTL输出模式下的噪声输出电压100 μVrms，信号的PWM调制放大器闭环增益：30±1 dB，THD≤0.15%（P=1 W，f=1 kHz）。电网监控DCS中的过压自动控制采用单通道（SE）和桥接负载（BTL）两种方式，变阻器分压送到TDA8920BTH的输入引脚；采样通道：8通道同步、异步输入；D/A分辨率：12位（至少）；共模抑制比高达 93 dB，带宽 BGG＝100＝120 kHz。

在上述指标性能分析的基础上，进行电网监控DCS中的过压自动控制系统的模块化设计和集设计。

2 硬件电路设计与实现

对电网进行分散控制系统DCS设计，实现过压保护，保障电网系统的稳定可靠运行。而当前的电网监控DCS中的过压自动控制采用基于电磁耦合补偿的自动增益控制方法，在进行电网监控DCS中的过压自动控制中出现非线性失真，过压保护性能不好。为了克服传统方法的弊端，在上述总体模型设计和功能指标分析的基础上，笔者提出一种基于分散控制和匹配滤波检测的电网监控DCS中的过压自动控制模型设计方法，系统的硬件电路设计部分描述如下。系统设计主要包含了数据采集模块、阻抗匹配滤波检测模块、功率放大器模块、收发转换模块、模拟预处理机模块和DSP模块等，分别对各个模块的设计过程描述如下。

2.1 数据采集模块设计和阻抗匹配滤波检测模块

电网监控DCS中的过压自动控制模型数据采集系统是整个系统的基础，通过数据采集模块实现对电网数据信息的监控和过压数据信息的采集，电网监控DCS中的过压自动控制模型数据采集系统是采用DSP信号处理器作为PCI总线，通过桥接电路进行信号采集、处理，处理器内部RAM中运行过压自动控制程序，设置合理的采样频率，控制电网监控DCS中的A/D转换，与外部SRAM通信，进行电网监控DCS中的过压数据信息的分散控制。基阵接收的信号通过采样通道实现PCI总线的数据传输，输出多路过压数据信息到功率放大器，模拟信号预处理机进行电网监控DCS中的过压自动控制。电网监控DCS中的过压自动控制模型数据采集系统的电路如图3所示，图中，接收通道、参考通道两路信号经过放大、滤波，进行信号增益控制，多级接收机的增益（1～1 000），放大倍数为

式中，NFi为第i级的噪声系数，运算放大器AD620失真度为：-120 dB@20 kHz。滤波系统的传递函数为

其中零频增益为

图3 电网监控DCS中的过压自动控制模型数据采集系统Fig.3 Power grid monitoring overvoltage of DCS automatic control model of data acquisition system

在数据采集模块设计的基础上，设计阻抗匹配滤波检测模块，此处选择：C1＝C2＝C，R1＝R2＝R，电压过压保护自动控制系统的抗干扰滤波需求 ωn＝25 kHz，G0＝2，采用窄带阻抗匹配对过压自动控制的某个频率点进行阻抗匹配，得到阻抗匹配滤波检测的匹配等效电路如图4所示。

图4 阻抗匹配滤波检测等效电路Fig.4 Equivalent circuit of impedance matched filtering detection

D/A转换器输出的电压由ZL的进行接入，各分模块之间的功放管和变压器的导纳φX＜φ0时，DCS电力控制的负载功率PL增加了倍，经过选频滤波处理，它与相角φ0、φX值有关。当模拟预处理机的输入振荡幅值φX＝0时，电网监控DCS中的过压自动控制的VINA范围增加（1+tan2φ0）倍。采用ADG3301设计电网监控DCS中的过压自动控制系统的电平转换电路，当相角φ0越大，P增加越大，此时DCS控制器的回路电流也越大。设则有：

发射效率恒小于1，输出电流幅值：

负载功率PL分别为：

其中，VCE为运放管压降，电压幅值为Vm＝VSVCE电压幅值为电源供电效率

2.2 DSP模块设计和系统集成设计

在上述功能模块设计的基础上，进行系统的核心控制模块设计和集成设计，根据系统的功能需求，电网监控DCS中的过压自动控制的数字电路部分由 A/D、D/A、信号处理器（DSP）组成，系统集成设计功能结构图如图5所示。

图5 系统集成设计功能结构图Fig.5 System integration design function structure

其中，A/D采样电路负责对调理后的接收和参考信号进行采样，为DSP提供复位信号，包括上电复位、手动复位。采用ADSP-BF561（以下简称BF561）处理器进行过压自动控制的系统编程，主控系统包括了2个16位MAC，2个40位ALU，兼容3.3 V及2.5 V I/O，采用2个并行输入/输出外围接口单元（PPI）设计存储器 DMA控制器，其中，DCS中的过压自动控制系统的输出接口有48个可编程标志引脚。D/A模块负责提供发射信号，芯片由基准电源，加电复位电路，移位寄存器组成，AD5621的三线串口可兼容 SPI、QSPI，实现DSP之间的连接，芯片接口图如图6所示。

图6中第二级选用VCA810，提供4通道输入、转换速度 1.65 μs，工作电压±1.5 V，通过 0电阻单点相连，进行分散控制和过压断电控制，在电源入口处放一个10～100 μF的晶振电容，模块输入为宽电压范围：9V～15 V，输出包括 3 路：±27 V，6 V，选用线性稳压芯片。在上述功能模块设计的基础上，进行了电网监控的过压自动控制的集成设计，硬件实现时，采用4片AD8582，与5 409 A数据总线连接，输入的12位数据按照二进制原码进行转换，从AD8582输出的电压值利用放大器加法器原理进行功率放大。内核电源分别是+3.3 V与+1.6 V，DC-DC芯片满足5 409 A最大输出电流，提高过压自动控制的稳定性，得到本设计的电网监控的DCS过压自动控制系统集成设计电路如图7所示。

图6 过压自动控制的主控DS P的AD5621的三线串口接口图Fig.6 Three-wire serial interface diagram for master control DS P AD5621 of overvoltage automatic control

图7 电网监控的DCS过压自动控制系统集成设计电路Fig.7 Integration circuit design for DCS overpressure automatic control system in grid monitoring

集成电路模型中，过压自动控制系统数字板主要芯片电压及工作电流见表1。

3 系统调试和实验结果分析

为了验证本设计的基于分散控制和匹配滤波检测的电网监控DCS中的过压自动控制系统在实现过压自动控制和电压监控保护中的性能，进行系统仿真实验，实验中，主控计算机读取一个64位浮点数据块进行电压负荷数据信息采用，调用函数hpe1432_setCalcData（）返回数据缓冲区，通过VME总线发送下一个通道的数据，5 409 A处理中断电网监控的DCS过压自动控制的过负荷请求，中断响应。系统上电时，DSP将检查外部引脚的状态，ROM的0FF80H起执行程序进行过压自动控制，外部存储器0FF80H从在FLASH的0FF80H处开始执行自动控制加载程序，得到过压自动控制的程序加载流程如图8所示。

表1 过压自动控制系统数字板主要芯片电压及工作电流Table 1 Digital plate main chips working voltage and current for overvoltage automatic control system

图8 系统调试的程序加载流程Fig.8 Program loading process of system debugging

系统选用MBM29LV400BC进行读、写和擦除命令操作，选用ADI公司的TS201S作为主处理器，得到过压自动控制的数据采样输出结果如图9所示。

图9 过压自动控制系统数据采样Fig.9 Overvoltage automatic control system data sampling

选用CF（Compact FLASH）卡对采样数据进行缓存，在封装的EPM7128AETI100中进行程序加载和过压分散控制，实现对电网的自动监控和过压数据识别，实现自动控制和过压中断的目的，最后仿真实验得出输出的过压自动控制的D/A测试波形如图10所示。

图10 过压自动控制的D/A测试波形Fig.10 D/A test waveform of overvoltage automatic control

从图10可见，采用该系统进行电网监控DCS中的过压自动控制，采样输入信号为-4～0 V，共模抑制比高达 93 dB，带宽 BGG＝100＝120 kHz，经过基线恢复能够有效抑制干扰，满足系统设计指标参量，提高了控制性能，实现对电网的过压自动保护，提高对电网的控制性能。

4 结语

对电网进行分散控制系统DCS设计，实现过压保护，保障电网系统的稳定可靠运行。笔者提出一种基于分散控制和匹配滤波检测的电网监控DCS中的过压自动控制模型设计方法。首先进行了系统的总体设计描述，系统设计中，电网监控DCS中的过压自动控制模块主要有DSP信号处理器、频率控制D/A转换电路，PCI总线及A/D采样电路、电网过压负载的逻辑控制设备、PCI桥接芯片、外部I/O设备、外部存储器以及时钟电路。A/D采样电路负责对调理后的接收和参考信号进行采样，为DSP提供复位信号采用ADSP-BF561（以下简称BF561）处理器进行过压自动控制的系统编程，完成系统的硬件设计和集成设计，仿真结果表明，该系统能有效实现对电网的监控和分散控制，实现过压保护自动控制，性能优越。

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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，硕士，讲师，主要研究领域为自动控制。