自動功率控制

自動功率控制是一種在輸入信號功率變化很大的情況下，使輸出信號功率保持恆定或僅在較小範圍內變化的自動控制電路。在通信設備，特別是導航數字接收機中起着非常重要的作用，它能夠保證在接收弱信號時，接收機的增益高，而接收強信號時增益低，從而使輸出信號保持適當的功率，不至於因為輸入信號太小而無法正常工作，也不至於輸入信號太大而使接收機發生飽和或堵塞。 ^[1] 

方案具體實現如圖1所示，該電路是由FPGA實現的一種時序邏輯電路，其輸入是導航接收機射頻前端輸出的模擬中頻信號，經模/數(A/D)轉換器後的數字信號，其輸出是經過去直流單元、功率估計單元與功率反饋調整單元處理後的數字中頻信號。功率控制閾值、初始增益係數值、直流估計累加點數N₁、功率估計累加點數N₂和係數調整步進M可通過DSP配置接口進行配置。信號處理流程為：A/D轉換後的數字中頻信號首先經過可變點數的去直流單元得到零均值的數字中頻信號，此信號再經過點數可變的功率估計單元得到信號的功率估計，該功率估計值經過功率反饋調整單元得到新的增益係數值，新增益係數應用於下一時間段內的限幅調整過程，最終使數字中頻信號的輸出維持在穩定功率附近。整個電路為一閉環負反饋控制系統。 ^[1] 

通過A/D轉換之後的信號功率範圍波動較大，因此需要對數字中頻信號進行功率調整控制，為後續處理提供功率穩定的信號，方案具體實現分為去直流單元、功率估計單元與功率反饋調整單元3部分。其中直流估計累加點數N₁、功率估計累加點數N₂和係數調整步進M根據信號波動大小來進行配置調整，使整個電路能夠對信號波動做出及時響應，否則會使調整後的信號發生過小或者溢出現象，導致後續數字中頻信號處理穩定性降低。

去直流單元引腳邏輯如圖2所示，該單元輸入分別為時鐘信號(clk)、復位信號(reset)、8比特數字中頻信號(data_in)與直流估計累加點數N₁(N₁_Counter)，該單元輸出為8比特去直流信號(data_Removedc)

由於通過射頻前端與A/D轉換之後的信號中會摻雜有一定的直流分量，因此需要在FPGA內部做去直流處理。去直流單元運用累加器與求平均算法進行信號處理，當累加器累加點數與N₁相等時，累加值輸出進行求平均處理，進而得到直流分量，最後輸入信號減去直流分量得到零均值的數字中頻信號。 ^[1] 

功率估計單元引腳邏輯如圖3所示，該單元輸入分別為時鐘信號(clk)、復位信號(reset)、8比特功率調整後信號(data_out)與功率估計累加點數N₂(N₂_counter)，該單元輸出為16比特功率估計值(p_estimate)。

信號經過功率反饋調整單元后需要對功率進一步估計，從而使信號能夠隨着輸入信號的變化進行調整。功率估計單元的功率估計公式如下：

式中：P為功率估計值，x_i為功率反饋調整單元的輸出信號，N₂為DSP配置接口配置的功率估計累加點數。功率估計單元運用累加器與求平均算法進行信號處理，當累加器累加點數與N₂相等時，累加值輸出進行求平均處理，進而得到功率估計值。 ^[1] 

功率反饋調整單元包括增益調整模塊與限幅調整模塊。

功率反饋調整單元引腳邏輯如圖4所示，該單元輸入分別為時鐘信號(clk)、復位信號(reset)、16比特功率估計值(p_Estimate)、功率控制閾值(p_Thresh)、係數調整步進(step_s)與8比特去直流信號(data_Removedc)，該單元輸出為8比特功率調整後信號(data_out)。

功率估計值與功率控制閾值經過比較器得到選擇開關的檔位，進而將調整後的增益係數輸出用於限幅調整模塊。功率控制閾值設定根據A/D轉換輸出數據為8位而定，最高位用於符號位，為了防止溢出，用7位來表示數據，所以可以表示最大為127，根據隨機信號處理的噪聲統計特性而知，信號噪聲99%位於3倍的噪聲均方根內，為了防止信號丟失，所以噪聲統計不能正好佔滿整個數據，本設計將數據位最大值設為100，因而功率控制閾值設為1000，對信號起到一定的濾波效果。係數調整步進M值通常選取1或者2。

限幅調整模塊內部結構如圖5所示，去直流信號與新增益係數在乘法器中進行相乘，調整後的數字中頻信號通過與上下限值進行比較來輸出穩定的零均值數字中頻信號。最終零均值數字中頻信號會有兩種流向：一種流向作為自動功率控制電路輸出信號；另一種流向作為功率估計單元反饋值。

西門子自動功率控制功能融合在站SCADA系統中，包含日計劃和周計劃表，如圖6所示。當前編輯的自動功率計劃值保存在本地計算機中。西門子自動功率控制有效的必要條件：

a．本站為主導站；

b．雙極工作在自動功率模式。

西門子自動功率控制的實現，是簡單的模擬運行人員發令的功能。其中Time為發令時刻，Power為功率參考值，Ramp為功率升降速率。西門子控制保護實現的方式為在某一時刻下發一個功率參考值，功率在當前值按照設定的升降速率進行功率調節，在一段時間之後，功率才能達到功率參考值，這樣的控制模式將導致實際的功率值滯後於計劃值。同時，該功率計劃值只保留在1台工作站中，沒有對功率計劃值進行工作站的全部分發，如果該工作站沒有直流控制位置或者出現故障，自動功率將無法執行。 ^[2] 

ABB對於自動功率控制的實現和站SCADA系統完全分離，採用單獨的一個程序進行編輯、啓動和運行，如圖7所示。

當需要增加1個新的數據點時，文本框中的時間和功率初始值是列表視窗中所選擇的點與其之前的1個點的平均值。使用者可以改變日期(對周或月曲線)、時間、變化速率和功率。其它文本框的內容將由程序自動計算得出。當曲線中插入1個點，主窗口中的列表視窗和圖形都將自動更新。 ^[2] 

高壓直流輸電具有遠距離、大容量、低損耗的優點，是實現我國能源資源優化配置的有效途徑，能夠取得良好的社會經濟綜合效益。目前我國運行和在建的直流工程都是按照有人值守的方式進行設計的，運行人員需要按照調度的指令，在指定的時間點輸入功率的參考值，並手動計算功率的升降速率，且每天都是這樣的重複性勞動。已投入運行的直流工程也都具有直流自動功率控制功能，但都存在着數據輸入繁瑣、實際功率控制準確度不高、沒有實現與控制保護系統聯動功能等缺點，故該功能基本沒有投入使用。 ^[2] 

自動功率控制功能的實現和SCADA系統融為一體，以充分利用SCADA系統的冗餘架構和自檢原理，實現系統的穩定運行。SCADA系統有冗餘的2台服務器設備，運行人員通過客户端界面錄入自動功率的計劃值，自動功率的計劃值數據保存在2台服務器的商用數據庫中，主實時處理程序從數據庫中取出計劃值數據，然後通過主服務器通信程序下發到冗餘的控制系統中，系統的原理圖如圖8所示。 ^[2] 

自動功率曲線的原理示意圖如圖9所示。圖9中A、B、C、D、E……為調度發給換流站的功率曲線中功率設置點(15min1個點)，描繪出的功率曲線如虛線所示。按照當前設計的算法，允許運行人員整定1個提前量Δt(為了調度考核需要，允許功率提前一小段時間到達)，實際功率曲線將會如實線所示，如果提前量整定為0，則將和調度設定曲線—紅線基本吻合。運行人員輸入的數據點只涉及功率存在變化的數據點，如圖9曲線顯示，運行人員僅須輸入點D、G、K點的參考值和時間戳；其它值會自動進行計算。 ^[2] 

當控制系統條件不滿足時，如控制位置切換，或為手動控制模式，由於這些情況下控制系統不執行自動功率指令，因此自動功率不會下發命令，此時會在功率需要調節前5min以事件方式提示運行人員，給手動控制預留一定時間。 ^[2]