[科普中国]-自动功率控制

自动功率控制是一种在输入信号功率变化很大的情况下，使输出信号功率保持恒定或仅在较小范围内变化的自动控制电路。在通信设备，特别是导航数字接收机中起着非常重要的作用，它能够保证在接收弱信号时，接收机的增益高，而接收强信号时增益低，从而使输出信号保持适当的功率，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。1

方案具体实现如图所示，该电路是由FPGA实现的一种时序逻辑电路，其输入是导航接收机射频前端输出的模拟中频信号，经模/数(A/D)转换器后的数字信号，其输出是经过去直流单元、功率估计单元与功率反馈调整单元处理后的数字中频信号。功率控制阈值、初始增益系数值、直流估计累加点数N1、功率估计累加点数N2和系数调整步进M可通过DSP配置接口进行配置。信号处理流程为：A/D转换后的数字中频信号首先经过可变点数的去直流单元得到零均值的数字中频信号，此信号再经过点数可变的功率估计单元得到信号的功率估计，该功率估计值经过功率反馈调整单元得到新的增益系数值，新增益系数应用于下一时间段内的限幅调整过程，最终使数字中频信号的输出维持在稳定功率附近。整个电路为一闭环负反馈控制系统。1

通过A/D转换之后的信号功率范围波动较大，因此需要对数字中频信号进行功率调整控制，为后续处理提供功率稳定的信号，方案具体实现分为去直流单元、功率估计单元与功率反馈调整单元3部分。其中直流估计累加点数N1、功率估计累加点数N2和系数调整步进M根据信号波动大小来进行配置调整，使整个电路能够对信号波动做出及时响应，否则会使调整后的信号发生过小或者溢出现象，导致后续数字中频信号处理稳定性降低。

去直流单元引脚逻辑如图所示，该单元输入分别为时钟信号(clk)、复位信号(reset)、8比特数字中频信号(data_in)与直流估计累加点数N1(N1_Counter)，该单元输出为8比特去直流信号(data_Removedc)

由于通过射频前端与A/D转换之后的信号中会掺杂有一定的直流分量，因此需要在FPGA内部做去直流处理。去直流单元运用累加器与求平均算法进行信号处理，当累加器累加点数与N1相等时，累加值输出进行求平均处理，进而得到直流分量，最后输入信号减去直流分量得到零均值的数字中频信号。1

功率估计单元引脚逻辑如图示，该单元输入分别为时钟信号(clk)、复位信号(reset)、8比特功率调整后信号(data_out)与功率估计累加点数N2(N2_counter)，该单元输出为16比特功率估计值(p_estimate)。

信号经过功率反馈调整单元后需要对功率进一步估计，从而使信号能够随着输入信号的变化进行调整。功率估计单元的功率估计公式如下：

式中：P为功率估计值，xi为功率反馈调整单元的输出信号，N2为DSP配置接口配置的功率估计累加点数。功率估计单元运用累加器与求平均算法进行信号处理，当累加器累加点数与N2相等时，累加值输出进行求平均处理，进而得到功率估计值。1

功率反馈调整单元包括增益调整模块与限幅调整模块。

功率反馈调整单元引脚逻辑如图所示，该单元输入分别为时钟信号(clk)、复位信号(reset)、16比特功率估计值(p_Estimate)、功率控制阈值(p_Thresh)、系数调整步进(step_s)与8比特去直流信号(data_Removedc)，该单元输出为8比特功率调整后信号(data_out)。

功率估计值与功率控制阈值经过比较器得到选择开关的档位，进而将调整后的增益系数输出用于限幅调整模块。功率控制阈值设定根据A/D转换输出数据为8位而定，最高位用于符号位，为了防止溢出，用7位来表示数据，所以可以表示最大为127，根据随机信号处理的噪声统计特性而知，信号噪声99%位于3倍的噪声均方根内，为了防止信号丢失，所以噪声统计不能正好占满整个数据，本设计将数据位最大值设为100，因而功率控制阈值设为1000，对信号起到一定的滤波效果。系数调整步进M值通常选取1或者2。

限幅调整模块内部结构如图所示，去直流信号与新增益系数在乘法器中进行相乘，调整后的数字中频信号通过与上下限值进行比较来输出稳定的零均值数字中频信号。最终零均值数字中频信号会有两种流向：一种流向作为自动功率控制电路输出信号；另一种流向作为功率估计单元反馈值。

西门子自动功率控制功能融合在站SCADA系统中，包含日计划和周计划表，如图所示。当前编辑的自动功率计划值保存在本地计算机中。西门子自动功率控制有效的必要条件：

a．本站为主导站；

b．双极工作在自动功率模式。

西门子自动功率控制的实现，是简单的模拟运行人员发令的功能。其中Time为发令时刻，Power为功率参考值，Ramp为功率升降速率。西门子控制保护实现的方式为在某一时刻下发一个功率参考值，功率在当前值按照设定的升降速率进行功率调节，在一段时间之后，功率才能达到功率参考值，这样的控制模式将导致实际的功率值滞后于计划值。同时，该功率计划值只保留在1台工作站中，没有对功率计划值进行工作站的全部分发，如果该工作站没有直流控制位置或者出现故障，自动功率将无法执行。2

ABB对于自动功率控制的实现和站SCADA系统完全分离，采用单独的一个程序进行编辑、启动和运行，如图所示。

当需要增加1个新的数据点时，文本框中的时间和功率初始值是列表视窗中所选择的点与其之前的1个点的平均值。使用者可以改变日期(对周或月曲线)、时间、变化速率和功率。其它文本框的内容将由程序自动计算得出。当曲线中插入1个点，主窗口中的列表视窗和图形都将自动更新。2

高压直流输电具有远距离、大容量、低损耗的优点，是实现我国能源资源优化配置的有效途径，能够取得良好的社会经济综合效益。目前我国运行和在建的直流工程都是按照有人值守的方式进行设计的，运行人员需要按照调度的指令，在指定的时间点输入功率的参考值，并手动计算功率的升降速率，且每天都是这样的重复性劳动。已投入运行的直流工程也都具有直流自动功率控制功能，但都存在着数据输入繁琐、实际功率控制准确度不高、没有实现与控制保护系统联动功能等缺点，故该功能基本没有投入使用。2

自动功率控制功能的实现和SCADA系统融为一体，以充分利用SCADA系统的冗余架构和自检原理，实现系统的稳定运行。SCADA系统有冗余的2台服务器设备，运行人员通过客户端界面录入自动功率的计划值，自动功率的计划值数据保存在2台服务器的商用数据库中，主实时处理程序从数据库中取出计划值数据，然后通过主服务器通信程序下发到冗余的控制系统中，系统的原理图如图所示。2

自动功率曲线的原理示意图如图所示。图中A、B、C、D、E……为调度发给换流站的功率曲线中功率设置点(15min1个点)，描绘出的功率曲线如虚线所示。按照当前设计的算法，允许运行人员整定1个提前量Δt(为了调度考核需要，允许功率提前一小段时间到达)，实际功率曲线将会如实线所示，如果提前量整定为0，则将和调度设定曲线—红线基本吻合。运行人员输入的数据点只涉及功率存在变化的数据点，如图曲线显示，运行人员仅须输入点D、G、K点的参考值和时间戳；其它值会自动进行计算。2

当控制系统条件不满足时，如控制位置切换，或为手动控制模式，由于这些情况下控制系统不执行自动功率指令，因此自动功率不会下发命令，此时会在功率需要调节前5min以事件方式提示运行人员，给手动控制预留一定时间。2