基于单片机的电力系统故障录波设计.docx

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基于单片机的电力系统故障录波设计

摘要

电力系统故障录波装置是常年投入运行监视运行状况的一种自动记录装置。

故障录波装置可以准确地反映故障类型、相别、故障电流、电压的数值以及断路器的跳合闸时间和重合是否成功等情况,可以正确分析和确定事故的原因,研究有效的防止措施,从而减少以至避免再发生类似事故,对保证电力系统安全运行的作用极其重要。

本论文首先介绍了故障录波器的研究背景与意义，分析了国内外故障录波器的发展现状。

就故障录波器的基本要求和主要技术指标提出了FPGA+C8051F120的双CPU系统方案，并且针对故障数据存储容量的瓶颈问题提出了基于USB接口的大容量存储方案。

其次，论文完成了基本的硬件电路设计和软件算法设计。

本论文主要研究基于FPGA+C8051F120的双CPU系统方案的软件设计，系统统地阐述了数据处理系统的实现，故障录波器的主要启动判断、数据采集和数据存储，并用快速傅里叶算法（FFT）对交流谐波进行分析。

最后，对其故障录波器的特点和应用前景做了展望。

关键词：

故障录波器;启动判断;FFT;高速数据采集

Abstract

Electricpowersystemfaultwaverecorddeviceisperennialinvestmentoperationmonitoringtheoperationconditionofakindofautomaticrecordingdevice.Troublewaverecorddevicecanbeaccuratelyreflectthefaulttype,phasedon't,faultcurrent,voltageofthenumericalvalueofthecircuitbreakerandjumpofftimeandcoincidesuccessandsoon,cancorrectanalysisanddeterminethecauseoftheaccident,theeffectivepreventionmeasures,soastoreduceandavoidagainoccurrencesimilaraccident,toensurethesafeoperationofthepowersystemistheimportantrole.

Firstly，thispaperintroducestheresearchbackgroundandsignificanceofthefaultrecorder，andanalyzesmedevelopingstatusoffaultrecorderathomeandabroad．ItputsforwardmemeasureofdoubleCPU（FPGAandC8051F120）inviewofthebasicrequirememtsandthemaintechnicalindicatorofthefaultrecordermoreoverthelagerstorageschemebasedonUSBisproposedinViewofthebreakdowndatastoragecapacity’sbottleneckquestion．

Secondly,thehardwareframeandthemethodstocalculatingthepowerparametersaremainlydiscussedinthisthesis.

ThispapermainlyresearchbasedondoubleCPU（FPGAandC8051F120）systemschemeofsoftwaredesign,systemallthisdataprocessingsystemisrealized,troublewaverecordofthemainstartjudgment,thedataacquisitionanddatastorage,andwithfastFourierTransformAlgorithm（FFT）toanalyzetheharmonicofthevoltageandcurrent.

Finally,wedescribethecharacteristicsandapplicationoffaultrecorder．

Keywords:

Faultrecorder;Startupcriteria;FFT;High-speeddatasample

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1课题的背景与意义1

1.2国内外故障录波装置的发展和研究现状2

1.3本课题的研究任务3

1.4本章小结4

2故障录波装置总体设计概述5

2.1对故障录波装置设计的基本要求5

2.2数据采集的主要技术指标6

2.3数据记录时间及方式6

2.4录波启动方式7

2.5故障录波装置设计方案7

2.5.1控制系统器件的选择7

2.5.2主要外围电路器件的选择10

2.6本章小结13

3故障录波装置的硬件设计14

3.1FPGA数据采集单元的硬件设计14

3.1.1FPGA器件14

3.1.2模拟量采集电路14

3.1.3实时时钟RTC模块14

3.1.4开关量输入电路14

3.1.5频率测量电路15

3.2人机接口及管理单元的硬件设计15

3.2.1C8051F120器件15

3.2.2存储空间扩展电路15

3.2.3人机接口电路15

3.3硬件抗干扰措施15

3.4本章小结15

4故障录波装置总体设计概述17

4.1FPGA数据采集单元的软件设计17

4.1.1FPGA软件设计语言VHDL简介17

4.1.2数据采集程序设计17

4.1.3实时时钟模块19

4.1.4双口RAM20

4.2管理模块软件设计21

4.2.1人机接口程序设计22

4.2.2数据储存的软件设计24

4.3本章小结28

5系统算法的选择及程序实现29

5.1故障判断算法分析29

5.1.1突变量启动算法29

5.1.2稳态录波启动算法30

5.2数据处理算法及程序设计31

5.3本章小结38

6系统调试及实验39

6.1数据采集与分析测试39

6.2故障录波测试41

6.2.1模拟故障录波信号产生电路41

6.2.2数据的储存42

6.3本章小结42

7结论43

7.1结论43

致谢44

参考文献45

附录47

1绪论

1.1课题的背景与意义

企业变电所在企业生产有着重要的地位，保证变电所的安全、可靠的运行是十分必要的。

随着计算机技术的发展，变电所的综合自动化监控系统开始逐渐在国内电力变电所使用，而企业变电所自动化监控刚起步，研究符合企业要求的变电所自动监控系统对企业安全生产有重要意义。

随着电网规模日益扩大，就需要一个能够准确进行故障元件诊断、事故后数据分析、保护动作行为评价等功能完善的电网故障信息综合分析系统。

这对于电力系统的安全可靠运行起着十分重要的作用。

　　电力系统的调度自动化是电网安全稳定运行的重要保证，随着其自动化水平的不断提高以及通信等技术的加盟，促进了网络层的EMS（能量管理系统）、SCADA系统（数据采集及监视控制），厂站端的SOE（事件顺序记录）、PDR（事故追忆记录）等配套设施的不断出现和改进。

多年来，电力系统自动故障记录已成为分析系统事故，特别是分析继电保护动作行为的重要依据。

尤其是以微机为基础的故障录波装置，能够记录电网故障发生前后电气量和状态变化过程信息，完整地反映故障后的瞬间变化及继电保护的动作行为，并有数据存档和数据再分析的能力。

而且，随着通信技术的介入，电网调度端可以随时收集分布于各个厂站的故障录波器的信息，这就是故障录波器联网系统[。

到目前为止，各网（省）调已相继完成以实现全网故障录波数据远传为主要目标的联网工作。

其目的非常明确：

提高电力系统调度和运行的水平，提高处理电力系统事故的快速反应能力，确保电力系统安全可靠供电。

从而，所有上述调度自动化配套设施，都为开发电网故障信息综合分析系统提供了广阔的平台。

　　基于以上分析，研究一种基于故障录波信息的调度端电网故障诊断系统，提出了“软保护”的诊断思想，实现了电网调度端的故障录波信息管理、电网层的故障元件诊断、以及双端测距等功能。

电力系统故障录波装置主要在变电站中用作记录和分析电网设备的故障，它长年投入运行，时刻监视着系统运行状况。

正常情况下不启动录波，发生故障或振荡时则自动启动进行录波。

一般可记录故障前几百毫秒，故障后几千毫秒时间段内的有关电气参量的变化全过程波形及继电保护的动作情况，在动态过程结束后又能自动停止记录。

故障录波分析的主要意义有：

正确分析事故的原因并研究对策；正确评价继电保护和自动装置的工作；了解系统运行情况，迅速正确地处理事故进行故障定位。

此外故障录波器不仅用于电网故障的诊断，在其他领域也有其他的应用，例如汽车行驶记录仪、大型电机运行状态监控和柴油发动机状态监控等，在油田、石化、钢铁、高速公路、铁路、地铁等系统外企业均得到广大应用。

因此研究故障录波器具有很重要的意义。

1.2国内外故障录波装置的发展和研究现状

到80年代初故障录波技术只是停留在以光电转换为原理、胶片为记录载体,还不能真正在电力系统故障时可靠的记录下数据。

在1982年,比利时电力系统发生重大故障,因为没有可靠的故障记录分析依据,造成严重损失。

1984年,法国电力系统变压器发生爆炸导致法国50%以上地区处于黑暗之中,同样因为缺少可靠的故障记录分析设备,一年后仍未找出事故原因。

自80年代中期以来,随着计算机技术被引入继电保护领域,国内外的故障录波技术便上了新的台阶,在数据记录性能上有了很大提高,基本解决了光电式故障录波器录波环节多、容量小、没有时标、无记忆能力、数据读取误差大等问题,以具有记忆功能强、存储容量大、能进行故障记时、故障类型判别、故障参数和事件顺序记录、能实现数据远传和便于进行后台分析等特点,故障录波器得到迅猛的发展。

1980年,我国第一台超高压电网故障录波装置诞生;1984年,我国第一台微机继电保护装置问世,历经10余年,微机型故障录波器已经完全取代了光电式录波器,成为电网故障信息记录的主力,在许多重大事故的调查和分析中发挥了重要作用。

同期国外出现了以瑞士LEM、美国IntelligentinstrumentsInc等为代表开发故障录波屏的国外公司。

进入90年代,在1995年英国CSD公司购买了中国研制开发的微机故障录波测距软件则开创了我国电力系统向国外出口软件技术的先例,使中国电力科研成果真正走向了世界。

就国内录波器而言,有以下一些问题:

（1）录波方式不一致,全网各点录波器时间参照系不同,不便于统一分析和统计查询。

（2）数据的安全性仍难尽如人意。

由于直流消失、连续故障、误操作等因素,仍可能造成录波失败。

（3）电网信息与保护及安自装置自身工作信息,运行信息与故障信息,线路信息与机组信息等分类不清,定位不准。

（4）数据输出方式简单,交换接口层次多,速率低,规约不统一,不便于组网、数据远传及综合分析。

（5）与其他故障分析设备交换数据不方便。

（6）在设计上,未充分考虑故障录波的特点和需求。

国外的故障录波器一般采用分布式结构，标准模块设计，可以分散安装在开关柜或保护室内，通过通信网可以连到一台所级计算机或数据远传到调度中心。

计算机配有通用分析软件包，可集中进行数据处理。

但是国外产品的价格太高，使得在变电站中的普遍安装存在一定的经济问题，另外国外故障录波器需配置专门的故障分析软件，构建独立的录波网，投资大，技术要求高，不适合目前仍以集中组屏式结构为主，网络功能不健全的变电站系统订。

1.3本课题的研究任务

本课题的主要研究内容有：

在熟悉课题、调研和收集资料的基础上，对设计课题进行可行性分析，提出能完成课题要求的各种系统组态方案，包括系统总体结构、系统输入/输出方式、数据处理方式、控制算法、处理器类型和系统的抗干扰措施等方案。

我们结合本课题，针对目前故障录波器采样速率低，系统容量小的缺点提出了基于FPGA+C8051F120+USB的故障录波装置设计方案。

1、在比较和分析了国内外产品的长处和不足的基础上，结合本课题对录波器的要求和技术指标，提出了相应的系统设计方案。

2、进行高速采集输入的电压、电流、开关接点信号等电量，变换成数字信号后并存入数据存储器，及系统软件设计。

3、电源线路故障时，记录电压、电流的变化。

4、可显示对故障类型、故障时间和设备，可打印出故障波形曲线。

1．4本章小结

本章主要介绍了故障录波装置的研究背景和意义，并探讨了国内外故障录波装置的发展和研究现状，针对故障录波装置现有的一些缺点提出相应的解决方案，明确课题的研究任务。

2故障录波装置总体设计概述

故障录波装置主要用来记录故障动态过程即记录因系统大扰动如短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等发生后引起的系统电流、电压及其导出量如有功功率、无功功率以及系统频率的全过程变化现象。

主要用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为，了解系统暂态过程中系统各电气参量的变化规律。

本章提出了故障录波装置的基本要求和总体设计方案。

2.1对故障录波装置的基本要求

电力系统故障动态记录的主要任务就是记录系统大扰动后电气参量变化的全过程。

我国颁布的DL／T553—94《220～500KV电力系统故障动态记录技术准则》对电网的故障录波制定了技术准则，基本要求为：

（1）系统发生大扰动时，能自动对其扰动过程按要求进行记录，并当系统动态过程基本中止后，自动停止记录。

（2）容量足够大，当系统连续发生大扰动时，应能无遗漏的记录每次系统大扰动发生后的全过程数据。

（3）记录数据安全可靠，满足要求不失真。

（4）记录装置本身可靠，有足够的抗干扰能力，满足规定的线性测量范围。

因此装设在220～500KV变电所的电力系统故障动态过程记录设备应满足如下的要求：

（1）具有按反应系统发生大扰动的系统电参量幅度及变化频率而自启动和反应

系统动态过程基本结束而自动停止的功能，也能由外部命令启动和停止。

（2）每次记录的数据必须尽快地转移到中间载体，以迎接可能随之而来的下一次故障数据记录。

（3）有足够的抗干扰能力：

满足规定的电气测量范围；记录的数据可靠、不失真：

记录的故障数据有足够的安全性，不因供电电源中断和人为的偶然因素丢失和抹去。

（4）记录的数据带有时标。

（5）按要求输出原始采样数据和经过处理取得的规定电参量值。

2.2数据采集的主要技术指标

（一）输入信号

1、6路模拟量输入：

三相电压、三相电流。

2、交流电压输入：

57到120V额定有效值，212V满量有效值。

3、交流电流输入：

1A或5A额定有效值。

4、开关量通道数：

16路。

（二）采样指标

l、采样速率：

采样率用户可选每周波64、128点。

2、谐波分辨率：

31次

3、电压电流波形采样精度：

<±0.5％

4、开关量分辨率：

不劣于1ms。

2．3数据记录时间及方式

故障录波装置模拟量记录过程应该符合DL厂r553—94国家标准。

依据这一技术准则的数据记录特点是分时段记录陋1，以适应数据分析的要求，满足运行部门故障分析和系统分析的需要，并尽可能只记录和输出满足实际需要的数据。

为此，技术准则确定了ABCDE分段模拟量采样方式如图2-1所示：

A时段：

记录系统大扰动开始前的状态数据，记录时间≥0．04S。

B时段：

记录系统大扰动初期的状态数据，直接输出原始波形记录，记录时间≥0．1S。

C时段：

记录系统大扰动后的中期状态数据，可直接输出原始波形记录或连续的工频有效值，记录时间≥1.0S。

D时段：

记录系统动态过程数据，每0.1S输出一个工频有效值，记录时间≥20S。

E时段：

记录长过程的动态数据，每1S输出一个工频有效值，记录时间≥10min，直到故障或振荡结束。

在C、D、E段中若有突变量越限，应从B段重新记录。

在这里技术准则的数据记录有两个主要特点：

一是分段记录，二是记录的数据可以保留不同的输出值。

2．4录波启动方式

故障录波装置具有按反应系统发生大扰动的系统电参量幅度及变化率而自启动和反应系统动态过程基本结束而自动停止的功能；也可由外部命令而启动和停止。

1、内部自启动

2、开关量变位启动：

当外部开关量触点闭合（或断开）时，自动启动暂态录波。

3、手动启动：

为了正常运行时对各模拟量进行监控和分析可以对录波装置进行手动启动。

2．5故障录波装置设计方案

2．5．1控制系统器件的选择

随着电子技术的发展，故障录波装置有多种实现方案，从微处理器数量上来说可以分为单CPU系统和多CPU系统。

故可选方案从这个角度来讲有如下选择。

方案一、单CPU系统，该方案使用单个CPU处理器，数据采集、开关量、通信系统、人机接口等均挂在同一块CPU上，由同一块CPU驱动，其结构图如图2-2所示。

该方案的优点是结构简单，硬件实现容易，但缺点是核心处理器负荷太重，由于故障录波装置的采样速率高，在两个采样点间隔内需要进行数据存储、处理判断。

这样不利于提高数据采集速度和处理速度。

方案二、采用双CPU系统，如图2-3所示，主处理器CPU1负责处理数据存储、人机接口、通信功能、数据处理和逻辑判断，而次处理器专门用于数据采集、A/D转换和提供时钟信号。

虽然此方案硬件结构较为复杂，实现起来难度较大。

但它将各个功能拆分开来，交由两个处理器共同承担，大大降低了主处理器的任务负荷，有利于提高数据采集、处理的速度。

综上所述，为了提高数据采集处理的效率，我们选用了方案二双CPU系统方案。

从机主要用来采集模拟量和开关量，主机用来处理数据和人机接口的操作处理。

单片机具有强大的数据处理能力和强大灵活的接口与通信能力。

因此主机采用单片机作为CPU。

从机可以采用单片机或FPGA，如果采用单片机，那么两个单片机之间需要进行通信，可以采用串口或并口。

串口速度慢，并口需要使用硬件电路例如双口RAMIDT7132进行通信。

如果采用FPGA，可以使用其内部RAM，这样减少了硬件电路。

FPGA是80年代中期在传统的PAL、GAL基础上发展起来的可编程逻辑器件，它结合了PLD的可编程性和MPGA的通用连线结构，它和单片机相比具有如下特点：

（1）FPGA内部集成锁相环，可以把外部时钟倍频，这样核心频率可以到几百MHz，而单片机运行速度低，在高速场合，单片机无法代替FPGA。

（2）单片机的IO口有限，而FPGA动辄数百IO口，可以方便连接外设。

比如一个系统有多路A/D、D/A，单片机要进行仔细的资源分配，总线隔离，而FPGA由于丰富的IO资源，可以容易用不同IO连接外设。

（3）单片机程序是串行执行，执行完一条才能执行下一条，在处理突发时间时只能调用有限的中断资源；而FPGA不同逻辑可以并行执行，可以同时处理不同任务，这就导致FPGA工作更有效率。

（4）FPGA有大量软核，可以方便二次开发。

所以我们选用FPGA作为系统的协处理器，这样双CPU系统就由MCU+FPGA构成，其原理结构图如图2-4所示。

单片机具有强大的数据处理能力和强大灵活的接口与通信能力，而FPGA就设计灵活，速度快，不易受干扰，两者相互弥补其弱点，充分发挥各自的优点。

方案确定之后就要对CPU和各个模块的芯片进行选择。

常用的单片机有5l系列单片机、PIC单片机、AVR单片机。

AVR单片机是哈佛结构的，但其开发器不是全系列仿真的。

PIC单片机也是哈佛结构的，在线调试时需要经常断电重启才能连接上。

51系列单片机是应用最广泛的单片机。

如AT89C51它的机器指令周期为12个时钟周期，当晶振频率为12MHz时，机器周期为1μs，适应不了现代高速运行的需要。

华邦公司的W77和W78系列在时序方面做了改进，每个机器周期从12个时钟周期改为4个周期，使速度提高了三倍，同时晶振频率最高可达40MHz，但仍不能满足高速运行的需要。

CygnalC805lF系列单片机是集成的混合信号片上系统，除了集成了标准805l的数字外设部件之外还集成了数字采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，并且它还有JTAG接口使得调试非常方便。

其C8051F120单片机指令系统采用流水线结构，每条指令只需一个机器周期就可完成。

适合高速运行的需要。

因此在本系统中主机采用C8051F120单片机。

CycloneFPGA是目前ASIC应用的低成本替代方案，综合考虑了逻辑、存储器、锁相环和高级I/O接口，是价格敏感的最佳选择。

CycloneFPGA具有新的可编程体系结构，实现低成本设计、嵌入式存储器资源支持多种存储器应用和数字信号处理实现、片内和片外系统时序管理使用嵌入式PLL、支持单端I/O标准和差分I/O技术。

在本系统中采用Alter公司的CycloneEPlC6Q240C8，此芯片有240个引脚，其内部有90K的存储容量，6KLEBS，2个PLL，满足设计的需要。

2．5．2主要外围电路器件的选择

CPU选定后需要设计其外设电路模块，外部电路包括采样A/D转换电路、人机接口电路、时钟电路、存储电路。

（一）A/D转换芯片的选择

由于在本装置中需要记录电压电流的实际波形，所以需要对输入信号进行交流采样通过A/D转换将模拟量转化成MCU能识别的数字量。

A/D转换器的位数决定了故障录波器记录数据的准确度。

目前市场上常用的转换芯片有双积分式A/D转换器和逐次逼近型A/D转换器两种。

双积分型A/D转换器的转换速度普遍不高（通常每秒转换几次到几百次），但是双积分加转换器具有转换精度高，廉价，抗干扰能力强等优点，在速度要求不高的实际工程中使用广泛。

常用的双积分型A/D转换器有MCl4433、ICL7106、ICL7135、AD7555等芯片。

逐次比较型转换速度虽然不及并联比较型，属于中速ADC，但具有结构简单的价格优势，在精度上可以达到一般工业控制要求，故目前应用比较广泛。

逐次逼近型集成ADC芯片种类也很多，例如ADC080l、ADC0809等都是8位通用型ADC；AD571（10位）、AD574（12位）都是高速双极型ADC；MN5280是高精度ADC。

Maxim公司推出的12位高精度A/D转换芯片MAXl97，具有转化速度快，精度高，抗干扰能力强等优点，成为本系统设计的首选。

（二）人机接口电路器件的选择

人机接口电路的主要作用是完成人与装置的信息交互，主要由液晶LCD、键盘组成。

其中液晶用来显示系统的实时参数、谐波分析数据等，键盘则配合液晶显示完成整定值以及采样点数