（电力系统及其自动化专业论文）新型发电机变压器组故障录波装置的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型发电机变压器组故障录 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：i t 期：塑! ! ：f ：多 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) 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 发变组故障录波装置开发研究的意义 目前，社会经济的持续高速发展，导致对电力能源的需求猛增。大批新建、扩 建以及改造的电厂应运面生。电力工业的规模日趋扩大。发电机作为电力系统中重 要的源头设备，造价昂贵，是投资最多的设备之一。大容量机组具有相对造价低， 运行效率高，建设速度快等特点，所以目前国内外的大电厂均投入单机容量大的机 组。世界上于1 9 5 5 年投入第一台2 0 万千瓦机组，1 9 6 5 年第一台l o o 万千瓦机组， 1 9 7 3 年1 3 0 万千瓦的机组投运。机组的单机容量渐趋增大，在系统中所处的地位也 越来越重要，但机组容量越大可靠性越低，检修时间长，故障原因和故障位置很难 确定，故障时甚至会导致全系统振荡，它们的异常和故障对电力系统安全运行和电 能质量的好坏将产生直接影响，其故障带来的社会影响和经济损失也将是巨大韵。 因此，发电机的安全稳定运行以及故障的及时诊断和恢复对电网的安全稳定有着极 为重大的影响。 发变机组配置的保护种类繁多，多达2 0 多种，其正确动作率一直在较低的水 平上徘徊，是一个长期影响我国大机组安全运行水平的一个重要问题【1j 1 6 1 。当然， 造成元件保护正确动作率较低的原因是多方面，但应该认识到，没有装设性能优良 的故障录波装置，给我们的事故分析带来很大的不便，以致因为未能查找到准确原 因，造成重复性误动时有发生为快速准确地分析事故原因提供可靠依据，并减少 因保护误动引起的停机时间，也需要装设专门的发变组故障录波装置。另外，采用 性能优良的微机型大机组专用故障录波装置后，可以将记录的故障数据传送到故障 仿真设备上，从而实现故障再现，这为查找保护原理的缺陷以及研制新的保护原理 带来极大的帮助。 如何将隐患在运行中及时消除，如何从事故中吸取教训，通过分析发变组故障 录波装置记录的波形和对曲线进行事故追忆，对事故进行定性定量的分析，从而指 导电力工作者不断完善继电保护装置的功能和继电保护装置的系统配置，权衡继电 保护定值整定的合理性，为正确分析事故原因和性质，及时准确地处理事故，提供 较准确的科学依据。这是电力系统不断提高系统安全、稳定和可靠性的重要措施。 通过这样的过程，可以有效地在减少系统故障的发生，或减少系统故障发生对电网 事故的发生，从而减少对国民经济、社会用电的影响，降低事故造成的损失。 随着电力系统网络的复杂化、扩大化和区域网互联趋势的到来，电力系统中的 大型发变组越来越多，电力系统的行为将会越来越复杂。电力系统对故障录波装置 的要求也越来越高，要求录波的采样速度、记录长度、记录数据的完整性、安全性 都要有很大地提高。 华北电力大学硕士学位论文 高速数字处理芯片d s p ，以太网通讯技术，嵌入式系统的涌现为微机型发变组 故障录波装置性能改善提供了必要的条件。因此，基于以上技术条件，针对大型发 电机组的故障特点，开发一套符合现场实际需要的高性能发变组故障录波器，为电 力工作者提供丰富详尽的现场实测数据尤其是故障或非正常状态下的数据既有一 定的学术价值又有很大的现实意义。 1 2 发变组故障录波装置的特点 发变组故障录波器是电力系统重要的二次设备之一，其作用有两个：一是监录 系统在不同运行工况和故障状态下各种电气量的变化情况，了解机组各电气量的运 行状态变化规律，为系统分析提供依据；二是检验机组继电保护与安全自动装置的 动作行为，对于保证电力系统安全运行及提高电能质量起到了重要的作用。 在数据采集方面，发变组故障录波器则需要采集发电机、主变、厂用变和母线 的各个电流电压，主励磁机的1 0 0 h z 交流电流电压，副励磁机的4 0 0 h z 交流电流电 压，还有直流励磁电流电压，监测量多且复杂。 在启动判据方面，发电机组运行工况和异常工况种类繁多，配套设备繁多，电 气参数变化大且数字模型不完善，内部故障及异常运行方式，无论从故障类型，还 是从故障性质均与输电线路有很大的差别。一般包括：相间短路、匝间短路、定子 绕组接地、转子绕组接地、低励、失磁保护、失步、逆功率运行、低频、定子绕组 过负荷等。大型机组起停时间长，突然跳闸有可能给主机和辅机造成不同程度的损 伤，不必要时不轻易紧急跳闸。对大型机组的异常工况的运行( 低频、起动、失步、 逆功率等) 需特别监视，避免影响系统的安全经济运行 总的来说，大型发电机变压器组故障种类多，故障原因各异，同时配套有大量 不同工作原理的保护和安全自动装置。因此，对发变组及其配套设备的运行工况和 故障状态进行全面可靠的监视，记录和分析，对提高机组的安全水平，降低营运和 维护成本，具有十分重要的意义。大、中型机组必须装设监视- 录波装置，据此来研 究反事故对策，提高主设备继电保护动作的正确率。已成为共识。 1 3 国内发变组故障录波装置发展和应用现状 故障录波装置，是一种常年投入运行监视电力系统运行状况的自动记录装置， 在国内外电力系统中得到广泛应用，它是电力系统的“黑匣子”。当电力系统出现 事故( 尤其是重大事故) 时，故障录波记录的数据是分析事故的起因、继电保护和 安全自动装置的动作情况以及事故发展过程的重要数据。故障录波装置自五十年代 中期已开始在我国电力系统中装设。迄今为止，故障录波装置已为电力系统提供了 大量宝贵的故障录波资料，对保证电力系统的安全运行起到了重要的作用。 2 华北电力大学硕士学位论文 国内对敬障录波器的研制开发已有多年历史，目前已有三代产品：第一代是机 械一油墨式故障录波器，现已被淘汰；第二代是机械一光学式故障录波器，目前运 行使用的也已很少【7 l r 【9 1 。 第三代是微机一数字式故障录波器，由于硬件设计灵活经济，性能优越，广泛 被国内各电厂、变电站采用，是故障录波器当今发展的主流。如今电力系统所采用 的均为微机型故障录波器，其较前几代录波器有明显优点，其硬件设计采用高性能 嵌入式微处理器，高速a d ，大容量存储器，使硬件设备先进、可靠。基本解决了 光电式故障录波器环节多、容量小、没有时标、无记忆能力、数据读取误差大等问 题。以具有记忆能力强、存储容量大、能进行故障计时、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而得到很大发展。当 前，国内微机故障录波器的生产厂家很多，比如北京四方继保自动化有限公司，国 电南瑞科技股份有限公司，许昌继电器集团，阿城继电器股份有限公司等大型企业。 微机一数字式故障录波器由于其功能强、可靠性高等优点，一出现便备受青睐。 故障录波器大大提高了电力网络的监测运行水平，采用单片机和微机技术极大地提 高了故障录波器的准确性和可靠性，丰富了其功能，方便了运行人员，对电厂、变 电站的微机监测，提高了安全运行水平，有着广闼的应用前景。 目前大、中型机组的录波装置装配率不高，已经装设的故障录波设备大多为2 0 世纪9 0 年代初的产品，技术的陈旧过时及研发人员对发电机组的认识不足，导致 目前国产发电机组故障录波设备运行情况不能尽如人意，技术指标低，数据易丢失， 可配置性差，信息量不全，数据格式不够标准，监视分析工具不完善，通信能力弱， 死机、误启动、拒启动己成为严重的问题。为此，电力行业制定了d m 8 7 3 2 0 0 4 微机型发电机变压器组动态记录装置技术条件，以规范当前发电机组录波设备 的市场秩序和技术指标。随着硬件、软件水平的提高和电力行业重视，在国内故障 录波器厂家的共同努力下，当前新型的发电机组故障录波设备的质量性能和技术指 标有了质的飞跃。 具有强大网络功能和通信能力的拥有丰富后台分析软件支持的新一代高可靠 性录波装置，必将取代现有的孤立录波器，成为市场的主流，实现故障信息管理的 系列化、规范化，为调度自动化和生产管理现代化服务。 1 4 本论文的主要工作 1 ) 高速数据采集单元采用双c p u 结构，d s p 及m p c 5 5 5 合理分担实时处理任务， 达到软硬件优化设计： 2 ) 具有g p s 自动对时功能，可以实现同步数据采集及准确的相角测量； 3 ) 硬件看门狗电路，减少系统的死机与误动现象； 华北电力大学硕士学位论文 4 ) 装置的数据采集单元和分析管理单元之间实现基于t c p i p 协议的以太网通讯， 不仅具有优越的联网性能，而且能满足数据实时传输的要求； 5 ) 在研究国内外关于发变组继电保护启动判据的基础上，根据故障录波的要求， 提出适用于发变组故障录波的启动判据，能够全面反映发变组的各种故障及异 常情况； 6 ) 在所做工作的基础上撰写论文。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章系统总体设计方案 2 1 我国对微机型发电机变压器组故障录波装置的基本要求 大型发电机变压器组结构复杂，电气量众多，其专用的故障录波装置基本要求 如下【1 。】： 1 ) 装置应具有记录发电机变压器组正常运行数据的稳态记录功能，即对电压、电 流( 含负序电流) 、有功功率、无功功率、频率等电气量自装置投入运行后即进 行非故障启动的连续记录； 2 ) 装置应具有记录发电机变压器组、电网的异常或故障数据的暂态记录功能，当 机组或电网发生大扰动时，能自动地对扰动的全过程按要求进行暂态记录，并 当暂态过程结束后，自动停止暂态记录； 3 ) 当机组或电网连续多次发生大扰动时，装置应能完整地记录每次大扰动的全过 程数据： 4 ) 装置所记录的数据应真实、可靠、不失真，能准确反应谐波、非周期分量等； 5 ) 装置所记录的数据应有足够的安全性，不会因装置连续多次启动、供电电源中 断等偶然因素丢失； 6 ) 装置应具备保存外部电源中断前所采数据的能力，每路外部电源的输入都应设 置独立的保险，具有失电报警功能，并有不少于两对的触点输出。 7 ) 装置数据通信符合d l 厂r 6 6 7 一1 9 9 9 的要求； 8 ) 在装设记录装置的发电机组或其配出线路故障时，装置应能输出简要的异常故 障信息。以便与运行人员的处理。输出信息至少应包括：故障时间、设备名称、 启动原因( 第一个启动暂态记录的判据名称) 、保护及断路器跳合闸时间、保护 及安全自动装置动作情况、开关量动作清单等： 9 ) 装置应具有同时利用数据网或调制解调器拨号等其他方式实现远方调用当前和 历史数据的功能，并可按时段和记录通道实现选择性调用； 1 0 ) 装置应具有必要的自动检测功能，当装置元器件损坏时，应能发出装置异常信 号，并能指出有关装置发生异常的部位； 1 1 ) 装置应具有必要的自复位功能，当软件工作不正常时，应能通过自复位电路自 动恢复正常工作，装置应能对自复位命令进行记录； 1 2 ) 装置屏柜端子不得与装置弱电系统( 指c p u 的电源系统) 有电气上的直接联系、 针对不同回路，应分别采用光电耦合、带屏蔽层的变压器磁耦合等隔离措施： 1 3 ) 装置应有独立的内部时钟，其误差每2 4 h 不应超过士i s ，应提供外部时钟( 如 g p s 时钟装置) 同步接口，与外部时钟同步后，装置时钟误差不应超过+ i m s 。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 系统的技术指标 该发变组故障录波装置集运行状态监测、机组实验和故障数据记录与分析为一 体，并具有较强的通信能力和灵活的适应性。其技术条件在满足d l t 8 7 3 2 0 0 4 微 机型发电机变压器组动态记录装置技术条件要求的基础上，并考虑一定的裕度和 提高市场竞争力，在硬件设计和软件设计时，故障录波器采用以下技术指标： 1 记录量配置 根据d s p 及微控制器的处理能力，基本配置包括7 2 路模拟量，1 2 8 路开关量， 2 路测频电路。整套装置配置独立采集卡，满足大多数情况需求。采用1 6 位a d 模 数转换器，采样频率不低于1 0 k h z ，两个采集卡能够实现同步采集，并能与时钟同 步。在系统正常运行时，它们彼此独立，只与分析管理单元相联系。系统不限制外 部电气量的连接( 但限制交流、直流、频率、电压、电流) ，从而可以对机组进行 全面的监测记录。 a 交流电流 1 ) 主变高压侧三相电流：l 、l 、i c ； 2 ) 发电机机端三相电流及零序电流：厶厶l ； 3 ) 厂用变高，中，低压侧三相电流：l 、i a 、厶； 4 ) 发电机中性点侧三相电流及零序电流：乙、k 、k ； 5 1 变压器中性点零序电流：3 1 0 ； 6 ) 发电机定子绕组三相电流； 7 ) 主、副励磁机定子电流：1 0 0 h z 、4 0 0 h z 。 b 交流电压 1 ) 主变高压侧三相电压以、阮及零序电压3 u o ； 2 ) 发电机机端三相电压配、玑及零序电压3 u o ； 3 ) 发电机中性点零序电压u u ； 4 ) 主、副励磁机交流电压：饥、以； 5 ) 发电机磁场电压：u ，+ ( 对地) 、u ，一( 对地) ； 6 ) 主励磁机磁场电压：u ，+ ( 对地) 、u ，一( 对地) 。 c 直流分量 1 ) 发电机转子电压及转子电流 正常状态下转子电流为直流，但是定子绕组的不对称短路和匝间短路、外部不 对称短路，非全相运行，在转子电流中均有反映，而且转子电流中产生二次谐波电 流分量； 2 1 主励磁机转子电压及转子电流。 d 开关量配置 6 华北电力大学硕士学位论文 开关量分辨率不低于0 1 m s ，开关量的启动方式可选择为开关闭合启动或开关 断开启动，任何路或多路开关量均可设置作为启动信号。 2 时钟 内部独立时钟，误差2 4 h 不超过l s 。与外部标准时钟同步后，误差不超过l m s 。 3 额定参数 1 )交流电流：j 。为5 a 或l a ，最大输入电流为2 0 0 a ； 2 ) 交流电压：u 。为1 0 0 4 3 v 或1 0 0 v ，最大输入电压为2 0 0 v ； 3 ) 直流电压：0 v 一6 0 0 v ； 4 ) 直流电流：7 5 m v ：( 4 2 0 ) m a ( o 一5 ) v ( 变送器输出) ； 5 ) 频率：5 0 i - i z ( 励磁回路4 0 0 h z ) ： 6 ) 装置工作电源：直流2 2 0 v ( 或1 1 0 v ) 和交流2 2 0 v 。 4 故障录波器的记录方式 根据d l 厂r 8 7 3 2 0 0 4 标准，整套装置的数据记录方式分为稳态记录和动态记录， 它们分别以记录起始时刻来命名存储。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。 ( 1 ) 稳态数据记录。记录时间间隔可设定，稳态数据记录包含所有的模拟量通道 信息和开关量状态信息以及频率信息。交流模拟量通道采用实、虚记录方式，直流 通道采用平均值记录。稳态量数据记录的最小时间间隔为2 0 m s ：后台配置大容量i d e 硬盘，可以保存3 天的数据： ( 2 ) 动态数据记录。动态数据记录必须考虑在保证故障分析所需的全部信息外， 尽量减少数据量。因此，装置必须根据不同的故障类型，采用不同的时段记录数据。 当发电机组或电网有大扰动时，装置自动启动，进入暂态记录过程：记录方式如图 2 - 1 所示： 图2 - 1 动态数据时段记录 a 时段：大扰动开始前的稳态矢量数据，记录速率5 0 h z ，记录时间1 - 1 0 s ，可 整定： b 时段：大扰动开始前的采样值数据，采样速率1 0 k h z ，记录时间4 0 5 0 0 m s ， 可整定； c 时段：大扰动开始后的采样值数据，采样率1 0 k h z ，记录时间3 5 s ，可整定； d 时段：系统扰动长过程的稳态矢量数据。记录速率5 0 h z ，记录时间1 5 0 0 s ， 7 华北电力大学硕士学位论文 可整定； e 时段：系统扰动长过程的稳态矢量数据。记录速率1 h z ，记录时问1 - 1 8 0 0 s ， 可整定。 一般性扰动启动只有a b c 三个录波时段，当正序低压、过励磁、失磁、振荡、 频率越限、转子接地等故障启动且整定为“长过程”时，记录有a 、b 、c 、d 、e 五个录波时段。如果在录波过程中又发生不同录波启动方式的另一种故障即有新的 启动，则重新进入b 段或c 段录波。 2 3 系统硬件总体结构 隔离变换层将对输入的模拟量信号进行隔离变化，转换为适合模数变换器( a d ) 的模拟电压量，送入d s p 进行采样处理，这样做也可以有效防止二次侧电气量对数 据采集装置的干扰。开关量通过光耦接入m p c 5 5 5 。 数据采集层主要进行输入信号的离散采样和故障检测判断。在正常运行的情况 下，采样数据保存于指定的r a m 区中，并不断刷新，同时穿插硬件自检，整定值 校验与管理机的定时互检以及接受管理机下达的运行监控命令，完成相关操作。一 旦启动量满足启动条件，则按故障记录时段的要求，进行故障数据记录，同时启动 相关信号继电器1 1 1 1 - 【17 1 。 系统管理层采用平板电脑，嵌入式l i n u x 操作系统，该系统主要实现文件管理、 参数设置、数据分析、电气实验、网络通讯、系统状态六部分功能。配备专用的打 印机，键盘，鼠标，远传m o d e m 卡，可实现的记录数据的远传。 数据采集层和管理层之间通过以太网相连，录波数据和故障信息将通过网络通 信及时上传给管理机，存入硬盘保存。以便于大容量录波数据高速、可靠的传送。 g p s 拉时g p s 对时 3 6 路模拟量 皇 竺兰竺兰睁“路开关t c = 鲁4 开关量转换 = = 砖 1 _ j 3 6 路模拟量 r 1 = 葺j信号变换 = = ij “踌开关t 广 c = l 开关量转换 = = = = l 。j 3 6 路模拟量r 1 c = 昌j信号变换 = = 号 数据采集板 ( 主) 数据采集板 ( 从) 数据采集板 ( 从) 以太弼集线嚣 图2 1 系统总体设计图 数据管理 单元 m o d e m 据由嚣 打印帆 u s b 设鲁 华北电力大学硕士学位论文 第三章数据采集板的硬件构成 数据采集c p u 板采用双c p u 结构。如图3 1 ，一片选用a d i 公司的a d s p 2 1 9 1 芯片，利用a d s p 2 1 9 1 较强的数字信号处理能力和运算能力，接入6 片数模转换芯 片，实现3 6 路模拟量的高速采集。结合逻辑器件、带掉电保护的s r a m 、r a m 、 e p r o m ( 程序) 、f l a s h ，双端口r a m 等芯片，主要负责数据的采集、计算、启 动判断和数据的存贮，能够存贮多次录波数据，并且能够克服以往装置掉电后数据 丢失的缺陷。 图3 1 数据采集板总体结构 另一片选用m p c 5 5 5 微控制器，主要完成定时、i 0 1 2 1 操作、通讯等任务。结合 以太网控制器芯片，与分析管理单元进行通信。减轻了数据存贮的压力，保证在记 录数据的同时及时上传，使系统的配置更加灵活。方便的将采集卡通过集线器接入 9 华北电力大学硕士学位论文 以太网。 m p c 5 5 5 与d s p 数据采集之间通过双端口r a m 实现数据交换，硬件结构上使 录波器的整体可靠性得到了很大提高。 3 1d s p 部分电路的设计 d s p 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，是伴随着微电子学、数字信号 处理技术、计算技术等学科的发展而产生的，是体现这三个学科综合科研成果的新 器件。由于它特殊的结构设计，可以把数字信号处理中的一些理论和算法实时实现， 并逐步进入控制器市场，因而在计算机应用领域中得到了广泛的使用。 按照数据的格式，d s p 器件可以分为：定点d s p 和浮点d s p 。其中，a d i 公司 的定点数字信号处理芯片a d s p 2 l x x 系列与浮点数字信号理芯片 a d s p 2 1 0 6 x a d s p 2 1 1 6 x 系列以其低成本、小体积、低功耗和良好的性价比越来越 受到人们的重视。同时，a d i 公司为a d s p 2 1 0 6 x a d s p 2 1 1 6 x 和a d s p 2 1 x x 开发 提供了优良的集成设计环境v i s u a l d s p + + ，使软件编程和硬件调试更加的方便、高 效。 a d s p 2 1 9 1 是美国a d i 推出的一种高效的1 6 位定点d s p ，指令速度高达 1 6 0 m i p s ，具有1 6 0 k b 的片内存储区。尽管其动态范围远小于3 2 b i t 的浮点d s p ， 但是，其低成本、低功耗的优点使其在各类电子产品中有着巨大的市场，主要应用 于通讯、智能化仪表、生物医学与工程、工业控制、语音话音和医疗等许多领域。 它将2 1 9 x 系列的基本结构( 三个运算单元，两个数据、地址发生器，一个程序控 制器) 和三个串行接口，两个s p i 口，一个u a r t 口，一个d m a 控制器，三个可 编程定时器，通用可编程引脚，强大的中断处理能力和片上程序、数据存储空问结 合起来。具有以下特征1 1 8 1 ： 1 1 处理器包括3 个独立的，功能完备的计算单元；算术逻辑单元( a l u ) ，乘法 累加器( m a c ) 和桶形移位器( s h i f t e r ) ，在一个周期内，可以完成乘法，累加 乘，任意位的移位及标准算术和逻辑运算，计算单元直接处理1 6 位数据并对多 精度计算提供硬件支持； 2 ) 两个专用的地址产生器和一个程序控制器提供对片内、片外存储器的寻址。程 序控制器支持单周期的条件分支和零开销循环，在循环内还可以多重嵌套和中 断。双数据地址产生器使处理器能同时产生两个操作数的地址，数据地址产生 器和程序控制器使计算单元保持连续工作状态，使流量达到最大化； 3 16 4 k 的片内r a m 存储器，可配置成3 2 k + 1 6 b i t 数据区d m 和3 2 k * 2 4 b i t 程序区 p m 。其中p m 可用于存放指令和数据。程序和数据空闯统一编址，单周期内可 以完成双操作数取址； 1 0 华北电力大学硕士学位论文 4 ) 外部存储器接口：可以分别配置成8 b i t 或1 6 b i t ，芯片的地址转换功能和数据打 包功能可实现与外部数据总线接口。以及与外部s r a m 、f l a s h 或e p r o m 相 连，同时外部的时钟频率可调以便与低速存储设备接口； 5 ) d m a 接口一高效d m a 主机接口，外部主机可通过1 6 位的主机接口对d s p 的 整个存储空间、引导加载空间或内部i o 空间进行读写操作：同时也可配置成8 位的主机接口，以便与低功耗微控制器接口 6 ) 具有3 条支持h 1 0 0 标准、a 律、u 律以及t i e 1 兼容设备的双向多通道串口， 支持可高达2 4 、3 2 甚至1 2 8 条通道的时分多路传输；可与外围设备或其他 d s p m c u 进行同步串行通讯；可配置成3 1 6 位数据宽度； 7 ) 可进行d m a 操作的u a r t 口，它进行全双工异步通讯的比特率为 6 2 5 m 一9 m b i t s ； 8 1 两个可进行d m a 操作的全双ts p i 兼容口，可与多种s p i 兼容设备进行通讯； a d s p 2 1 9 1 内部结构如图3 2 所示，核心结构中的元件有：算术逻辑单元 ( a l u ) 、乘法累加器( m a c ) 和桶形移位器( s h i f t e r ) 、两个数据地址产生器( d a t a a d d r e s sg e n e r a t o r ) 、程序控制器( p r o g r a ms e q u e n c e r ) 、p m d d m d 总线交换单元( p x 寄存器) 等。 图3 2 a d s p 2 1 9 1 内部结构 3 1 1 模拟信号采样电路 系统的刖d 转换芯片采, 匪 a d 7 6 5 6 1 9 1 ，显著提高了记录数据的准确性。一个 a d 7 6 5 6 芯片拥有6 个1 6 位逐次逼近型模数转换器。在5 v 电压供电下采样率为 2 5 0 k s p s 。芯片中的采样保持放大器最大处理输入频率8 m h z 。a d 7 6 5 6 根据内部参 l l 华北电力大学硕士学位论文 考电压2 5 v ，可提供士1 0 v 或者士5 v 的双极性模拟量输入范围，或者根据外部参考电 压提供不同范围的双极性模拟量输入信号。 如图3 - 3 ，s e l 泖a r 是串行并行选择输入信号。低电平时选择并行接口模式， 高电平时选择串行接口。模式转换过程和数据获取由c o n v s t 信号和内部时钟控制， 三个c o n v s t 管脚可以控制三对独立的模数转换器同时采样，将三个c o n v s t 管脚 连接在一起后，即可对六个a d 转换器同时进行采样。c o n v s t 的上升沿触发a d 转换，转换时间为3 l is 转换过程中，b u s y 信号保持高电平不变，直到转换结束 时，b u s y 信号由高变低，系统进入跟踪模式，转换结果存于输出数据寄存器中。 当片选信号保持低电平不变时，连续六个读信号低电平能够依次读出六个a d 转换 器的转换数据。 图3 3a d 转换电路 电路中的信号放大器采用a d i 公司的o p 4 1 7 7 ，o p 4 1 7 7 是a d i 公司工业标准 o p 0 7 系列运放的第四代产品，是一款具有低输入偏置电流、低输出失调电压、低 温漂、低噪声、高精度的高性能四通道运算放大器。这些性能使其在微弱信号的放 大和滤波等许多电路上具有广泛的应用。o p 4 1 7 7 内部集成了四个运放，采用5 v 供 1 2 华北电力大学硕士学位论文 电，可以和电路的其他部分统一供电，它的失调电压为6 0 p v 、偏置电流为2 h a ，噪 声很低，能够很好的满足设计的要求。 l 。 li ! ll | l ：l2 | 1 | rl | l 彝- ；l i 霹1 ；l | | 1 l 奉攀 l 。 瞄高，| 9 i = 崮婶本# ! 崩辩一 * 奠一 。鼯叠 广r 置目1 1 ”r r l ml l ，i ； | ji * 7 。p f l njli | l i | l l ll | l 配x 斟5 v 6 il ，i ll | ；j ： l l 图3 - 4 信号放大电路 r e f c a p a 、r e f c a p b 、r e f c a p c 是参考电压引脚，这几个引脚应接去耦电容 来减小每1 个a d c 通道参考缓冲器的衰减。a v c c 是模拟电压输入( 4 5 v 5 5 v ) ，它只 给a d c 的内核供电。具体接法如图3 5 所示。 图3 - 5a d 中的去耦电路 3 1 2d s p 与双端口r a m 的接口电路 通信电路由一片容量为2 k 的i d t 7 1 3 3 高速组成，实现d s p 和m p c 5 5 5 之间的数据 和命令传递功能。如图3 - 6 ，双口r a m 左右有两套完全相同的访问接口，各有完整 的地址总线、数据总线、片选、读、写等信号，可以对芯片内同一块存储器进行读、 写访问，而且访问可以同时进行。只有在两个端口都对同一个存储单元同时进行访 问时，才会发生冲突，为此双d r a m 提供了仲裁信号，判断的标准是看b u s y i j i 脚 是否出于低电平，避免出现冲突导致的数据读写问题现象。 采用基于双端口r a m 的内存共享通讯方式，速度快，方式简单，存取共享信息 所用的时间一般与存取c p u 外部r a m 中数据所用时间一样。 图3 6d s p 与双端口r a m 连接 以d s p 为核心的实时处理系统，根据a d s p 2 1 9 1 的资源来选择外围器件，确保 1 3 华北电力大学硕士学位论文 系统的可靠运行。a d s p 2 1 9 1 和外围器件保持正确的时序连接，充分利用其特点和 性能、提高系统的运行效率。整个系统结构设计合理，所选择的器件搭配得当，而 且软件与硬件设计配合一致，实现了统一性和高效性，具有硬件结构简单、小体积、 低功耗、实时处理等特点。 3 2 嵌入式微处理器m p c 5 5 5 m p c 5 5 5 是m o t o r o l a p o w e r p c 5 5 5 系列的代表产品。m p c 5 5 5 是建立在p o w e r p c 体系结构上，采用r i s c 技术的3 2 位集成化高档嵌入式微处理器。由3 2 位的精简 指令微控制器中央处理单元( r c p u ) 、统一总线接口单元( u s i u ) 、两个时间处理 单元( t p u 3 ) 、两个队列式a d 转换器( q a d c ) 、队列式串行多通道模块( q s m c m ) 、 两个c a n 2 0 b 控制器模块( t o u c a n ) 、1 8 通道的标准组件u o 接口( m i s o i ) 等 组成。此外，芯片内部还集成了4 4 8 k 字节5 v 可编程f l a s he e p r o m 和2 6 k 字 节静态r a m 。m p c 5 5 5 采用亚微型h c m o s 技术，2 7 2 引脚塑料球形栅格排列 ( p b g a ) 封装，工作频率4 0 h z ，3 3 v 和5 v 双电压供电。图3 7 是m p c 5 5 5 的组 成框图l ”j 。 图3 7m p c 5 5 5 组成框图 m p c 5 5 5 通讯接口包括u s b 接口、r s 2 4 8 5 接口和以太网接口。通过各种接口芯 片可以方便地从m p c 5 5 51 _ 扩展这些接口。通过u s b 接口可以与笔记本或台式计算 机相连，在笔记本或台式计算机上调试装置、显示各种信息；通过以太网接口可以 与后台管理机或厂站自动化系统相连，完成信息的上传并且执行下行控制命令，还 1 4 华北电力大学硕士学位论文 可以通过以太网接口方便地组成一个小型局域网。 m p c 5 5 5 与d s p 数据采集之间通过双端口r a m 实现数据交换，在本系统中， m p c 5 5 5 主要实现以下功能： 1 ) 上电自检、读取定值参数、并下载； 2 ) 测量频率，并根据参数判读是否满足启动条件； 3 1 判断开关量是否变位，并根据启动条件判断是否满足启动条件； 4 1 根据来自d s p 的实时向量信号，按通道或按通道组合计算非突变量启动条 件是否满足； 5 1 当自身启动时给出启动信号： 6 1 当有启动信号时，记录启动的绝对时刻； 7 ) 以r s 4 8 5 直接和g p s 相连的校时和对时，或通过管理单元进行校时； 8 ) 每次启动后，形成异常故障信息简表保存在f l a s h 中，能够连续保存1 0 0 次的扰动信息； 9 ) 实时接收启动后的数据采集信息，并缓存在带掉电保护的静态r a m 中，及 时打包并传送到系统分析管理单元； 1 0 ) 自检( 上电自检、运行自检、互检) 异常给出告警信号； 1 1 1 三路开关量输出信号：启动、告警、通信中断。 3 2 1m p c 5 5 5 的开关量采集电路 l 一一i l lb i r 1鼍爿 j p - , 1 d 量 1 ，、，_ 、，_ 、 i jii 1 川i i i 甲。 0 ， ，i l $ 趣 ，t 。| 章：k 1l ， _ v 2 一 一芝一f 昭r u1 1 巴 o ?p s 2 7 d 1 -1_ 旷= 一 t 习 _ 【己 n 4 0 0 7暇， _ - l v m1 ”r v u o | j ，v 旷 j 下l 图3 - 8 开关量采集回路 每块数据采集板设有6 4 路开关量的采集，可以对开关量进行监视。数字输入 信号首先经过光电隔离器，然后每8 路接入一片7 4 h c 2 4 4 驱动输出，7 4 h c 2 4 4 使能 端由地址译码器g a l l 6 v 8 提供使能信号。如图3 8 所示。当某开关量接点闭合后， 就有正向的直流电压加在光耦上并使其导通。开关量输入回路中的反向二极管，在 反接电压时起保护作用，滤波电容可以防止高频信号的干扰。 3 2 2 频率测量电路 机组频率是一种非常重要的运行监测参数。尤其对汽轮机组，监视频率状况有 华北电力大学硕士学位论文 其重要意义。需要动态测量。目前，常用的频率监测方法主要分为两种，即硬件测 频和软件测频。本装置采用的是硬件测频。首先对输入信号进行整波处理，把一正 弦信号转换为方波信号，然后通过计算在高电平时间内高频信号的脉冲个数来确定 原始信号的频率。该记录具有很高的实时性而且不占用处理器的计算单元，但是该 方法容易受到谐波的影响，适用与谐波畸变不大的情况。对于电力系统来说，其谐 波绝大部分是整数倍谐波，对过零点影响不大。测量电路如图3 - 9 所示。 寸一一 一j ? 斗t 一一t 缸b 一 - ! ；卜；导一 唧。汗陇甜 。1 ；12 ：粤i il 1 捌一主一# ，鸯j 墨：弋 二o 一二一j _ 一上一一。l ! 蓼! j ，e 哥婢广基竺三一f o 4 “r r 一 一l i 4 2 l ：l ! l ! ：ll 3 2 3 看门狗复位电路 图3 9 测频电路示意图 l ；i ；f | 1 | lx 4 ： fl ：c l；l 。l i l 1 v c | l ；lh e d 髓口i l |l ：l i 一+ 1 一卜h 一+ h h l l | n l l 一 + h 一 、+ h h十 l ；| ；h li i i 陴l if 一“ l | - 一 l l l j 1 诛娃一 + i 彳王 i 十 | 一一v 如r ll i 。l 一 il llll7 、l ，ljl ) l s l 1 ii ) 4 8f # t e 车蒜。i 博i 矾v c c 器 ； i 【 l 一 li p o 尉啪 _ i p 0雕5 盯x 一 4 i ；吲 粤lg 盼弋篙 ；6硼i 擗甫一糍 2 一 0 h 4t ；，il 浮；l 甜嵩 一l 5 、 、w d i 卜 1l - ll l i 1 7 | 、ih 一_ r l !l ；i i - h i j ! 卜h 十h 十 j l ； i | il 一l 图3 一1 0 看门狗复位电路 如图3 一l o ，为了防止m p c 5 5 5 在运行的时候程序跑飞，板上设计了硬件电路的手 动复位能力和硬件看门狗。复位及掉电检测电路采用m a x 7 0 5 c s a 芯片【2 1 1 ，从而实 现程序的纠错和掉电检测功能。 m a x 7 0 5 c s a 具有独立的看门狗( w a t c h d o g ) 功能，如果c p u 在1 6 秒之内 没有给m a x 7 0 5 c s a 送1 个翻转信号( 由w d i i = 1 ) ，它就会给c p u 送个复位信号( 由 r e s e t i = i ) ，强迫c p u 复位。因此，当c p u 在程序运行过程中若出现死循环，即程 序始终在一个地方重复运算时，这时m a x 7 0 5 c s a 不能在1 6 s 内接受到翻转信号， 则会向c p u 发出复位信号，迫使c p u 黟6 出死循环。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 2 4m p c 5 5 5 的u s b 接口电路 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 总线相对以往普通的并口( p a r a l l e lp o r t ) 和串口( s e r i a l p o r t ) 连接而言，主要是以其高速可靠、安装方便、支持即插即用( p l u s & p l a y ) 和 扩展性好等优点。在数据传输中得到广泛应用 2 2 1 2 孙。目前使用中的u s b 协议有1 0 、 1 1 7 铂2 0 三个版本，通过速率分别为1 5 m b p s ，1 2 m b p s 、4 $ 0 m b p s 。u s b 协议向下兼 容。 m p c 5 5 5 的u s b 接口芯片采用p h i l i p s 的p d i u s b d l 2 。p d i u s b d l 2 是一款性价比 很高的u s b 器件。该芯片使用8 位并行数据线连接到m c u ，l 位地址线用来区分写命 令或读写数据。p d i u s b d l 2 包含默认端点0 在内共有3 个双向端点，端点0 和l 缓冲区 的大小为1 6 字节，端点2 为双缓冲“字节双向模式。内部集成了串行接口引擎( s i e ) ， 3 2 0 字节f i f o 的存储器，收发器和电压调整器，对外部m c u 没有任何限制。 p d i u s b d l 2 完全符合u s b i 1 规范【2 4 2 5 1 。p d i u s b d l 2 所具有的低挂起功耗连同 l a z y c l o c k 输出可以满足使用a c p i 、o n n o w 和u s b 电源管理的要求。低的操作功耗 可以应用于使用总线供电的外设此外它还集成了许多特性包括s o f t c o n n e t 、 g o o d l i n k 、可编程时钟输出、低频晶振和终止寄存器集合。所有这些特性都为系统 显著节约了成本同时使u s b 功能在外设上的应用变得容易1 2 6 1 。 在正常的操作中，p d i u s b d l 2 消耗电流是1 5 m a 。挂起模式下p d i u s b d l 2 关闭 不必要的模块，使得挂起时的操作电流仅为1 5 1 a a 。 d 1 2 和m p c 5 5 5 的连接采用地址数据总线非复用方式。d 1 2 的8 根数据线直接与 m p c 5 5 5 的数据线相连。读写使能由m p c 5 5 5 的o e 和w e 0 提供。用d 1 2 的a 0 脚作为 地址位，a 0 用m p c 5 5 5 的u a o 控制，a 0 = l 表示数据总线上是命令；a 0 = 0 表示数据总 线上是数据。d 1 2 与m p c 5 5 5 之间通过外部中断触发，中断引脚i n tn 与m p c 5 5 5 的 外部中断i r q 相连。p d i u s b d l 2 具有内置的上电复位电路，所以r e s e tn 引脚可直 接连到v c c 。 p d i u s b d l 2 既可以使用5 v 也可以使用3 3 v 输入电压。如图3 1 1 ，这里使器件工 作在3 3 v ，将3 3 v 电压同时接至u v c c 和v o m 3 3 脚。d + d 线上的匹配电阻是1 8 欧姆。 l 、 _ ：一 l d 币： 2 盯f r u 。 d r 3 ； d 乩7 i 4 | r 1 3 4 j r 1 3 一 l ，s b 一叶 ：l ll m luz ml ii ! 图3 - 1 1d + p 连接图 华北电力大学硕士学位论文 如图3 1 2 ，p d i u s b d l 2 是在6 m h z 晶振基础上运行，采用6 m h z 晶振降低了 产品制程中产生e m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 电磁干扰的风险。 x t u 2 x t l l 鼠j l 强蕊舅 l 嗽， 搬 刚 d m i 瑾, q w r l 日 i 口i ll 2 2 ， | l ； ：l i ji ! 。 j 2 i 、，：厂1l l；l ? 7 、 一i 陬1 3 口ii 2 0 - i l ll 怙一。卜 妒丹 - i 蜊 4 一 ；# r r o l -|1|i 。 ；1 8 n 蹙1 3 6 磁h i j ：l ：l i jr ， ； ! l i l l k =j li ；i ； - r p 2 l 瞵矿 l ：li i | il l | iil | | | j | i l 图一晶振部分 3 1 0 m 1 0 0 m 以太网接口电路 为实现和分析管理单元的以太网通信，需要对该以太网控制器编写驱动程序， 驱动程序主要包括初始化、发送数据和接收数据个部分。要实现和分析管理单