基于双DSP硬件架构的固态开关控制系统设计

摘要：为解决电网供电电压跌落及短时断电的问题，实现了对负载的不间断供电，设计了基于双DSP和FPGA的固态转换开关(SSTS)控制系统。介绍了SSTS设备的工作原理，通过仿真论证了强制切换(MBB)控制策略及单相电压跌落检测算法的有效性和必要性。根据改进后的SSTS系统控制算法，通过对功能的层次化解析，建立了双DSP+FPGA控制系统架构，并简单介绍了各系统模块的实现方法。最后给出了380 V SSTS装置部分运行结果。实验结果表明，所采用的控制系统架构及控制策略是正确可行的。
关键词：固态转换开关；电压跌落检测；切换控制

1 引言
    SSTS是一种解决电压短时跌落的电力电子设备。随着电力电子器件的发展，采用可控电力电子器件取代机械开关，可实现高速投切，且设备寿命长，赋予了SSTS全新的意义。在此以晶闸管型固态开关装置为研究对象，首先在电磁暂态仿真平台PSCAD／EMTDC建立了10 kV／1 MW中压SSTS系统模型。通过仿真对现有电压跌落检测算法以及切换控制策略进行了研究和改进。在仿真基础上，对SSTS控制系统功能进行了梳理和层次化解析，提出基于双DSP+FPGA的硬件控制架构。
    该控制平台可实现多达24路的模拟信号同步实时采样。通过将系统测试、控制功能在多处理器中分工合作，有效提高了系统运算速度，减少了软件开发复杂性，提高了系统的可靠性与稳定性。该控制平台在各种智能电网电力电子测控设备上具有广泛的应用前景。

2 SSTS原理与系统仿真
    SSTS系统结构框图如图1所示。

    主、备用侧电源分别通过晶闸管连接到负载。在正常工作时，负载接入主侧电源工作运行，当系统监测到主侧电源有电压跌落、过流或过温故障时，系统自动将负载切换到备用侧电源。SSTS控制系统的研究重点在于电压跌落检测算法和切换控制策略。为研究这些问题，在电磁暂态仿真软件PSCAD／EMTDC中建立了10 kV／1 MW中压SSTS的系统模型并根据系统故障种类和负载种类的不同，进行了全面仿真。负载种类包括：容性负载、阻性负载、感性负载和变压器型负载。电压跌落故障包括：三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路、单相跌落30％和三相跌落30％等。
2．1 系统切换控制策略仿真
    SSTS切换控制策略主要包括电流过零切换(BBM)和MBB两种，其切换控制流程如图2所示。通过仿真发现，当系统负载为功率因数较低的阻感负载或变压器时，若SSTS之前发生短路故障，系统电流过零非常缓慢，大大影响系统切换速度。由仿真结果可知，当系统负载功率因数为0．3，呈现感性时，系统电流过零耗时60 ms。当系统负载端连有10 kV／400 V变压器时，由于变压器励磁电感作用，电流过零耗时超过了4 s。为保证系统在20 ms内完成电源切换，必须采用MBB控制策略。

    仿真还发现，若短路故障发生在负载侧，此时将故障负载投切到备用电源，会给备用电源侧线路带来电流冲击，造成备用电源线路及其设备损坏。因此应对故障位置加以判断。当主侧发生电压跌落且伴有较大故障电流时，说明故障位置在SSTS后，此时不宜切入备用侧电源，可按照继电保护重合闸的方案进行处理。[page]

    2．2 电压跌落检测算法仿真
    常见的电压跌落检测算法包括电压峰值检测法、傅里叶变换法、小波变换法和d-q变换法等，其中改进d-q变换法和单相电压跌落检测算法在工程中最为常用，其原理如图3所示。对以上两种电压检测算法进行了仿真比较，电压跌落检测阈值取为90％，仿真结果如表1所示。

    由表1可见，改进d-q坐标变换算法监测速度较快，但无法检测出单相小幅跌落故障。单相电压跌落检测算法速度较慢，但检测全面，且算法实现较为简单。

3 SSTS控制系统总体设计
    SSTS控制系统的主要功能为监测系统电能质量状态，当系统发生欠压、过流、过温等故障时，触发“切换过程”。此处将分别对测量需求和控制需求进行分析。
3．1 测量需求分析及传感器配置方案
    由系统仿真可知，切换过程需实时考察切换时刻系统电流是否过零及电流方向。晶闸管电流过零判断要求系统能精确监测几百毫安的晶闸管维持电流。而过流监测则要求系统能检测几百至上千安的故障电流。由于测量动态范围极大，普通电流传感器无法达到要求。这里采用两级电流传感器来实现全范围的电流精确测量。第1级量程范围大，用于监测系统过流故障；第2级主要用于监测电流是否过零及零点附近的电流方向。
    为避免容性负载接入对系统造成电流冲击，切换过程还应考察待投入电源支路晶闸管两端电压，以保证容性负载的零电压投切。综上所述，对于三相中高压SSTS系统，需要对主、备用侧电源的三相电压、三相1级电流、三相2级电流、开关两端电压等24路电网参量进行实时采样。
3．2 系统功能解析与架构
    根据以上分析，将系统功能按照响应速度以及功能耦合关系进行解析，可得到图4所示的系统功能关系图。

    由图4可知，系统需要实现多达24路的模拟信号采样和处理。若采用单处理器，则对处理器运算性能、定时器及中断资源要求较高。程序量大，中断嵌套复杂，影响系统的实时性和可靠性。考虑到状态监测模块与切换控制模块之间重要的传递参数只有6个，数量少，因此可由两个较低性能的处理器分别实现电能质量监测和切换控制功能。24路电网参量根据其与功能模块的耦合关系分别由不同处理器处理，即主、备用侧电源相电压、三相大电流(1级电流传感器)接入状态监测DSP；晶闸管电压、三相小电流(2级电流传感器)与切换控制功能耦合紧密，因此接入切换控制DSP。控制系统结构如图5所示。[page]

   在该控制系统中，主DSP实现切换控制功能。系统故障以开关信号形式通过外部中断送入主DSP，以保证系统的高速响应。主DSP输出的晶闸管控制信号通过FPGA输出至晶闸管触发模块。协DSP负责主、备用侧电源质量的监控，其主要功能为电压跌落检测。监测结果以“开关信号”以及“16位数据”两种形式输出。

    如图5所示，主、协DSP除单线GPIO直连端口外，主要通过FPGA相连。连接端口包括并行系统总线端口和通用I／O(GPIO)端口，分别用于传递“16位数据”和“开关信号”参量。并行系统总线端口用于连接DSP和FPGA内置的双口RAM。该数据端口可使主、协DSP以兆赫兹级的速度并行通讯，适合传输大量的系统参数。GPIO端口则用于快速传递各种故障状态。此外，FPGA还负责实现底层保护功能，微处理器如DSP虽可满足系统智能化控制需求，但一些不可预知事件会导致控制系统出现严重故障。因此，除DSP外，系统利用FPGA增加了纳秒级控制速度的底层保护功能。如图5所示，系统电流与温度开关信号经过模拟信号调理模块形成过流、过温故障信号后，直接送入FPGA。当系统发生过流、过温故障时，FPGA故障锁存模块将使晶闸管控制信号失效。整个保护过程所涉及信号处理单元少，结构简单，大大提高了系统的可靠性和响应速度。在此将进一步介绍各主要控制系统功能模块的实现方法，并给出实体装置的运行结果。

4 主要系统功能的实现
4．1 主DSP功能
    改进后的切换控制流程如图6所示。

    由于系统采用双DSP控制架构，每个DSP运算量较小，采用TMS320F12812型DSP芯片即可满足需求。根据SSTS控制系统需求，主DSP主要配
置了外部中断、外部存储器接口、SCI等外设。其中，外部存储器接口用于连接FPGA内置的双口RAM。根据系统仿真结果，主DSP程序在MBB控制基础上增加了对故障位置的判断。当故障发生在负载侧即故障电流很大时，应切断负载一段时间后(大于系统继电保护重合闸时间)，再次尝试接入电源。若重新投切仍不成功，则说明负载故障无法恢复，不再切入任何电源。
4．2 同步信号采样的实现与改进
    在电力系统运行中，由于种种原因可能引起电网频率漂移，若采样周期不是实际周期信号整数倍，会造成频谱泄露，从而引起误差。采用锁相环跟踪锁定电网频率可解决该问题。硬件锁相环电路主要由方波产生信号电路和锁相倍频电路两部分组成。由过零比较电路产生的50 Hz方波信号经过锁相倍频电路产生12．8 kHz采样频率信号。该电路结构简单，响应速度快，但在系统发生缺相故障或谐波干扰时，硬件锁相电路将可能无法可靠跟踪电网50 Hz信号，造成采样电路工作不正常。该控制系统将硬件锁相环输出信号送入FPGA进行频率检测跟踪，当跟踪输出的电网频率与50 Hz偏差大于1 Hz时，由FPGA输出标准12．8 kHz采样触发信号，以保证系统可靠运行。[page]

    4．3 协DSP主要功能
    协DSP的主要功能是实现电压跌落检测算法，算法流程如图3b所示。其重点在于带阻滤波器和低通滤波器的设计。根据系统仿真结果设置带阻滤波器中心频率为100 Hz，低通滤波器截止频率为40 Hz，采样频率为12．8 kHz。数字滤波器采用32位2阶IIR数字滤波器软件模块，实际运行取得了理想的滤波效果。在150 MHz系统主频运行条件下，实测单相电压跌落检测算法运行时间2．44μs，小于信号采样间隔(78μs，12．8 kHz)，满足系统运行时间需求。
4．4 电流过流信号处理及FPGA主要功能
    系统相电流需经模拟信号调理模块和逻辑处理模块产生过流报警信号。其信号处理流程如图7所示。系统通过模拟信号调理板及FPGA将电流交流信号转换为过流报警开关信号。FPGA主要功能包括双口RAM、锁相环保护、过流信号调理、输出信号故障锁存等。

5 实验结果
    为验证所述控制平台的可行性及控制算法的正确性，开发了三相380 V／6 kW SSTS实验装置。电压跌落检测实验结果如图8所示。在所示电压跌落类型中，最长电压跌落检测时间为6．8 ms。系统发生三相断线故障时，系统切换过程见图9。检测时间为5．9 ms，切换时间为7．2 ms。

6 结论
    基于双DSP硬件架构的电力电子设备控制系统能够有效提高控制系统的响应速度、数据处理能力以及外部接口可扩展性，控制方便灵活，有较高的可靠性和实时性。