（电气工程专业论文）基于光纤通讯的分布采集式故障录波系统研制.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名： 日期： 上口1 0 ，0 ，i1 一 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：堡笙堡日期： & o l o ，10 i 3 2 数据采集模块1 4 3 3 数据编码模块17 3 4 光发送模块1 9 3 5 数据接收处理模块1 9 3 6g p s 时钟基准模块2 2 3 7 管理模块2 3 3 8e t x 数据分析处理模块2 9 3 9 小结3 0 第四章录波数据分析3 0 4 1 参数设置3l 4 2 实时监视3 4 4 3 故障分析3 5 4 4 稳态分析3 8 4 5 小结4 0 第五章模拟通道误差矢量校正4 1 5 1 通道变比的数学模型4 1 5 2 通道变比校正4 1 5 3 通道相位校正4 2 5 4 测试结果4 3 5 5 小结4 4 第六章总结4 5 参考文献4 6 致谢4 9 山东大学硕士学位论文 一 山东大学硕士学位论文 摘要 当前电力系统的规模正在不断扩大，随着区域网络的互联，电力系统行为将 会越来越复杂。故障录波功能作为分析电网故障必不可少的功能，对电力系统安 全稳定运行起着重要的作用。 论文从实际需求出发，提出了一种基于光纤通讯传输数据的分布采集式录波 系统，将录波采集单元分布于各种电气间隔中，经过光纤与总的录波管理单元相 连，形成一个完整的录波系统。该系统可减少变电站内铺设电缆的数量，节约变 电站的投资费用，同时由于光缆电磁兼容性能远好于电缆，能显著提高录波信号 传输的可靠性。同时由于分布式设计，不同采集单元的损坏不影响其他单元的运 行，可大大提高录波系统的可靠性。 录波系统采用模块化分层设计，功能合理分布到不同的模块。设计中采用了 d s p 及多c p u 并行处理技术，使用了数字信号处理专用芯片( t m s 3 2 0 c 3 2 ) 和大规 模可编程逻辑器件c p l d ，并采取了双c p u 并行处理的结构。论文中详细说明了 不同模块实现的功能、功能实现的流程以及设计思路和实现方法。采用基于先进 的嵌入式实时多任务操作系统平台，采用组件化的软件系统结构，大大提高软件 系统的可靠性、保证整个系统具有优异的整体性能。 为了提高录波测量精度，论文还提出了一种基于最小二乘曲线拟合技术的模 拟通道变比校正方法，测试结果表明该方法可有效提高录波的测量精度。 关键词：故障录波，分布采集式，光纤通讯，最小二乘法，录波分析 b e t t e rt h a nc o m m o nc a b l e ，s oi tc a n i m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t yr e m a r k a b l y a tt h es a m et i m e ，d u et od i s t r i b u t e dd e s i g n , o n es a m p l i n gu n i td a m a g ew i l ln o ta f f e c t t h eo t h e ru n i t ，s ot h er e l i a b i l i t yo fw h o l er e c o r d i n gs y s t e mw i l lb ei m p r o v e d t h es a m p l i n gs y s t e ma d o p tm o d u l ed e s i g n , d i f f e r e n tf u n c t i o ni sd i s t r i b u t e di n d i f f e r e n tm o d u l e d s pa n dm u l t i c p ut e c h n i q u ea r ep r o p o s e di nt h ed e s i g n , a n d t m s 3 2 0 c 3 2a n dc p l da r eu s e di nt h ee i r c u i t t h ef u n c t i o nr e f l m e db yd i f f e r e n t m o d u l ei sd e s c r i b e di nt h et h e s i si nd e t a i l t h es o t t w a r ei sb u i ko nt h ee m b e d d e d r e f l - t i m em u l t i - t a s ko p e r a t i n gs y s t e m ，a n di sb a s e do nc o m p o n e n ts o f t w a r es t r u c t u r e ， s ot h es o f t w a r er e l i a b i l i t yi si m p r o v e da n dg u a r a n t e e dt h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo f t h er e c o r d i n gs y s t e m t oi m p r o v et h em e a s u r ep r e c i s i o n , t h el e a s ts q u a r em e t h o di su s e dt oc o m p u t et h e a n a l o gc h a n n e lr a t i o t h et e ad e m o n s t r a t e st h em e t h o di sc o n e c ta n dc a ni m p r o v e m e a s u r ep r e c i s i o ng r e a t l y k e y w o r d ：f a u l tr e c o r d e r ，d i s t r i b u t e ds a m p l i n g ，f i b e ro p t i c f lc o m m u n i c a t i o n 1 1 概述 故障录波装置是电力系统可靠、安全运行不可缺少的设备之一，它的基本任 务就是记录系统大扰动( 如短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等) 发生后 的有关电气量( 线路电流、母线电压、线路功率、母线频率等) 的变化过程及继电 保护与安全自动装置的动作行为忉。 1 2 故障录波装置在电力系统中的重要作用 故障录波系统可记录故障前和故障后时间段内的有关电参量的变化全过程 波形及继电保护的动作情况，通过对录波器数据进行详细分析和处理，如有效值、 各序分量、谐波分量、开关动作行为时间等，从而为解除故障提供科学支持，加 快寻找到短路点，减少了停电时间，其具体作用有以下几个方面： 1 ) 正确评价继电保护和自动装置的工作 当系统由于继电保护装置误动造成无故障跳闸或系统有故障但保护装置拒动 时，就要利用故障录波器中记录的开关量动作情况来判断保护的动作是否正确， 并可以据此得出有问题的部分【l 】。对于较复杂的故障可以通过记录下来的电流电 压量对故障量进行计算，从而对保护进行定量考核【5 】。 2 ) 了解系统故障时的运行状况，快速进行故障定位 当电力系统发生事故后，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。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：另外电力系统事故发生后，一般均需及时巡线找到故 障点并进行处理，以保证线路安全供电；利用录波图不仅可以迅速判明故障类型 和相别，而且还可以利用录波资料提供的零序短路电流值，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，缩短停电时间，减小经济损失【5 】。 3 ) 正确分析事故原因及防范措施 山东大学硕士学位论文 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，以便确定防止事故发生的对策。通过录波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 囊 防止措施，从而减少并避免再发生类似事故。 4 ) 便于发现设备缺陷或接线回路设计等问题，便于改进和完善。 电力系统的发展，使得系统容量越来越大，从而使短路故障的发生、发展趋 于严重化和复杂化从不同电压等级的发展性故障、演变性故障、相继故障的不 断发生，使得继电保护( 包括一次开关) 的技术性能和正确动作面临考验；而有的 设备例如高压断路器存在缺陷，或接线回路设计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，但在系统发生事故时， 就会造成装置的拒动或误动；利用录波资料，经过分析，就可以发现装置的缺陷， 及时进行消除并改进，避免更大问题出现【5 1 。 5 ) 验证整定参数正确性 系统故障时录波资料提供的全电流、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，而且可权衡继电保护定 值整定的合理性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 【5 】 o 6 ) 为故障再现提供数据 随着微机技术迅猛发展，录波装置提供的数据，可以为今后的动模仿真提供 第一手的真实资料，做到故障再现，研究故障原因，并积累经验数据。 1 3 故障录波装置的发展历史及趋势 随着计算机技术、软件技术、电子技术、通信技术的发展，国内故障录 波装置技术不断更新换代，从6 0 年代到目前为止，已发展到第三个阶段。 第一个阶段产品是光电式录波装置，它以光电转换为原理的、1 2 0 胶片为 主要记录载体。存在录波环节多、容量小、没有时标、启动带有延时、无记忆能 力等诸多缺点，但录波器在电网故障及继电保护动作行为分析方面已体现出其重 要的作用【5 】。 2 第二个阶段产品是8 0 化解决了光电录波存在的多种等问题，为电力故障的分析提供了方便的手段。同 时随着工控机的应用以及采集数据、分析数据前后台的结构形式，提高了微机故 障录波器录波的可靠性、提高了储存数据和分析数据的能力、实现了远传功能等 等，自此微机故障录波器的发展跨进了一大步，并成为电力系统中的主要运行产 品，己经完全取代了光电式录波器，成为电网故障信息记录的主要自动装置，在 许多重大事故的调查和分析中发挥了重要作用【6 】。 第三个阶段产品是9 0 年代末基于d s p 技术的嵌入式系统的录波装置的应用。 通过采用嵌入式技术采集和计算机存储通信技术，不仅提高了数据处理能力，而 且增强了装置的可靠性，方便了通信存储，这种嵌入式系统越来越体现其优势， 发展前景越来明洲r 7 1 。 随着电力系统的快速发展，能源接入的多重化，系统也越来越庞大，故障日 益变得复杂化，可以预见未来的录波装置必将向着网络化，全天候录波，高速度， 大容量的趋势发展变化。 1 4 分布采集式录波系统的特点 分布采集式录波系统的采集单元分布于各个电气间隔，与录波管理单元和 后台分析及存储单元通过光纤传输数据，同集中式录波【2 】相比，具有以下特点： 1 ) 材料节省：集中组屏的录波装置需要大量的二次电缆，占用大量的空间， 接线混接，不利于维护，而分布式故障录波器就地安装，通过光纤网络将故障数 据传到主控室口】【4 】。 2 ) 电磁兼容性好：光纤传输的电磁兼容性能好，比电缆传输更加可靠。 3 ) 扩容方便：集中式故障录波装置在订货时就要考虑到远景配置，其冗余 度小，不利于模拟量的增容和升级，而分布式故障录波装置的模块式结构使以后 的扩展方便，易于接入。 4 ) 可靠性提高：由于分布式录波装置的分散特点，将原本一台装置的采集 系统分散到多处，根据概率统计，其同时损坏的概率将大为降低，故增强了装置 的可靠性，避免局部损坏整台装置退出运行。 5 ) 便于实现数据共享：通过日益完善的通讯网络，通讯规约的统一性及规 其 第二章：具体描述故障录波系统的国家标准功能和技术指标，设计了分布采 集式故障录波与分析系统的分层体系结构，及确立采用嵌入式模块化c p u 、3 2 位 浮点数字信号处理器t m s 3 2 0 c 3 2 ( d s p ) 及规模可编程逻辑器件( c p l d ) 来进行开发 的设计思想，并对其芯片结构进行了分析。同时介绍了系统硬件、软件整体设计 方案。 第三章：介绍了硬件系统的组成，各模块的功能。介绍了部分原理框图及其 模块接口。 第四章：详细介绍了录波数据分析的功能 第五章：模拟通道误差矢量校正技术 第六章：总结和展望部分。 4 山东大学硕士学位论文 第二章分布采集式故障录波系统总体设计 分布采集式故障录波系统，根据电力行业标准进行设计，满足2 2 0 k v 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则中对电力系统动态记录装置的功能和 技术指标的要求。同时应具备连续不问断录波功能，满足电力系统长过程发展 性故障录波的需要。 2 1 故障录波装置的国家标准及设计功能要求 2 1 1 电力系统的动态记录 根据( 2 2 0 k v , - - 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则，电力系统的动态 记录分三种不同的功能。 1 ) 高速故障记录 要求记录因短路故障或系统操作引起的、由线路分布参数参与作用在线路上 出现的电流及电压暂态过程，主要用于检测新型高速继电保护及安全自动装置的 动作行为，也可用以记录系统操作过电压和可能出现的铁磁谐振现象。其特点是： 采样速度高，一般采样频率不小于5 k h z ；全程记录时间短，例如不大于1 s 。 2 ) 故障动态过程记录 记录因大扰动引起的系统电流、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( 动) 态过程中系统中各电参量的变化规律，校核电力系统计算程 序及模型参数的正确性。其特点是采样速度允许较低，一般不超过1 o k h z ，但 记录时间长，要直到暂态和频率大于0 i h z 的动态过程基本结束时才终止。已在 系统中采用的各种类型的故障录波器均属于此一类别1 5 】。 3 ) 长过程动态记录 在发电厂，主要用于记录诸如汽流、汽压、汽门位置，有功及无功功率输出， 转子转速或频率以及主机组的励磁电压；在变电所，则用于记录主要线路的有功 潮流、母线电压及频率、变压器电压分接头位置以及自动装置的动作行为等。其 特点是采样速度低( 数秒一次) ，全过程时间长【1 5 】。 山东大学硕士学位论文 2 1 2 对电力系统故障动态过程记录的基本要求 电力系统故障动态过程记录的主要任务是，记录系统大扰动如短路故障、系 统振荡、频率崩溃、电压崩溃等发生后的有关系统电参量的变化过程及继电保护 与安全自动装置的动作行为【1 5 1 。 1 ) 当系统发生大扰动，包括在远方故障时，能自动地对扰动的全过程按要 求进行记录，并当系统动态过程基本终止后，自动停止记录。 2 ) 存储容量应足够大，当系统连续发生大扰动时，应能无遗漏地记录每次 系统大扰动发生后的全过程数据，并按要求输出历次扰动后的系统电参数( i 、u 、 p 、q 、f ) 及保护装置和安全自动装置的动作行为。 3 ) 所记录的数据可靠安全，满足要求，不失真。其记录频率( 每一工频周 波的采样次数) 和记录间隔( 连续或间隔一定时间记录一次) ，以每次大扰动开始 时为标准，宜分时段满足要求。其选择原则是： 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； 尽可能只记录和输出满足实际需要的数据。 4 ) 各安装点记录及输出的数据，应能在时间上同步，以适应集中处理系统 全部信息的要求。 2 1 3 故障录波系统装置的基本要求 根据2 2 0 k v 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则，对装备在2 2 0 - - - , 5 0 0 k v 变电所的电力系统故障录波系统应满足如下基本要求： 1 ) 具有按反应系统发生大扰动的系统电参量幅度及变化率判据而自启动和 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随即快速地转出到中间载体，以迎接可能随之而来 的下一次故障数据记录。其内存容量应满足连续在规定时间内发生规定次数的故 障时能不中断地存入全部故障数据的要求。 3 ) 有足够的抗干扰能力；满足规定的电气量线性测量范围；记录的数据可 靠，不失真；记录的故障数据有足够安全性，不因供电电源中断或人为偶然因素 丢失和抹去。 4 ) 记录数据带有时标，并适应记录时间同步化要求。 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。 6 山东大学硕士学位论文 6 ) 故障录波设备应收集和记录全部规定的故障模拟量数据和直接改变系统 状态的继电保护跳闸命令、安全自动装置的操作命令和纵联保护的通道信号。模 拟量直接来自主设备，而开关量则由相应装置通过空触点送来【1 5 】。 7 ) 故障录波系统原则上应作为变电所监控系统中的故障数据收集及单个数 据处理( 输出每一采样周波的有关电参量数值) 的一个组成单元，并按要求接受监 控计算机命令输出相应数据。 8 ) 故障录波系统又是电网事故自动分析系统的一个组成单元，根据要求可 经由专设的通信接口直接接受自动分析系统主站计算机的命令调出数据。自动分 析系统主站计算机的基本分析功能另作规定。 9 ) 为了便于调度处理事故，在装设故障录波系统的变电所的配出线路或电 力元件故障时，应立即直接输出有助于事故处理的极少量故障电参量。 l o ) 为适应集中处理的要求，输出的动态过程记录数据应符合标准格式，规 定与a n s i i e e ec 3 7 1 1 1 1 9 9 1c o m t r a d e 兼容；记录短路故障等突发事件的数据， 其时间标志应满足同步化要求】【2 4 1 。 1 1 ) 故障录波系统本身可靠，便于维护，备品备件容易解决，具有自动测试 功能；其绝缘试验标准及抗干扰要求与继电保护装置等同【3 2 1 。 2 1 4 故障动态录波量的技术指标 交流电流量：以额定电流有效值5 a 或1 a 为标准，要求线性测量范围为工频有 效值( 0 1 - 2 0 ) j ，考虑直流分量。 交流电压量：以额定相电压有效值1 0 0 3 u 为标准，要求线性测量范围为 工频有效值( o 0 1 - 2 0 ) u 。 开关量：分辨率不劣于1 0 m s 。 2 1 5 启动故障动态录波的参数 1 ) 各相和零序电压突变量：仉5 嘶；隅2 u m 。 2 )电压越限：1 1 0 u n 队9 0 u n ；阮3 u n ；砺2 踟。 3 ) 主变压器中性点电流：3 io 1 0 i n 。 4 ) 频率越限与变化率：5 0 5 h z f 4 9 5 h z ；d f d t 1 0 1 h z s 。 5 ) 线路同一相电流变化：o 5 s 内最大值与最小值之差i 1 0 。 7 山东大学硕士学位论文 6 ) 2 2 0 k v 及以上断路器的保护跳闸信号起动。空触点输入。 7 ) 变电所和上级调度来的启动命令。 2 1 5 数据记录方式 本设计遵循国家电力工业部电力部d l t5 5 3 9 4 标准中模拟量采样时段 a b c d e 的分段顺序，在满足完整记录故障从开始到跳闸及重合闸过程的基础上， 力求数据记录更有效、简单，存储更方便，因此稍加改变，采用a 、b 、c 和d 分时 段记录，如图2 1 所示。 1 ) 故障记录 故障启动后，按图2 - 1 的方式对各种接入量进行记录( 其中a 、b 、c 、d 段的时间长度可由用户设定) ，记录数据带有绝对时标。 图2 - 1 数据记录方式 a 时段：( 6 2 5 周波) 系统大扰动开始前状态数据，输出原始记录波形( 最高 采样频率1 2 8 k h z ，可设) 。 b 时段：( 1 0 1 5 0 周波) 系统大扰动后初期的状态数据，输出原始记录波形( 最 高采样频率1 2 8 k h z ，可设) 。 c 时段：( 0 - - 1 0 0 0 周波) 为系统大扰动后的中期状态数据，输出工频相量值( 记 录间隔1 5 周波，可设) 。 d 时段：( o - - 5 0 0 0 周波) 为系统动态过程数据，输出工频相量值( 记录间隔2 1 0 周波，可设) 。 第一次启动： 符合任一启动条件时，装置即由s 开始按a - b p d 时段顺序记录。 重复启动： 在已经启动过程中，如遇突变量判据有输出或开关量变位，则重新由s 开 始，按a _ b c d 时段顺序接着记录，在d 时段，如果系统震荡，则一直按d 时 段记录，直到振荡平息。 自动终止条件： 2 2 分布采集式故障录波系统的总体设计方案 2 2 1 设计原则： 采用先进成熟的技术，保证系统可靠性。 装置使用维护方便，操作界面友好。 2 2 2 分布采集式故障录波系统的基本结构 采用了如图2 - 2 所示的系统结构，主要由数据采集单元和数据存储分析单 元两大部分组成，数据采集单元独立分布到各数据采集点，通过光纤和数据存 储分析单元连接交换数据，一台数据存储分析单元可以接入最多2 4 个数据采集 单元。 图2 - 2 系统结构框图 2 2 3 数据采集单元 数据采集单元分布安装在各开关柜 2 9 1 ，结构如图2 3 所示 9 山东大学硕士学位论文 开关量输入( 6 路) l 电源 i j 0j 0 电压 悃 接光纤模拟输入( 4 路) 电流 a d 转 电压、电流。传感 c p u 换 器 图2 - 3 数据采集单元结构图 负责以下功能： 数据采集单元可同时采集4 路模拟量和6 路开关量。 模拟信号通过隔离运算放大器模块隔离输入，由c p l d 控制1 6 位高精度模数 转换器芯片采样转换并读取数据。 开关量信号以光电形式进行隔离，由c p l d 控制采集读取数据。 c p l d 将采集的模拟量和开关量数据进行曼切斯特编码，最后按照 i e c 6 0 0 4 4 - 8 协议以曼切斯特编码的形式通过光电转换模块输出。 2 2 4 数据存储分析单元 数据存储分析单元的功能分布在不同的智能化( 具有独立的c p u 、d s p ) 模 块中如图2 - 4 所示。各智能模块之间通过双口r a m 采用总线式接口，保证了极 高的数据吞吐能力。整个数据存储单元具有高精度、高可靠性、可扩展性和可 维护性等特点。数据存储分析单元的主要构成：智能数据接收模块、管理模块、 数据处理及分析模块、g p s 时间同步模块。各部分作用如下： 1 ) 智能数据接收模块：其功能是在管理板的同步控制下，完成对采集单元 发送的数据的接收、数据的预处理，并将数据通过双口r a m 送到管理模块。 2 ) 管理模块：启动判断，并把故障前后数据暂存到掉电保持r a m 中，同时 把数据传送到数据处理及分析模块。 3 ) 数据处理及分析模块：对记录数据进行存盘，数据分析处理、显示和打 印输出，通过联网通讯接口( e t h e r n e t 、标准的r s - 2 3 2 等) 实现数据共享。 4 ) g p s 时间同步模块：可接收来自其它g p s 同步时钟装置的秒脉冲信号、 串行口信号、i r i g - b 码信号，获得全球定位系统同步时钟信号，为采样提供准 确的时间基准。也可以选装接卫星接收天线方式，直接获得同步时钟。 1 0 ， 2 3 硬件主要器件的选择 2 3 1 大规模c p l d 技术的应用 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 ) 复杂可编程逻辑器件【8 】，是 从p a l 和g a l 器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模 集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电 路。 采用可编程逻辑器件【3 伽实现数字系统设计有如下优点： 减少器件使用及p c b 板面积，使电路更简单、可靠。 内部连线结构，可以改善系统的性能。 设计的灵活性，借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法， 生成相应的目标文件，通过下载电缆( “在系统”编程) 将代码传送到目标 芯片中，实现设计的数字系统口3 1 。 鉴于此在设计上大规模采用t c p l d s 1 1 ，其中在管理板上选用的是a l t e r a 公 司推出的m a x 7 0 0 0 s 系列的c p l d ( e p m 7 2 5 6 s ) ；采用c m o se e p r o m i 艺，传输延时仅 为3 5 n s ，可实现频率高达2 0 0 m h z 的计数器；内部具有丰富的资源2 5 6 个宏 单元，1 万个用户可编程门：为了比较适合混合电压系统，提供了3 3 v 电压的内 核，通过配置，输入引脚可以工作兼容5 v 3 3 v 逻辑电平，输出可以配置为5 v 3 3 v 逻辑电平输 3 9 1 。 山东大学硕士学位论文 2 3 2d s p ( t m s 3 2 0 c 3 2 处理器) 技术的应用 由于电力系统对录波的计算精度和启动准确度要求很高，录波装置同时采样 的通道路数较多，计算的谐波次数多，运算量很大，单纯的定点运算已不能满足 要求。为确保准确性和实时性，系统中采用t i 公司推出的d s p 数据信号处理芯片 3 6 t m s 3 2 0 c 3 2 处理器，无论从计算性能还是将来的可扩展性等方面都能够很好的 满足电力系统的要求；t m s 3 2 0 c 3 2 ( 第三代) 数字信号处理器( d s p ) 是一种高性能 c m o s3 2 位浮点运算器件【9 】，可以在单周期内，对整数或浮点数进行并行的乘法 和算术逻辑单元( a l u ) 操作。还具有通用寄存器组，程序高速缓冲存储器，专用 的辅助寄存器单元( a r a u ) ，内部的双存取存储器，一个d m a 通道( c 3 2 的d m a 为双通 道) ，以及更短的机器周期时间；由于它们具有很大的地址空间，一个外部接口 端口，两个定时器，一个串行口，以及多重中断结构，该处理器得到了广泛的系 统应用；主要特点列举如下：t m s 3 2 0 c 3 2 6 0 ( 5 v ) ；3 3 - n s 单指令周期时间；3 3 0 百万次运算每秒钟( m o p s ) ；6 0 百万次浮点运算每秒钟( m f o p s ) ；3 0 百万条指令每 秒钟( m i p s ) ；1 6 3 2 位整数和3 2 4 0 位浮点数：3 2 位指令、数据字，2 4 位地址： 两个2 5 6x3 2 位单周期、双存取片内r a m 块；支持8 1 6 3 2 位片外r a m 数据存取格 式和16 3 2 位片外i 程序执行格式d t d 9 m 。 2 3 3e t x 技术的应用 e t x 是e m b e d d e dt e c h n o l o g ye x t e n d e d 的缩写，是一种嵌入式p c 标准。是集 成了c p u 、p c i 总线、p c 总线以及标准p c i o 功能的c p u 模块。 1 ) e t x 特点： e t x 具有高性能，低功耗，小尺寸，完全p c 兼容，易于升级等特点。其安装 方式充分考虑了抗震动的恶劣环境应用要求，是一种适合工控行业要求的工业主 板。e t x 作为一种嵌入式工业主板标准，最突出的表现为结构灵活、扩展容易、 尺寸小巧等，与现在嵌入式可裁剪思想相吻合，符合工业发展趋势。应用e t x ， 可大大缩短系统的开发周期。 2 ) 选取的e t x 板卡： 系统采用的是德国控创公司的e t x p m 模组，采用以迅驰移动处理器i n t e l p e n t i u mm ，主频可达i 8 g h z ，i n t e l8 2 8 5 5 g m 芯片组。除具有标准e t x 的性能， e t x - p m 还支持4 x u s b2 0 ，可扩至i g bd d r 内存，提供l o l o o b a s e - t 以太网，键 1 2 山 盘鼠标，实时实钟，看门狗。 2 4 小结 本章首先介绍了分布采集式录波装置的功能和技术要求，提出了分布采集式 故障录波器的总体设计方案，并对使用的技术进行了介绍，同时简单介绍了所选 核心器件的型号及其特点。 3 2 数据采集模块 设计，数 析单元由 理模块构 数据采集主要分为模拟量采集、开关量采集。其主要功能是负责对来自p t ( 电压互感器) 或c t ( 电流互感器) 的外部数据进行预先处理，并经过隔离放 大器及滤波回路和采样保持电路，由c p l d 通过控制a d 转换，实现对电压电流 信号的采集，并将数据进行曼切斯特编码，最后按照i e c 6 0 0 4 4 8 协议 2 2 1 通过光 转换模块输出。 主要包括隔离放大回路，a d 转换回路，开关量回路。每个模块按照最大4 路模量、6 路开关量设计。 数据采集单元 罂图 ( 4 路) 1 璺i 、 亡= = = = = = = = = l取l 气广 7 墼令 智 能 c p l d 数 据 曼切 采 斯特 集 编码 c p u掴一 图3 一l 数据采集单兀硬件结构示葸图 3 2 1隔离运算放大器回路 隔离放大器作用是对模拟信号进行隔离，并按照一定的比例放大。在这 个隔离、放大的过程中要保证输出的信号失真要小，线性度、精度、带宽、 隔离耐压等参数都要达到使用要求。对被测对象和数据采集系统予以隔离， 1 4 一 囡罔倒 山东大学硕士学位论文 从而提高共模抑制比，同时保护电子仪器设备和人身安全。 隔离放大器按耦合方式的不同，可以分为变压器耦合、电容耦合和光电耦 合三种，这里选用精密宽带三端隔离放大器a d 2 1 0 器件。该器件采用变压器耦 合，信号由变压器t 1 耦合至输出端，全功率信号带宽高达2 0 k h z 。其内部包含 了d c d c 电源变换模块，只需外部提供单个+ l s v 直流电源至p w r 及p w r c o m 引 脚，即可产生隔离放大器内部所需的输入及输出侧电源。并且内部产生的输入 及输出电源可以引出供其它电路使用，使用方便。它是三端口结构设计。因而 使得该芯片每个端口( 输入，输出和电源) 都具有独立性从而可以独立完成输入 隔离，输出隔离。或电源有故障时，给其它系统提供保护功能，并且可以同时完 成3 个端口的隔离【3 8 】。在本设计中的具体运用如图3 - 2 所示。 骷盘一亡 “ l 暑 打 鼢 l 静 l 洲 柚嘲曩l 黼v 耵n h 2 ln !i 万馐上l 一 搏晓 2 一j m -l 一钮冤 酣 l 甲稳m l 电 谢伽 v o -期、 p 孝譬l 疰l r 一 甲蝴葡 l 记蕊蠹墉口一 ii 口泗懈 蔓v ，嘬噜 丰电一 la 魁一一 + 舒盼 - v 辨拍 搔耗 图3 - 2 隔离运算放大器电路图 3 2 2 滤波和a d 转换回路 数据经隔离放大器输出后，经过下图进行滤波，选用l f 3 5 3 芯片，比较简 单成熟可靠。 图3 - 3 滤波回路 数据经过滤波后进入a d 回路，在周期性电参量的测量中，进行同步采样是准 确测量实时信号的关键。所谓同步采样就是将信号的一个整周期( 或多个周期) 进行均匀离散，在每一个离散点处取其信号的瞬时值。同步采样也是信号频谱分 析的前提条件。而同步采样模块一般采用多个采样保持器、多路转换丌关和高速 高分辨率的模拟数字转换器来构成【3 5 l 。考虑到电力故障录波器电量检测的重要性 山东大学硕士学位论文 和实时性，为了提高故障分析的准确性，在技术条件和成本允许的情况下，采样 率越高越好。考虑到这些因素系统采用了a d 公司的6 通道1 6 位模数转换器 a d s 8 3 6 4 1 2 】，其内部包括6 个高速采样保持电路缓冲器，有3 组信号采集控制端， 每组控制2 路信号，1 6 位精度，每通道的转换速度高达2 5 0k h z 。支持高速并行数 据输出接口，数据输出接口包括直接地址选择模式、c y c l e 模式、f i f o 模式。 原理是当c p u 内c o n s t 引脚一个低脉冲时，在c o n s t 的上升沿启动a d s 8 3 6 4 ，保持器 同时对c h i - - c h 6 个端子上模拟量进行采样、保持，由片内控制电路控制对6 个通 道的模拟量依次进行转换；在转换过程中，b u s y 脚处于高电平，提示c p u 转换正 在进行，每转换完一个通道的量e o c 脚给出一个低脉冲，所有6 个通道转换完毕， b u s y 弓 脚变低指示所有转换已完成，c p u 可以从片内的6 个寄存器读转换结果，而 后c p u 可连续读入6 个转换结果；a d s 8 3 6 4 的优点是转换快、其内部集成了采样保 持电路、多路转换开关等，精度高，性能稳定【1 1 】。本处采用了对其中的4 路通道 进行采样。 c p l d 器件来实现同步检测并控制a d 的采样、转换和校验等，考虑到成本因 素和设计要求，在设计中我们采用了a l t e r a 推出的h i i 器件系列的e p m 5 7 0 t 1 0 0 芯片，具有以下特点：单个i 0 引脚成本最低；低功耗；支持内部时钟频率高达 3 0 0m h z ；内置用户非易失性f l a s h 存储器。通过取代分立式非易失性存储器件减 少元件数；实时在系统可编程能力( i s p ) ；片内电压调整器支持3 3v 、2 5v 或 1 8v 电源输入。多电压提供能力和外部器件在1 5v 、1 8v 、2 5v 或3 3v 逻 辑级的接口。 e p m 5 7 0 t 1 0 0 内部有5 7 0 个逻辑单元，e p m 5 7 0 t 1 4 4 c 5 内部分为两个i o b a n k ，共11 6 个通用i 0 ，引脚延时为8 8 n s ，满足系统的设计要求。 e p m 5 7 0 t 1 0 0 控制a d s 8 3 6 4 包括控制a d 转换器的采样率以及数据量化输出 模式等，同时控制c s 信号可有效抑制噪声；系统时钟输入为5 0m h z ，c p l d 对 其分频产生5m h z 时钟以触发a d 转换器。程序通过控制a d 转换器的h o l d x 来启动a d 转换；控制a d 转换器的a d d 来控制其输出通道信息，控制a d 转换器的a d d r e s s 控制其数据输出工作模式。考虑d s p 内程序算法每次判断通 道信息会增加d s p 运算负担，故设置a d 转换无通道信息，a d 转换器工作 在c y c l e 模式下，a d 转换后的数据按通道号顺序循环输出，d s p 可根据顺序性 1 6 山东大学硕士学位论文 直接判定数据的具体通道。图3 - 4 为设计的e p m 5 7 0 控制a d s 8 3 6 4 接口电路。 3 4e p m 5 7 0 和a d s 8 3 6 4 接口控制电路 3 2 3 开关量采集回路 开关量采集模块可采集6 路开关量，如下图3 - 5 示，开关量驱动信号是+ 2 4 v 的 直流电压，每路开关量输入均经光电隔离t l p 5 2 1 后，转换为+ 5 v 的信号，输入到 c p l d 的i o n ，同时为了在反向电压时保护光耦，接入反向二极管i n 4 0 0 7 。 3 3 数据编码模块 3 3 1 曼彻斯特码介绍 图3 5 开关量回路 曼彻斯特码是一种用电平跳变沿传输信息的编码，也叫做相位编码( p e ) ， 是一个同步时钟编码技术，主要用在数据同步传输的一种编码方式。具有如下 优点：将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步 信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同 1 7 山东大学硕士学位论文 步能力和良好的抗干扰性能【2 0 】【2 1 1 。 3 3 2 编码设计 数据选择器根据输入的基带信号的值是“1 还是“o 组成，选择0 1 或是 1 0 送入并串转化器，并串转化器把0 1 或是1 0 串行输出。信号传送速率2 5 m b i t s 。 发送时钟频率5 删z ，每2 个周期对应子1 个数据位。这2 个周期标称为0 周期和1 周期。o n 期为数据位的前半周期，l 周期为后半周期。待发送数据采用移位寄 存器方式移出，首先传输m s b ( 最高位) 。1 周期的上升沿触发移位，有数据时 移出待发送数据，无数据时移出全1 。根据移出数据与发送时钟周期产生编码输 出。字节发送结束，产生新字节数据请求信号。位编码真值表如下： j 寨芝 o1 待发数据 001 110 图3 6 数据字节发送波形及位编码真值表 在数据移位发送过程中，按位逐次计算c r c 校验值。每读取一个1 6 位数据 进行发送的同时进行1 次1 6 位的c r c 计算，计算时钟采用5 m h z ，而信号移出 速率为2 5 m b i t s ，所以在发送完数据块最后1 个数据时该数据块的校验结果 已经生成。 数据帧发送流程：接收到1 个帧有效信号，进入帧发送流程。发送数据按 照既定格式产生，包括起始符、数据块、c r c 校验。 数据帧结构：共5 6 个字节：起始字节2 个，0 5 6 4 h ( 高字节在前) ；数据载 入1 ：1 6 字节；数据载入l 的c r c 校验，2 字节( 高字节在前) ；数据载入2 ： 1 6 字节；数据载入2 的c r c 校验，2 字节( 高字节在前) ；数据载入3 ：1 6 字节； 数据载入3 的c r c 校验，2 字节( 高字节在前) ； c r c l 6 校验多项式p o l y = x 1 6 + x 1 3 + x 1 2 + x l1 + x 1 0 + x 8 + x 6 + x 5 + x 2 + 1 = 1 3 d 6 5 h ，校 1 8 一 验结果按反码形式输出，无 上的1 。 3 3 3 硬件实现： 曼彻斯特码的时序比较复杂，实现编解码器和单片机的接口需要添加大量 的逻辑电路，给电路设计和调试带来很多困难。使用c p l d 可大大简化这一过 程。c p l d 具有用户可编程、时序可预测、速度高和容易使用等优点。 基于此，选用上述图3 - 4 中介绍的c p l d ( e p m 5 7 0 t 1 0 0 芯片) ，功能框图 如下图3 - 7 所示。 一 数据总线 a d 控制 信号输出 一 控制总线 采集模块 + 并申转换 + 曼切斯特编码 开关量 l 开关量采集模块 3 4 光发送模块 图3 - 7c p l d 功能框图 光发送器选用a g i l e n t 公司的低功耗l e d 型光发送器h f b r - 1 4 1 2 引，它不光具备 抗干扰能力强特点，在数据传送速度上和功耗方面具有优势，通过它可以实现在 高压侧和低压侧之间实现光电隔离，如图3 - 8 所示的电路。 3 5 数据接收处理模块 图3 - 8 耶b r 一1 4 1 4 电路 主要功能是在管理模块的同步控制下，完成对采集单元发送数据的接收，同 1 9 山东大学硕士学位论文 时实时计算各通道工频有效值及进行相关相序分解，作为故障数据及稳态数据的 数据源把采集数据及计算结果送到双口i 洲【4 2 】中，通过装置内部总线，以实现与 管理模块之间的数据交换。 3 5 1 光接收回路 采用a g il e n t 公司的h f b r - 2 4 1 2 ，其内部包含一个p i n 光二极管和直流放大器， 并驱动集电极开路的肖特基晶体管作为输出，该结构可以使出信号适合多种逻辑 电平，其外围电路如图3 - 9 所示。 图3 9h f b r 一2 4