（电力系统及其自动化专业论文）基于arm和linux的故障录波装置设计.pdf

华北电力人学硕十学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于a r m 和l i n u x 的故障录波装 置设计，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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丕眨宝翌日 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。 c 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：邀。盗翌 日 期：冱翌23 导师签名：重趁丝 日期：迎7 岁 华北电力大学硕十学位论文 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电力系统电气参数和动态过程记录的重要设 备，它不仅可以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动 引起的系统电流、电压、有功、无功以及系统频率的全过程变化现象【l 】，也 可以记录电力系统正常运行时的有关电气参数。录波装置所记录的录波数据 为电力系统故障分析及对各种保护动作行为的分析和评价提供了主要依据， 在事故的调查和分析中发挥着重要的作用【2 1 。另外，故障录波装置还用于了 解电力系统暂态过程中系统各电气参数的变化过程，以及检验电力系统计算 程序及模型参数的正确性。所以，多年来，故障录波装置一直都是电力系统 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 l o 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p j 。 然而，近几年来，随着跨区跨省电网互联及电力调度、全国联网格局的 形成以及交直流混合电力系统的出现，使得输电结构和环境更加复杂和恶 化，也直接导致各种短路故障的发生、发展以及影响较以前都变的日益严重 和复杂，相应得给继电保护及安全自动装置的技术性能和正确动作带来了严 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，电力系统故障录波装置作为电力系统的主要动 态记录装置，就成为了现代电网故障分析必不可少的工具。随着我国电力系 统结构的多元化发展以及特高压电网的建设，系统对故障录波装置的性能要 求越来越高，与此同时，计算机硬件技术的飞速发展和符合各种要求的自动 装置硬件平台( 如嵌入式平台等) 的工业化为故障录波装置符合上述要求提 供了可能，也为故障录波装置的性能提升提供了机遇。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 故障录波器在电力系统中的作用f 4 1 1 正确分析事故的原因并研究对策 一个电力系统往往连接着广大地区的多个发电厂和变电所，当系统发生 事故时，除继电保护和自动装置动作切除故障外，还需尽快查明故障原因， 以便确定防止事故的对策。但是如无故障录波，就不可能得到可靠的直接数 据，因此，在分析事故时，不得不进行假设或推测，这样常常前后矛盾，难 以解释。特别是当保护装置发生拒动或误动而扩大了事故时，情况就更加复 杂。同时，再加之发生事故时，现场值班人员忙于处理事故，未能正确地记 录继电保护和自动装置的动作情况，就会给分析事故增加困难甚至造成混 乱。而当有了故障录波时，通过录取的各故障波形图的对照显示，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，这样就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。 2 正确评价继电保护和自动装置的工作 当电力系统发生事故时，继电保护装置虽然动作跳闸，切除了故障，但 有时可能出现几套保护装置同时动作的情况，其中有的保护装置是正确动 作，而有的则可能是误动作。如无故障录波分析而单凭保护屏上的信号继电 器来表示故障情况，当保护屏上的信号继电器发生异常，例如信号继电器卡 住或拒动时，甚至有些地方还发生过保护装置检验后忘投信号电源的情况， 以至线路发生瞬时性故障时，保护装置虽动作正确动作跳闸并重合成功了， 但保护屏上的信号继电器却毫无表示，如同保护装置从未动作过。因此，仅 凭保护装置的信号表示，有时并不能正确评价继电保护和自动装置的工作。 相反有了故障录波，通过对录波信息的分析就可以正确评价或校验继电保护 装置工作的正确性。特别是当发生转换性故障时，更需要通过对录波信息的 分析来正确评价继电保护和重合闸装置的工作情况。 3 帮助寻找故障点 根据资料统计，在超高压线路上，接地故障约占9 5 左右。每次事故发 生后，一般均需及时巡线找到故障地点并进行处理，以保证线路安全供电。 对于长线路，特别是经过山区的长线路，例如一些大型水电站的出线，一般 均经过较长的山区，而山区往往交通不便，巡线非常困难，劳动强度很大。 如无故障录波提供故障点信息，即使交通方便的平原地区，遇到恶劣天气时 发生故障，全线巡线也很辛苦。有了故障录波器，不仅可以利用所录波形图 迅速判明故障类型和相别，而且还可以利用录波信息提供的零序短路电流 2 华北电力人学硕十学位论文 值，较准确地计算出故障地点，这样就缩小了巡线范围，减轻巡线的劳动强 度，同时有利于迅速寻找故障点消除故障，及时恢复供电，减小经济损失。 4 发现继电保护和自动装置缺陷，以便于改进和完善 在发电机组和超高压线路上装设的继电保护和自动装置接线回路的设 计上，虽然经过认真细致的研究，仍可能有不合理或考虑不周的地方，这些 问题在做各种模拟试验时甚至在运行中都不容易发现，但在电力系统发生事 故时，就会造成装置的拒动或误动。如无故障录波，这类问题有时很难发现， 很难及时改正，结果就可能重复发生类似的误动或拒动现象。有了故障录波， 利用录波信息，经过分析，就可以发现装置中潜在的缺陷和问题，及时消除 并改进装置的接线。 5 发现一次设备缺陷，及时消除隐患 在电力系统中，有的一次设备例如高压断路器存在缺陷，平常很难发现， 而这些缺陷将在不同程度上危及电力系统的安全运行。在我国某电力系统 中，曾从故障录波装置所录波形图中发现：a p f 型断路器断不开电容电流， 导致头问多次点弧，结果使快速重合闸重合不成功fb b - - 2 2 0 型断路器断电 时间缩短，去游离时间不足而造成重合闸重合不成功；有的断路器断开时产 生过电压导致电弧重燃，经检查发现触头烧损和消弧室并联电阻烧坏：还曾 经发现有的断路器合闸时多次跳跃。因此，通过对所录波形图的分析，可以 及时发现这些隐患并予以消除，使电力系统能够安全稳定地运行。 6 提供转换性故障和非全相运行再故障资料 在电力系统运行中，机组内部或同一线路上有时在很短时间内可能会发 生由一种类型故障转换为另一种类型故障的现象。例如由于发电机外壳接 地，发电机容易发生单相接地，如不及时处理则可能发展为匝问短路或相间 短路故障；在使用综合重合闸时，当发生单相接地故障时，故障相两侧跳开 后，在非全相运行过程中可能又发生故障。由于这些情况是发生在很短时间 内，值班人员很难及时发现，主控室内的仪表也很难反映出来，如无故障录 波就很难了解这些情况，也很难判断继电保护和自动装置能否适应此种情 况。我国故障录波器投入运行以来，积累和提供了许多这方面的资料，从这 些资料中，可了解线路故障时的故障类型转换和非全相运行过程再次发生事 故的情况、特点和时间等等。 7 了解系统运行情况，迅速正确地处理事故 联接众多发电厂和变电站的电力系统，当发生事故后，继电保护装置动 作，有时跳开一回或几回线路，有时还可能联动切除某个发电厂的发电机组， 严重的甚至可能造成地区电力系统崩溃。有了故障录波器，从所录波形图的 3 华北电力大学硕+ 学位论文 电气量变化曲线中，就可清楚地了解系统的运行情况并迅速判明事故原因， 及时正确地处理事故，迅速地恢复供电，缩短停电时间，减小经济损失。 8 实测系统参数 电力系统中有的元件如变压器、架空输电线，可用试验方法测得其参数。 但有的元件如y ，y ( 全星型) 变压器的零序阻抗，因是非线性值，故其参 数很难用一般试验方法测得；若有故障录波器，我们即可利用故障录波装置 在故障时记录的电气量( 零序电流和零序电压) 来实测全星型变压器的零序 阻抗值，并且从所录波形图上也可直接看到由于零序阻抗非线性而造成的零 序电压波形的畸变。因此在系统故障时录波信息提供的全电流、全电压、功 率和相序电流、相序电压等数值，不仅可核对系统参数和短路电流计算值的 正确性，而且可实测某些难以用普通试验方法得到的元件参数，以便及时修 正有关参数，为整定计算和判断故障点提供可靠数据。 9 分析研究系统振荡问题 电力系统由于动态稳定破坏、静态稳定破坏、非同期合闸未能拖入同步 及发电机失磁等原因均可能引起系统振荡。当系统发生振荡时，发电厂或变 电所内的仪表虽有摆动反映，但不能体现具体数据，更不能显示一些参数的 变化规律。而故障录波器所录波形图则可提供系统振荡从发生、失步、同步 振荡、异步振荡和再同步的全过程以及振荡周期、电流、电压等参数的特征 和变化规律。因此，利用录波信息，可帮助分析和研究系统振荡问题，以确 定处理方法，缩短振荡时间，实现快速再同步，尽快平息振荡。同时，从系 统振荡过程的分析研究中，可提供设计和改进继电保护装置的依据。 1 0 研究电力系统内部过电压 电力系统由于故障和操作常常引起内部过电压。内部过电压一般可分为 谐振过电压、操作过电压和弧光接地过电压。谐振过电压是由系统电感和电 容组成的谐振电路，当满足一定的条件，就可能激发持续时间较长的铁磁谐 振过电压。操作过电压主要是操作高压断路器时改变了系统参数，产生电磁 振荡暂态过程而引起的。弧光接地过电压则是由间隙性接地电弧引起的。很 多内部过电压的发生具有随机性质，难以预测和准确计算。内部过电压一旦 发生常常造成严重后果。而过电压的出现，有的持续时间较长，有的持续时 间则较短，特别是伴随电力系统故障的持续内部过电压，具有突发事故性质， 既不能事故前作好试验准备，也难以事故后模拟，因此很难得到发生内部过 电压时的真实数据。而利用故障录波或按特殊要求加快了记录速度的故障录 波，即可记录下发生内部过电压时的波形曲线。为分析研究系统内部过电压 问题，为确定限制内部过电压的措施提供依据，以保证电力系统的安全运行。 4 华j e 电力大学硕士学位论文 1 3 故障录波装置的发展过程和应用现状 故障录波器是电力系统发生故障及振荡时能自动记录各个模拟量、开关 量数据的一种装置，正常情况下不启动或只进行数扫描，发生故障或振荡时 进行录波，并记录故障前后全过程的电压、电流、功率变化及继电保护动作 情况等，从而为分析事故提供科学依据。因此，这种装置对提高系统安全运 行水平极为重要1 5 j 。 到目前为止，故障录波装置已经历了多次更新换代。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【6 】。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【7 】，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微机一数字式故障录波装置。微机一数 字式故障录波装置较前几代具有明显的优点，其硬件采用高性能微处理器、 高速a k d 、大容量存储芯片、快速网络通信，同时配合功能强大、软件资源 丰富的后台p c 机，在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、保护动作顺序记录等功能，并且具有数据远传和对故障数据 进行后台分析等特点。如今，这种录波器已经成为电网故障信息记录的主力， 其功能强、可靠性高等优点大大提高了电力网络的监测运行水平，也方便了 运行人员对电厂、变电站的微机监测，提高了系统的安全运行水平。 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【3 1 【9 】【1o 】【1 1 】： 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、继电保护和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。但是随着变电站自动化技术的不 断进步，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 华北电力大学硕十学位论文 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展方向。 各厂家录波器的硬件结构也各不相同。文献【1 2 】和【1 3 】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间通过高速的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 1 4 】、【l o 】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 5 】 1 8 】中的录波器则都是 利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、配置更加灵活合理， 成为当前录波市场的主流设备。 1 4 故障录波器当前存在的问题 进入9 0 年代以来，随着计算机技术的飞速发展以及工业自动控制领域 的强劲需求，用于工业级自动控制装置的专用微处理芯片获得了高速发展， 同时大量应用于各种实际工业场合并发挥了巨大作用。在此情形下，各种硬 件架构和指令系统的微处理器层出不穷，形成了百花齐放的局面。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都逐渐暴露出来。 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 、可靠性低。在传统的一对一的结构中，后台p c 机要求和前置机 在相同的工作环境下同时运行。然而，由于后台p c 机自身部件 的机械强度限制，使其不适合每天2 4 d , 时长期运行，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 6 华北电力大学硕十学位论文 c p u 风扇损坏而导致c p u 过热死机的情况，因此，研究不带有机 械装置并保持长期连续运行，同时又能实现后台p c 机各种软硬 件功能的替代装置显得尤为必要和迫切。a r m 和l i n u x 的嵌入 式平台为这种实现提供了可能。 2 、在分析软件的设计上，目前p c 后台机普遍的是基于w i n d o w s 操作系统作为开发平台，w i n d o w s 操作系统要求的系统容量过 于庞大，对硬件要求过高，不适合应用于嵌入式工控机中，同时 它的稳定性比较差也是导致后台p c 机出现死机等不稳定情况的 主要诱因，而且正版软件价格昂贵，使的开发成本过高。 3 、通信速度慢。由于现今我国电力系统要求故障录波装置能够记录 故障前到系统恢复正常运行全程的系统模拟量和状态量，记录时 间长达几十m i n ，若采用i e e e 的c o m t r a d e 格式记录，录波数 据文件可达几千k b y t e 。以现有故障录波装置的这种p c 一- - 级系统 为例，使用一台前置机对应一台后台机的结构进行串行或并行通 信将使得数据传输速度缓慢同时没有通讯保证，成为录波器数据 通信的瓶颈。即使采用前后台机总线连接和双口r a m 缓存等措 施可以减缓系统负担，但是效果并不理想。 4 、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一定程度的限制。 5 、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； 总之，为了适应当前市场竞争以及产品自身完善的需要，我们必须加强 新产品的开发力度，在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、快速性等基础上，进一步提升装置的人机交互界面友好性，软件资 源的易用性以及丰富的控制功能。利用出现的各种新技术和新产品，努力改 善原有产品的先天不足和后天缺失，使在故障录波装置尽善尽美。同时深入 开展基于录波数据的测距选相算法研究工作，提高算法本身的精确性、自适 应性和鲁棒性。 1 5 本论文的主要工作 本论文针对故障录波装置上述的各种缺点和不足，尤其是针对前置机及 后台p c 机的缺陷，利用最新的嵌入式技术和最新的嵌入式芯片，将嵌入式 系统和嵌入式l 1 n u x 操作系统应用到故障录波装置。主要目标是制作一台 7 华北电力大学硕七学位论文 高可靠性、高实用性、人机交互简便、结构合理、选相准确以及低成本的故 障录波装置。 本人主要负责该装置数据采集模块的嵌入式系统设计和硬件调试、监控 模块的嵌入式系统设计、搭建及调试、监控模块的嵌入式l i n u x 移植和改 造、监控模块的嵌入式l i n u x 操作系统下各种硬件的驱动程序开发和调试 以及基于对称分量选相算法的故障选相算法研究等工作，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； 2 、分析原有录波装置的缺点和不足，确定改造、设计方案； 3 、调研评估多种单片机芯片和嵌入式系统芯片，在分析以往故障录波装置 单片机硬件系统缺陷的基础上，结合现有硬件技术，选取三星公司基于 a r m 9 技术的s 3 c 2 4 1 0 芯片作为故障录波装置的核心芯片。 4 、引入嵌入式实时操作系统m i z i l i n u x ，将其移植入$ 3 c 2 4 1 0 芯片为核心 的监控模块硬件平台，调试和开发该操作系统的软硬件资源，使之分别完 成不同的功能，使程序具有较高的可移植性，从而能够提高软件的可重用 性，减少软件的重复开发，提高研发效率。 5 、设计了t f t - - l c d 液晶显示器与$ 3 c 2 4 1 0 a 的硬件接口电路，开发了 l i n u x 操作系统下的驱动程序。 6 、设计和开发了s d 存储卡、触摸屏与$ 3 c 2 4 1 0 a 的硬件接口电路，开发了 l i n u x 操作系统下的驱动程序。 7 、为了在故障录波装置前置机上实现简单故障下的准确测距和选相，同时 鉴于前置机单片机硬件系统硬件资源紧张、数据运算处理能力较低、多任 务多线程并行等缺点，我们通过大量线路实测动模实验，具体分析了实际 电力系统运行情况下各种测距和选相算法的优缺点，取得了仿真实验无法 获得的精确和实用数据。同时在综合考虑前置机单片机系统资源有限等前 提下，分析比较现有的各种选相和测距算法的优缺点，采用了精简高效准 确的对称分量选相算法，并利用现场实验录波数据验证了算法的精确度、 可靠性和实用性。 华北电力大学硕七学位论文 第二章新型故障录波装置设计概述 计算机技术和通讯技术的发展推动着控制系统由集散控制系统和分稚 式现场总线控制系统向着开放的嵌入式网络控制系统发展。人机界面是一个 功能高度自治的典型的嵌入式系统。它介于现场智能节点与控制网络的主站 点之间，是二者之间信息交互的桥梁和纽带。人机界面集成了显示、控制及 数据存储等单元，具备操作控制、状态监控、数据存储、报表打印、网络通 讯等功能，在纺织、印刷、制药、水利等诸多行业中得到广泛的应用 1 9 1 。 本文以嵌入式控制系统人机界面的硬件平台为具体的研究对象，选取 a r m 系列嵌入式处理器作为硬件平台核心，以嵌入式l i n u x 操作系统为软 件平台，采用软硬件协同设计的方法，搭建一个嵌入式人机界面的硬件实用 平台，并将此平台应用于新型故障录波装置。本装置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监控模块功能单一等问 题，提出的一种基于a r m 和嵌入式l i n u x 的故障录波装置设计方案。 2 1 装置的设计思想及特点 装置的设计思想是采用目前广泛应用的基于a r m 微处理器核心的嵌入 式硬件平台系统，利用其对于l i n u x 操作系统的完美支持和对多种硬件资源 的控制，实现对故障录波装置系统性能的提升，优化系统的结构，从而使录 波装置在可靠性和准确性基础上，达到市场对于简便易用的人性化操作，丰 富的软硬件资源支持以及简化的硬件资源升级开发等方面要求。并利用最短 的时间，开发出一套可以及时推向市场的新型故障录波装置。基于该设计思 想，本文采用了基于a r m 核心的三星$ 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式微处理器，在采用 此核心的硬件平台上，在装置的数据采集模块中采用了大容量的n a n df l a s h 存储器，并且使用6 4 m b 的s d r a m 作为硬件平台内存，解决了c p u 对慢速 存储设备f l a s h 存储器访问时的访问速度问题，同时提高了系统性能。该 存储系统的容量可以在不增加成本的情况下达到1 2 8 m b 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；装置的监控模块采用了三星s 3 c 2 4 1 0 a 微处理器和嵌入式l i n u x 相结 合的软硬件结构，在此硬件平台上，$ 3 c 2 4 1 0 a 控制的s d 存储卡用来存储从 各采集模块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；同时利用微处理 器控制的基于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。由于 9 华北电力大学硕十学位论文 s 3 c 2 4 1 0 a 对t f t - l c d 显示器和触摸屏控制的全面支持，通过完整开发其在 l i n u x 操作系统下的设备驱动，使l c d 显示器和触摸屏配合实现人机交互 界面的硬件支持平台，实现在非后台p c 机使用下通过各种软件资源对故障 录波装置的操作以及显示各种录波波形及数据。 在上述结构模式中，由于监控模块是建立在l i n u x 操作系统的软件环 境中，所以可以方便地在操作系统中通过添加数据分析软件和调度通信控制 软件等各种需要的软件资源来实现对故障录波装置的人机交互界面以及定 时的开启读取数据、进行相应的故障分析并形成故障报告，这在很大程度上 取代了后台p c 机的功能，并且由于该硬件平台完全建立在无机械结构的基 础上，因而可以支持2 4 小时长期连续运行并时刻准备接收由前置机传送过 来的故障数据。远方调度中心还可以通过配置的以太网1 0 1 0 0 m b 控制单元 实现对装置录波数据的读取，另外也可以实现对装置的远程监控。采集模块 与监控模块也利用上述网络通信模块实现最高达1 0 0 m b s 的数据吞吐量。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 在整个故障录波装置中，c p u 是装置功能实现的核心，也是整个软硬件 平台的计算和控制核心。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。由于本文的硬件平台是嵌入式系统的硬 件部分，这就要求该硬件平台尤其是嵌入式c p u 能够支持嵌入式系统软件核 心部分一操作系统，操作系统普遍使用的虚拟内存技术要求c p u 必须带有 m m u ( 内存管理单元) 。由于绝大多数单片机芯片以及a r m 7 核心以下芯 片都不带有m m u ，由此基于a r m 9 核心的三星s 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式c p u 成为 首选。另外，故障录波装置需要记录和存储大量数据，$ 3 c 2 4 1 0 内部独立的 3 2 位地址总线和3 2 位数据总线以及1 6 k b 数据缓存和1 6 k b 指令缓冲，有 效减轻了数据存储、记录和转移的硬件瓶颈。s 3 c 2 4 1 0 拥有的5 级流水线结 构以及高达2 0 0 m h z 的主频加快了嵌入式平台下各种设备的控制指令执行以 及数据处理速度。同时，平均功耗0 7 m w m h z 的低功耗使其发热量大大降 低，从而不必使用散热风扇等机械装置，提高了故障录波装置长时间运行的 可靠性。 a r m 是一类处理器，同时也是一个公司的名字。a r m 公司1 9 9 0 年1 1 l o 华北电力大学硕七学位论文 月在英国剑桥成立，全称a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ，向全球各大电子公司提 供高性能、低成本、高效率的r i s c 处理器、外设和系统芯片技术授权 2 0 l 。 r i s c 是r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ( 精简指令集计算机) 的缩写。 它与c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ：复杂指令集计算机) 之间的 差异有以下几剧2 1 1 ： 1 指令的形成：c i s c 因指令复杂，故采用微指令码控制单元的设计， 而r i s c 寻址方式灵活简单，执行效率高，指令长度固定。其指令9 0 是由 硬件直接完成，只有1 0 的指令是由软件以组合的方式完成，因此指令执行 时间上r i s c 较短。 2 寻址模式：c i s c 的需要较多的寻址模式，而r i s c 只有少数的寻址 模式，大多数数据操作都在寄存器中完成。因此c p u 在计算内存有效地址时， c i s c 占用的总线周期较多。 3 指令的执行：c i s c 指令的格式长短不一，执行时的周期次数也不统 一，而r i s c 结构刚好相反，故适合采用管线处理架构的设计，大量使用寄 存器，指令执行速度更快，进而可以向平均一周期完成一指令的方向努力。 显然在设计上r i s c 较c i s c 简单，因为c i s c 的执行步骤过多，闲置的 单元电路等待时间增长，不利于平行处理的设计，所以就效能而言r i s c 较 c i s c 还是占了上风，但r i s c 因指令精简化后造成应用程序代码变大，需要 较大的程序内存空间，且存在指令种类较多等缺点。 本论文所采用的硬件开发板是北京恒颐科技有限公司的h 2 4 1 0 e b 开发 板，其中央处理器采用韩国三星电子公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 。该处理器基于 a r m 9 2 0 t 内核，主频2 0 0 m h z ，5 级流水线，支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。内核电压1 8 v ，平均功耗o 7 m w m h z ，主要面向手持式 设备及高性价比、低功耗的应用。 应用于本论文故障路波装置的主要资源包括 2 2 】： 一个l c d 控制器，支持s t n 和t f t ，一个通道的专用d m a 用于显 存刷新。 8 通道i o 位a d 控制器和触摸屏控制器，转换速度最高2 5 m h z 。 s d r a m 控制器。 s d m m c 卡控制器 两个u s b l 1 控制器，可以配置成为h o s t 或d e v i c e 1 1 7 个外部通用i o ，2 4 个外部中断源。 电源管理有n o r m a l 、s l o w 、i d l e 、s t o p 和p o w e r - o f f 模式 有日历功能的r t c 华北电力大学顾十学位论文 以太网控制器 s 3 c 2 4 l o a 具有3 2 位数据、2 7 位外部地址线；5 5 个中断源的中断控制 器；系统的存储空间分为8 个组( b a n k ) ，每组的大小是1 2 8 m b ，支持共 1 g b 寻址空间。b n a k o 到b a n k 5 的开始地址固定地用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 和s d r a m ，这两个组可编程且大小相同。所有 内存块的访问周期都可编程。$ 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选信号选择 这些组。 $ 3 c 2 4 1 0 a 支持n a n df l a s h 启动，n a n df l a s h 具有容量大、比n o r f l a s h 价格低的优点，可以写入较大的操作系统。硬件系统采用6 4 m b 的 s d r a m 、1 2 8 m b 的n a n df l a s h 和2 m b 的n o rf l a s h 组合，性价比高且支 持双启动。 s 3 c 2 4 1 0 相比于其他控制芯片的另一个优势是其内部集成有s d m m c 控制器，并提供两个可配置成主从方式的接口，无需外加u s b 控制芯片， 硬件设计简单。结合操作系统可以很方便地实现对u s b 设备( 包括u 盘、 u s b 硬盘、u s b 鼠标等) 的支持。 2 3 操作系统的选择【2 1 】 现代信息社会的高效性、协同性客观上要求软件的编写便于多人分工合 作、编写的软件具有可重用性，软件也日趋复杂。所有这些迫切需要有一个 屏蔽底层硬件的、功能强大的操作系统来支持。嵌入式软件的核心就是嵌入 式实时多任务操作系统( r t o s ) 。主要有：v x w o r k s ，l i n u x ，w i n c e ， c o s - 等。 嵌入式系统的前期设计过程中，首先必须决定采用哪一种操作系统，这 将影响到工程后期的发布以及软件的维护。 从应用方面考虑：如果想开发的嵌入式设备是一个和网络应用密切相关 的或者就是一个网络设备，应该考虑l i n u x 而不是c o s i i 。如果选择的硬 件没有内存管理单元m m u ( m e m o r ym a n a g eu n i t ) ，那么不能使用嵌入式 l i n u x ，想用l i n u x 的话只能选择c l i n u x 。 从实时性考虑：l i n u x 本身并不是实时系统，但是加入了实时补丁等技 术的嵌入式l i n u x 可以满足9 0 9 5 的各种嵌入式系统应用。如果希望更快的 实时响应，如几个微秒以内的中断延时，则可以考虑c o s i i 和v x w o r k s 。 从开发工具考虑：目前c o s i i 、c l i n u x 、和嵌入式l i n u x 的开发工 具与商业嵌入式操作系统的开发工具还有一定差距，尤其是缺少对嵌入式 l i n u x 操作系统的支持。 1 2 华北电力大学硕十学位论文 从价格和技术服务考虑：商用型实时操作系统如v x w o r k s 功能稳定、可 靠，有完善的技术支持和售后服务，但价格昂贵；免费型实时操作系统则在 国内的售后和技术支持有相当大的差距。 因此，选择一款既能满足应用需求，性价比又最佳的实时操作系统，对 开发工作的顺利开展意义非常重大。综合选用的硬件平台和应用设计方面的 考虑，本论文选取了与$ 3 c 2 4 1 0 相结合的m i z i l i n u x 。它是三星公司旗下m i z i 研究小组为手持式设备和数字产品应用所开发的嵌入式l i n u x 版本，除核心代 码外还包括很多附加产品，如软件补丁、开发包、目标板的典型应用等。其 移植性非常好，尤其是专门针对三星公司自身芯片( 包括$ 3 c 2 4 1 0 ) 作了优 化设计，通过对其对移植，并进一步编写设备驱动程序和应用程序，即形成 一个完整的嵌入式系统。 2 4 装置的硬件结构 故障录波装置采用3 2 位高性能嵌入式a r m 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 、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 s 1 2 0 8 、性 价比突出的大容量s d 卡存储器、纤薄轻巧的l c d 液晶显示器、触摸屏以及 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集模块的通讯、 故障数据存盘、人机交互界面、软件平台支持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 1 所示。 华j e 电力火学硕十学位论文 2 4 ，1 数据采集模块 图2 1 装置总体结构示意图 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 h ) 、 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1 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 d 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 1 0 0 m 以太网告知监控模块。具体结构示意图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 数据采集模块结构示意图 华北电力大学硕+ 学位论文 2 4 2 监控模块 监控模块负责在故障时通过与采集模块建立的1 0 0 m 以太网从各采集板 读取数据，并将数据以故障文件的形式存入s d 存储卡。然后，定时或在接 收到命令时从s d 存储卡中读出数据，通过网络控制单元，与调度以1 0 0 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( 图2 3 ) 。 l 晶l 葛 一圉 l 显示器l 7 c ls d r a m p 丽卞= 网u i 触摸屏 二二 品b = 刊数据采集模块 图2 - 3 监控模块结构示意圈 2 5 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l k h z 、5 k h z 、1 0 k h z 可调。 ( 3 ) 对故障波形，采用分段记录的方式，记录波形数量可灵活设定。 ( 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中，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 6 启动方式和启动判据【2 3 2 4 】【2 5 】【2 6 】 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：叽+ 5 0 o u 。，a v o 2 ； 2 、相电压越限和负序、零序电压越限启动，整定值为： 9 0 u n u 1 1 0 u n ，3 u ，u o 3 u ； 1 5 华北电力大学硕十学位论文 3 、电流突变量启动，整定值为：虬l o ，； 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 g 。 1 2 l o ，x o 1 0 1 n ； 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 ， d t 0 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 暂态录波； 7 、三次、五次谐波电压启动。 8 、手动和远方启动，为了正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 7 数据记录时间和方式 2 3 1 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 十b 一1 + 一c 一卜d 卜e 啼i t = 0 图2 - 4 模拟量采样时段顺序图 图2 4 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 ( m 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 时自j 大于l s ； d 时段：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 r a 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。 1 6 华j 匕电力人学硕十学位论文 2 8 后台机( 远方录波主站) 录波数据的记录格式乜钉乜明乜叼 装置后台机录波数据的记录格式采用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间的相互转换，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。 l 、引导文件( h d r ) 。主要记录暂态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，平行线问的相互藕合情况，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 数据和组态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n 为所记录的通道数，另外两列是指前两列的采样序号和时