（电力系统及其自动化专业论文）一种新型故障录波装置的研究.pdf

华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 摘要 本文针对学校和武汉某公司合作研发的录波器的现场运行情况及其存在的一 些不足和缺点，在原来装置的基础上，提出了一种新型录波装置的设计方案，并负 责完成了装置监控模块的改进设计和具体实现工作，同时也进行了基于双端录波数 据的故障测距仿真研究。装置中采用了大容量的f l a s h 存储器、基于单片机控制的 i d e 硬盘存储系统、单片机控制的基于t c p i p 协议的网络通信系统和基于双端录波 数据的故障测距算法。到目前为止，装置已经完成样机的制作和其在实验室的调试 工作。实验验证，该装置在数据记录的完整性、可靠性以及数据远传能力方面都具有 传统录波器无可比拟的优势。a t p 仿真验证，测距算法也具有较高的精度和较强的适应 | 生。 关键词：故障录波器，i d e 硬盘，t c p i p ，故障测距 a b s t r a c t a i m i n ga tt h ep r o b l e m sa n df i e l do p e r a t i o nc o n d i t i o no faf a u l tw a v er e c o r d i n g d e v i c em a d eb yac o m p a n yi nw u h a n ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dad e s i g no fan e wf a u l t w a v er e c o r d e rb a s e do nt h e o l dd e v i c e t h ei m p r o v e dd e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e d e v i c e sm o n i t o r i n gm o d u l ei sc o m p l e t e di nt h i sp a p e r ，t o o t h es i m u l a t i o ns t u d yo ff a u l t l o c a t i o nb a s e do nt w o - t e r m i n a lf a u l td a t ai s c o m p l e t e d a tt h es a m et i m e t h el a r g e c a p a c i t yf l a s hm e m o r y , i d eh a r dd i s kc o n t r o l l e db ys i n g l ec h i pp r o c e s s o r , t h en e t w o r k b a s e do nt c p i pc o n t r o l l e db ys i n g l ec h i pp r o c e s s o ra n dt h ef a u l tl o c a t i o nm e t h o db a s e d o nt w o - t e r m i n a ld a t aa r eu s e di nt h i sd e v i c e u pt on o w , t h es a m p l ed e v i c eh a sb e e n a l r e a d ym a d e ，a n dt h ed e b u g g i n gh a sb e e nc o m p l e t e d ，t o o i ti sp r o v e db yt h et e s tt h a tt h e d e v i c eh a su n e x a m p l e da d v a n t a g ei nd a t ai n t e g r a l i t y ，s a f e t ya n dt h ea b i l i t yo fd a t a r e m o t et r a n s m i s s i o n a t ps i m u l a t i o n ss h o w st h a tt h ea l g o r i t h mh a sh i g ha c c u r a c ya n d a d a p t a b i l i t y b a iq i n g g a n g ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f x i ar u i h u a k e yw o r d s ：f a u l tw a v er e c o r d i n gd e v i c e ，i d eh a r dd i s k ，t c p i p ，f a u l tl o c a t i o n 声明 y8 6 7 8 7 9 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文种新型故障录波装置的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机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 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 臼螽刚日期：坦! ：至：2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定1 作者签名：臼蠢斟 导师签名： 日 期：型! ：z日期：丝丛三? 华北电力人学( 北京) 硕士学位论文 第一章引言 1 1 本课题的研究背景和意义 电力系统故障录波装置是自动记录电力系统事故和振荡的发生、演变以及恢复 正常运行全过程的重要设备。它常年投入运行，主要用于记录由短路故障、系统 振荡、电压崩溃、频率崩溃等电力系统大扰动引起的电流、电压及其导出量，如有 功、无功和频率等相关电参数的全过程变化现象，同时，它还记录继电保护和安全 自动装置的动作行为“1 。根据录波数据和波形图，现场技术工作人员可以f 确的分 析事故原因并研究反事故对策、正确的评价继电保护及安自装置的动作情况、迅速 查明故障点并尽快恢复供电。另外，录波资料还可以帮助我们了解系统的运行状况、 发现一次设备缺陷、及时消除隐患以及研究系统振荡规律等”“。所以，多年来， 故障录波器一直都是电力系统事故分析的重要依据，对保证电力系统的安全运行以 及提高电能质量起着非常重要的作用，它已经成为电力系统自动化控制与管理系统 的重要组成部分，被喻为电力系统的“黑匣子”和电网安全运行的“心电图”。 鉴于录波装置的上述重要性，我国在继电保护和安全自动装置技术规程中 已明确规定：在主要发电厂、2 2 0 k v 及以上变电站和1 1 0 k v 的重要变电站以及相应的 输电线路，均应装设故障录波装置。在电力系统故障时快速启动，在系统振荡时也 能可靠启动，记录系统中的有关电气参数，对所录波形或记录数据进行分析。 然而，近些年来，区域互联趋势的到来和输电环境的恶化，使得各种短路故障 的发生、发展较以前都变的日益严重和复杂，也使得继电保护的技术性能和正确动 作面临着严峻的考验。在这种情况下，丰富、完整、详尽的现场实测数据尤其是故 障和非正常运行状态下的数据，对分析系统事故、提高电力系统的安全稳定运行水 平就显的尤为重要。所以，作为电力系统的主要动态记录装置一故障录波器，就成 为了当代电网故障分析必不可少的工具。随着电力系统的不断发展，它必将发挥越 来越重要的作用，同时，电网的日益复杂化也必将对录波装置提出越来越高的要求。 1 2 国内外故障录波装置的发展与应用现状 国内外对故障录波器的研制和开发已经有多年的历史。6 0 年代末，我国电力系 统已经开始应用以光电转换为原理、1 2 0 胶片为主要记录载体的故障录波器，那时 的录波器虽然存在着录波环节多、容量小、没有时标、启动带有延时、无记忆能力 等诸多缺点”1 ，但它已经在电网故障和继电保护动作行为分析方面发挥了重要的作 用。 华北电力人学( 北京) 硕士学位论文 进入8 0 年代后，随着计算机技术在电力系统的引入，故障录波装置有了更加迅 猛的发展。1 9 8 0 年，我国第一台超高压电网故障录波装置诞生；1 9 8 4 年，我国第一 台微机继电保护装置问世“1 ，历经2 0 余年，故障录波器已经从早期的机电式、光线 式和采用固态数据存储器的录波器，发展到了靠微处理器实现的录波器。这种微机 型故障录波装置较前几代有了明显的优点，其硬件采用高性能微处理器、高速a d 、 大容量存储芯片，功能上实现了多路数据采集、分时多任务的信号处理，使设备的 可靠性、记录数据的精确性得到了很大提高，基本实现了故障计时、故障类型判别 和保护动作顺序记录，并且具有数据远传和对故障数据进行后台分析等功能。如今， 这种录波器已经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。在这期间，国内外许多研究机构都先后开展了这方面的研究工作， 涌现出了很多生产厂家，如瑞士l e m 、德国西门子电气集团、许继集团公司、武汉 电力仪表厂、南京电力自动化研究院、上海继电器有限公司、南京银山电子有限公 司等。 到目前为止，故障录波装置已经成为电力系统自动化控制和管理系统中不可或 缺的一个重要设备，其生产厂家、设备类型繁多，实现手段也多种多样，但概括起 来，录波实现方法主要有以下三种”“8 “”“： 1 、在变电站和发电厂内采用集中式的故障录波器。由专门的录波装置采集重 要的电流、电压信号和继电保护、安全自动装置的动作触点等，然后进行故障判断 以及简单的故障分析，并将故障记录数据和初步分析结果送到上级调度的远方录波 主站进行进一步的处理。这种集中式录波系统在国内外电力系统中的研究和应用已 有多年历史，技术相对成熟，目前已经广泛运行于国内各高压变电站和大型发电厂 中。但是，随着电力系统的快速发展，特别是变电站自动化技术的不断进步，现有 的集中式录波的一些缺点被渐渐的暴露出来，其结构配置和组网复杂，难以集成到 现有的自动化系统中。 2 、微机继电保护装置兼有录波功能。将保护动作前后一段时间内的相关电参 数波形保存下来，传给当地录波主站，用于分析2 2 0 k v 及以下馈电线路的故障。这 种方法实际是介于故障录波和事故追忆之间的一种功能，虽然许多厂家称之为故障 录波，但它不能满足国家标准要求，不能同步记录故障线路和设备以外的其它线路 和设备的电参数波形，所以不能用于对输电网和发电机的故障录波。 3 、分布式录波系统。该系统的录波采集单元分布于各个电气间隔或各个变电 站，它们和录波分析单元通过通信网络连接成一个有机的整体，共同完成电力系统 或其中一部分的故障录波和分析功能。分布式录波系统利用现代网络通信技术，实 现了各个厂站的录波采集单元和分析单元的数据共享和相互协调控制，避免了局部 故障而引起整套录波器退出运行，充分发挥了录波数据在电力系统故障分析和自动 监控方面的作用，克服了传统的集中式录波装置的诸多缺点，是当今录波装置的发 2 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 展方向。 各厂家录波器的硬件结构也各不相同。文献【1 i l 和1 1 2 介绍了一种上( 分析站) 、 下位机( 采集站) 都由工控机构成的多微机、主从式网络结构的录波装置，在采集站 中采集卡和主机之问通过高速的p c i 总线通信，保证了数据的安全性和实时性，同 时，可扩展的存储容量满足了录波数据不断增长的要求。文献【3 、【9 则介绍了一种 利用工控机构成集中式录波装置，具有记录方式灵活、录波容量大、通信速度快等 优点。而文献【1 3 卜 1 6 】中的录波器则采用工控机和微处理器相结合的系统结构，由 单片机或d s p 构成前置采样单元，即下位机：由高性能的工业控制计算机作为上位 机单元。这种结构既充分利用了工控机丰富的软件资源和开放性好的特点，又利用 了微处理器体积小、功耗小、设计灵活的优点，使录波器性能更加可靠、配置更加 合理，成为当前录波市场的主流设备。 1 3 当前电力系统录波装置的特点和不足 故障录波装置经过了二三十年的发展，各项技术都取得了很大的进步，但从现 场运行情况来看，还存在着许多问题。1 9 9 5 年，原电力工业部电力设备及仪表质量 检测中心，曾对全国挂网运行的国产故障录波和测距装置进行了全面的测试和分 析，全部指标都合格的产品很少，反映出来的问题很严峻。1 。特别是近些年来，随 着科技的发展和电力市场的兴起，电力系统对故障录波装置的采样速度、记录长度、 记录数据的完整性、安全性等要求越来越高“”。同时，高性能集成芯片不断推出， 芯片的性价比逐渐提高。在这种情况下，现有录波装置在配置、性能和成本上的一 些不足被渐渐的暴露出来。 概括起来，目前现场运行的录波装置大多存在着如下特点和不足： l 、硬件配置复杂、通信速度慢。国内外微机故障录波装置大多采用p c z 级系 统”1 ，即即用单片机或d s p 结构作为前置机，主要任务是数据采集、计算和故障判断； 用p c 机作为后台机，负责数据分析处理、打印和存储等工作。在这种结构中，一台 前置机对应一台后台机，硬件配置重复。而且，前后台机之间多采用串行或并行通 信，数据传输速度慢，成为录波器数据通信的瓶颈，如有的故障录波装置，数据由 前台机送到后台机的时间，简单故障需要3 0 秒，1 0 9 钟的长过程记录所需时间则达 5 9 钟之多，这就使得整个系统的通道量、采样速率和记录长度受到了不同程度的 限制。 2 、可靠性较低。在传统的一对一的前后台机结构中，后台p c 机需要和前置机 一样，在相同的工作环境下实时运行。然而，后台p c 机由于受到本身结构的限制， 不适合2 4 d x 时长期实时运行，所以这种配置可靠性较低。在我国江浙一带，曾多次 发生过由于后台p c 的c p u 风扇损坏而导致c p u 过热死机的情况，因此，国内已有许 3 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 多地区的用户明确要求新引进的录波装置不能带长期不问断运行的后台工控机。 3 、随机存取器多采用静态r a m ，存储容量十分有限，成本高。当系统连续发生 多次扰动时，不可避免的造成数据丢失，从而使得装置的可靠性和灵活性受到了一 定程度的限制。 4 、系统容量小，无论是模拟量的输入、开关量的输入，还是故障数据存储容 量，冗余度都比较小，不利于增容和升级。 5 、在信息远传方面还不够完善，各厂家的通信规约不一致，对录波器的联网 带来了很大的困难。 6 、多采用单端测距方法，不能克服过渡电阻和对侧系统阻抗随负荷波动和运 行方式改变的影响。测距算法单一，很难保证在各种故障情况下测距准确。 同进口产品相比，国产录波器虽然近些年来在不断的进行改进、升级，但在稳 定可靠性、数据远传方面仍然与前者存在着一定的差距，市场受到了强力冲击。有 些厂家为保持和扩大市场份额，在继续生产国产录波器的同时，已开始代理或组装 生产进口录波器“1 。所以，现在的发展形势对国内厂家来说是很严峻的，目前，5 0 0 k v 工程有许多选用进口录波器，这说明了国产录波器已经不能很好的满足当前电网发 展的需要。 国外产品虽然在性能上有自己的优势，但针对国内目前的实际情况也存在着以 下几个问题： l 、国外录波器价格普遍偏高，使得其在电力系统中的大量安装受到一定限制； 2 、国外故障录波器售后维护方面与国产装置存在着一定的差距，从而，也在 一定程度上限制了其在中国市场的逐步推广。 总之，为了适应当前市场竞争的需要，我们必须加强新产品的开发力度，进一 步提高录波数据记录的准确性、完整性以及数据传输的可靠性、快速性。并且深入 开展基于录波数据的测距算法研究工作，提高算法本身的精确性、自适应性和鲁棒 性。 1 4 本论文的主要工作 本文针对目前故障录波装置存在的上述特点和不足，并结合学校和武汉某公司 合作研发的录波器现场运行情况以及当前计算机技术的发展状况，在该录波器的原 有基础上，提出了一种新型录波装置的设计方案，主要目标是制作一台可靠性高、 结构合理、钡, t j g e 准确的录波装置。本人主要负责该装置前置机中监控模块的改造设 计、前置机和录波主站p c 机中的通信程序的设计以及基于双端录波数据的故障测 距算法仿真研究等工作，具体有以下几个方面： l 、分析故障录波装置的研究现状，明确课题研究意义。 4 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 2 、分析原有录波装置的缺点和不足，确定改造、设计方案。 3 、设计i d e 硬盘与单片机的接口电路，编制相应的控制程序。 4 、设计r t l 8 0 1 9 a s 网卡芯片与单片机的接口电路，编制网卡驱动程序。 5 、分析t c p i p 协议体系结构，简化、设计适合单片机控制的协议体系，编制 相应的控制程序。 6 、设计、编写录波主站p c 机在w i n d o w s 环境下基于s o c k e t 的网络通信程序。 7 、分析、比较录波装置现有的各种测距算法的优缺点，选择适合录波装置的 双端测距算法，仿真和利用现场录波数据验证算法的精确度。 5 华北电力人学( 北京) 硕士学位论文 第二章录波装置的设计概述 本装罱主要是针对传统的一对一的前后台机模式录波器存在的一些特点和不 足，特别是后台p c 机不适合2 4 小时长期不间断运行、前置机数据存储容量小和通 信速度慢等问题，提出的一种高性能的录波装置设计方案。 2 1 装置的设计思想及特点 装置的设计思想是通过采用高性能的集成芯片和优化的系统结构来提高录波 器的可靠性和通信快速性，并利用最短的时间，开发出一套可以及时推向市场的新 型录波装置。基于该设计思想，本文对原有录波器进行了改进和优化设计。在装置 的数据采集模块中采用了大容量的f l a s h 存储器，来代替原来大部分的容量较小、 价格昂贵的静态r a m ，其容量可以在不增加成本的情况下达到6 4 m 以上，从而保证 了在系统连续发生多次大扰动时，装置能完整的记录每次大扰动的全过程数据；在 装置的监控模块采用了基于单片机控制的具有i d e 接口的硬盘来存储从各采集板传 送过来的故障数据，以代替录波器传统的必须实时的将故障数据通过串行或并行通 信传送到后台机存盘的数据存储方式：同时利用单片机控制的基于t c p i p 协议的 网络通信与远方录波主站进行数据传输。 这种结构模式使录波装置在故障时将数据就地存盘，在接收到远方调用数据命 令时，从硬盘中读出数据，由监控模块直接将数据通过以太网传送到远方录波主站 或调度中心，从而解决了传统录波装置的前后台机之间数据通信瓶颈问题。该结构 模式也可以将装置的后台p c 机解放出来，不需长期不问断的运行并时刻准备接收 由前置机传送过来的故障数据，只需要将后台机作为远方录波主站，定时的开启读 取数据、进行相应的故障分析并形成故障报告。同时，这也使得该录波装置成为独 立的前置采集单元，彻底地摆脱了录波器传统的一对一的前后台机模式，大大简化 了系统的结构和提高了装置的可靠性，使该装置不仅适合于集中组屏，而且还适合 于分散安装，组成分布式录波系统。 2 2 装置c p u 的选择 在整个硬件系统中，c p u 是装置的计算和控制核心。目前，随着计算机技术的 发展，高性能的数字信号处理器( d s p ) 和a r m 微处理器已经逐步在电力系统中得到 推广应用，并且，a r m 微处理器支持操作系统，可以方便的实现对硬盘和网络的管 理及控制。但为了有效的利用原有的硬件平台和软件资源，节约装置的开发时间， 6 华北电力火学( 北京) 硕+ 学位论文 本文依然选择原有录波器所采用的c p u ，即m o t o r o l a 公司的m c 6 8 3 3 2 单片机。它为 3 2 位集成化微控制器( m c u ) ，具有卓越的数据处理能力和强大的外围子系统。其 工作频率为2 5 m h z ，最大功耗6 0 0 m w ，外部具有2 4 根地址线和1 6 根数据线，可实 现位、字节、字、和双字( 3 2 位) 的传输和运算“，能够快速的完成录波装置的计 算和控制任务。 2 3 装置的硬件结构 录波装置采用3 2 位高性能微处理器m c 6 8 3 3 2 、1 4 位高速串行a d 转换器 a d 7 8 5 1 、价格低廉的大容量f l a s h 存储器k 9 f 1 2 0 8 和i d e 硬盘以及控制简单的网络 控制芯片r t l 8 0 1 9 a s ，作为核心硬件平台。整个装置采用模块化的插件结构，各模 块共同插在一个箱体内；组成一个有机的整体。它主要可以分为两个部分：数据采 集部分和监控部分。数据采集部分由若干块功能相同的数据采集板组成，每块采集 板负责同步采集1 6 路模拟量和3 2 路开关量，采集板的个数由所需要采集的模拟量 和开关量路数决定，可以根据现场实际情况方便的扩充，单台录波器最多可以配置 6 块数据采集板，所以最多可采集9 6 路模拟量和1 9 2 路开关量。数据采集模块主要 负责数据的采集、录波启动判断以及故障文件的形成。监控模块则负责与各采嶷模 块的通讯、故障数据存盘以及与录波主站或调度之间的信息传输。 这种模块化结构使录波装置具有较好的通用性和可扩展性，能够满足电力系统 的不断发展对故障录波装置现场运行的高可靠性和高性能的要求。其整体结构示意 图如图2 一l 所示。 l 髓 i 以太隧口i 监控模块 l 一一一一一一一一一一一。 图2 - 1 装置总体结构示意图 7 数据采集梗块 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 2 3 1 数据采集模块 数据采集模块主要负责输入信号的离散采样和故障的检测判断。在其配置设计 中，采用多块单片机采集板并联运行的方案。每块采集板的功能相同，独立的负责 1 6 路模拟量的同步采集、高速转换、各种故障启动判断以及3 2 路开关量的采集和变 位判断。采集板主要由前置低通滤波、采样保持( s 1 1 ) 、多路转换( m p x ) 和模数 转换( a d ) 以及微机主系统几个部分组成。装置运行时，利用被g p s 的l p p s 秒脉冲 同步的采样脉冲对各输入量进行不问断的同步采样、a o 转换。在正常情况下，将 采到的数据保存于指定的r a m 存储区，并且不断循环刷新，一旦计算的启动量满足 启动条件，就按照国家标准将故障前后各段的数据转存到大容量的f l a s h 中，同时 将故障发生信号通过双口r a m 告知监控模块。具体结构示意图如图2 2 所示。 开关基 图2 - 2 数据采集模块结构示意图 2 3 2 监控模块 监控模块负责在故障时通过双口r a m 从各采集板读取数据，并将数据以故障文 件的形式存入硬盘。然后，定时或在接收到命令时从硬盘中读出数据，通过网络控 制单元，与调度以l o m b p s 传输速率进行高速通信。它同时也接收录波主站的远方定 值修改和手动启动命令，并将相关命令下传到各采集板。其结构示意图如图2 3 所 示。 8 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 双 c 口 r 亡令 p a m 图2 - 3 监控模块结构示意图 2 4 装置的性能和记录功能 ( 1 ) 每台装置的录波容量为：模拟量6 4 9 6 路，开关量1 2 8 1 9 2 路。 ( 2 ) 采样频率为1 k h z 、5 k h z 、t o k h z 可调。 ( 3 ) 对故障波形，采用分段记录的方式，记录波形的数量可灵活设定。 ( 4 ) 开关量事件分辨率为0 1 m s 。 ( 5 ) 录波器可分别由模拟量、开关量及手动启动，各种启动方式可以同时、部 分或单独设置。 ( 6 ) 数据由单片机控制直接存入硬盘，然后经网络传送到远方录波主站。 ( 7 ) 录波主站或调度可以按照故障发生时间、故障记录时段或通道号有选择的 调用装置中所记录的故障数据。 2 5 启动方式和启动判据“铂“们“。” 针对电力系统的运行工况和异常种类特点，并结合( 2 2 0 k v 5 0 0 k v 电力系统故 障动态记录装置检测要求以及相关标准，装置采用多样性的录波启动方式，使之 具有反应系统大扰动而自启动和反应系统动态过程结束而自动停止以及手动启动 等功能。具体的启动方式主要有以下几种： l 、各相和零序电压突变量启动，整定值为：u 5 u 。，- + - 2 u ，； 2 、相电压越限和负序、零序电压越限启动，整定值为： 9 0 u 。1 1 0 ， 3 ，u o 3 u ； 3 、电流突变量启动，整定值为：她1 0 1 n ； 4 、相电流越限和负序、零序电流越限启动，整定值为：l 1 1 0 。i n ，厶1 0 1 n ， o 1 0 ，； 5 、频率和频率变化率越限启动，整定值为：5 0 5 h z ，4 9 5 h z a f ，讲o 1 h z s ： 6 、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 9 华北电力大学( 北京) 硕- 卜学位论文 波； 7 、三次、五次谐波电压启动。 8 、手动和远方启动，为了f 常运行时对各模拟量进行监控和分析，变电站或 上级调度可以对录波装置进行手动和远方启动。 2 6 数据记录时间和方式“9 装置的模拟量数据记录格式是根据d l t 5 5 3 9 4 国家标准采用分段记录的方 式，以满足运行部门故障分析和数据分析的需要。即采用a b c d e 分段模拟量采样 方式，具体如下： 卜a _ 卜b 叫_ c 叫d 叫- e 一 t = 0 图2 - 4 模拟量采样时段顺序图 图中t = 0 对应着故障发生时刻。 a 时段：对应着系统大扰动开始前的状态数据，输出原始记录波形及有效值， 记录时间大于0 0 4 s ： b 时段：系统大扰动后初期的状态数据，输出原始记录波形和有效值，记录时 间大于0 2 s ； c 时段：系统大扰动后中期的状态数据，输出连续的工频有效值，记录时间大 于1s ： d 时段：系统动态过程数据，每0 1 s 输出一个工频有效值，记录时间大于2 0 s ： e 时段：系统长过程的动态数据，每l s 输出一个工频有效值，记录时间大于 1 0 m i n ： 输出数据的时间标签( 如短路故障等突变事件) ，以系统大扰动开始时刻为该 次事件的时间零坐标。 2 7 后台机( 远方录波主站) 录波数据的记录格式m 5 1 装置后台机录波数据的汜录格式采用i e e e 标准中的电力系统暂态数据转换通 用格式，即c o m t r a d e 标准，以便于装置之间的数据共享和故障信息联网，同时， 也为利用双端录波数据进行故障测距提供了一个通用的标准格式。该标准制定了一 个存储暂态数据的通用格式，以满足各种类型的故障、实验和仿真暂态数据之问的 1 0 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 相互转换，它允许同一数据文件中有多种采样率，所以与装置的分段记录方式相匹 配。按照标准，一个完整的数据记录由三个文件组成，即引导文件、组态文件和数 据文件，具体如下。 1 、引导文件( t h d r ) 。主要记录暂念发生时周围环境的信息，它由任意长度 的a s c i i 码组成，为用户提供一个附加信息的描述样本，使读者更加方便的了解暂 态记录数据。 引导文件一般包含以下内容：故障前电力系统的描述，变电站名称，线路、变 压器的电抗、电容参数或发生暂态过程的断路器，故障线路的长度，正序和零序的 电阻和电感、电容，平行线间的相互耦合情况，并联电抗和串联电容的位置及标称 值，记录数据的系统参数，数据来源，数据记录格式等。 2 、组态文件( + c f g ) 。组态文件是为计算机程序读取和表达数据文件中的数 值提供必要的信息，它是预先定义的固定格式，也是一种a s c i i 码格式文件，以便 人工可以象计算机一样的进行阅读。 组态文件中包含的信息有：变电站名称和标识名、通道类型和通道号、通道的 名称、数据单位、转换因子、线路频率、不同采样频率数、采样频率及在该采样频 率下的采样点数、记录数据的日期及时间、数据文件类型等。 3 、数据文件( d a t ) 。数据文件包含着暂态数据的实际数值，其中的数据和 组念文件中所定义的格式完全一致。它按照所记录的通道数划分为( n + 2 ) 列，其中r l 为所记录的通道数，另外两列是指前两列的采样序号和时间序列。 c o m t r a d e 标准解决各种数字故障录波装置和数字保护以及微机测试装置中 的数据交换问题，为事故后的故障分析和故障过程模拟再现带来了极大的方便。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第三章基于单片机控制的硬盘存储系统 本章主要是介绍装置中所采用的基于单片机控制的硬盘存储系统。如第二章所 述，该存储系统主要是为了提高录波数据存储的可靠性和优化系统的结构。 3 1 传统录波装置的数据存储系统及特点 在录波装置传统的一对一的前后台机结构模式中，由于前置机只配置了容量较 小的随机存储器，不能保存多次故障数据，所以，故障时只能将记录的大量数据传 输到后台p c 机进行存盘。 在这种存储系统中，一方面，如前文所述，当后台机在长期不间断的运行过程 中出现死机时，将可能造成录波数据丢失。在我国江浙一带，由于当地湿热的气候， 就曾多次发生过由于录波器后台p c 机的c p u 过热死机( 由于c p u 风扇损坏) 而 导致录波失败的情况；另一方面，庞大的录波数据对前后台机之间的并行或串行通 信造成了巨大的压力，容易形成录波器数据通信的瓶颈问题。 此外，电力系统的不断发展对这种存储系统也造成了越来越大的压力。目前， 系统要求录波装置必须具有较高的采样率、较高的a d 精度、大的录波容量和较长 的记录时刨，这将直接导致录波数据的日益庞大。以一个具有1 6 路模拟量测量通 道的前置机为例，设a b 段的采样率为l o k h z ，若采用1 4 位的a d 转换器，每个采 样数据占2 个字节，则每秒钟需要存储的录波数据为： 1 0 k * 1 6 2 = 3 2 0k b y t e s 如果是一台典型的具有9 6 路模拟量采集回路的录波装置，则每秒钟需要存储 的数据量为： 1 0 k 9 6 2 = 1 9 2 0k b y t e s 也就是说，每秒钟要有1 9 2 m 的数据需要存储，这个数据量是非常庞大的。在 这种情况下，数据存储系统所面临的压力是巨大的。所以，为了缓解这种存储压力 和提高整个装置的可靠性，就必须改变系统结构，采用新的存储方案。 3 2 本录波装置的数据存储系统 由于以上原因，本装置设计了一种新的数据存储方案，来存储故障时产生的大 量录波数据。在该方案中，装置的数据存储系统主要包括两个部分，即数据采集模 块中的数据存储系统和监控模块中的数据存储系统。 1 、数据采集模块中的数据存储系统 1 2 华北电力人学( 北京) 硕士学位论文 目前，在数据采集模块中多采用静态r a m ( s t a t i cr a m ，s r a m ) 作为故障数据的 临时存储器，来存储转存到后台机硬盘之前的故障数据。其存储密度低，容量比较 小，成本较高。所以，为了克服s r a m 的这种缺点，本装置采用如第二章所介绍的 f l a s h 存储方案，用大容量、低成本的f l a s h 作为数据采集板中的故障数据临时存储 器，提高了存储容量，降低了成本。 2 、监控模块中的数据存储系统 对于录波装置上述的由于后台机死机而导致数据丢失的问题，一种有效的解决 方法就是在录波系统的监控模块直接将数据存盘，然后，定时或需要时利用高速的 网络接口直接向远方录波主站或调度发送数据和信息，不经后台机处理和控制。在 这种方法中，信息上网之前需要大容量的中间载体来进行存储，若采用r a m 或 e e p r o m ，会受到寻址空间、功耗、容量和体积等因素的限制，而且电路复杂、价格 也非常昂贵”，当数据量很大时，它们也往往不能胜任。而作为数据存储媒介的具 有i d e 接口的硬盘，以其容量大、接口智能化程度高、可随机访问和控制灵活方便 等优点已经越来越受到人们的重视。并且，随着电子技术的发展，单个硬盘容量已 经达到i o o g 以上，价格也比较低廉，完全可以满足长期存储录波数据的要求。所 以可以用硬盘来作为该中间载体，保证在任何情况下不因容量不足或存储速度慢而 导致数据丢失。 鉴于以上原因，本文就提出了一种基于单片机控制的硬盘存储方案，即在监控 模块利用单片机控制硬盘直接进行数据存盘，以代替录波器传统的将数据传送到后 台机进行存盘的存储方式。在该方案中，故障时存储在采集板f l a s h 中的大量的故 障数据被实时的转存到硬盘中，并按照故障文件的格式分别进行存储，远方录波主 站可以通过网络方便的调用硬盘中的数据。这样，录波器的前置机本身就可以存储 长时间的故障数据，成为独立的前置采样单元，从而也使得该录波装置不仅适合于 集中组屏，而且也适合与分散安装，组成分布式的录波系统。 3 3 硬盘控制方案的设计 3 3 1 硬盘的i d e 接口简介“” i d e ( i n t e g r a t e dd i s ke l e c t r o n i c s ) 是由c o m p a q 和c o n n e r 共同开发并由w e s t e r n d i g i t a l 公司生产的控制器接口，现已作为一种接口标准被广泛应用。它所代表的含 义是集成磁盘电路设备，所以也称a t 总线接口，l i ! a t t a c h m e n t ( a t a ) 。1 d e 接口是在 s t 5 0 6 接口的基础上改进而来的，其最大优点就是把控制器集成在驱动器内，从而 消除了驱动器和控制器之间的数据丢失问题，使数据传输非常可靠。通过i d e 接口 的数据传输可以有两种方法：通过可编程的i o ( p i o ) 和使用直接内存访问( d m a ) 。 p i o 传输模式是由处理器负责信息的传输，以扇区为单位进行数据交换，每一次访 1 3 华北电力大学( - r l 京) 硕十学位论文 问操作都必须分别对i d e 寄存器进行编程控制。由于利用p i o 进行数据传输，简单易 行，编程方便，所以，本装置采用的数据传输模式即为p i o 模式。 ( 1 ) i d e 物理接口 i d e 接口使用一条4 0 针的带状电缆来完成所有信号的连接，电缆连接器通常被 安装在带状电缆的两端用来连接主机和硬盘驱动器。i d e 接口的引脚如图3 1 所示， d o d 1 6 为1 6 根双向数据线，它们用来向寄存器组和磁盘驱动器传输数据。c s l f x ； d c s 3 f x 为片选线，它们用来选通命令寄存器组和控制寄存器组。a 0 一a 2 为地址线，用 以选择不同的命令寄存器，其它线为和计算机通用的信号线。 l2 3i 56 78 9 1 0 l l1 2 1 3 u1 6 1 8 1 9如 2 l2 2 2 3 2 2 52 6 2 72 8 艚 3 0 3 l3 2 3 3斟 3 j撕 3 抽 剪4 0 图3 1i d e , i 脚图 ( 2 ) i d e 控制器的寄存器模型 i d e 接口的硬盘驱动器中有8 个端口寄存器，统称为命令块寄存器，它用来给磁 盘驱动器发送命令并进行数据交换。另外还有一组被称为控制寄存器组，用来控制 磁盘驱动器，它们主要负责驱动器的软件复位和中断允许。这些寄存器共同描述了 控制器是如何出现在主机系统中的。各寄存器的功能如表1 所示。 4 华北电力人学( 北京) 硕十学位论文 表3 一li d e 寄存器 c s l f xc s 2 f xa 0a la 2 读访问写防问 1000o 数据寄存器数据寄存_ ；| l000l 错误寄存器特征岢存器 l 0 0l 0 扇区计数寄存器扇区计数寄存器 1o0l1 扇区号寄存器扇区号寄存器 10l00 拄面寄存器0 柱面寄存器0 l0l 0 l 柱面寄存器1 柱面寄存器1 l0ll0 驱动器磁头寄存器驱动器磁头寄存器 l0lll 状态寄存器命令寄存器 0lll0 町选状态寄存器控制寄存器 其中数据寄存器用来在主机和磁盘驱动器的缓冲区之间进行8 位或1 6 位的数据 交换，使用该寄存器进行数据传输的方式即为p 1 0 方式。错误寄存器用以保存最后 执行命令的诊断码，如果该寄存器的某位置位，则表明在启动系统、重置系统或执 行命令过程中出现了相应的错误，读取该寄存器即可获知具体的错误原因。扇区计 数寄存器保存了所读写的扇区数目，如果在传输过程中产生了错误，该寄存器就会 将尚未传输的扇区数目保存下来。扇区号寄存器、柱面号寄存器和驱动器磁头寄存 器统称为介质地址寄存器，它们共同确定要访问区段的地址信息。 状态寄存器在对硬盘的各种操作中使用非常频繁，它保存了执行最后一个命令 时磁盘驱动器的状态。每次对硬盘进行任何操作之前，都要先读取这个寄存器，以 确定磁盘驱动器当前的状态。状态寄存器各数据位的功能具体如下： o ：e r r ，表明在执行上一个命令的过程中产生了错误： l ：i d x ，表明存储介质发生了改变； 2 ：c o r r ，表明有一个可修改的错误发生： 3 ：d r q ，表明有数据请求，驱动器和主机想要通过数据寄存器交换一个字节的 数据； 4 ：d s c ，驱动器寻址完毕； 5 ：d f ，驱动器错误； 6 ：d r d y ，指示驱动器准备好接收命令； 7 ：b s y ，驱动器忙指示位。 3 3 ，2 控制电路简介 在硬盘读写控制模块中，如第二章所述，选用m o t o r o l a 公司生产的m c 6 8 3 3 2 单片机。它为3 2 位单片机，扩展方便，控制功能强大，具有2 4 根地址线和1 6 根 数据总线，支持字节、字和双字揉作，所以对i d e 接口的寄存器操作全部为总线操 1 5 华北电力大学( j 匕京) 硕十学位论文 作，十分灵活方便。此外，它与i d e 驱动器的接口电路也比较简单方便，可以直接 将其数据线和相关的地址线与i d e 接口的对应信号线相连接。具体控制示意图如图 i 所示。 图3 - 2 单片机控制硬盘示意图 3 3 3 控制程序的设计 鉴于录波数据对电力系统的重要性，程序设计参考了w i n d o w s 操作系统对硬盘 的管理原理，以充分保证整个存储系统的可靠性。但由于单片机的时钟频率和硬件 资源远小于p c 机，所以为了考虑数据存储的快速性，其原理又在操作系统的基础 上做了相应的简化，没有采用f a t 表的链式存储方式。 与操作系统的管理原理相似，本程序将整块硬盘分为三个部分，即错误扇区管 理区、文件目录区和数据存储区。其中错误扇区管理区用于记录损坏扇区的地址信 息，在写数据时，首先要判断目的扇区是否在该区中，以保证每次写操作都将数据 写进完好的扇区；文件目录区保存硬盘中文件的目录信息，如起始地址、长度、故 障数据各时段的起始时间和结束标志等，便于需要时可以根据目录内容从硬盘中读 取想要的文件，并且判断该文件是否完整；数据区则用来存放数据信息，是真正意 义上的数据存储的地方，它占据硬盘上的大部分存储空间。鉴于变电站大量的录波 数据，对上述三个区域都采用循环存储的方法，保证硬盘可以长期运行而不使重要 数据由于存储空间不够丢失。此外，由于错误区和目录区对于读写操作和数据文件 的安全极为重要，因此，对它们均采用双重化的处理措施，以提高整个系统的可靠 性。 硬盘的读写操作基本相似，流程如下： 1 6 华北电力大学( 北京) 硕七学位论文 图3 - 3 读数据流程图图3 - 4 写数据流程图 具体步骤为。”： ( 1 ) 检查状态寄存器的b s y 位是否为0 ，并且准备接收下一命令。 若b s y 位为1 ，则等待b s y 变为0 ，此时控制器才能访问其它的寄存器。否则 若该位一直为l ，即驱动器一直处于“忙”状态，则不能接收下一命令，程序将一 直处于等待状态或转入超时处理。 ( 2 ) 写命令寄存器块。 i d e 接口的8 个端口寄存器组成一个命令寄存器块，不管最终要向命令寄存器 写入什么命令，在执行命令前都要初始化该命令寄存器块。即向介质地址寄存器， 包括扇区号寄存器、柱面号寄存器和驱动器磁头寄存器写入要访问区段的地址信 息，向扇区计数寄存器写入要读写的扇区数目信息，向命令寄存器写入要发送到控 制器中的命令。读写扇区的控制命令有读扇区，命令码为2 0 h 2 3 h ：写扇区，命令 1 7 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 码为3 0 h 一3 3 h 。 ( 3 ) 读写数据寄存器。 由于i d e 接口有16 根数据线和一个1 6 位的数据寄存器，所以可以在主机和磁 盘驱动器之间进行1 6 位的数据传输。读写一个扇区只需要对数据寄存器连续执行 2 5 6 次操作，即可完成和磁盘缓冲区的数据交换。 ( 4 ) 检查命令执行结果。 状态寄存器的e r r 位记录了命令执行的成败情况。若为0 ，则表示命令执行成 功，否则说明了命令执行的过程中产生了错误，并且在错误寄存器中保存了详细的 错误信息，读取这个寄存器即可获得取具体的错误原因。然后，将错误扇区的地址 信息保存到错误扇区管理区。 在录波装置上电时，先找到最近写的文件所在的扇区地址，并判断浚文件是否 完整，若不完整，就判断已经写入了多少数据，并请求采集板进行续传。否则，在 故障时，不断地调用写子程序，将大量采样数据和其目录信息依次存入硬盘。同时， 在接收到读数据命令时，就按照命令要求调用读子程序从硬盘中读出想要的数据， 交由网络控制单元送至远方录波主站或上一级调度。 3 4 该存储方案的特点 该存储方案易于编程、控制简单、可靠性高，适用于大量数据的高速存储。其 主要特点是： ( 1 ) 以m o t o r o l a 公司的m c 6 8 3 3 2 单片机为核心，利用1 6 根数据总线与硬盘数据缓 冲器进行高速数据传输，解决了c p u 、大量录波数据和硬盘之间速度不匹配的矛盾： ( 2 ) 采用以p i o 模式对硬盘进行块操作的读写方法，大大提高了硬盘的读写