基于雙DSP硬件架構的固態(tài)開關控制系統(tǒng)設計

摘要：為解決電網(wǎng)供電電壓跌落及短時斷電的問題，實現(xiàn)了對負載的不間斷供電，設計了基于雙DSP和FPGA的固態(tài)轉換開關(SSTS)控制系統(tǒng)。介紹了SSTS設備的工作原理，通過仿真論證了強制切換(MBB)控制策略及單相電壓跌落檢測算法的有效性和必要性。根據(jù)改進后的SSTS系統(tǒng)控制算法，通過對功能的層次化解析，建立了雙DSP+FPGA控制系統(tǒng)架構，并簡單介紹了各系統(tǒng)模塊的實現(xiàn)方法。最后給出了380 V SSTS裝置部分運行結果。實驗結果表明，所采用的控制系統(tǒng)架構及控制策略是正確可行的。
關鍵詞：固態(tài)轉換開關；電壓跌落檢測；切換控制

1 引言
    SSTS是一種解決電壓短時跌落的電力電子設備。隨著電力電子器件的發(fā)展，采用可控電力電子器件取代機械開關，可實現(xiàn)高速投切，且設備壽命長，賦予了SSTS全新的意義。在此以晶閘管型固態(tài)開關裝置為研究對象，首先在電磁暫態(tài)仿真平臺PSCAD／EMTDC建立了10 kV／1 MW中壓SSTS系統(tǒng)模型。通過仿真對現(xiàn)有電壓跌落檢測算法以及切換控制策略進行了研究和改進。在仿真基礎上，對SSTS控制系統(tǒng)功能進行了梳理和層次化解析，提出基于雙DSP+FPGA的硬件控制架構。
    該控制平臺可實現(xiàn)多達24路的模擬信號同步實時采樣。通過將系統(tǒng)測試、控制功能在多處理器中分工合作，有效提高了系統(tǒng)運算速度，減少了軟件開發(fā)復雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。該控制平臺在各種智能電網(wǎng)電力電子測控設備上具有廣泛的應用前景。

2 SSTS原理與系統(tǒng)仿真
    SSTS系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

    主、備用側電源分別通過晶閘管連接到負載。在正常工作時，負載接入主側電源工作運行，當系統(tǒng)監(jiān)測到主側電源有電壓跌落、過流或過溫故障時，系統(tǒng)自動將負載切換到備用側電源。SSTS控制系統(tǒng)的研究重點在于電壓跌落檢測算法和切換控制策略。為研究這些問題，在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD／EMTDC中建立了10 kV／1 MW中壓SSTS的系統(tǒng)模型并根據(jù)系統(tǒng)故障種類和負載種類的不同，進行了全面仿真。負載種類包括：容性負載、阻性負載、感性負載和變壓器型負載。電壓跌落故障包括：三相短路、兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路、單相跌落30％和三相跌落30％等。
2．1 系統(tǒng)切換控制策略仿真
    SSTS切換控制策略主要包括電流過零切換(BBM)和MBB兩種，其切換控制流程如圖2所示。通過仿真發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)負載為功率因數(shù)較低的阻感負載或變壓器時，若SSTS之前發(fā)生短路故障，系統(tǒng)電流過零非常緩慢，大大影響系統(tǒng)切換速度。由仿真結果可知，當系統(tǒng)負載功率因數(shù)為0．3，呈現(xiàn)感性時，系統(tǒng)電流過零耗時60 ms。當系統(tǒng)負載端連有10 kV／400 V變壓器時，由于變壓器勵磁電感作用，電流過零耗時超過了4 s。為保證系統(tǒng)在20 ms內完成電源切換，必須采用MBB控制策略。

    仿真還發(fā)現(xiàn)，若短路故障發(fā)生在負載側，此時將故障負載投切到備用電源，會給備用電源側線路帶來電流沖擊，造成備用電源線路及其設備損壞。因此應對故障位置加以判斷。當主側發(fā)生電壓跌落且伴有較大故障電流時，說明故障位置在SSTS后，此時不宜切入備用側電源，可按照繼電保護重合閘的方案進行處理。[!--empirenews.page--]
2．2 電壓跌落檢測算法仿真
    常見的電壓跌落檢測算法包括電壓峰值檢測法、傅里葉變換法、小波變換法和d-q變換法等，其中改進d-q變換法和單相電壓跌落檢測算法在工程中最為常用，其原理如圖3所示。對以上兩種電壓檢測算法進行了仿真比較，電壓跌落檢測閾值取為90％，仿真結果如表1所示。

    由表1可見，改進d-q坐標變換算法監(jiān)測速度較快，但無法檢測出單相小幅跌落故障。單相電壓跌落檢測算法速度較慢，但檢測全面，且算法實現(xiàn)較為簡單。

3 SSTS控制系統(tǒng)總體設計
    SSTS控制系統(tǒng)的主要功能為監(jiān)測系統(tǒng)電能質量狀態(tài)，當系統(tǒng)發(fā)生欠壓、過流、過溫等故障時，觸發(fā)“切換過程”。此處將分別對測量需求和控制需求進行分析。
3．1 測量需求分析及傳感器配置方案
    由系統(tǒng)仿真可知，切換過程需實時考察切換時刻系統(tǒng)電流是否過零及電流方向。晶閘管電流過零判斷要求系統(tǒng)能精確監(jiān)測幾百毫安的晶閘管維持電流。而過流監(jiān)測則要求系統(tǒng)能檢測幾百至上千安的故障電流。由于測量動態(tài)范圍極大，普通電流傳感器無法達到要求。這里采用兩級電流傳感器來實現(xiàn)全范圍的電流精確測量。第1級量程范圍大，用于監(jiān)測系統(tǒng)過流故障；第2級主要用于監(jiān)測電流是否過零及零點附近的電流方向。
    為避免容性負載接入對系統(tǒng)造成電流沖擊，切換過程還應考察待投入電源支路晶閘管兩端電壓，以保證容性負載的零電壓投切。綜上所述，對于三相中高壓SSTS系統(tǒng)，需要對主、備用側電源的三相電壓、三相1級電流、三相2級電流、開關兩端電壓等24路電網(wǎng)參量進行實時采樣。
3．2 系統(tǒng)功能解析與架構
    根據(jù)以上分析，將系統(tǒng)功能按照響應速度以及功能耦合關系進行解析，可得到圖4所示的系統(tǒng)功能關系圖。

    由圖4可知，系統(tǒng)需要實現(xiàn)多達24路的模擬信號采樣和處理。若采用單處理器，則對處理器運算性能、定時器及中斷資源要求較高。程序量大，中斷嵌套復雜，影響系統(tǒng)的實時性和可靠性?？紤]到狀態(tài)監(jiān)測模塊與切換控制模塊之間重要的傳遞參數(shù)只有6個，數(shù)量少，因此可由兩個較低性能的處理器分別實現(xiàn)電能質量監(jiān)測和切換控制功能。24路電網(wǎng)參量根據(jù)其與功能模塊的耦合關系分別由不同處理器處理，即主、備用側電源相電壓、三相大電流(1級電流傳感器)接入狀態(tài)監(jiān)測DSP；晶閘管電壓、三相小電流(2級電流傳感器)與切換控制功能耦合緊密，因此接入切換控制DSP?？刂葡到y(tǒng)結構如圖5所示。[!--empirenews.page--]
    在該控制系統(tǒng)中，主DSP實現(xiàn)切換控制功能。系統(tǒng)故障以開關信號形式通過外部中斷送入主DSP，以保證系統(tǒng)的高速響應。主DSP輸出的晶閘管控制信號通過FPGA輸出至晶閘管觸發(fā)模塊。協(xié)DSP負責主、備用側電源質量的監(jiān)控，其主要功能為電壓跌落檢測。監(jiān)測結果以“開關信號”以及“16位數(shù)據(jù)”兩種形式輸出。

    如圖5所示，主、協(xié)DSP除單線GPIO直連端口外，主要通過FPGA相連。連接端口包括并行系統(tǒng)總線端口和通用I／O(GPIO)端口，分別用于傳遞“16位數(shù)據(jù)”和“開關信號”參量。并行系統(tǒng)總線端口用于連接DSP和FPGA內置的雙口RAM。該數(shù)據(jù)端口可使主、協(xié)DSP以兆赫茲級的速度并行通訊，適合傳輸大量的系統(tǒng)參數(shù)。GPIO端口則用于快速傳遞各種故障狀態(tài)。此外，F(xiàn)PGA還負責實現(xiàn)底層保護功能，微處理器如DSP雖可滿足系統(tǒng)智能化控制需求，但一些不可預知事件會導致控制系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障。因此，除DSP外，系統(tǒng)利用FPGA增加了納秒級控制速度的底層保護功能。如圖5所示，系統(tǒng)電流與溫度開關信號經過模擬信號調理模塊形成過流、過溫故障信號后，直接送入FPGA。當系統(tǒng)發(fā)生過流、過溫故障時，F(xiàn)PGA故障鎖存模塊將使晶閘管控制信號失效。整個保護過程所涉及信號處理單元少，結構簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和響應速度。在此將進一步介紹各主要控制系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)方法，并給出實體裝置的運行結果。

4 主要系統(tǒng)功能的實現(xiàn)
4．1 主DSP功能
    改進后的切換控制流程如圖6所示。

    由于系統(tǒng)采用雙DSP控制架構，每個DSP運算量較小，采用TMS320F12812型DSP芯片即可滿足需求。根據(jù)SSTS控制系統(tǒng)需求，主DSP主要配
置了外部中斷、外部存儲器接口、SCI等外設。其中，外部存儲器接口用于連接FPGA內置的雙口RAM。根據(jù)系統(tǒng)仿真結果，主DSP程序在MBB控制基礎上增加了對故障位置的判斷。當故障發(fā)生在負載側即故障電流很大時，應切斷負載一段時間后(大于系統(tǒng)繼電保護重合閘時間)，再次嘗試接入電源。若重新投切仍不成功，則說明負載故障無法恢復，不再切入任何電源。
4．2 同步信號采樣的實現(xiàn)與改進
    在電力系統(tǒng)運行中，由于種種原因可能引起電網(wǎng)頻率漂移，若采樣周期不是實際周期信號整數(shù)倍，會造成頻譜泄露，從而引起誤差。采用鎖相環(huán)跟蹤鎖定電網(wǎng)頻率可解決該問題。硬件鎖相環(huán)電路主要由方波產生信號電路和鎖相倍頻電路兩部分組成。由過零比較電路產生的50 Hz方波信號經過鎖相倍頻電路產生12．8 kHz采樣頻率信號。該電路結構簡單，響應速度快，但在系統(tǒng)發(fā)生缺相故障或諧波干擾時，硬件鎖相電路將可能無法可靠跟蹤電網(wǎng)50 Hz信號，造成采樣電路工作不正常。該控制系統(tǒng)將硬件鎖相環(huán)輸出信號送入FPGA進行頻率檢測跟蹤，當跟蹤輸出的電網(wǎng)頻率與50 Hz偏差大于1 Hz時，由FPGA輸出標準12．8 kHz采樣觸發(fā)信號，以保證系統(tǒng)可靠運行。[!--empirenews.page--]
4．3 協(xié)DSP主要功能
    協(xié)DSP的主要功能是實現(xiàn)電壓跌落檢測算法，算法流程如圖3b所示。其重點在于帶阻濾波器和低通濾波器的設計。根據(jù)系統(tǒng)仿真結果設置帶阻濾波器中心頻率為100 Hz，低通濾波器截止頻率為40 Hz，采樣頻率為12．8 kHz。數(shù)字濾波器采用32位2階IIR數(shù)字濾波器軟件模塊，實際運行取得了理想的濾波效果。在150 MHz系統(tǒng)主頻運行條件下，實測單相電壓跌落檢測算法運行時間2．44μs，小于信號采樣間隔(78μs，12．8 kHz)，滿足系統(tǒng)運行時間需求。
4．4 電流過流信號處理及FPGA主要功能
    系統(tǒng)相電流需經模擬信號調理模塊和邏輯處理模塊產生過流報警信號。其信號處理流程如圖7所示。系統(tǒng)通過模擬信號調理板及FPGA將電流交流信號轉換為過流報警開關信號。FPGA主要功能包括雙口RAM、鎖相環(huán)保護、過流信號調理、輸出信號故障鎖存等。

5 實驗結果
    為驗證所述控制平臺的可行性及控制算法的正確性，開發(fā)了三相380 V／6 kW SSTS實驗裝置。電壓跌落檢測實驗結果如圖8所示。在所示電壓跌落類型中，最長電壓跌落檢測時間為6．8 ms。系統(tǒng)發(fā)生三相斷線故障時，系統(tǒng)切換過程見圖9。檢測時間為5．9 ms，切換時間為7．2 ms。

6 結論
    基于雙DSP硬件架構的電力電子設備控制系統(tǒng)能夠有效提高控制系統(tǒng)的響應速度、數(shù)據(jù)處理能力以及外部接口可擴展性，控制方便靈活，有較高的可靠性和實時性。