（电工理论与新技术专业论文）电力系统故障录波器的研究与设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t f a u l tr e c o r d e ri sak i n do fm o n i t o r i n gd e v i c ew h i c hc a na u t o m a t i c a l l yr e c o r d f a u l t yi n f o r m a t i o nw h e nt h ep o w e rs y s t e m sh a v ef a i l u r eo rd i s t u r b a n c e i th a sv e r y i m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u ef o ro p e r a t o r st oa n a l y z et h es y s t e mc o n d i t i o nu n d e rn o r m a l a n df a u l ts t a t e sa c c o r d i n gt ot h ed a t ag a t h e r e db yr e c o r d e r f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h ef a u l t r e c o r d e r , a n da n a l y z e st h ed e v e l o p i n gs t a t u so ff a u l tr e c o r d e ra th o m ea n da b r o a d i t p u t sf o r w a r dt h em e a s u r eo fd o u b l ec p u ( f p g aa n dc s 0 5 1f12 0 ) i nv i e wo ft h eb a s i c r e q u i r e m e n t sa n dt h em a i nt e c h n i c a li n d i c a t o ro ft h ef a u l tr e c o r d e rm o r e o v e rt h e l a r g e rs t o r a g es c h e m eb a s e do nu s bi sp r o p o s e di nv i e wo ft h eb r e a k d o w nd a t a s t o r a g ec a p a c i t y sb o t t l e n e c kq u e s t i o n s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ef r a m e a n dt h em e t h o d st o c a l c u l a t i n g t h ep o w e r p a r a m e t e r sa r em 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 oh a r d w a r ed e s i g n ，w eu s ef p g at oc o n t r o lt h em a x 19 7 ，w h i c hc a n s 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 t i na d d i t i o n ，t a k i n ga sc 8 0 5 1f12 0a sc o r e p r o c e s s i n g ，w ec o m p l e t et h ed e s i g no fd a t ap r o c e s s i n gc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e a n dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i ta n dd a t as t o r a g ec i r c u i t 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 re l a b o r a t e dd a t ap r o c e s s i n g s y s t e m sr e a l i z a t i o ns y s t e m a t i c a l l ya n da n a l y z e dt h ef a u l tr e c o r d e r sc r i t e r i o no ft h e d i e s e lg e n e r a t o r ；a n dw eu s et h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m ( f f t ) t oa n a l y z e t h eh a r m o n i co ft h ev o l t a g ea n dc u r r r e n t f i n a l l y , w ed e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o np r o s p e c to f f a u l tr e c o r d e r k e y w o r d s ：f a u l tr e c o r d e r , s t a r t u pc r i t e r i a ，f f t , h i g h - s p e e dd a t as a m p l e i l 第1 章绪论 1 1 课题的背景与意义 第1 章绪论 随着电力系统的不断优化改造，我国电力系统的自动化程度越来越高，e m s ( 能 量管理系统) ，s c a d a ( 数据采集与监视控制系统) ，d m s ( 配电管理系统) ，r 1 r u ( 远 程终端单元) 等大部分设备经引进和消化后实现了国产化，供电系统的重要变电站已 实现无人值守n 1 。将来的发展是逐步实现非重要变电站的全部无人值守。与此同时， 在电力系统中，由于自然灾害、设备老化及各种人为原因，不可避免的会发生电力系 统故障，它们对生产、生活、国民经济等都会造成巨大的影响和损失，所以分析、研 究故障发生的规律，并采取相应的措施，从而有效地减少它们的发生。记录下故障发 生前、发生时、发生后的波形和数据，是进行行之有效的故障规律研究的基础，故障 录波装置就是达到这些要求的有力工具，它可以捕捉和分析瞬时暂态故障、长时问扰 动，完成诸如有效值、谐波、频率、功率、功率因数等参数的数值记录。因此故障录 波装置被称为电力系统的“黑匣子 。 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如下心儿3 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很多地区的发电厂和变电所，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，以便确定防止事故再次 发生的对策。但是如果没有故障录波，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，难以解释和分析出故障发生的真 正原因。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。而有 了故障录波器后，通过录取的故障过程中的故障电流、故障电压数值以及断路器的跳 合闸时间和重合是否成功等情况，就可以正确分析和确定事故的原因，避免人为因素 介入，根据分析结果研究制定出有效的防止措施，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 在电力系统发生事故时，继电保护装置会发出相应的动作，其中有的保护装置是 正确动作，而有的则可能是误动作。而有了故障录波器，利用录波数据就可以正确评 价继电保护装置工作的正确性。 1 第l 章绪论 ( 3 ) 了解系统运行情况，迅速正确地处理事故 联接变电所的电力系统，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电厂的发电机组，严重的甚至可能造成地区系统瓦 解。有了故障录波装置，从录波图的电气量变化曲线中，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。 ( 4 ) 进行故障定位 根据资料统计，在超高压线路上，接地故障约占9 5 左右。每次故障发生后，一 般均需要及时巡线找到故障地点并进行处理，以保证线路安全供电。而全线的巡查将 受到地理因素、天气状况等的限制，特别是超越高山、峡谷的高压、超高压线路，巡 线是及其困难和艰苦的。即使交通方便的平原地区，遇到恶劣天气狂风大雨、酷暑严 寒时发生故障，全线巡线也很辛苦。同时，这样作的效率也很低。而有了故障录波装 置，利用故障录波数据迅速判明故障类型和相别，较准确地计算出故障地点，这样就 缩小了巡线范围，大大减轻工人巡线的劳动强度，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。 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h 司m ，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 故障录波装置是电力系统发生故障及振荡能自动记录各个模拟量、开关量数据的 装置，正常情况下不启动或只进行数据扫描，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、电流及继电保护动作情况，从而为分析事故提供科学依据。故 障录波装置应用于电力工业已有多年历史，第一代是机械一光线式故障录波器，因其 启动带延时，所以很难录到故障前和故障开始瞬间的故障波形，而这段时间的波形对 分析电网故障极为重要，且由于感光胶带长度有限，不得不采用定时记录方式，记录 速度也人为的予以压缩，还因感光胶卷的置换、冲洗、运送等原因使维护复杂，记录 不及时且故障波形仅能以波形方式输出，精度低，不便于定量分析故障电流电压的绝 对值。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，一年后仍术找出事故原因； 第二代是微机一数字式故障录波器，由于机械一光线式故障录波器在设计原理及实现 技术上的局限性，现已被淘汰。而微机一数字式故障录波装置硬件设计灵活经济，性 2 第1 章绪论 能优越，广泛地被国内各电厂、变电站采用，是故障录波器当今发展的主流。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 的出现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，提高安全运行水平，有广阔的应用前景。 但是目前国内的微机型故障录波器仅仅在性能上完成了从模拟式录波向数字式 录波的转换，还远未发挥出计算机的巨大潜力，仍存在下列问题： ( 1 ) 大多数故障录波器的采样频率多为每周2 0 点，甚至更低。显然不适应高速 故障记录的要求。 ( 2 ) 有限的随机存储器容量使得系统缺乏足够的灵活性，特别是当短时间内发 生多次启动时，不可避免地造成数据丢失。 ( 3 ) 系统容量小。受到系统本身结构的限制，无论模拟量的输入、开关量的输 入、还是故障数据存储容量，其冗余度小，不利于升级和增容。 ( 4 ) 前台机除了必不可少的录波器的启动条件和终止条件外，几乎没有分析功 能，许多的分析功能都在后台机中进行，而这往往在故障过程结束后的较长时间后才 进行，不能满足于实时性要求。 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 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 f p g a + c 8 0 5 1 f 1 2 0 + u s b 的故障录波装置设计方案。 本课题的主要研究内容有： l 、在比较和分析了国内外产品的长处和不足的基础上，结合本课题对故障录波 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。 3 、在满足启动条件下，按照c o m t r a d e 1 9 9 1 格式进行a 、b 、c 、d 、e 分段记录。 4 、主c p u 负责录波器的人机对话、数据的读取和大容量数据的存储，其中数据 3 第1 章绪论 的大容量存储是由主c p u 控制u s b 接口芯片，通过u s b 2 0 协议进行u 盘的读写操 作实现的。 5 、以多任务控制系统为软件设计核心，软件设计包括采集录波、键盘处理、l c d 显示、参数修改、谐波分析、打印、通信等。 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。 4 第2 章故障录波装置总体设计概述 第2 章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d l t5 5 3 9 4 2 2 0 5 0 0 k v 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2 2 0 , - 一5 0 0 k v 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 5 第2 章故障录波装置总体设计概述 1 、6 路模拟量输入：三相电压、三相电流。 2 、交流电压输入：5 7 到1 2 0 v 额定有效值，2 1 2 v 满量有效值。 3 、交流电流输入：1 a 或5 a 额定有效值。 4 、开关量通道数：1 6 路。 二、采样指标 l 、采样速率：采样率用户可选每周波6 4 、1 2 8 点。 2 、谐波分辨率：3 1 次 3 、电压电流波形采样精度： 0 5 4 、开关量分辨率：不劣于l m s 。 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陴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 的绝对时亥o t = o 图2 1 故障录波模拟记录格式 a 时段：记录系统大扰动开始前的状态数据，记录时间z 0 0 4 s 。 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 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 0 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z 2 0 s 。 e 时段：记录长过程的动态数据，每l s 输出一个工频有效值，记录时间1 0 m i n ，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 6 第2 章故障录波装置总体设计概述 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 ( 1 ) 电流变量越限：虬+ 5 i n ( 2 ) 电压越限：1 1 0 u s u i 9 0 u s ( 3 ) 频率越限：5 0 5 h ，f 4 9 5 日， 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c p u 系统和多c p u 系统。故可选方案从这个角度来讲有如下选择。 方案一、单c p u 系统，该方案使用单个c p u 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c p u 上，由同一块c p u 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。 图2 - 2 单c p u 系统结构示意图 方案二、采用双c p u 系统，如图2 3 所示，主处理器c p u l 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。 7 第2 章故障录波装置总体设计概述 图2 - 3 双c p u 系统结构图 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c p u 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v i 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 c p u 。从机可以采用单片机或f p g a ，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1 2 1 需要使用硬件电路例如双口r a m i d t 7 1 3 2 进行通信。如果采用f p g a ，可以使用其内部r a m ，这样减少了硬件电路。 f p g a 是8 0 年代中期在传统的p a l 、g a l 基础上发展起来的可编程逻辑器件，它结 合了p l d 的可编程性和m p g a 的通用连线结构，它和单片机相比具有如下特点： ( 1 ) f p g a 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 m h z ，而单片机运行速度低，在高速场合，单片机无法代替f p g a 。 ( 2 ) 单片机的i o 口有限，而f p g a 动辄数百i o 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f p g a 由 于丰富的i o 资源，可以容易用不同i o 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f p g a 不同逻辑可以并行执行，可以同时处理不同任务， 这就导致f p g a 工作更有效率。 ( 4 ) f p g a 有大量软核，可以方便二次开发。 所以我们选用f p g a 作为系统的协处理器，这样双c p u 系统就由m c u + f p g a 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 1 2 与通信能力，而f p g a 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。 8 第2 章故障录波装置总体设计概述 图2 4f p g a 与单片机连接的系统结构图 方案确定之后就要对c p u 和各个模块的芯片进行选择。 常用的单片机有5 1 系列单片机、p i c 单片机、a v r 单片机。a v r 单片机是哈佛 结构的，但其开发器不是全系列仿真的。p i c 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。5 1 系列单片机是应用最广泛的单片机。如a t 8 9 c 5 1 它 的机器指令周期为1 2 个时钟周期，当晶振频率为1 2 m h z 时，机器周期为l s ，适 应不了现代高速运行的需要。华邦公司的w 7 7 和w 7 8 系列在时序方面做了改进，每 个机器周期从1 2 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4 0 m h z ，但仍不能满足高速运行的需要。c y g n a lc 8 0 51 f 系列单片机是集成的混合 信号片上系统，除了集成了标准8 0 5 1 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j t a g 接口使得调试 非常方便。其c 8 0 5 1 f 1 2 0 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c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机。 c y c l o n ef p g a 是目前a s i c 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。c y c l o n ef p g a 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p l l 、支持单端i o 标准和差分i o 技术。 在本系统中采用a l t e r a 公司的c y c l o n ee p l c 6 q 2 4 0 c 8 ，此芯片有2 4 0 个引脚，其内部 有9 0 k 的存储容量，6 kl e b s ，2 个p l l ，满足设计的需要。 2 5 2 主要外围电路器件的选择 c p u 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 9 第2 章故障录波装置总体设计概述 样通过a d 转换将模拟量转化成m c u 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a d 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 m c l 4 4 3 3 、i c l 7 1 0 6 、i c l 7 1 3 5 、a d 7 5 5 5 等芯片呻。逐次比较型转换速度虽然不及并 联比较型，属于中速a d c ，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a d c 芯片种类也很多，例如 a d c 0 8 0 1 、a d c 0 8 0 9 等都是8 位通用型a d c ；a d 5 7 1 ( 1 0 位) 、a d 5 7 4 ( 1 2 位) 都 是高速双极型a d c ；m n 5 2 8 0 是高精度a d c 。m a x i m 公司推出的1 2 位高精度a d 转换芯片m a x l 9 7 ，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l c d 、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的设置等。 l 、键盘 键盘分为独立式键盘和矩阵键盘。独立式键盘是由或干个独立按键组成的，每 个按键均需要和主机的i o 口相连，这种按键软件程序简单，但占用i oe l 较多，所 以不适用于键盘应用数量较多的系统。矩阵键盘的按键按n 行m 列，每个按键占据 行列的一个交点，需要i o 口的数目是n + m ，容许的最大按键数目是n * m 。显然这 种键盘可以减少与主机接口的连接线，简化电路。矩阵键盘按键盘的识键和译码方 法的不同又分为非编码键盘和编码键盘两种，非编码键盘主要是用软件方法来识键 和译码，该方法对于主机来说编程量大，增加了复杂度，无形中也增加了程序的不 稳定性。编码键盘主要用硬件来实现键的识别。该方法程序处理简洁，接口简单。 因此选用编码键盘来实现键盘电路，用一片z l g 7 2 9 0 来实现键盘功能，对键盘进行 硬件译码。使用z l g 7 2 9 0 模块来完成按键判断有着以下几个优点： ( 1 ) 节省i o 口，使用z l g 7 2 9 0 只需3 个i o 口即可以完成检测多达6 4 个按 键输入以及6 4 个l e d 输出。 ( 2 ) 节省c p u 开销，减轻主控制器负担。使用z l g 7 2 9 0 不再需要不停地扫描 按键，只需根据中断来读取键值，程序安排也更加方便。 2 、l c d 显示 显示电路由l c d 显示电路组成。当显示系统的运行状况时可以由l e d 显示， 方便简单，但是本课题中需要显示多个测量电力参数所以选择l c d 液晶显示电路， 】0 第2 章故障录波装置总体设计概述 实现菜单功能( 显示电力参数、通过按键对整定值进行设置、醒目直观的指示系统 工作状态) 。 h s l 2 8 6 4 点阵型液晶显示模块采用8 6 位p p i 接口与m c u 连接，进行l c d 设 计主要是l c d 模块的控制单元与外界的接口设计。外界通过接口控制单元通信，管 理内外显示r a m ，控制驱动器，分配显示数据，然后由l c d 的驱动单元根据控制单 元的要求驱动l c d 进行显示。图2 5 为l c d 结构示意图。 图2 - 5h s l 2 8 6 4 液晶显示模块结构 三、时钟电路芯片的选择 系统发生故障的时候需要记录故障时间，所以在系统中需要有时钟源电路。常用 的时钟芯片有m s m 5 8 3 2 、d s l 2 1 6 、d s l 2 c 8 8 7 等，其中d s l 2 c 8 8 7 、m s m 5 8 3 2 只能 提供到秒，精度不够，d s l 2 1 6 能提供到1 1 0 0 秒，但其接口电路复杂，数据存取速 度慢。而美国i n t e r s i l 公司生产的实时时钟芯片i c m 7 1 7 0 是一种与微处理器总线 兼容的外围硅芯片，其外接晶振采用温度补偿措施后精度可达0 0 1 秒同。因此本 系统中采用i c m 7 17 0 作为实时时钟芯片。 四、存储芯片的选择 故障录波装置需要存储故障数据、整定值、运行参数等。但c 8 0 5 1 f 1 2 0 内部仅 有6 k 的s r a m ，不足以存储大量数据，因而需要外扩存储空间。 1 、故障录波装置需要根据整定值进行故障判断，所以整定值在断电后不能消失， 而且整定值占用的存储空间不大，所以选用a t 2 4 c 0 1e e p r o m 存储芯片。该芯片与 c p u 连接电路简单且具有掉电保护的特性。 2 、数据存储空间还需要保存采集的实时数据，处理的数据和运算过程中的许多 中间变量，所以需要扩展s r a m ，选用6 2 2 5 6 芯片，该芯片是一种高集成度的r a m 。 1 1 ， 州浙舢乏|跚 o r b ， d 1d 第2 章故障录波装置总体设计概述 3 、在系统发生故障的时候需要将故障数据存储起来，并且能够存储多次故障数 据。在掉电后数据不能消失，单片机所支持的不易失存储器有铁电、小容量的f l a s h 存储芯片等。它们由于受到寻址空间的限制，不能满足海量存储的要求。而m c u + u s b 的存储方案就可以解决这一问题口蚓。 所以最后得到其结构原理图，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 系统结构图 f p g a 主要完成对电网电压电流信号的采集，三相电压、电流经过c t 、p t 后转 换成5 v 的电压信号作为m a x l 9 7 的输入信号，电压信号经过过零比较器形成周期频 率测量信号，a d 转换控制模块定时不停地采集数据并将转换成的数字信号存到双口 r a m 上。单片机通过双口r a m 读取采样值，完成参数的计算和f f t 运算并进行各 种判断，并将需要的数据存储到r a m 中，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，并置录波启动标志，然后跳到录波中断去执行程序，按时段记录 故障波形，通过u s b 接口存储到u 盘上。如果不满足启动条件就在正常的数据存储 区循环存储，继续进行数据采集和监测。人机接口部分用于查看谐波分析，显示故障 和正常数据以及参数的整定。 2 6 本章小结 本章介绍了故障录波装置的基本要求和主要技术指标，然后基于此提出了故障录 波装置的总体方案，f p g a 作为从处理器进行数据采集，c 8 0 5 1 f 1 2 0 作为主处理器完 成数据的处理、判断、存储和人机交互。为了解决以往故障录波装置容量小的缺点提 出了基于u s b 接口的大容量存储方案。 。 1 2 第3 章故障录波装置硬件电路设计 第3 章故障录波装置硬件电路设计 本系统通过信号采集模块采集电压电流信号，按适当的比例调节其大小使之成为 装置能处理的幅值范围，通过模数转换器将其转换为f p g a 能识别的数字信号，单片 机对f p g a 采集的信号进行故障判断，若发生故障则保存故障信息，由执行装置进行 故障报警和显示。系统在硬件设计部分包括信号采集模块、a d 转换模块、c p u 模 块、存储模块、人机对话模块等。 3 1f p g a 数据采集单元的硬件设计 3 1 1f p g a 器件 f p g a 是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是 专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了 原有可编程器件门电路数有限的缺点。 c y c l o n e 器件e p l c 6 q 2 4 0 c 8 是一款低价格、中等密度的f p g a ，采用0 1 3 u m 全 铜s r a m 工艺，容量从2 9 1 0 个逻辑单元到2 0 0 1 0 个逻辑单元，有5 9 8 0 个l e 和2 4 0 管脚；内嵌4 k 的存储块，可以配置成移位寄存器，支持双端口存储器，可以用q u a t u r s i i 中的向导将存储块配置成r a m 、r o m 以及f i f o ；c y c l o n e 还有丰富的时钟网络， 有8 个全局时钟，1 2 组p l l ；i o 块的结构可以简化设计，每一个i o 块中有3 个i o e 触发器，分别是输入触发器、输出触发器和输出使能触发器，其内核采用1 5 v 电源 供电，功耗小，其端口工作电压为3 3 v n 引。f p g a 的i o 端口可自由定义，电路设计 方便，编程灵活且为并行执行方式，不易受外部干扰。 1 、c y c l o n ee p lc 6 0 2 4 0 c 8 的架构 c y c l o n e 系列器件基于一种全新的低成本架构，c y c l o n e 架构如图3 1 所示，垂直 架构的逻辑单元( l e ) 、嵌入式存储块和锁相环( p l l ) 周围环绕着i o 单元( i o e ) ， 高效的内部连线和低延时的时钟网络，保证了每个结构单元之间时钟和数器件周围分 区工作的i o 单元被划分为不同的i o 块。这些i o 块支持一系列单端和差分i o 电 平标准，每个i o 单元包含有3 个寄存器以及双倍数据速率的应用，另外还包括其他 i o 特性相关电路。i o 块配备了专门的外部存储器接口电路。该电路大大简化了与 外部存储器的数据交换过程。c y c l o n e 器件由最多8 根全局时钟线组成的全局时钟网 络驱动，从器件的任何位置都可以访问这些时钟线，它们的驱动源可以是输入引脚、 锁相环的输出时钟、d d r p c i 接口的输入信号以及内部逻辑生成的输出信号。 1 3 第3 章故障录波装置硬什电路设计 图3 - lc y c l o n e 结构图 2 、e p l c 6 q 2 4 0 的配置电路 配置是对f p g a 的内容进行编程的一个过程。当f p g a 设计流程图中完成时序 仿真、实现所需功能后便进入配置测试阶段。在这个阶段将编程文件s o f 和p o f 里的 配置数据下载到具体的f p g a 芯片中，对实际器件机进行物理测试。当得到预计的结 果后就证明了设计的正确性。这些编程文件实在项目编译成功后由编译器产生的。 e p l c 6 q 2 4 0 c 8 采用两种配置方式：j t a g 和a s 配置方式。 j t a g 配置方式如图3 2 所示，j t a g 是基于i e e e 11 4 9 1 标准的一种边界扫描 测试方式。t c k 需要下拉到地，只接一个1 k 下拉电阻就能满足要求，t m s 、t d i 需 要上拉到3 3 v 。 图3 - 2j t a g 配置方式 1 4 第3 章故障录波装置硬件电路设计 a s 主动串行配置模式如图3 3 所示。由f p g a 来主动输出控制和同步信号( 包 括配置时钟) 给a l t e r a 专用的一种串行配置芯片e p c s l ，在配置芯片收到命令后， 就把配置数据发送给f p g a ，完成配置过程。 v o cv c gv g c 图3 3a s 配置模式 f p g a 上电后会有3 个状态，首先进入配置模式，将编程文件载入器件，在最后 一个配置数据载入到f p g a 后，进入初始化模式，这个过程复位各类寄存器，为正常 工作做准备。当初始化完成后即进入用户模式。在配置文件和初始化模式下f p g a 的 用户i o 处于高阻态，当进入用户模式时，用户i o 就将按照所设计的功能正常工作。 3 1 2 模拟量采集电路 故障录波器的模拟量采样为交流直接采样，模拟量由电压互感器和电流互感器的 二次侧直接输入，经隔离、电压变换后进行a d 转换。在正常情况下，对电压电流 只进行采集，当有故障发生时，如采集到突变量，过电流、过电压信号时系统启动故 障录波。 一、信号调理电路 信号调理信号用来把电压电流信号按一定的比例转换成正负5 v 之间的电压信 号，供a d 采集电路进行采集，借助a d 技术，将连续变化的模拟量转化为离散的 数字量进行计算分析。 如图3 - 4 所示，该电路为电流采样回路，要求输入额定电流为1 a 或5 a ，本系统 采用g c t - 2 0 1 b 电流互感器，输入额定电流为5 a ，副边产生一个2 5 m a 电流，互感 器变比为2 0 0 0 ：1 ，则二次侧采样电阻为： 旦r ：垩( 3 1 ) 2 0 0 0 4 2 1 5 第3 章故障录波装置硬件电路设计 则r = 1 4 1 4 q ，理论采样电压= 一次侧电流2 0 0 0 x r 。 如图3 5 所 图3 _ 4 电流采样电路图 图3 - 5 电压采样电路图 本系统选用的是g p t - 2 0 2 电压互感器，当额定输入电压为2 1 2 v ，首先选定初级额定 电流为2 m a ，限流电阻r = 1 0 6 k q ，则二次侧采样电阻为 翌丝尺：娶( 3 2 ) 1 0 6 k s 2 4 2 r 取1 7 6 8 q ，理论采样电压= 一次测电压1 0 6 x r 1 0 0 0 。 二、模数转换a d 在故障录波装置中需要采集三相电压、三相电流，通过a d 转换芯片将模拟量 转化为数字量。而m a x l 9 7 的多通道输入、较高的分辨率、适中的转换速率以及双 极性输入等特点非常适合电网中交流量的数据采集。m a x l 9 7 将传统数据采集通道需 要的多路选择器、采样保持器( s h ) 和逐次逼近型a d c 集成到了一起，其整个转 换时间只有6 s ，不仅满足系统快速性要求而且设计简便可靠。其内部结构图如图 3 - 6 所示。 m a x l 9 7 芯片的主要工作特点n 引： 1 6 第3 章故障录波装置硬4 ；， ：电路设计 ( 1 ) 1 2 位分辨率 ( 2 ) 单+ 5 v 工作电源 ( 3 ) 可软件选择模拟量输入范围：1 0 v ，5 v ，0 v 1 0 v ，o v 5 v ( 4 ) 8 个模拟输入通道 ( 5 ) 6 , u s 转换时间，1 0 0 k s p s 采样速率 ( 6 ) 采用内部采集或外部采集控制方式，内部或外部时钟 ( 7 ) 内部4 0 9 6 v 参考电源或外部参考电源 图3 - 6m a x l 9 7 的内部结构图 m a x l 9 7 与f p g a 的连接示意图如图3 7 所示： 十 十一 1 r j 图3 7f p g a 与m a x l 9 7 的迩接图 通过对控制寄存器的设置，m a x l 9 7 就可以工作在不同的运行及控制模式下，表 3 1 就是寄存器的格式。 1 7 n d d e d n n b d g g h v a d 7 6 5 4 3 2 1 0 k s 8 n t h h h h h h h h l c w r d n c c c c c c c c c h i 第3 章故障录波装置硬1 ：，| ：电路设计 表3 1 控制寄存器控制字格式及说明 d 7d 6d 5d 4d 3d 2d 1d 0 p d lp d 0 a c q m o d r n gb i pa 2a 1a 0 时钟及电源关断模内部外部采集模拟输入量模拟输入模拟输入通道选择 式选择控制选择程选择极性选择 3 1 3 实时时钟r 1 0 模块 由于记录的数据需要带有时标，所以本系统中采用了高精度时钟i m c 7 1 7 0 芯片， 当系统发生故障时也能为系统提供准确的故障时间，i m c 7 1 7 0 是美国i n t e r s i l 公司 生产的实时时钟芯片，能提供年、月、星期、日、时、分、秒、1 1 0 秒、1 1 0 0 秒等 时间码以及1 2 2 4 时制选择。该芯片是一种与微处理器总线兼容的外围硅c m o s l s i 芯片，数据输入、输出采用8 位方向可控总线，对时钟的读写是通过访问内部8 个可 独立寻址与编程的计数器实现的，计数器可实现从1 1 0 0 秒到年的计数，其计数脉冲 由晶振电路分频得到，晶体频率可由片内命令寄存器选择，通过使用片内的可控电源 可以获得非常稳定的晶振频率，其机器访问的时间为3 0 0 n s 。其与f p g a 的连接示意 图如图3 8 所示。 图3 - 8i c m 7 1 7 0 与f p g a 的连接示意图 3 1 4 开关量输入电路 本装置除了输入模拟量信号外，还要处理输入的开关量信号。开关量主要包括： 断路器状态的闭合和断开，继电器的吸合和释放。本装置设有1 6 路开关量，对这些 开关量进行监视和控制。 由于仪器运行环境恶劣，存在电、磁、振动、噪声等各种干扰，本装置中采用了 光电隔离型输入方式，其优点主要表现在： ( 1 ) 输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强。 1 8 第3 章故障录波装置硬件电路设计 ( 2 ) 无触电，耐冲击，寿命长，可靠性高。 ( 3 ) 响应速度快，易于逻辑电平配合使用。 1 6 路数字量输入首先经过光电隔离器，如图3 - 9 所示。另外在输出端可以增加施 密特触发器，防止外界干扰使数字信号中叠加有干扰信号，使得高电平中产生“毛刺”， 经过施密特触发器后，可对受干扰的波形进行整形，去除干扰信号的影响。 图3 - 9 开关量输入电路 3 1 5 频率测量电路 电力系统频率并非一直