基于单片机的电力系统故障录波设计.doc

摘要摘 要电力系统故障录波装置是常年投入运行监视运行状况的一种自动记录装置。故障录波装置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, 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, 对保证电力系统安全运行的作用极其重要。本论文首先介绍了故障录波器的研究背景与意义，分析了国内外故障录波器的发展现状。就故障录波器的基本要求和主要技术指标提出了FPGA+C8051F120的双CPU系统方案，并且针对故障数据存储容量的瓶颈问题提出了基于USB接口的大容量存储方案。其次，论文完成了基本的硬件电路设计和软件算法设计。本论文主要研究基于FPGA+C8051F120的双CPU系统方案的软件设计，系统统地阐述了数据处理系统的实现，故障录波器的主要启动判断、数据采集和数据存储，并用快速傅里叶算法(FFT)对交流谐波进行分析。最后，对其故障录波器的特点和应用前景做了展望。关键词：故障录波器;启动判断;FFT;高速数据采集IIAbstractAbstractElectric power system fault wave record device is perennial investment operation monitoring the operation condition of a kind of automatic recording device. Trouble wave record device can be accurately reflect the fault type, phase dont, fault current, voltage of the numerical value of the circuit breaker and jump off time and coincide success and so on, can correct analysis and determine the cause of the accident, the effective prevention measures, so as to reduce and avoid again occurrence similar accident, to ensure the safe operation of the power system is the important role. Firstly，this paper introduces the research background and significance of the fault recorder，and analyzes me developing status of fault recorder at home and abroadIt puts forward me measure of double CPU(FPGA and C8051F120) in view of the basic requirememts and the main technical indicator of the fault recorder moreover the lager storage scheme based on USB is proposed in View of the breakdown data storage capacitys bottleneck question Secondly ,the hardware frame and the methods to calculating the power parameters are mainly discussed in this thesis. This paper mainly research based on double CPU(FPGA and C8051F120) system scheme of software design, system all this data processing system is realized, trouble wave record of the main start judgment, the data acquisition and data storage, and with fast Fourier Transform Algorithm (FFT) to analyze the harmonic of the voltage and current. Finally, we describe the characteristics and application of fault recorderKey words: Fault recorder;Startup criteria; FFT ;High-speed data sample目录目 录摘要IAbstractII1 绪论1 1.1 课题的背景与意义1 1.2 国内外故障录波装置的发展和研究现状2 1.3 本课题的研究任务31.4 本章小结42 故障录波装置总体设计概述5 2.1 对故障录波装置设计的基本要求5 2.2 数据采集的主要技术指标6 2.3 数据记录时间及方式6 2.4 录波启动方式7 2.5 故障录波装置设计方案7 2.5.1 控制系统器件的选择7 2.5.2 主要外围电路器件的选择10 2.6 本章小结133 故障录波装置的硬件设计143.1 FPGA数据采集单元的硬件设计143.1.1 FPGA器件143.1.2模拟量采集电路143.1.3 实时时钟RTC模块143.1.4 开关量输入电路143.1.5 频率测量电路153.2 人机接口及管理单元的硬件设计15 3.2.1 C8051F120器件15 3.2.2 存储空间扩展电路15 3.2.3 人机接口电路15 3.3 硬件抗干扰措施15 3.4 本章小结154 故障录波装置总体设计概述17 4.1 FPGA数据采集单元的软件设计17 4.1.1 FPGA软件设计语言VHDL简介17 4.1.2 数据采集程序设计17 4.1.3 实时时钟模块19 4.1.4 双口RAM20 4.2 管理模块软件设计21 4.2.1 人机接口程序设计22 4.2.2 数据储存的软件设计24 4.3 本章小结285 系统算法的选择及程序实现29 5.1 故障判断算法分析29 5.1.1 突变量启动算法29 5.1.2 稳态录波启动算法30 5.2 数据处理算法及程序设计31 5.3 本章小结386 系统调试及实验39 6.1 数据采集与分析测试39 6.2 故障录波测试41 6.2.1 模拟故障录波信号产生电路41 6.2.2 数据的储存42 6.3 本章小结427 结论43 7.1 结论43致谢44参考文献45附录47河北工程大学科信学院毕业设计说明书531 绪论1.1课题的背景与意义企业变电所在企业生产有着重要的地位，保证变电所的安全、可靠的运行是十分必要的。随着计算机技术的发展，变电所的综合自动化监控系统开始逐渐在国内电力变电所使用，而企业变电所自动化监控刚起步，研究符合企业要求的变电所自动监控系统对企业安全生产有重要意义。随着电网规模日益扩大，就需要一个能够准确进行故障元件诊断、事故后数据分析、保护动作行为评价等功能完善的电网故障信息综合分析系统。这对于电力系统的安全可靠运行起着十分重要的作用。电力系统的调度自动化是电网安全稳定运行的重要保证，随着其自动化水平的不断提高以及通信等技术的加盟，促进了网络层的EMS（能量管理系统）、SCADA系统（数据采集及监视控制），厂站端的SOE（事件顺序记录）、PDR（事故追忆记录）等配套设施的不断出现和改进。多年来，电力系统自动故障记录已成为分析系统事故，特别是分析继电保护动作行为的重要依据。尤其是以微机为基础的故障录波装置，能够记录电网故障发生前后电气量和状态变化过程信息，完整地反映故障后的瞬间变化及继电保护的动作行为，并有数据存档和数据再分析的能力。而且，随着通信技术的介入，电网调度端可以随时收集分布于各个厂站的故障录波器的信息，这就是故障录波器联网系统。到目前为止，各网（省）调已相继完成以实现全网故障录波数据远传为主要目标的联网工作。其目的非常明确：提高电力系统调度和运行的水平，提高处理电力系统事故的快速反应能力，确保电力系统安全可靠供电。从而，所有上述调度自动化配套设施，都为开发电网故障信息综合分析系统提供了广阔的平台。基于以上分析，研究一种基于故障录波信息的调度端电网故障诊断系统，提出了“软保护”的诊断思想，实现了电网调度端的故障录波信息管理、电网层的故障元件诊断、以及双端测距等功能。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有：正确分析事故的原因并研究对策；正确评价继电保护和自动装置的工作 ；了解系统运行情况，迅速正确地处理事故进行故障定位。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，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到 80 年代初故障录波技术只是停留在以光电转换为原理、胶片为记录载体, 还不能真正在电力系统故障时可靠的记录下数据。在 1982 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。1984 年, 法国电力系统变压器发生爆炸导致法国 50% 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, 一年后仍未找出事故原因。自 80 年代中期以来, 随着计算机技术被引入继电保护领域, 国内外的故障录波技术便上了新的台阶, 在数据记录性能上有了很大提高, 基本解决了光电式故障录波器录波环节多、容量小、没有时标、无记忆能力、数据读取误差大等问题, 以具有记忆功能强、存储容量大、能进行故障记时、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, 故障录波器得到迅猛的发展。1980 年, 我国第一台超高压电网故障录波装置诞生; 1984 年, 我国第一台微机继电保护装置问世, 历经 10 余年, 微机型故障录波器已经完全取代了光电式录波器, 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。同 期国外出 现了以瑞 士 LEM、美国 Intelligent instrument s Inc 等为代表开发故障录波屏的国外公司。进入 90 年代, 在 1995 年英国CSD公司购买了中国研制开发的微机故障录波测距软件则开创了我国电力系统向国外出口软件技术的先例, 使中国电力科研成果真正走向了世界。就国内录波器而言, 有以下一些问题:( 1) 录波方式不一致, 全网各点录波器时间参照系不同, 不便于统一分析和统计查询。( 2) 数据的安全性仍难尽如人意。由于直流消失、连续故障、误操作等因素, 仍可能造成录波失败。( 3) 电网信息与保护及安自装置自身工作信息, 运行信息与故障信息, 线路信息与机组信息等分类不清, 定位不准。( 4) 数据输出方式简单, 交换接口层次多, 速率低, 规约不统一, 不便于组网、数据远传及综合分析。( 5) 与其他故障分析设备交换数据不方便。( 6) 在设计上, 未充分考虑故障录波的特点和需求。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本课题的研究任务本课题的主要研究内容有：在熟悉课题、调研和收集资料的基础上，对设计课题进行可行性分析，提出能完成课题要求的各种系统组态方案，包括系统总体结构、系统输入/输出方式、数据处理方式、控制算法、处理器类型和系统的抗干扰措施等方案。我们结合本课题，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FPGA +C8051F120+USB的故障录波装置设计方案。1、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，及系统软件设计。3、电源线路故障时，记录电压、电流的变化。4、可显示对故障类型、故障时间和设备，可打印出故障波形曲线。14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。河北工程大学科信学院毕业设计说明书2 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DLT55394220500KV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220500KV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。河北工程大学科信学院毕业设计说明书2.2数据采集的主要技术指标（一）输入信号1、6路模拟量输入：三相电压、三相电流。2、交流电压输入：57到120V额定有效值，212V满量有效值。3、交流电流输入：1A或5A额定有效值。4、开关量通道数：16路。（二）采样指标l、采样速率：采样率用户可选每周波64、128点。2、谐波分辨率：31次3、电压电流波形采样精度：0.54、开关量分辨率：不劣于1ms。23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DL厂r55394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陋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ABCDE分段模拟量采样方式如图2-1所示：A时段：记录系统大扰动开始前的状态数据，记录时间004S。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01S。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1.0S。D时段：记录系统动态过程数据，每0.1S输出一个工频有效值，记录时间20S。E时段：记录长过程的动态数据，每1S输出一个工频有效值，记录时间10min，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。24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。25故障录波装置设计方案251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CPU系统和多CPU系统。故可选方案从这个角度来讲有如下选择。方案一、单CPU系统，该方案使用单个CPU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CPU上，由同一块CPU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。方案二、采用双CPU系统，如图2-3所示，主处理器CPU1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。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CPU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口的操作处理。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CPU。从机可以采用单片机或FPGA，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，并口需要使用硬件电路例如双口RAMIDT7132进行通信。如果采用FPGA，可以使用其内部RAM，这样减少了硬件电路。FPGA是80年代中期在传统的PAL、GAL基础上发展起来的可编程逻辑器件，它结合了PLD的可编程性和MPGA的通用连线结构，它和单片机相比具有如下特点：(1)FPGA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MHz，而单片机运行速度低，在高速场合，单片机无法代替FPGA。(2)单片机的IO口有限，而FPGA动辄数百IO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FPGA由于丰富的IO资源，可以容易用不同IO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FPGA不同逻辑可以并行执行，可以同时处理不同任务，这就导致FPGA工作更有效率。(4)FPGA有大量软核，可以方便二次开发。所以我们选用FPGA作为系统的协处理器，这样双CPU系统就由MCU+FPGA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口与通信能力，而FPGA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。方案确定之后就要对CPU和各个模块的芯片进行选择。常用的单片机有5l系列单片机、PIC单片机、AVR单片机。AVR单片机是哈佛结构的，但其开发器不是全系列仿真的。PIC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。51系列单片机是应用最广泛的单片机。如AT89C51它的机器指令周期为12个时钟周期，当晶振频率为12MHz时，机器周期为1s，适应不了现代高速运行的需要。华邦公司的W77和W78系列在时序方面做了改进，每个机器周期从12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40MHz，但仍不能满足高速运行的需要。CygnalC805lF系列单片机是集成的混合信号片上系统，除了集成了标准805l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JTAG接口使得调试非常方便。其C8051F120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C8051F120单片机。Cyclone FPGA是目前ASIC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。Cyclone FPGA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PLL、支持单端I/O标准和差分I/O技术。在本系统中采用Alter公司的Cyclone EPlC6Q240C8，此芯片有240个引脚，其内部有90K的存储容量，6K LEBS，2个PLL，满足设计的需要。252主要外围电路器件的选择CPU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样通过A/D转换将模拟量转化成MCU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)，但是双积分加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MCl4433、ICL7106、ICL7135、AD7555等芯片。逐次比较型转换速度虽然不及并联比较型，属于中速ADC，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ADC芯片种类也很多，例如ADC080l、ADC0809等都是8位通用型ADC；AD571(10位)、AD574(12位)都是高速双极型ADC；MN5280是高精度ADC。Maxim公司推出的12位高精度A/D转换芯片MAXl97，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LCD、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IO口相连，这种按键软件程序简单，但占用IO口较多，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IO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ZLG7290来实现键盘功能，对键盘进行硬件译码。使用ZLG7290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ZLG7290只需3个I/O口即可以完成检测多达64个按键输入以及64个LED输出。(2)节省CPU开销，减轻主控制器负担。使用ZLG7290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、LCD显示显示电路由LCD显示电路组成。当显示系统的运行状况时可以由LED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LCD液晶显示电路, 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)。HSl2864点阵型液晶显示模块采用8/6位PPI接口与MCU连接，进行LCD设计主要是LCD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RAM，控制驱动器，分配显示数据，然后由LCD的驱动单元根据控制单元的要求驱动LCD进行显示。图2-5为LCD结构示意图。(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MSM5832、DSl216、DSl2C887等，其中DSl2C887、MSM5832只能提供到秒，精度不够，DSl216能提供到1/100秒，但其接口电路复杂，数据存取速度慢。而美国INTERSIL公司生产的实时时钟芯片ICM7170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001秒/日。因此本系统中采用ICM7170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C8051F120内部仅有6K的SRAM，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AT24C01 EEPROM存储芯片。该芯片与CPU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SRAM，选用62256芯片，该芯片是一种高集成度的RAM。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Flash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MCU+USB的存储方案就可以解决这一问题。所以最后得到其结构原理图，如图2-6所示。FPGA主要完成对电网电压电流信号的采集，三相电压、电流经过CT、PT后转换成5V的电压信号作为MAXl97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RAM上。单片机通过双口洲读取采样值，完成参数的计算和FFT运算并进行各种判断，并将需要的数据存储到RAM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USB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。26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，FPGA作为从处理器进行数据采集，C805lFl20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USB接口的大容量存储方案。河北工程大学科信学院毕业设计说明书3 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FPGA能识别的数字信号，单片机对FPGA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、CPU模块、存储模块、人机对话模块等。31FPGA数据采集单元的硬件设计311FPGA器件FPGA是在PAL、GAL、EPLD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(ASIC)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。（1）Cyclone EPlC6Q240C8的架构（2）EPlC6Q240的配置电路312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。（1）信号调理电路（2）模数转换A/D313实时时钟RTC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IMC7170芯片。314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16路开关量，对这些开关量进行监视和控制。315频率测量电路电力系统频率并非一直恒定，在运行过程中，基频可能发生变化，偏离50Hz。河北工程大学科信学院毕业设计说明书故障时偏离很大，这样采样频率相对于基频而言，不再是整数倍关系，这样会给算法带来误差。为此设计测频电路，采用LM339组成一个过零比较器，把交流信号转化成方波信号。3.2人机接口及管理单元的硬件设计3.2.1 C8051F120器件C8051F120是 Silabs Laboratories 公司生产的完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，原理框图如图3-12所示。该芯片具有高速（100MIPS）流水线结构的8051兼容CIP51内核，包含64个数字I/O引脚(100脚TQFP封装)，可在工业温度范围(-45到+85)工作。322存储空间扩展电路存储器是用来存储信息的部件。数据存储主要由临时数据、故障前采样数据、故障后采样数据和整定值等几部分组成。临时数据用来存放各种标志字和中间变量。故障前的采样数据存储在扩展的SRAM中。（1）SRAM扩展（2）E2PROM电路（3）USB存储设备的扩展323人机接口电路作为故障录波装置，键盘和LCD是进行人机交互不可缺少的设备。（1）液晶显示电路（2）键盘电路3.3硬件抗干扰措施一个装置除了在硬件设计部分满足设计、技术指标外，更重要的是满足现场的环境。在现场电磁干扰较为严重，所以在硬件设计方面需要采取抗干扰措施。(1)电源抗干扰(2)接地技术(3)隔离技术34本章小结本章具体介绍了故障录波装置的硬件电路图设计。详细地介绍了处理器和外围器件的结构和原理。以FPGA作为从处理器，以MAX197作为A/D采样转换芯片进行高速采集，C8051F120作为主处理器，其一条指令周期仅为20ns，能满足程序实时计算的要求，扩展的S洲和USB存储接口极大的扩展了单片机的存储空间，满足故障录波的要求。河北工程大学科信学院毕业设计说明书4故障录波装置的软件设计整个系统的软件设计主要分为两个部分，第一个部分是FPGA部分，主要完成采集控制；第二个部分是C805 lFl20部分，主要完成：(1)数据处理：从FPGA取出数据，将采集的结果进行故障判断，如果有故障就启动录波；按要求对采集到的电压电流进行FFT运算，此外还要计算出各相电压有效值、相有功功率、相无功功率、总功率、功率因数、谐波，这些都可以显示在液晶显示屏上。(2)数据存储：每当检测到故障的时候就进行故障录波，通过USB接口存储到大容量存储设备中。41FPGA数据采集单元的软件设计411FPGA软件设计语言VHDL简介VHDL是美国国防部开发的硬件描述语言，VHDL语言与其它硬件描述语言相比具有以下特点晗别：(1)功能强大，设计方式多样。VHDL具有功能强大的语言结构，用简洁明确的源代码就可以描述十分复杂的硬件电路。而且VHDL语言设计灵活多样，支持多种设计方式，例如自顶向下、自底向上，还支持模块化或层次化设计方法。(2)支持广泛、易于修改。由于VHDL已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，目前大多EDA工具几乎都支持VHDL。(3)强大的系统硬件描述语言。VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路又可以描述门级电路。而描述既可以采用行为描述、寄存器描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。(4)易于共享和复用。VHDL采用基于库的设计方法，如果已经设计了一些成熟的模块可以将这些模块存放到库中，就可以在以后的设计中复用这些模块，这样就可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减少硬件电路设计。412数据采集程序设计在本系统中A/D转换芯片使用MAXl97，其主要控制信号包括片选信号，高四位和低8位转换控制信号，转换结束信号。MAXl97的转换时序如图4-1所示：河北工程大学科信学院毕业设计说明书其转换过程为：每来一个采样脉冲，MAXl97采集6路电压电流信号。为了保证A/D采集系统的稳定性，选择在内部时钟下工作。/CS为片选端，低电平有效。侧R在内部采集方式，当/CS为低电平时，脚R的上升沿锁存所接收数据并启动采集与变换周期。若/CS为低电平，/RD的下降沿将允许数据总线上的读操作。HBEN：用于转换12位变换结果，当它为高电平时，4MSB(最高有效位)接至数据总线；当它为低电平时，总线上8LSB(最低有效位)可用。/INT为转换完成标志位，变换完成时，/INT变为低电平，输出数据准备好。采用状态机来实现A/D转换控制。A/D转换过程分为7个状态，WR_O：A/D转换初始化；WR_1：写入控制字：WaitINT：判断转换是否完成，若完成则进入状态RD_L0，否则继续等待：RD_LO：RD为低开始准备读数据：RD_L1：读取低8位数据；RD_HO：准备读取高4位数据；RD_H1：读取高4位数据。其A/D转换流程图如图4-2所示。413实时时钟模块在故障录波装置中需要对采集的数据加时标，从而在发生故障的时候可以得知故障发生的时间。每采集半周波数据就读取时钟时间对数据加时标。为了使时钟电路能够正常工作，必须对时钟芯片进行设置，其中包括时钟命令寄存器、中断屏蔽寄存器的设置。IMC7170命令寄存器的格式如表4-1所示。表4-1命令寄存器格式命令寄存器地址（10011B，1H）只写D7D6D5D4D3D2D1D0未用未用模式选择中断允许运行/停止时制选择晶体频率晶体频率ICM7170产生两种类型的中断：周期性中断和实时中断。周期性中断由内部中断寄存器编程后可提供6种不同的输出脉冲信号：实时中断则是通过写片内实时时钟比较洲后由一个比较器产生中断输出。故障录波装置对实时时钟芯片进行读取的流程图如4-3所示，设置时钟时间流程图如图4-4所示。414双口RAM在本系统中，FPGA作为从机主要完成电压电流信号的采集、滤波处理以及与C8051F120的通信，而C805lFl20作为主机负责数据的接收、处理、人机接口等功能。因此，两CPU之间有大量的数据需要交换，而双CPU之间进行交互有串口、并口和DMA方式，本装置通过双口RAM实现了并口数据高速传输和共享。FPGA选用的是Altera的EPlC6Q240C8，FPGA内置双口RAM通过调用QuanusII中的宏单元模块就可以实现，点击工具栏TOOLS的下MegaWizardPlug_In Manager菜单，按所需双口RAM的要求逐步生成其双口RAM的VHDL程序，然后选择create symbol file生成其模块图，如图4-5所示。MAXl97将采集到的带有时标的数据传送给双口RAM。在本设计中数据输入和读取速度不同，所以需要具有缓存功能的模块。因此采用双口RAM来完成这一功能。将采集到的数据组合成数据帧的结构存入双口RAM中，其数据帧的结构包括RAM的地址、模拟量数据、开关量数据、时间标签。其数据帧的结构如表4-2所示。表4-2数据帧结构地址模拟量开关量时间标签1个字6个字1个字2个字42管理模块软件设计C8051F120采用模块化程序设计思想，分为数据处理、读取A/D采样值、中断处理模块、数据存储模块。各个模块通过共同的数据存储区进行协调工作。C805lFl20定时从FPGA中读取采集的数字量，然后对采集的数据进行故障判断，如果有故障就启动录波；另外还可以按要求对采集到的电压电流进行FFT运算，此外还要计算出各相电压有效值、相有功功率、相无功功率、总功率、功率因数、谐波分析，这些数据都显示在液晶显示屏上。每当检测到故障的时候就在定时中断处理程序中进行故障录波，通过USB接口存储到大容量存储设备中。其单片机处理流程图如图4-6所示。421人机接口程序设计(一)键盘输入ZLG7290将键盘扫描的结果放在寄存器Key中，当ZLG7290扫描到有按键触发时就会将扫描得到的键值存入寄存器Key中，同时置INT为低，C8051F120在程序中不停地对INT引脚进行扫描，如果检测到低电平就通过，2C总线读取寄存器Key中值。如果有按键按下，再根据键值进入相应的处理程序(查看实数据、谐波分析、参数设置等)。其流程图如图4-7所示。(二)LCD显示在故障录波装置中LCD上显示的主要是汉字、字符，LCD根据键值进入各个子菜单，根据键面分布进入相应的显示程序。图4-8为LCD底层软件流程图。422数据存储的软件设计(一)设置参数的存储设计在装置中需要通过键盘对其整定值、每周波采样点数等进行设置，而这些数据需要保存到EEPROM中以防掉电丢失。本装置中选用的EEPROM芯片AT24C0l通过，2C总线与C8051F120相连，对其进行数据存储如图49所示。当重启或断电等情况下需要读取设置的整定值和采样点数等，这时需要对AT24COl进行读取操作，其流程图如图4-10所示。 图4-9 AT24C01 写操作流程图 图4-10 AT24C10读操作流程图(二)故障数据的存储设计数据的采样存储分为故障数据和正常数据的采样存储。在没有故障的时候，采样数据存入一个连续的存储区，为了正常数据读取方便，设置了一个双存储区大小为12KB，这样做是为了实现两个目的：(1)完整保存故障前数据。(2)以第一区为基准地址进行计算时可以保证数据存取不会越界，提高程序的执行效率。当发生故障的时候，故障标志位置为1，数据将通过USB接口存入到存储设备中。故障录波器会将记录的故障信息形成故障文件。IEEE电力工程学会、电力系统继电保护委员会就故障文件的数据记录格式做了相应的规定，即COMTRADE故障录波标准。该标准定义了一个存储暂态过程数据的通用格式。它对描述电力系统的暂态过程十分有价值。有了通用的记录格式，用计算机分析数据中有用信息就方便得多。作为故障录波器信息标准的COMTRADE有1991和1999两种版本，在实际的应用中故障录波器有采用1991版的也有采用1999版的。本文就1991版的做一介绍。该版规定一个完整的数据记录通常由三个文件构成，即头文件(HDR)、配置文件(.CFG)和数据文件(.DAT)。(1)头文件：头文件是由COMTRADE数据的原创者建立的一种可选的ASCII文本文件，头文件的创建者可以以任何的顺序创建任何信息。(2)配置文件：为计算机读出和表达数据文件的数值提供必要的信息。它的文件格式固定不变。配置文件中包含的信息有：通道号、数据单位、采样频率、记录触发点的日期和时间。(3)数据文件：其中存放的是暂态数据的实际数据。系统发生故障后，录波器将写入数据缓冲区的采样值通过USB接口CH375以文件的形式存储到U盘中。其读写U盘文件的示意图如图4-1l所示。由于CH375内部不仅是一个通用的USBHOST硬件接口芯片，还内置了相关的固件程序。所以单片机程序只需要处理FAT文件系统层。1、USB底层数据包的发送CH375占用两个地址位，当A0为高电平选择命令端口，写入命令：当AO为低电平选择数据端口，写入读写数据(发送数据的长度、发送数据的地址指针)。这部分程序包括向CH375写数据、从CH375读数据、向CH375写命令。向CH375中写数据是这样实现的。void WriteCH375Data(UINT8 mData)USB_CS=0;P70UT=mData： /向CH375的并口输出数据USB_A0=0;USB_WR=0; /输出有效写控制信号，写CH375芯片的数据端口，NOP()； /该操作无意义仅作延时，CH375要求读写脉冲宽度为100nSUSB_WR=;： /输出无效的控制信号，完成操作CH375芯片，USB_CS=1;2、上层文件操作(1)打开文件CH375FileOpen打开文件或