（控制理论与控制工程专业论文）柴油发电机组故障录波器的研制.pdf

- i i 摘要 摘要 故障录波器是分析电力系统故障的重要仪器，本论文在充分分析国内现有故 障录波器的结构、功能和存在问题的基础上提出了一种新型的基于 d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 矛i c p l d ( x c 9 5 3 6 ) 的故障录波装置的设计方案，该装置特 别适合于柴油发电机组构成的低压电力系统。 论文完成了基本的硬件电路设计和软件算法设计。 硬件设计方面，根据柴油发电机组数据采集和处理的实际特点，用c p l d 和 d s p 控制对六路同时采样的高速a d 转换器a d s 7 8 6 4 来完成六路交流电信号的数 据采集；机组的参数( 油温、油压、水温、缸温) 由d s p 的内置a d 来采集。这里c p l d 主要实现逻辑控制部分的作用，主要完成了采样脉冲产生、地址译码等功能。本 系统还提供了一种和l o n w o r k s 现场总线通讯的接口电路以及实现方法，这样方 便和上位机通讯。 软件算法方面，本装置研究了柴油发电机故障录波的主要启动判据，提出了 一种消除衰减直流分量的方法，并用快速傅立叶变换( f f t ) 对交流谐波进行了分 析。论文的最后还介绍了f f t 在d s p 上的实现，并在现场对柴油发电机进行了相 关故障实验。实验表明故障录波器能及时启动。 关键词：柴油发电机组故障录波器d s pc p l d 快速傅立叶变换 a b s t r a c t a b s t r a c t b ya n a l y z i n gt h es i t u a t i o n so ft h ee q u i p m e n t sf o rf a u l tr e c o r d e r sh o m ea n d a b r o a d ，a i m i n ga tt h ed e m a n do fp o w e rd e p a r t m e n ta n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，w e d e s i g n e dt h ee q u i p m e n tf o rf a u l tr e c o r d e r sb a s e do nd s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) & c p l d ( x c 9 5 3 6 ) w h i c h i se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h ed i e s e lg e n e r a t i n gs e to fl o w - v o l t a g e t h eh a r d w a r ef r a m ea n dt h em e t h o d st o c a l c u l a t i n gt h ep o w e rp a r a m e t e r sa r e m a i n l yd i s c u s s e di nt h i st h e s i s w i t hr e g a r dt ot h eh a r d w a r ed e s i g n ，w eu s et h ec p l da n dd s p st oc o n t r o lt h e a d s 7 8 6 4 ，w h i c hc a ns a m p l et h es i xs i g n a l so fv o l t a g ea n dc u r r e n ta tt h es a m et i m e ； t h ep a r a m e t e r s ( o i lt e m p e r a t u r e ，w a t e rt e m p e r a t u r e ，j a rt e m p e r a t u r e ，o i lp r e s s u r e ) o f d i e s e lg e n e r a t o r sc a nb es a m p l e db yt h ei n s i d ea do fd s p w eu s et h ec p l dt o r e a l i z es o m ec o n t r o lc i r c u i t s ，s u c ha sa d d r e s sd e c o d e rc i r c u i t sa n dg e n e r a t et h es a m p l e i m p u l s e s t h ec o m m u n i c a t i o np a r to ft h i ss y s t e mp r o v i d e st h ei n t e r f a c et ot h eu s e rb y l o n w o r k s ，a n di tc a nr e c e i v et h eu p p e rc o m p u t e r sc o m m a n d s ，s e tp a r a m e t e r sa n d t r a n s m i tt h ei n f o r m a t i o n w i t hr e g a r dt ot h es o f t w a r ed e s i g n ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ef a u l tr e c o r d e r s c r i t e r i o no ft h ed i e s e l g e n e r a t o r ；a n dw e u s et h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a l g o r i t h m ( f f t ) t oa n a l y z et h eh a r m o n i co ft h ev o l t a g ea n dc u r r e n t t h et h e s i sp u t f o r w a r dan e wm e t h o dt or e m o v et h er e d u c i n gd i r e c tc u r r e n t a tt h ee n do ft h i sp a p e r ， w er e a l i z e dt h ef f t sr e s u l to nt h ep l a t f o r mo fd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) a n d e x p e r i m e n t e do nt h ed i e s e lg e n e r a t o r r e s u l t so ft h et e s ts h o wa l lf u n c t i o n so ft h e f a u l tr e c o r d e ra r ee f f i c i e n t k e yw o r d s ：d i e s e lg e n e r a t i n gs e t ，f a u l tr e c o r d e r ，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ， c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，f f t ( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) ，- j ， 独创性声明 、主9 2 8 6 0 0 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 _ - _ _ _ _ _ 。- _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ - _ 一 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝作者躲蛰i 药签字隰却6 年乡月毕曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壹墨叁鲎 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权壹墨点鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝作者签名南j 鸯 签字隰矽莎年6 月咿 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：百谚口凤 签字日期： d 年易月6 日 电话 邮编 引言 第一章引言 1 1 柴油发电机组供电方式的优势 柴油发电机组广泛用作通信电源站、舰船电源站、移动电源站及各种应急电 源站。随着制造技术和控制技术的发展，柴油发电机组朝着高强化程度、高可靠 性、高稳定性、计算机自动控制与操作自动化、低油耗、低排放、低噪声和一机 多用等方向发展。柴油发电机组工作可靠、性能稳定，大修前无故障运行时间在 5 0 0 0 h 以上，并尽量向大修前无故障方向发展；一套机组能同时提供5 0 h z 、 2 3 0 4 0 0 v 、4 0 0 h z 、1 1 5 2 0 0 v 的电源，以适应多种需要；将先进的计算机和微电 子技术引入机组的自动控制部分，使机组能实现自启动、自动检测运行状态并整 定和调整运行参数至最佳值、自动诊断和自动处理故障以及自动并车和自动转移 负载，能进行远程智能监控。此外，现代柴油发电机组还具有低噪声和低排放的 装置等特点【l j 。 我国电力发展的主要特点是：增长快；以火电为主，其中的燃煤发电占火力 发电( 装机与发电量) 的9 0 以上，燃煤发电技术较落后；水电资源开发利用率低； 核电事业只能算刚刚起步；其它的发电技术在发展探索中。 柴油发电机组同各种发电方式之间的成功性联合要比其间可能产生的竞争 性对抗明显的多，柴油发电机组作为各种电力系统的应急( 备用) 电源是必要的， 作为某些发电系统( 例如风力发电系统) 的辅助供电成分也是十分重要的【2 6 i 。 表1 1 所示为日本能源厅对各种电力成本的比较。从表1 1 可以看出：柴油发 电机组的每千瓦建设成本和每度电的发电成本均是较低的【27 l 。 表1 1 日本能源厅对各种电力成本的比较 每千瓦建设成本费每度发电成本费 发电方式 ( 万日元)( 万日元) 石油发电( 柴油发电机组) 1 9 1 1 液化天然气发电 2 01o 煤炭发电 2 310 核能发电 319 水力发电 6 413 风力发电 5 03 2 太阳能发电 1 0 07 1 燃料电池 15 0 3 6 引言 1 2 故障录波器的作用及其发展【2 】【2 1 2 2 】【2 3 】【2 4 】【2 5 】 2 0 0 5 年8 月美国纽约大停电要求我们对电力系统的安全稳定运行引起足够的 认识。与此同时，要想在事故后能正常分析事故的原因，以便采取预防措施防止 以后类似事故发生，准确真实地再现事故发生前后的系统运行状况就显得极为重 要。故障录波器是电力网或者发电机发生故障或震荡时能自动记录的一种监测装 置。该装置监视电力系统运行状况，录波数据及波形图为现场工作人员正确分析 事故原因、研究反事故对策、处理事故、评价继电保护功能和装置运行状况提供 了正确可靠的依据。当然，在正常情况下，录波器只进行系统数据采集，发生故 障时，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，然后进行数据处理、存盘、制表、画波形及计算有效值、各序 分量、各次谐波分量等故障数据以便用户使用。故障录波器的具体作用如下： 1 、为现场工作人员分析复杂的电力系统暂态过程，校核电力系统及发电机计算 程序及参数模型提供了可靠依据； 2 、为确定故障性质、寻找故障点提供详实而有效的数据； 3 、为分析故障原因制定反事故措施，确定事故责任提供依据； 4 、可根据故障录波器动作情况的统计分析，对故障性质、故障概率统计有了科 学依据，以便制定某些技术规范； 5 、根据故降录波器对振荡过程的录波，分析振荡性质、振荡周期、振荡中心、 振荡电流等振荡参数，从而为缩短振荡时间，实现快速再同步，尽快平息振 荡提出有效的解决方案； 6 、由于发电机本身模型极为复杂，所以用数学方法精确分析其某些故障如转子 失磁等就极为困难，而工程上只需要对其故障后电气参数的变化趋势及其具 体数值进行定性分析即可，而故障录波器的使用恰好能满足此类需求。 国内对故障录波器的研究已经有很多年。6 0 年代末，我国电力系统开始应 用以光电转换为原理、1 2 0 胶片为记录载体的故障录波器；n 8 0 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1 9 8 2 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。1 9 8 4 年，法国电力系统变压器发生爆炸导 引言 致法国5 0 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8 0 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。1 9 8 0 年，我国第一台超高压电网故障故障录波 装置诞生；1 9 8 4 年，我国第一台微机继电保护装置问世，历经1 0 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。微机型故障录波器已成为发电厂、变 电站及大型工矿企业分析电网故障的主流工具，而在属于中低压的柴油发电机组 中却鲜有使用。柴油发电机组是目前应用非常广泛的发电设备，用作邮电通信部 门、财政金融部门、医院、学校、工矿企业及住宅的应急备用电源，军用及野外 作业、车辆及船舶等特殊用途的独立电源，所以对柴油发电机组的故障分析非常 重要，要求在其上安装故障录波装置的需求越来越高。本论文就是针对这种需 求开发一种适用于柴油发电机组微机型故障录波器。此装置适合柴油发电机的特 点，去除了一些现有故障录波器的不适于作移动电站和农村常用电源的柴油发电 机，从而降低了成本。 1 3d s p 技术的发展以及在电力系统中应用 自从1 9 8 5 年第一片数字信号处理器t m s 3 2 0 c 1 0 产生以来，d s p 发展大概经历 了多个阶段，形成了目前d s p 产品的三个档次：最早是以t m s 3 2 0 c 1 0 c 2 x 为代表 的1 6 比特定点d s p ，目前这类d s p 仍在广泛使用，但代之以更先进的 t m s 3 2 0 c 2 x x c 5 4 殛，a d s p 218 x 等型号；2 0 世纪8 0 年代末推出了3 2 比特浮点 d s p ，目前代表产品有a d s p 2 1 0 2 0 1 、t m s 3 2 0 c 3 x 等型号；最近几年推出了性能 更高的并行d s p 和超高性能d s p ，如a d s p 2 1 0 6 x ，t m s 3 2 0 c 4 x 和 t m s 3 2 0 c 6 7 x ，a d s p 2 11 6 0 等型号。其结构特点如下【5 l 】【5 2 】： ( 1 ) d s p 普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，比 传统的冯诺伊曼结构( 数据和程序共用一套总线) 有更高的指令执行速度； ( 2 ) d s p 大多采用流水技术，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、 引言 译码、取数、执行等步骤，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令 的执行时间； ( 3 ) 针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，d s p 大都配有 独立的乘法器和加法器，使得在同一时钟周期内可以完成相乘、累加两个运 算。有的d s p 可以同时进行乘、加、减运算，大大加快了f f t 的蝶形运算速 度； ( 4 ) 片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄存 器用于寻址，它们可以在当前访问前后自动修改内容以指向下一个要访问 的地址，并且支持循环寻址和位反序寻址； ( 5 ) 具有软硬件等待功能，能与各种存储器接口； ( 6 ) 许多d s p 带有d m a 通道控制器，以及串行通行口等，配合片内多总线结构， 数据块传送速度大大提高： ( 7 ) 配有中断处理器和定时控制器，可以方便的构成一个小规模系统； ( 8 ) 低功耗，一般为o 5 4 w ，采用低功耗技术的d s p 只有0 0 5 w ，可用电池供电， 对嵌入式系统很适合，而p e n t i u m ，p o w e r p c 等普通微处理器的功耗达 2 0 5 0 w 。 正是基于d s p 的这些优势，在高性能普通微处理器( 如p e n t i u m m m x ， p o w e r p c 6 0 4 e 等) 片内已经融入t d s p 的功能，以这种通用微处理器构成的计算机 在网络通信、语音图像处理、实时数据分析等方面的效率大大提高。而且随着 d s p 性能的迅速提高和成本价格的大幅度下降，d s p 的应用范围不断扩大，成为 当前产量和销售增长最快的电子产品之一。d s p 的应用遍及了整个电子领域，例 如：通用数字信号处理、通信、语音处理、图形图像处理、自动控制、仪器仪表、 医学电子、军事及尖端科技、计算机与工作站、消费电子等方面。 随着我国电力事业的飞速发展，传统的故障录波系统在性能方面，己不能满 足电力系统以及变电站自动化发展的要求。特别是在装置的前置采样单元中，由 于受到作为运算和控制核心的单片机在数据采集能力方面的限制，其数据采样频 率和精度无法大幅度提高，装置的启动算法以及采样数据实时处理方面，也无法 进一步运用各种新型的数字信号处理方法求全面提高和完善装置的性能。而数字 信号处理芯片作为一种为达到快速数学运算而特殊设计的新型微处理器，具有 相当强大的数拂：处理能力。它以其快速的指令周期、哈佛结构、流水操作、专用 引言 的乘法器、特殊的l i s p 指令，以及集成电路上的优化设计，使之在相同的主频下， 甚至要比目前最先进的个人计算机快1 0 5 0 倍。另p b d s p 可以不再单纯用作数据 采集，它还能同时肩负起以往由主c p u 完成的主要运算和控制功能。因此d s p 技 术与高速a d 以及现代计算机技术的结合，将可以进一步满足微机保护、自动装 置、以及故障录波等对实时性要求很高的装置的需要。因此d s p 技术在电力系统 中具有广泛的应用前景。 基于以上考虑，本课题将运用d s p 技术进行柴油发电机故障录波系统的研 制，充分发挥d s p 其在信号处理即数字运算方面的强大功能，同时结合信号监测、 处理等方面的理论，对故障录波系统的可靠启动，精确录波、灵便组网等问题进 行了研究与分析，这对保障柴油发电机构成的电力系统的安全、可靠和经济运行 有着积极和重要的作用。 1 4 论文研究的内容 基于d s p 的柴油发电机组系统动态记录装置实现对来自经过电流电压互感 器后的交流电信号和柴油发电机组的油温，水温等的数据采集和预处理，然后通 过l o n w o r k s 现场总线上传数据信息到后台机分析，同时远方调度端可远程调用 该后台分析机的数据以了解机组运行情况。而本文要完成的工作用d s p 构成的电 路完成上述数据采集和处理包括对该数据进行计算，诸! t n f f t 变换、滤波等。然 后才能对输入的变量进行故障的判断，从而启动前置机对故障数据进行录波。保 持1 0 个周波的正常数据在d s p 片外扩展的s r a m 内，故障数据通过双口r a m 与 l o n w o r k s 现场总线保存到上位机。具体而言，本论文完成以下内容：故障录波 器的硬件和软件设计、启动算法的分析以及现场实验。 1 5 小结 本章首先说明了柴油发电机在广泛存在的优势，接着讲了故障录波器的发展 以及在电力系统中应用的必要性，然后还阐述了运用d s p 技术对柴油发电机组故 障录波器研制的重要性。最后对本论文的研究内容做了阐述。 柴油发电机组故障录波系统的概述 第二章柴油发电机组故障录波系统的概述 2 1 研究的主要内容和方法 本课题主要针对柴油发电机组在各个企业单位应用广泛，要求其供电质量更 高，即对机组故障后暂态过程分析能力更强的情形下，按照国家颁布的电力系统 故障动态记录技术准则设计完成的一种适用于柴油发电机组的故障录波器。 本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、系统震 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变化现象。当然，本装置还对机组的油温的高低、水 温的高低、缸温等模拟量进行记录。本装置的特点是采样速度允许较低，一般 3 k h z 左右，但记录时间长，直到暂态过程和频率大于0 l k h z 的动态过程基本结 束时才终止。 本课题主要是前台装置软硬件的研制。在软硬件选择上经综合比较，前台装 置的c p u 选择当前t i 公司比较流行的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。这是基于数据处理的高 速要求及算法要求，还要兼顾考虑成本，采用d s p 芯片作为整个系统的c p u ，硬 件上还采用一个重要的芯片x c 9 5 3 6 ，用这个可编程逻辑器件c p l d 来实现一些逻 辑控制电路，x c 9 5 3 6 芯片属于x i l i n x 公司的c p l dx c 9 5 0 0 系列。同时考虑到现 场总线控制系统的优越性，本装置还要和l o n w o r k s 通信，将录波数据通过神经元 芯片上传至l j l o n w o r k s 现场总线。 在算法选择方面： 1 、有效值的计算主要采用较成熟的均方根算法。 2 、谐波分析方面采用全周波傅立叶算法，尽管它有所需数据较多、响应时间较 慢的缺点但也基本符合装置的要求，并利用其在复频域的d f t 变换，及采用 其高效的f f t 算法可高速实现对其谐波的分析。 2 2 数据采集的主要技术指标 2 2 1 输入信号 1 、模拟量输入信号：3 路电流、3 路电压、机组油温、水温、油压、缸温各一 路。 柴油发电机组故障录波系统的概述 2 、交流电压有效值：u n = 2 2 0 v ，允许过电压1 5 u n 。 3 、交流电流有效值：i n = 5 a ，允许过电流2 0 i n 。 4 、输入频率：3 0 8 0h ， 2 2 2 采样指标 l 、采样速度：3 2 0 0 点秒 2 、采样方式：同步采样 3 、 谐波分辨率：3 1 次 4 、 电压电流波形采样精度： 0 5 5 、 频率分辨率：0 0 2 h z 2 2 3 数据记录时间和方式及采样速率 故障录波模拟量记录过程应该符合d l 厂r 5 5 3 9 4 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，以适应分析数据的要求，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a b c d e 分段模拟量采样方式，如图2 1 所示。 系统大扰动开始的时刻 图2 1 故障录波模拟量记录格式 a 时段：记录系统大扰动开始前的状态数据，输出原始记录波形，记录时间 0 0 4 s 。 b 时段：记录系统大扰动初期的状态数据，可直接输出原始波形记录，记录时 间0 1 s 。 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 o s 。 d 时段：记录系统动态过程数据，每o 1 s 输出一个工频有效值，记录时间2 0 s 。 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1 0 m i n ， 直到故障或震荡结束。在c ? d e 段中若有突变量越限，应从b 段重新 记录。 柴油发电机组故障录波系统的概述 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 2 4 启动方式 1 、各相相电压、相电流及零序电压、零序电流突变量启动； 2 、各相相电压、正序电压、负序电压、零序电压、相电流、负序电流、零序 电流越限量启动； 3 、逆功率启动； 4 、频率变化率与越限启动： 5 、水温、油温、缸温、油压低限或者高限启动； 6 、开关量启动； 7 、发电机失磁、过励、欠励启动。 2 3 系统的整体结构概述 本设计运用d s p 技术进行柴油发电机组故障录波装置的研制和开发，充分发 挥其在信号处理及数字运算方面的强大功能，研制一套启动可靠、录波数据精确、 组网灵便的新型故障录波装置。本装置的研制将弥补目前故障录波装置的不能应 用于柴油发电机组的诸多不足，同时完善和满足其运行中对录波数据及装置提出 的各种要求。在本课题中，核心芯片采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 和x c 9 5 3 6 。这是从 本设计的实际要求出发而考虑的。由于数据处理的高速要求，以及算法的要求， 并考虑成本，采用了d s p 器件来作整个系统的c p u 。基于产品成本和测量精度的 考虑，我们选用的d s p 芯片是t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。为了达到电路保密以 及减小系统的p c b 面积，采用可编程器件c p l d 来实现一些逻辑控制电路， x c 9 5 3 6 芯片属于x i l i n x 公司的c p l dx c 9 5 0 0 系列。 系统主要由数据采集电路及可编程逻辑控制芯片、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( d s p ) ， 硬件监控电路、数据通信接口等部分构成。主要完成了对机组数据的采集、计算、 以及分析，用现代高速数字信号处理方法实现了对柴油发电机组的故障分析。在 具体的实现上，主要解决了强电到弱电的转换、多路信号的同时采集、看门狗、 谐波分析等问题。基本原理如图2 2 所示。 柴油发电机组故障录波系统的概述 l o n w o r k s 总线 图2 2 故障录波装置的原理框图 三相电压、电流经过p t 、c t 后转换为小电流，经过信号调理电路以后变为 0 v 计5 v 的电压进入六通道的a d 转换器。电压信号经过频率测量电路再至i j d s p 的捕捉端口完成频率的测量。同时频率信号再经过锁相环电路6 4 倍频，从而在需 采集信号的一个周期中产生6 4 个脉冲，利用此脉冲信号作为d s p 的外部中断信 号，可以快速启动a d 进行转换，进行高速数据采集。然后f l q d s p 完成f f t 运算 以及机组参数的计算并进行各种判断，并将需要的数据存贮于r a m 中。c p l d 在 这里完成r a m 、a d 、d s p 、双v i r a m 的逻辑控制等功能。油温、水温，油压， 缸温等变量经过2 4 0 7 a 1 内置的a d 进行模拟量的采集。如果判断读出的数据值越 限，满足启动条件则自动启动录波，也可由手动或远方启动录波。如果不满足设 定的启动判据，则故障录波器不启动，继续进行数据采集及监测。启动录波后按 照a 、b 、c 、d 、e 五段记录录波数据，在c 、d 、e 段中若有突变量越限，应 从b 段重新记录。在动态过程结束后自动停止记录。本系统还提供了可编程万年 o 柴油发电机组故障录波系统的概述 历时钟芯片s d 2 0 0 0 ，能对故障出现的时间进行记录。人机接口部分用于显示故 障数据以及定值的整定。 同时系统的录波数据通过l o n w o r k s 总线上传至控制中心处理机，这样就可以 减轻数据存储的压力，克服了一般录波系统普遍存在的数据传送瓶颈问题，同时 上位机也能对录波装置进行管理和监视，如发现异常，将及时发出告警信息。当 录波装置检测到有故障时，就将录波数据和初步的故障分析结果通过总线传送给 上位机。上位机将其整理并以文件格式保存，并进行波形分析，由故障录波图可 判断故障性质( 相间短路，接地等) ，并根据电流、电压等录波量推算故障点位 置和时间以及故障特性，根据需要还可以将故障数据及分析结果打印输出：上位 机也可以发出启动定值和手动启动命令传递给录波装置。这样通过现场总线就提 高了整个装置的自动化水平，有利于事故判断及事故处理和运行人员对故障装置 进行监视。 2 4 小结 本章对整个柴油发电机故障录波系统功能作了简单的介绍。先提出了研究的 方法和内容以及故障录波的启动判据和数据采集系统的性能指标，最后对系统的 整体结构做了阐述。 1 0 故障录波器的硬件设计 第三章故障录波器的硬件设计 硬件电路是故障录波器工作的基础，它设计的好坏，将直接影响到装置功能 的实现。硬件电路的设计要求围绕故障录波器功能的要求进行，设计时应充分考 虑加强其自身的抗干扰性能。本章主要介绍故障录波器的硬件电路设计。 3 1 硬件设计准则 故障录波器的硬件设计围绕其功能进行，同时要求遵循以下准则： ( 1 ) 软硬件合理划分：系统中软件和硬件在逻辑功能上是等效的。具有相同 功能的微机应用系统，其软硬件功能分配可以在很宽的范围内变化。系统的软硬 件功能分配要根据系统的要求而定，提高硬件功能的比例可以提高速度、减少所 需的存储量，有利于监测和控制的实时性。相反，提高软件功能的比例可以降低 硬件的造价，提高灵活性和适应性，但相应速度要下降，软件设计费用和所需的 存储器容量要增加。划分的原则是在满足系统实时性及可靠性的前提下，系统功 能尽可能用软件来实现。 ( 2 ) 简化设计：硬件设计时尽可能选用集成电路，少用分立元件，这样有利 于提高系统的集成度，减少元器件之间的连线、接点和封装数目，从而大大提高 系统工作的可靠性。 ( 3 ) 模块化设计：硬件设计根据预期实现的功能划分为若干功能模块，尽可 能选用模块化结构的典型电路，各模块间的联系力求松散，以便于硬件发生故障 时的检修。 ( 4 ) 防干扰设计：测控单元工作现场环境比较恶劣，在硬件设计时必须具体 分析可能的干扰来源，并采取相应的硬件抗干扰措施来抑制干扰，以增强自身工 作的稳定性。 3 2 主要硬件电路介绍 3 2 1d s p 器件 目前，d s p 已经广泛应用于高速自动控制、图像处理、通信技术、无线电、 语音处理等领域：d s p 为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。与普通的 m c u 卡 i 比，d s p 芯片放弃了冯诺依曼结构，采用程序存储器总线和数据存储器 故障录波器的硬件设计 总线分开的改进的哈佛结构，独立的程序和数据存储器空间允许同时存取程序指 定和数据，因而大大提高了处理速度。在改进的哈佛结构的基础上，d s p 芯片广 泛采用流水线操作减少指令执行时间，从而进一步增强了处理器的数据处理能 力。目前，应用最广泛的d s p 是t i ( 德州仪器) 公司的产品，占到全球市场的6 0 左右，并广泛应用于各个领域。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片作为d s p 控制器2 4 x 系列的 新成员，是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 t m 平台下的一种定点d s p 芯片。 3 2 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 芯片结构简介 在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 有以下一些特点【3 0 】： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的 功耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提 高了控制器的实时控制能力。 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序r a m ， 5 4 4 字双口r a m ( d 吼m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反相器控制； p w m 的对称和非对称波形；当外部引脚厨面j 丽反出现低电平时快速关 闭p w m 通道；可编程的p w m 死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉 冲；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路：1 6 通道a d 转换器。 可扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 ) 总共1 9 2 k 字空间；6 4 k 字程序存储器空 间：6 4 k 字数据存储器空间；6 4 k 字i o 寻址空间。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触 发两个8 通道输入a d 转换器或1 6 通道输入的a d 转换器。 基于锁相环的时钟发生器。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。 5 个外部中断。 当然还有c a n ，s c i ，s p i ，由于本装置没有用到它们所以不过多介绍。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制器是所有2 4 0 x 控制器中一种功能最全的控制器，2 4 0 7 a 控制器上有该系列所有的信号。 故障录波器的硬件设计 3 2 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 在本装置中功能概述 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是前置录波系统的核心，频率经过测量电路被d s p 的捕捉 口c a p 2 所捕获，这样就可以测的电压和电流的频率，就可以对频率的故障做相 应的判断；同时频率还经过锁相环倍频电路( 主要由c d 4 0 4 6 和c d 4 0 4 0 组成) 输出端与d s p 的x i n t l 相连，产生中断信号快速启动a d ( a d s 7 8 6 4 ) ，取得电 压和电流序列，经过d s p 的处理，以方便系统对它们的故障作出判断。另外， 柴油发电机组的状态参数( 如缸温、油温等) 经过滤波电路进入d s p 的内置a d 端， 同样d s p 也进行处理。以上这些参数配合键盘输送到l c d 显示。另外，要使上 述参数能经过l o n w o r k s 总线上传给上位机，d s p 还需与l o n 模块通讯。 3 2 2p t 和c t 信号调理电路部分 本课题研究的柴油发电机组中所用的发电机为中小型发电机，其标定电压为 4 0 0 v ，采集电压的时候先要经过电压互感器。这里的电压互感器选s p t 2 0 4 a ， 它实际上是毫安级电流型精密电压互感器，它外型精密小巧，具有高隔离度耐冲 击的全树脂密封。输入额定电流为2 m a ，输出额定电流也为2 m a ，所以在输入端必 须串联电阻。p t 信号调理电路如3 1 所示。 图3 1p t 信号调理电路 这里只画了a 相电压部分，假如输入交流电压有效值为2 2 0 v 的话，r 4 就 故障录波器的硬件设计 选1 1 0 k ，如果输入电压为3 8 0 v 的话，r 4 就选1 9 0 k 。上述电路中没有考虑滤波 电路，原因是我们要对交流电压和电流进行谐波分析。使用运算放大器o p 0 7 能 使电路取得较高的精度和较好的稳定性，o p 0 7 的电源电压取一+ 1 5 v 。而v r 7 的作 用在于调零，既当a 相输入电压a p h a s e l 为零的时候，调节v r 7 使输出a v o t 为零。上述电路分析如下：假设流过r 1 0 的电流为f ，u 3 a 的3 端电压为v 3 则 。a v l 一v 3v 3 一v r e f 有：矿2 矿 o y 3矿3 一a v o t = 一 尺4 4r 4 8 ，a v l = 一( m o + v r 7 ) i l ， 而a p h a s e l = r 4 f ，。经计算，可知a v o t 端的电压在0 - - - + 4 5 v 之间。所以，如 果知道a v o t 端的电压值，a 相相电压就求出来了。这里a p h a s e l 就是a 相相电 压。3 1 图中最后那个l f 4 4 4 ( u 3 c ) 起电压跟随的作用。a v o t 直接和a d 模 块a d s 7 8 6 4 的输入电路相连进行a d 转换。同理，b 相和c 相相电压的采集调 理电路也和a 相一样。注意图中n p h a s e 为零线。v r e f 取+ 2 5 v 的电压。 三相交流电流的有效值信号一般为5 a 左右，所以c t 的信号调理部分中电 流互感器选s c t 2 5 4 a k ，其输入额定电流为5 a ，额定输出电流为2 5 m a 。c t 的 信号调理电路如图3 2 ，这里只画了a 相采集电流部分。 图3 2a 相c t 信号调理电路 可以看到电路和电压采集电路基本相同，所不同的地方在于s c t 2 5 4 a k 的 故障录波器的硬件设计 输入端没有输入电阻。其输入电流与输出电流为2 0 0 0 ：1 。假设输出电流为f 的 话，那么电路分析结果和上述电压采集电路一样的。即已知a c u r 端的电流就 能求出c t a l 端的电流，即a 相输入交流电流。图中c t a l 和c t a 2 为a 相上 任取的两个点。b 和c 相电流信号采集电路和a 相一样。a c u r 端直接和 a d s 7 8 6 4 输入电路相连，进行a d 转换。 3 2 3a d 转换电路 本装置包括两个部分的a d 转换电路：外接a d 模块a d s 7 8 6 4 和d s p 自带的 a d 。前者负责三相电压和电流的采集，而后者负责采集柴油发电机组的状态参 数( 油温、水温、油压、缸温) 。 3 2 3 1a d s 7 8 6 4 a d s 7 8 6 4 是德州仪器( t i ) 公司b u r r b r o w n 产品部推出的快速6 通道全差分输 入的双1 2 位a d 转换器。它能以5 0 0 k h z 的采样率同时进行六通道信号采样。本系 统采用6 4 点采样，电力系统的频率则为5 0 h z ，如果系统要求处理31 次谐波，那么 带宽应为9 6 8 7 5 k h z ，而a d 7 8 6 4 的最高采样频率为5 0 0 k h z ，因此完全够用，特别 适用于马达控制和电力监控。a d s 7 8 6 4 的六路输入通道可以分成三对，以分别用 于机组的三相电压和三相电流的输入，并可将模拟信号转换成d s p 或微处理器所 需的数字信号。输入到片内六个采样保持放大器的信号经过全差分可在a d c 输 入期间被保持，以使其在5 0 0 k h z 时仍然提供高达8 0 d b 的良好模抑制比，这一点 对高噪声的输入噪声抑制可起到非常重要的作用【l o 】。 a d s 7 8 6 4 由两个可以同时工作的1 2 位a d 转换器、六个采样保持器、一个内 部+ 2 5 v 参考电源和含有6 单元f i f o 寄存器的高速并行接口组成。6 路模拟输入分 a 、b 、c 三的通道，每一个a d c 有三个输入a 0 、b 0 、c o 及a 1 、b 1 、c 1 ，相对 应的每一组输入能够同时采样并同时进行转换。每一个信号通道有一个保持信号 ( h o l d a ，h o l d b ，h o l d c ) ，将这三个信号相连可允许6 路同时采样。转 换器的动态范围是由参考电压决定的，a d s 7 8 6 4 可以工作在1 2 伏到2 6 伏的参考 电压范围内，相应的输入范围应该是以参考电压为中心，相应的输入范围应该是 以参考电压为中心。f 范围内。若选用内部+ 2 5 v 的电源做参考，则转换范围 为0 至, j 5 v 。待测信号必须转换到此范围内，才能输送到d 转换器。 模拟信号输入一般有两种方法，即单端输入和差分输入。单端输入时i n 输 故障录波器的硬件设计 入端保持在共模电压，+ i n 输入模拟信号；差分输入时，输入信号的幅值为+ i n 和i n 输入的差。双极性输入的信号，如士2 5 v ，i s v , + i o v , 可以通过如下的图3 3 电路将其转换成0 v , - 一5 v 的输入范围。 由于c t 和p t 信号调理电路的输出电压在0 4 5 v 的范围内，就没有必要使用 图3 3 的电路。 a d s 7 8 6 4 的工作频率最大为8 兆，在本系统中使用外部振荡电路产生。如下 图3 4 所示。 r 1 双援性铀 双极性输入电压 r 1r 2 士1 0 v1 k5 k 土5 v2 k1 0 k 土2 5 v4 k2 0 k y 2 图3 3 双极性转换电路 d v c c 1 4 v d do u t d 叫g n d 丰：7 明 g n dn c 掣- 垒里坠垦 2 0 1 3 b l d8 0 m h z 图3 4a d s 7