CN101097653A - 电能质量与电力系统故障检测录波装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种电能质量与电力系统故障检测录波装置及方法，属于电力系统检测技术领域，包括三个子系统：检测录波子系统、远程监控子系统、对时子系统；录波子系统对电力系统进行多点故障诊断，实施检测与记录电能质量参数；远程监控子系统由上位机服务器及Internet客户端组成，实现故障信息传输与保护及安全装置日常运行监测的双重作用；对时子系统利用GPS所提供的精确授时的功能，提供系统时间及保证系统时间同步；实现方法包括动态电参量测量、故障时段划分、启动判据、故障录波、记录上传、远程控制命令处理。本发明实现了检测录波设备的数字化、网络化、智能化、集成化，提高电能质量、确保用电设备安全稳定的运行。

Description

电能质量与电力系统故障检测录波装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统检测技术领域。

背景技术

现有的电能质量与电力系统故障检测基本采用的都是90年代的产品。这些录波器大都是从微机继电保护装置的结构转化而来，采用分辨率为12位或者更低的模数转换器，处理器由于受当时科技与价格的限制，通常是8位或者16位的单片机，片上RAM容量也很小，通过串口或者并口进行通信。近年来DSP芯片技术飞速发展，随之电力系统自动化水平的迅速提高，相比之下，原有故障录波器的许多性能指标明显落后，特别是在高速故障录波和录波数据分析方面尤其落后。

二十世纪九十年代的电力故障录波器基本都是独立工作的微机型设备，需要定期对其内部存储设备进行备份和清理。不具备实时通信能力，不能及时地将故障数据记录并上传以备进行进一步分析，且其精确度与实时性都已不能满足现在的电力故障录波要求。随着DSP技术的发展，目前电力故障录波设备的研制已主要转向DSP芯片环境的开发研制，而且录波设备在通信能力上也作了很多改进。

发明内容

针对现有电力故障录波设备存在的问题，本发明提供一种电能质量与电力系统故障检测录波装置及方法。

本发明包括三个子系统：检测录波子系统、远程监控子系统、对时子系统(如图1所示)。

录波子系统就是本发明电能质量和故障检测装置(录波器)，它对电力系统进行多点故障诊断，实施检测与记录电能质量参数，特别是故障发生时(前后一段时间)系统的动态电参量变化及开关量的状态。远程监控子系统实现故障信息传输与保护及安全装置日常运行监测的双重作用。对时子系统提供了标准统一的时间，保证系统时间的同步。

1.1检测录波子系统

录波子系统是由多个录波设备结点组成，每个结点与上位机组成C/S(服务器/客户端)结构，对电力系统进行多点故障诊断，记录故障发生时的动态电参量及开关量的状态。每个检测录波设备由信号调理模块、信号处理模块和通信调度模块组成，图2所示是基于信号处理(DSP)与通信调度管理(CCM)双处理器结构的检测与录波装置的方框图。

■信号调理模块

信号调理模块负责电力系统数字量与模拟量信号的隔离与变换以供信号处理模板进行采样，对模拟量还要进行滤波处理，以消除5kHz以上的干扰。一个录波设备支持8路模拟量，可以接入4路电流、4路电压，支持8路开关量。模拟量直接来自电力设备，而开关量则由相应装置空触点送来。信号调理模块的详细设计与实现见第四节“检测录波装置的设计与实现”。

■信号处理模块

信号处理模块是整个故障录波系统的核心，要求有很高的实时性及检测精度。它对经过前端处理后的模拟量与数字量进行采样，依据启动判据，诊断是否有故障发生。当发生故障时，负责记录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。为了提高数据测量的精度及系统的实时处理能力，在硬件上选用分辩率为16位的A/D转换器和高速高精度的DSP芯片。本模块由DSP处理器、模拟量采样模块、开关量采样模块、存储模块及与调度模块通信接口四部分组成，与调度模块通过双端口RAM连接，实现故障记录的上传。

DSP选用TI公司的浮点处理器TMS320C33芯片，TMS320C33是C3x系统的第四个型号，成本低，支持32位浮点运算，主频60M。其具有以下特点：

TMS320C33采用了具有很高并行性的内部总线结构，它是分开的程序总线(PADDR和PDATA)、数据总线(DADDRI，DADDR2和DDATA)和DMA总线(DMAADDR和DMADATA)，使程序的提取、数据存取和DMA的存取可以并行地进行。这些总线连接所有C33的地址空间(片内，片外MEMORY，外围共16M×32)。

TMS320C33具有两个外部接口：主总线和扩展总线，它们都包含一个32位数据总线和一组控制信号，外部总线宽度可配置为8/16/32位，使用十分方便灵活。C33具有16M×32的寻址空间，为廉价的大容量存储器的配置、RTOS系统的引入创造了有利的条件。

TMS320C33片内的DMA功能使得CPU与I/O操作可同时进行。DMA控制器可以在存储器的任何地址进行读写操作而不干扰CPU的操作，因此TMS320C33可以操作外部的慢速存储器或外部接口而不降低CPU的吞吐量。

TMS320C33还具有BOOT(即程序加载)功能，将慢速的EPROM的程序加载到高速的内部RAM区，保证DSP在与慢速存储器配合时能以高速运行。

TMS320C33支持汇编及ANSI C的混合编程，并提供了C语言开发工具和C库函数、汇编程序库函数。其仿真器人机界面是基于DOS或WINDOWS的图形窗口界面，调试程序有多种断点和单步服务，调试中可随时查阅各源文件，头文件，库函数等。此外C33的标准化、系列化的硬件库、软件库十分完善。

基于TMS320C33的信号处理模块设计与实现见第四节。

■通信调度管理模块

通信调度管理单元是检测录波设备与上位机服务器的桥梁。当发生故障时，它负责接收数据处理单元的故障记录，然后把数据缓存到FLASH中，同时通过以太网、CAN总线、485总线等通信接口上传至上位机，供专家进一步的故障分析。另外，通信处理单元也负责转发上位机下达的远程控制指令。

通信调度管理的核心单元主要是负责一系列事务性的处理工作，在这方面ARM微处理器具有明显的优势。本方案选用意法半导体公司的STR710FZ2，它采用16/32位ARM7TDMI RISC作为处理器内核，并且扩充至256+16K字节的片内Flash和64K片内RAM。它还拥有可寻址4个存储器段的外部存储器接口(EMI)，支持SRAM、Flash以及ROM等存储器类型。提供三种不同的启动模式，包括从片内Flash，内部RAM和外部存储器等启动模式。外部采用0～16MHz晶振，在内部Flash中运行代码时，系统运行速度可达50MHz时钟频率。另外外部的32KHz备用晶振可以提供日历功能。

STR710FZ2有48个多功能双向I/O口线，有14个可设为唤醒和中断输入的I/O，8个高电流I/O口可吸纳8mA的电流。它的通信接口资源非常丰富，有2个I²C接口(1个与SPI接口复用)，4个UART异步串口，2个带缓冲同步串口(BSPI)，CAN2.0接口，USB2.0全速Device接口，具有挂起和唤醒功能。基于STR710FZ2的通信调度管理模块设计与实现详见第四节。

1.2远程监控子系统

远程监控子系统由上位机服务器及Internet客户端组成。上位机与每个录波结点组成C/S网络结构，实现故障信息传输与保护及安全装置日常运行监测的双重作用。通过Internet技术实现信息共享，相关人员也可以访问服务器上的故障记录，做进一步的故障分析。监控系统主要分三部分：通信模块、用户交互模块、录波数据存储模块。通信模块集成了CAN总线、以太网、485总线三种通信方式与设备结点通信，用户可以根据条件选择其中的一种或多种。用户交互模块是整个故障录波系统的用户接口，其提供的主要功能如图3所示。

上位机软件在VC++6.0平台下开发完成。界面与网络通信开发分别借助了两个强大的类库----MFC[16]与ACE[17]应用程序框架。MFC(Microsoft基本类库，Microsoft FoundationClass Library)是微软公司对庞大的标准Win32 API函数的封装，提供了图形环境下应用程序的框架及创建应用程序的组件。MFC的分层设计让用户能够根据需要轻松扩展框架。MFC的消息映射机制使开发者很容易完成窗口事件、系统消息的处理。但是MFC也有缺点，如网络编程方面，MFC提供的CSocket类只是对TCP/IP协议进行了简单的封装，对线程的支持不是很好，而在C/S结构中线程编程又是必须的。所以开发人员更喜欢其它的框架或直接使用Windows提供的到Socket API接口函数，本系统中使用了ACE框架。

ADAPTIVE Communication Environment(ACE)是一种免费开放源代码的、采用面向对象设计的、功能强大的工具包，为网络开发及系统开发提供了实用的类库、框架及设计模式，ACE另一个主要的优点是跨平台性。ACE的使用对象是面向开发高性能与实时通信服务应用的开发，对操作系统API及网络接口进行封装，在网络开发与系统开发方面有优势，比如提供了更好的线程支持。ACE提供丰富的接口，通过这些接口可方便的实现网络事件分离与事件处理的分发、信号量处理、服务初始化、进程间通信、共享内存管理、消息路由、分布式服务的动态配置、并发执行与同步。使用ACE比直接使用Sockets API函数节省50％的开发时间。

MFC与ACE框架在视图与网络开发方面各有优势，有很强的互补性。在本系统中同时得到应用。

1.3对时子系统

对时子系统利用GPS所提供的精确授时的功能，提供系统时间及保证系统时间同步。对时子系统核心功能由对时模块实现，其与各个录波结点组成C/S结构。对时模板采用Motorola公司的16位微处理器MC9S12D64进行控制，接收GPS时间数据，然后通过自带的CAN总线控制器分发给各个录波结点。

对时模块采用GARMIN的GPS OEM产品，具有12通道的GPS接收机。它同时可以跟踪多达12颗GPS卫星，从而能够快速的定位。GARMIN的GPS接收机功耗非常小，数据更新率为每秒一次。在设计上，这些GPS接收机使用了最新的科技和高水平的电路集成技术，在达到高性能的同时减小了体积和功耗。其中全部的重要元器件，包括RF/IF接收机硬件和数字基带部分，都是由GARMIN来设计和生产的，以保证其质量和性能。GARMIN的GPS接收机OEM板从硬件和软件上都易于使用，适合做系统集成。简单的系统，除GPS外还要包括外部电源和GPS天线。与GPS系统的通信可以通过RS232或CMOS电平的串行口来实现。GPS接收机OEM板中可以将卫星轨道参数、上次定位位置、时间和日期等数据保存在静态存储器，接收机内部有备用电池为存储器供电。

对时模板采用Motorola公司的16位微处理器MC9S12D64进行控制，通过RS232与GARMIN连接接收GPS时间数据，然后通过CAN总线把接收到时间分发给各个录波设备。另外对时模块还通过一个I/O线与各个录波设备连接，每一秒钟发出一个对时脉冲。图4是对时模块的结构框图。

本发明电能质量与电力系统故障检测记录装置(简称检测录波装置或录波器)，是一个具有高度数字化、集成化、实时性和具备联网与通信功能的系统。下面分硬件和软件(包括算法)两部分对其设计与实现进行介绍。

2.1检测录波装置的硬件设计与实现

2.1.1信号调理模块设计与实现

根据用户需求分析，对电流信号进行调理，输入额定电流有效值IN＝5A，线性范围为工频有效值0.5A-100A，测量误差要求在5A时≤0.025A。系统选用兵字TA1420立式穿芯小型精密交流电流互感器，互感器变比为6000∶1，它具有全封闭、机械和耐环境性能好、电压隔离能力强、安全可靠等优点。图5是电流信号调理电路原理图。

对电压信号进行调理，输入额定相电压有效值UN＝57.7V，线性范围为工频有效值5.77V-115.4V，测量误差要求同极性输入电压60V时≤0.5％。本系统选用兵字TV1013-1型微型精密交流电压互感器，互感器变比为1∶1。图6是电压信号调理电路原理图。

在对电流及电压信号隔离互感后，每一路输入信号都经过了一级电压跟随，用以增大输入阻抗，减少外界扰动影响。

信号调理模块主要依据两点而做出的改进，一方面在后续信号处理单元选用16位高精度双极性模拟输入AD7656作为ADC转换芯片，所以模拟信号在输入之前无需再经过单极性调整过程，而且可采用通用运算放大器代替高精度、低漂移运算放大器。另一方面是与录波判据算法有关，算法主要采用将时频域下的波形数据通过FFT算法转换到频域中计算得到不同频域下的分量大小，再结合具体判据条件实现故障录波。与前次基于FIR滤波算法不同，因为在数据处理单元采用FFT方法分析得到电力波形中包含的不同频段的频率特征，这样就可以省去在信号调理单元复杂的硬件巴特沃思滤波器设计滤除特定频段范围的高频噪声，在很大程度上降低了系统成本。

2.1.2信号处理及通信调度模块硬件设计与实现

设计方案整体思路主要分两个部分：数据处理单元和通信处理单元。数据处理单元是以10K采样速率(50Hz、一个周期采样200点)实时采集经过ADC转换进入DSP数据算法单元，依据启动判据条件启动录波进程，将数据写入双口RAM。数据处理部分还需完成上位机下达的控制指令操作。通信处理单元主要负责系统与外部的通信功能，将双口RAM中的数据存储到Flash并发送至PC主机或通信网络中。另上位机对系统的控制指令也需要通信处理单元下达给数据处理部分。图7是包括数据处理和通信处理两部分主要器件的检测录波装置硬件设计方框图。

设计在通信处理部分使用基于ARM7内核的STR710完成。数据处理部分采用TMS320C33实现。在A/D转换上选用两片双极性16位精度的AD7656，CPLD选用3200门的XC95144XL实现所需的逻辑控制指令。下面对几个关键部分电路简单介绍。

■A/D转换电路

经调查适用于电力参数监测背景的A/D转换芯片主要有三种型号：MAX125、ADS8364、AD7656。MAX125：高速每通道转换时间3us、2×4通道、14位带同步采样保持模数转换器。8路4通道吞吐率可达250ksps。模拟输入范围±5V，内部带+2.5V电压参考，供电电压±5V，数字量输出电平5V。

ADS8364：16位、高速250KHz、6通道同步全微分输入。模拟输入范围0～5V，单5V供电，内部带+2.5V电压参考。

AD7656：16位、2×3通道双极性高阻模拟输入，通道最高吞吐率可高达250ksps。可选双极性模拟输入范围：±10V、±5V，内部包含2.5V电压参考。模拟供电电源4.75V～5.25V，数字供电电源4.75V～5.25V，逻辑电压2.7V～5.25V。

从用户的需求可知，14位AD转换结果已经很难满足测量精度的要求，MAX125的数字电平为5V与数字信号处理单元DSP电压不一致，所以MAX125我们首先排除。AD7656与ADS8364同为16位转换位数高速AD转换器，但是AD7656相比ADS8364有很多的优势，ADS8364为单极性输入，所以信号在输入之前还需要经过一个单极性调整的过程，将电压范围在-2.5~2.5V的输入信号调整至0～5V。

AD7656为双极性高阻抗模拟输入，输入范围可设定为±10V，这样可以将信号调理电路输出的-10V～+10V调理信号直接作为ADC的输入信号，输入范围增大一倍，信号的信噪比也提高一倍。所以我们选定AD7656作为A/D转换电路芯片。

模数转换采用两片AD7656高速采样芯片分别采集电力系统的电流与电压信号。AD7656包括6路16位高速通道，实现双极性模拟输入，支持并口和高速串口通信方式，本设计为获得较高的传输速率采用并口方式将结果挂接到DSP数据总线上。每片AD只用到了V1-V3，与前端电压跟随电路相连，对三路信号同时采样。两片AD7656可以同时获得两路的转换结果，分别为总线上低16字节和高16字节。

AD7656采样过程是DSP向CPLD发出访问ADC的信号，再由CPLD组合出逻辑信号时序，控制ADC完成采样和转换过程。采用AD7656实现的A/D转换电路硬件原理设计如图8所示。

■逻辑控制单元CPLD

逻辑控制单元选用3200门的XC95144XL实现所需的逻辑控制指令。CPLD实现的控制信号包括：对外部存储空间的片选及读写信号，软件方式实现DSP看门狗，以及ADC的选通、启动和开关量变化的检测。采用XC95144XL实现的逻辑控制单元硬件原理设计如图9所示。

■复位电路

DSP的复位电路是通过TI专用电源芯片TPS70351，它专用于DSP芯片的双电源3.3V、1.8V供电和提供所需的RESET信号。DSP与STR的启动顺序是先STR后DSP，所以提供给DSP的复位信号应由STR来提供。利用STR可使能电源芯片TPS70351的使能引脚，达到可靠复位DSP的目的，事先电路原理见图18。

■信号处理单元与通信处理单元接口——双端口RAM

信号处理单元模块通过双端口RAM与通信处理单元相连。双端口RAM采用4K 16位的IDT7024芯片，该芯片具有两组独立的地址线(12位)、数据线(16位)、片选线和读写使能线，它们分别与DSP和STR相连。另外它有两个中断引脚，分别与DSP和STR的外部中断线连接。DSP和STR一方进行写操作时会在一根中断引脚上产生中断，另一方必须通过读这个单元才能清掉中断，实现数据的简单、安全和有效传输。采用IDT7024实现两单元接口的硬件原理设计如图10所示。

■信号处理单元和通信处理单元

信号处理模块是整个故障录波系统的核心，要求有很高的实时性及检测精度。它对经过前端处理后的模拟量与数字量进行采样，依据启动判据，诊断是否有故障发生。当发生故障时，负责记录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。为了提高数据测量的精度及系统的实时处理能力，在硬件上选用高速高精度的TMS320C33 DSP芯片。前面已有对TMS320C33 DSP芯片的特性介绍，这里不再赘述。图11是基于TMS320C33 DSP芯片的信号处理单元电路原理图。

通信处理单元是录波设备与上位机服务器的桥梁。它负责接收数据处理单元的监测分析及故障记录，然后把数据缓存到FLASH中，同时通过以太网、CAN总线、485总线等通信接口上传至上位机。另外，通信处理单元也负责转发上位机下达的远程控制指令。通信处理的核心是负责一系列事务性的处理工作，在这方面ARM微处理器具有明显的优势。方案选用意法半导体公司的STR710FZ2，前面已有对它的特性介绍，这里不再赘述。图12是基于STR710FZ2的通信处理单元电路原理图。

■RS-232C串行通信接口

STR710微处理器有4个异步串行通信接口(UART)。通信处理单元通过UART2连接到PC机的标准9针串口，通过超级终端与用户交互通信。它的主要作用是在系统调试过程中，打印调试信息。串口的电平转换(驱动)芯片使用Maxim公司的MAX3232芯片，其电路原理如图13所示。

■RS-485通信接口

RS-485标准是工业现场中常用的总线通信标准，通信处理单元提供了RS-485总线通信方式与上位机通信。利用STR710的UART3作为RS-485接口，驱动芯片使用Maxim公司的MAX485芯片，其中使用P2.15通用I/O作为MAX485的方向控制信号。MAX485是通用芯片，结构也比较简单。需要说明的是为了适应工业现场环境的使用，差分输出线路中增加了去噪、抗干扰电路。图14是RS-485通信接口电路原理图。

■CAN总线通信接口

CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN是一种多主方式的串行通信总线，可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使得实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。

STR710 CAN模块包括CAN内核、存放报文的RAM、报文处理器、控制寄存器及模块接口。CAN内核完成CAN2.0A、CAN2.0B规定的通信功能，CAN的最高通信速率可以通过编程设定，最高可达1Mbps。CAN内核与物理层的连接通过专用的硬件收发器，本方案选用TI公司的3.3VCAN总线驱动器SN65HVD230。为了能够在CAN网络上通信，每一个报文对象都要进行配置，报文对象和用于对接收到的报文进行接收过滤的ID屏蔽码都保存在报文RAM中。所有与报文处理相关的功能都在报文处理器中实现。这些功能包括：报文的接收过滤、CAN内核与报文RAM间的报文传输、报文发送请求的处理以及模块中断的产生。ST CAN模块的寄存器主要用于控制和配置CAN内核、报文处理器，访问报文RAM。通过模块接口，CPU可以直接访问ST CAN模块的寄存器。

CAN总线驱动器SN65HVD230外围电路如图15所示，同RS-485一样，电路中也增加了去噪、抗干扰电路。

■以太网通信接口

STR710内部不带以太网控制器，本方案直接选用WIZnet公司的IIM7010A以太网模块的方式加快开发进程。IIM7010A以太网模块由W3100A(硬件TCP/IP芯片)、以太网物理层(RTL8201BL)、MAG-JACK(RJ45)以及相关电路组成。它涵盖了TCP/IP MAC协议层、物理层和以太网连接器RJ45，支持10/100M IEEE802.3/802.3u，可以很方便地接入以太网。包含硬件网际协议：TCP、IP Ver.4、UDP、ICMP、ARP和硬件以太网协议：DLC、MAC。支持MCU总线并行接口和I2C接口，因为内嵌的硬件以太网协议，所以将它与STR710数据总线相连把IIM7010A简单地看成一个外部存储单元，对它进行读写数据操作以及有关的配置，而不必关心具体的以太网协议的实现。IIM7010A以太网模块与MCU连接只需56个双列接口，可以很方便地与系统相连。图16为基于IIM7010A的以太网模块接口电路原理图。

2.1.3系统电源部分硬件设计与实现

供电电源是一个需着重考虑的地方，本系统包含两个主要的处理单元，所以在电源上也考虑给予两部分分别供电。一个是为数据处理单元需提供3.3V和1.8V(为DSP内核提供电源)，另一个是为通信处理单元提供3.3V。但在系统中还包括ADC部分，为它提供的电源就包括±15V参考电压以及模拟5V、数字5V和数字3.3V驱动电源。

■公共模拟电源滤波

方案从外部开关电源引入+5V、±15V和公共地，作为公共部分，对每路电源均经过π型整流电路作为系统的±15V参考电压、模拟5V和数字5V，模拟电源滤波电路原理如图17所示。

■信号处理单元电源

对于系统数字部分所需的3.3V电源是由数字5V分别经不同的电源芯片来获得。信号处理单元的电源芯片选用TI公司的带Reset信号TPS70351，它同时能够根据要求分时提供3.3V和1.8V不同电压。图18是芯片TPS70351电路原理图。

■通信处理单元电源

通信处理单元电源芯片选用通用3.3V AIC1117，电路原理如图19所示。

2.2检测录波装置的软件设计与实现

检测录波装置的软件可以划分为信号处理和通信调度处理两个部分，前者的设计与实现主要是大量不同信号的检测、分析与处理算法的设计及其编程实现，后者则是大量不同的通信处理程序。

2.2.1信号处理模块软件功能

信号处理模块软件主要是基于TMS320C33 DSP的软件设计。本模块主要功能可以分为信号检测与故障录波功能、远程监控命令处理功能两个方面，具体包括以下方面。

■动态电参量测量

动态电参量根据变电所的不同而不同。

220kV变电所：

模拟量有每条220kV线路、母线联络断路器及每台变压器220kV侧的3个相电流和零序电流；两组220kV母线电压互感器的3个相对地电压和零序电压(零序电压可以内部生成)。开关量有操作每台220kV断路器的继电保护跳闸(对共用选相元件的各套保护总跳闸出口不分相，综合重合闸出口分相，跳闸不重合出口不分相)命令，纵联保护的通信通道信号，安全自动装置操作命令(含重合闸命令)，空触点输入。

500kV变电所：

模拟量有500kV侧需要记录的模拟量是500kV每条线路的4个电流量和4个线路电压量和每台主变压器的4个电流量。开关量有操作每台500kV断路器的继电保护跳闸命令(每套保护跳闸出口分相，跳闸不重合出口不分相)，纵联保护通信通道信号及安全自动装置操作命令(含重合闸命令)，空触点输入。

■故障时段划分

根据《220～500KV电力系统故障动态记录技术准则》的规定，故障模拟量数据按时段应由5个时段(如图22所示)数据组成。

A时段：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≥0.04s。

B时段：系统大扰动后初期的状态数据，可直接输出原始记录波形，可观察到5次谐波，同时也可输出每一周波的工频有效值及直流分量值，记录时间≥0.1s。

C时段：系统大扰动后的中期状态数据，输出连续的工频有效值，记录时间≥1.0s。

D时段：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：系统长过程的动态数据，每1s输出一个工频有效值，记录时间＞10min。

技术准则还要求输出数据的时间标签，对短路故障等突变事件，以系统故障开始时刻，例如短路开始时刻，为该次事件的时间零坐标，误差不大于1ms；事件的标准时间由调度模块给定。由于DSP没有计时功能，将在调度模块软件设计章节中的对时设备驱动小节看到如何计时的。另外，还应该记录下故障类型及故障地点等相关信息。故障类型就是发生故障的原因。对于模拟量，故障类型就是触发故障录波的启动判据，如电压越限。对于开关量，故障类型就是开头量的类型，如继电保护等。另外，调度模块保存一些故障相关的识别信息，如变电所信息、录波设备(IP地址、CAN总线ID号)、路信息(电流或电压)等。监控系统接收到这些数据后，必须考虑对其它录波装置间数据交换的兼容性，所以本系统采用IEEE的COMTRADE标准生成录波文件。

■启动判据

当发生故障时，系统要以一定依据诊断是否有故障发生，即启动判剧。根据《220～500KV电力系统故障动态记录技术准则》的规定，故障录波启动方式应该灵活多样，至少应能满足下列要求：

·可设定的电网参数变化启动，包括反映幅值，变化率及频率的越限启动。

·由用户自定义的外部触发启动，包括保护及安全装置的动作出口接点、开关的辅助接点等，以记录和分析开关偷跳及任何系统的无故障跳闸。

·用开关量的上升沿及下降沿做启动量。

·可手动或外部命令(如主站监控系统)启动。

·扩充启动前的信息记录宽度(可由用户自定义)。

从上面的要求可以看出，启动方式主要分为模拟量和开关量产生的故障录波，开关量故障诊断检测继电保护等开关量的状态变化，而模拟量故障诊断需要依照启动判据诊断是否有故障发生。

■故障录波

故障录波是整个系统的核心工作，为了提高故障检测的准确性，本系统采样频率很高，每一次采样后都要进行故障诊断处理，所以它运行效率及可靠性决定整个故障录波系统的性能。

·模拟量与开关量采集

使用DSP内部自带的定时器对模拟量的采集进行控制，关于采样速率《220～500kV电力系统故障动态记录技术准则》中规定，反映故障时的暂态过程的高速采样速率不宜低于10KHz，长度不宜小于1s，开关量的分辨率不低于1ms，所以本系统设置采样速率为10KHz，可以满足上述要求。设置定时器的计数寄存器保证采样率为10KHZ。在中断处理中进行模拟量采集。两片AD同时进行采样，每一次采集8路16位模拟量数据。开关量采样由CPLD控制，当CPLD检测到开关量为低时，会给DSP发一个中断，通知系统发生故障。开关量通过CPLD译码后，DSP可以直接读取其状态，最多可以支持8路开关量。

·故障诊断与记录

电参量采集完成后，依据启动判据进行故障诊断。当某个启动判据满足条件或检测到某个开关量的状态发生变化，就会启动故障录波，生成记录数据。前面已经介绍过故障记录分为ABCDE段，所以整个故障过程也分为5个阶段，各个阶段的处理不同。

AB段故障处理：国家标准规定，当故障发生时，录波设备应能直接输出有助于事故处理的极少量的故障电参量。这些数据是未经过处理的电参量，时间短，数据量大，要求有较高的实时性，它包含了分析故障原因的主要信息，一定要保证其的完整性、可用性。A、B段记录时间各为0.1s，A段在故障发生前，B段在故障发生后。本系统中用一个循环缓冲区保存采集的电参量。缓冲区长度是根据模拟量的路数决定的，可以根据这些参数做动态的调整。它至少应该能够记录0.2秒的电参量，能够保存A、B段数据记录以便有时间发送给调度模块。然后从缓冲区取出电参量进行故障诊断。当发生故障时，系统会记录故障发生点(即缓冲队列中的指针)及故障类型(满足哪个启动判据或检测到某个开关量状态变化)，系统中定义了一个数据结构保存这些信息。

CDE段故障处理：故障处理进入了中后期，故障记录是电参量的有效值，记录时间长、数据量小、不要求很高的实时性。当故障处于CDE段时，同样采样数据也会先保存到循环缓冲区中，进行二次故障诊断(下面会介绍)，如果没有发生二次故障，进行有效值的计算，系统每隔一个周期进行一次有效值的计算，每周期可以进行200次采样，所以通过软件计时器计时，计时器到达上限200时计算一次有效值，然后计时器清零重新开始计时。

另外，还要考虑多次故障处理，即在一个故障过程中又发生故障。故障录波器应能识别单次故障与多次故障。有些情况下很难区分它们，不能认为满足了多个启动判据时就发生了多次故障，在一次故障时，可能会出现多种启动判剧同时满足，如电压越限和继电保护同时启动等，这是单次故障。系统不能简单的以启动时间来识别多次故障，有时同一故障，启动判据判定故障的时间可能不同，有些启动判剧本身就是滞后的，如突变量启动判据等。本系统中为了解决这个问题，设置了一个时间门限，当故障发生后0.2s，即CDE段再发生故障为第二次故障。当发生二次故障时，故障处理与上面介绍的相同，前一次故障结束，其已经包含了完整的AB段记录信息。

■记录上传

录波数据不是在采样处理中直接传送给通信调度模块的。当发生故障时，故障处理会通知通信调度模块发生了故障准备接受录波数据。然后调度模块通过双端口RAM通知DSP发送录波数据。双端口RAM会触发DSP的外部中断，在中断处理中DMA被开启。DMA先把AB段从缓冲队列拷贝到双端口RAM中，再把录波记录中的CDE段数据拷贝到双端口RAM中，发送给调度模块，最终上传到上位机。发送时要按照双端口RAM的数据传输协议(将在CAN总线驱动程序设计小节中介绍)进行打包，一个数据包最大3K。DMA把数据搬移到双端口RAM后会产生中断，在中断处理中，通知通信调度(STR710FZ2)取出数据。通信时双方使用握手协议，调度模块取出数据后会给DSP一个回应，在DSPINT中断中，DSP判断是否有录波数据要发送，如果有就会重新启动DMA发送数据，直到数据发送完成。

■远程控制命令处理

DSP软件应接收并处理上位机的监控命令。这些命令是由通信调度模块转发、经双端口RAM传送给DSP的。DSP在外总中断处理函数中对命令进行分析处理的。主要的命令有：强制启动录波、参数设置命令、实时波形显示命令。

·强制启动录波命令：

电力系统并没有发生故障，用户可以强制启动录波，录波处理过程与上面介绍的故障录波是一样的，故障类型设为强制启动。

·参数设置命令：

对一些系统参数的设置。主要的参数有：电压越限参数、频率越限参数、AD采样频率、录波数据各段记录的长度等。这些参数都是整个录波设备复位时由调度模块通过双端口RAM下传的，然后DSP把其保存到全局变量中。系统工作时可以动态的改变这些参数，发生录波时，设置的参数会在录波后起作用。

·实时波形显示命令：

上位机用户可以直接查看当前电力系统的实时波形数据。实时波形数据的处理过程与AB段录波过程相似，当启动了实时波形功能后，DSP会把采集的数据放在缓冲区中，由DMA控制器上传给STR710FZ2，只不过在与双端口通信时使用了不同的传输类型。

2.2.2信号处理模块软件设计与实现

■命令处理函数

由ARM STR710FZ2转发DSP的命令可以分为四类：系统参数设定、手动录波、系统调试和系统自检，如图24所示。

系统参数设定命令是系统上电时的主要命令，它是由上位机服务器端下发给指定录波设备的各类参数设置，包括U和I突变量门限值，A、B、C和D段记录波形长度，U和I正负零序设定值，24路开关量设定值以及频率上下限等。手动录波命令是上位机可以直接控制录波装置进入录波状态，按标准启动记录当前波形。系统调试命令主要用于系统调试时由上位机直接下发模拟波形数据，这样可以脱开实际环境给出设定的模拟波形情况，这样有利于启动判据算法的验证和调试。系统自检是系统上电时DSP系统能自动检测相关外围电路状况，并将自检结果发送到上位机。

■录波处理函数

在当前电力系统波形出现异常，采集到的数据经算法满足启动录波条件时，DSP进入录波处理函数，如图25所示。

在DSP每次向DPRAM写入新数据之前都要检验ARM是否已经将上一次DSP写入DPRAM的数据读取完毕，方法是读取DPRAM的0xffd地址中的数据，如为1则表示ARM读取完成数据，DSP将该地址内容清0。若为0则继续等待直到ARM完成数据读取。数据写入完成后，要向DPRAM0xffe地址写入命令码，通知ARM STR710FZ2从DPRAM读取数据。

2.2.3通信调度模块软件设计与实现

通信调度模块是检测录波设备与上位机服务器的桥梁。当发生故障时，它负责接收数据处理单元的故障记录，然后把数据缓存到FLASH中，同时通过以太网、CAN总线、485总线等通信接口上传至上位机，供专家进一步的故障分析。另外，通信处理单元也负责转发上位机下达的远程控制指令。

■接收上位机PC命令处理函数

通信调度系统将从CAN总线接收到的数据帧解包，取出上位机下发的数据。对于上位机下发的系统调试和参数设定数据，计算出向DPRAM写入数据的地址。图27是PC命令处理函数基本流程。

参数设定数据的DPRAM地址＝参数类型命令码*4，结束地址为起始地址+4。系统调试数据的DPRAM地址＝0xc00，结束地址为0xe00。

每次向DPRAM写入新数据之前都要检验DSP是否已经将上一次ARM写入的数据读取完，方法是读取DPRAM0xffc地址中的数据，如为1则表示DSP读取完成数据，ARM将该地址内容清0；为0则继续等待直到DSP完成数据读取。数据写入完成后，要向DPRAM的0xfff地址写入命令码，通知DSP从DPRAM读取数据。

■接收DSP中断处理函数

ARM响应DSP发出的中断后，执行接收DSP中断处理函数，进入DPRAM数据读取流程，如图28所示。

首先ARM对DPRAM0xfff地址进行读操作，以便复位DPRAM中断，同时也读出DSP发送的数据类型。根据DSP发送不同的数据类型对数据进行不同的操作。对原始波形数据来说，只需要将数据转发给上位机即可；但对故障波形数据，除了转发以外还需要记录下来。如果收到故障定标命令，则需要读取当时的时间，上传到上位机。每次读取数据之前都要从DPRAM的0xffd地址处读取本次接收到数据的数据长度，然后从DPRAM的0x000地址处开始读取数据。

电参量检测与故障录波处理算法

3.1基于FFT的高效处理算法的设计

基于FFT检测与故障录波处理算法是通过对快速傅里叶变换算法进行一定的改进，并结合测频算法，突变量启动判据算法，电压、电流越限等算法以获得故障录波所需参量及性能指标。

3.1.1基频稳态分量算法

基频稳态分量算法目前比较常用的是整周期傅里叶变换算法，这种算法是将输入序列(或输出序列)在时域(或频域)上的次序列按偶数和奇数来抽取，对于任意一个N＝2M点长序列的DFT运算，可以采用M次分解，最后分解成2点的DFT运算的组合，从而降低了运算量。

设输入信号U(t)中包含有基频分量、整数次谐波分量及直流分量，即

$U\left(t\right)=U_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[U_{\mathrm{Rn}}\cos \left(n{\mathrm{\ω}}_{0}t\right)-U_{\mathrm{In}}\sin \left(n{\mathrm{\ω}}_{0}t\right)]---\left(1\right)$

式中：U₀是直流分量，ω₀是基频角频率，U_Rn是输入信号n次谐波的实部，U_In是输入信号n次谐波的虚部，n表示谐波次数。那么输入信号n次谐波的模a_n和幅角_n为：

$a_n=\sqrt{U_{\mathrm{Rn}}^2+U_{\mathrm{In}}^2}$ 和

分别是n次谐波分量的振幅和初相角。

U(t)经快速傅立叶变换后，可以得到：

$U_{\mathrm{Rn}}=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}U\left(k\right)\cos \mathrm{nk}\frac{2\mathrm{\π}}{N}---\left(3a\right)$

$U_{\mathrm{In}}=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}U\left(k\right)\sin \mathrm{nk}\frac{2\mathrm{\π}}{N}---\left(3b\right)$

其中，N为每基频周期内的采样点数，U(k)为信号采样值，n为谐波次数。将n取1，则可求得输入信号中所包含的基频分量的实部和虚部

$U_{\mathrm{Rn}}=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}U\left(k\right)\cos k\frac{2\mathrm{\π}}{N}---\left(4a\right)$

$U_{\mathrm{In}}=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}U\left(k\right)\sin k\frac{2\mathrm{\π}}{N}---\left(4b\right)$

进而由公式(2)即可求得基频分量的幅值和相角。

整周期傅立叶变换算法的主要优点是当输入信号中除基频分量外只包含恒定直流分量和整数次谐波分量时，计算精度高，并且对其他分数谐波，算法也具有良好的抑制效果。但是，这种算法的计算量相对较大，耗时多，时实性较差。对于电能质量与电力系统故障动态记录装置来说，一般接数十路模拟量输入信号，并且要求采用较高的采样频率，以完整、全面地反映故障暂态过程各电器量的变化特点。因而，本方案采用整周期傅立叶变换算法的改进算法-迭代付氏算法，大大简化了计算，节省时间。

3.1.2迭代付氏算法

首先，经一次快速傅里叶变换后，得到各相电压、电流的虚部和实部。将其n取1，则可以得到输入信号所包含的基频分量的虚部和实部。设第一个数据窗的采样序列为{U(k)}，k＝0，2，....N-1，第二个数据窗的采样序列为{U(k)}，k＝1，2，....N；比较两个数据窗发现，数据窗二实际上是由数据窗一去掉一个U(0)，增加了一个U(N)组成。经如下计算：

$F\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}---\left(5\right)$

可得到FFT后信号中的k次谐波成分。式(5)中k为谐波次数，n为采样点(从0到N-1)，f(n)为A/D采样信号，F(k)为第k次谐波分量的系数。

以基频计算为例，第一个数据窗经FFT后所得基频成分为：

$F\left(1\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}n}=f\left(0\right)+\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}n}---\left(6\right)$

f(0)为第一个数据窗的第一个采样点。

移窗之后，第二个数据窗经FFT后所得基频成分为

$F^{\′}\left(1\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(n-1)}=\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(n-1)}+f\left(N\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}}---\left(7\right)$

f(N)是第二个数据窗的最后一点，也就是新加入的一点。

由式(6)和(7)比较可知

$F^{\′}\left(1\right)=(F\left(1\right)-f\left(0\right)+f\left(N\right))e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}}---\left(8\right)$

同理对于k次谐波，有

$F^{\′}\left(k\right)=(F\left(k\right)-f\left(0\right)+f\left(N\right))e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k}---\left(9\right)$

这样一来我们就找到了迭代付氏变换前后两个窗各谐波成分的关系，就可以在某一个窗谐波成分已知的条件下，求出其他窗的谐波成分。

本算法的优点在于对计算量相对较大，时实性强的情况下，能大大简化了计算，节省时间。

3.1.3频率测量算法

根据应用的目的不同，可以采用不同的频率测量算法。利用电压信号波形过零点的时间间隔进行频率测量^[5]是一种比较常用的频率测量方法。这种算法的优点是计算量小，便于实时计算，但是也同样存在不足。首先是在故障暂态过程中，信号波形由于受各种非周期分量和谐波分量的影响，会发生畸变，导致过零点时刻发生偏移，使得测频结果存在较大，其次，过零点时刻的准确定位比较困难，为提高测频精度，常常采用其他补偿措施，不利于频率的快速追踪。本文利用DSP的快速处理能力和迭代付氏算法计算所得的电压向量得到一种简便快速且精度较高的测频算法。

设系统额定频率为f₀，系统实际频率为f，df为实际频率变化量，₀为信号初始相位，f＝f₀+df，则信号的瞬时表达式可表示为：

u_t＝Ucos(2πft+₀)＝Ucos(2πf₀t+2πdft+₀)    (10)

其中u_t为信号的瞬时值。

令θ(t)＝2πdft+₀，则θ(t)为信号相角，有

u_t＝Ucos[2πf₀t+θ(t)]    (11)

设每周期采样N个点，初始采样频率为N f₀，采样时间间隔Δt＝1/Nf₀。将(11)式写成离散形式，则第k个采样电压值为

$u_t=U\cos [2\mathrm{\π}\frac{k{f}_0}{N{f}_0}+\mathrm{\θ}\left(t\right)]=U\cos [2\mathrm{\π}\frac{k}{N}+\mathrm{\θ}\left(t\right)]---\left(12\right)$

其傅立叶变换结果由(4a)、(4b)式确定。

如系统频率不发生偏移，迭代付氏算法每个采样间隔计算所得相量在复平面内保持不动。但当系统频率发生偏移df时，相量将在复平面内以2πdf的速度旋转。当系统实际频率大于系统额定频率f₀时，沿逆时针旋转；当系统实际频率小于系统额定频率f₀时，沿顺时针旋转。因此，可以通过测量相量幅角的变化获得频率实时测量结果。测量原理由式(13)、(14)、(15)决定。

θ(t)＝2πdft+₀    (13)

$\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=2\mathrm{\πdf}---\left(14\right)$

$\mathrm{df}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{d\θt}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\θ}}_{m+N}\left(t\right)-{\mathrm{\θ}}_m\left(t\right)}{\mathrm{N\Δt}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\θ}}_{m+N}\left(t\right)-{\mathrm{\θ}}_m\left(t\right)}{T_0}---\left(25\right)$

其中θ_m+N(t)为当前周期的相角，θ_m(t)为前一周期的相角，T₀为采样点之间的时间间隔，则系统测量频率f＝f₀+df。

3.1.4突变量算法

突变量计算主要用于检测系统中可能出现的各种突变故障，突变量值采用“周期-周期”

ΔI_a＝||i_aK-i_aK-N|-|i_aK-N-i_aK-2N||

比较算法。以电流为例，采样点数为N，取电流第k个点i_k，其前一周期对应点为i_k-N，其前两周期对应点为i_k-2N。

根据《220～500kV电力系统故障动态记录技术准则》，须首先输入3个周期的波形进行突变量运算。系统正常运行情况下，输入信号为基频周期信号，一旦发生故障，输入信号急剧变化，突变量值显著增加，由上式可加以判断。

判据标准：各相电流突变量ΔI_φ≥±5％I_N，超出判剧标准即启动故障录波。

3.1.5正、负、零序启动算法

利用迭代FFT的基频分量值，结合以下公式，得到正序分量，负序分量和零序分量。序分量公式为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{*}{F}}_{a\left(1\right)}\\ {\stackrel{*}{F}}_{a\left(2\right)}\\ {\stackrel{*}{F}}_{a\left(0\right)}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{*}{F}}_a\\ {\stackrel{*}{F}}_b\\ {\stackrel{*}{F}}_c\end{array}\right]---\left(16\right)$

式中

$a=e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{3}}=-\frac{1}{2}+j\frac{\sqrt{3}}{2};$ $a^2=e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{3}}=-\frac{1}{2}-j\frac{\sqrt{3}}{2}---\left(17\right)$

F_aF_bF_c分别为信号的A相B相C相电压或电流。

则正序分量为： ${\stackrel{.}{U}}_{a\left(1\right)}=U_{\mathrm{Rna}\left(1\right)}+j{U}_{\mathrm{Ina}\left(1\right)},$ 其中U_Rna(1)，U_Ina(1)分别为正序分量的实部与虚部。

负序、零序计算方法与正序类似。由得到的各相电压、电流向量的实部和虚部，利用上式可直接算出各序分量。

判剧标准：电压越限：110％U_N≤U₁≤90％U_N；U₂≥3％U_N；U₀≥2％U_N，电流同电压。

本发明的优点

本设计可以在多种网络环境下进行工作，并采用了基于GPS对时的广域测量系统(WideArea Measurement System，WAMS)。本设计系统的各个录波子设备分布在电力系统的各点上，通过网络与监控总站连接，每个子系统都通过GPS对时达到完全的时间同步(参见图1)。录波子设备对电力系统进行实时计算分析，在电力故障发生时，录波子设备立刻对故障时间进行定标并将记录的故障数据通过网络上传给监控总站，由监控总站再进行详细的分析计算。

1)检测录波设备的“数字化”

本设计运用数字信号处理(digital signal processing)技术，随着其不断的发展和完善，成为了21世纪最具发展潜力技术之一。数字信号处理技术现已具有灵活、精确、可靠、抗干扰能力强、设备尺寸小、造价低、速度快和容易大规模集成等突出优点，这些都是现有设备所运用的模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。

目前TI公司的DSP芯片在国内应用比较普遍，其6000系列DSP芯片性能十分突出，多用于视频信号处理中，用它来设计电力系统故障检测录波设备不仅成本过高，而且设计比较复杂。

因此本发明使用TI公司推出的TMS320VC33处理器，该芯片采用了改进的哈佛结构，提高了设备运行的速度和编程的灵活性。

在计算能力方面，高达每秒150兆次的浮点运算处理速度，使利用DSP进行高速、实时处理具备基本条件。

在精度方面，本设计使用的VC33DSP芯片使用32位字长，扩展精度可达40位，并具有浮点运算功能，所能表示的最大最小正负数与微型计算机的精度相同，这对搞精度小体积低成本的现场应用尤为重要。

稳定性方面，本设计采用全数字处理方式，不易受到噪声，电磁，温度等外界环境因素的影响，并具有看门狗功能，可实现系统长期、可靠运行，计算和信号处理结果的正确性不受外界因素影响。

正是这些优点，使得本发明在数字化方面远远优于现有的模拟电能质量检测设备。

2)检测录波设备的“网络化”

毫无疑问，随着网络功能的不断增加，必然会给传统的电能质量检测设备带来重大影响。本发明具有很丰富的网络化功能。支持以太网传输，CAN(Controller Area Network)网络传输，RS-232，RS-485传输。

在电能质量检测的网络化应用方面，本发明代替了过去使用的单台仪器，可以通过网络读取测量值；并能通过分布式数据采集系统代替独立的数据采集设备，跨越以太网或其他网络，实施实时远程分析测量与录波。本发明释放了系统的潜力，改变了测量的以往状况，打破了在同一地点进行数据采集、分析和显示的传统模式。运用本发明，人们完全可以通过Internet和网络技术有效地控制仪器设备，并在任何地方进行数据的采集、分析和显示。

3)检测录波设备的“智能化”

控制设备智能化是现代社会生产和生活中对开关设备提出的要求，也是现代科学技术与传统技术相结合的产物。这里所讲的智能化含义是指电能质量检测设备通过对电网的实时检测，能够使控制和改善电能质量的相关设备自动适应电网和环境的实际需要，始终处于最佳运行状态。

本发明运用频率跟踪技术，实时调整采样速率，以适应电力系统波形的实时变化。有效的减小了由波形畸变，频率飘移所产生的计算误差，给整个系统的计算精度提供了有效的保证。

本发明是在网络环境下工作的，因此考虑到网络的不稳定性，本发明还具有断点续传功能，即在数据传送过程中遇到网络故障，录波设备则将数据保存在自带的存储设备中，在网络恢复正常后继续上传数据。不会发生因为网络故障而导致数据丢失的问题。保证了电力系统故障数据上传得及时性与安全性。

4)检测录波设备的“集成化”

本发明采用DSP+ARM双处理器结构，将DSP与ARM模块设计在同一块电路板上，信号处理模块与通信控制模块相分离，信号处理模块以DSP为中心，通信处理模块以ARM芯片为中心，这样上传数据的操作与信号的分析计算相互独立，两者之间不相互影响，不相互占用时间，又能利用ARM丰富的接口提供多种网络传输功能。保证了设备的实时性、稳定性和网络化要求。双处理器结构在加大了设计复杂性的同时，也增加了设备的集成度。

附图说明

图1电能质量与电力系统故障检测网络系统

图2信号处理(DSP)与通信调度管理(CCM)双处理器结构的检测录波装置方框图

图3远程监控子系统上位机用户交互模块主要功能

图4对时模块的结构框图

图5电流信号调理电路原理图

图6电压信号调理电路原理图

图7检测录波装置硬件设计方框图

图8基于AD7656的A/D转换电路硬件原理图

图9基于XC95144XL的逻辑控制单元CPLD硬件原理图

图10双口RAMIDT7024接口实现硬件电路原理图

图11基于TMS320C33 DSP芯片的信号处理单元电路原理图

图12基于STR710FZ2的通信处理单元电路原理图

图13RS-232C串行通信接口电路原理图

图14RS-485通信接口电路原理图

图15CAN外部驱动器接口电路原理图

图16以太网模块接口电路原理图

图17系统模拟电源滤波电路原理图

图18TPS70351电源芯片电路连接原理图

图19AIC1117电源芯片电路连接原理图

图20故障检测过程中的信号传递流程图

图21信号处理、通信调度及上位机间的两条基本数据流向

图22模拟量故障数据记录的5个时段

图23DSP系统的软件结构流程图

图24由ARM STR710FZ2转发DSP的四类命令

图25录波处理函数

图26基于STR710FZ2 ARM系统的软件结构流程图

图27PC命令处理函数基本流程

图28接收DSP中断处理函数流程

具体实施方式

如图1所示，本发明系统包括检测录波子系统、远程监控子系统、对时子系统。

检测录波装置硬件部分包括信号调理模块、信号处理模块及通信调度模块及系统电源部分，如图7所示。

信号调理模块在后续信号处理单元选用16位高精度双极性模拟输入AD7656作为ADC转换芯片；录波判据算法主要采用将时频域下的波形数据通过FFT算法转换到频域中计算得到不同频域下的分量大小，再结合具体判据条件实现故障录波，如图5.6。

信号处理模块选用高速高精度的DSP芯片，DSP选用TI公司的浮点处理器TMS320C33芯片，如图11所示。设计在通信处理部分使用基于ARM7内核的STR710完成，选用意法半导体公司的STR710FZ2，如图12所示。在A/D转换上选用两片双极性16位精度的AD7656，CPLD选用3200门的XC95144XL实现所需的逻辑控制指令。DSP的复位电路是通过TI专用电源芯片TPS70351，如图8.9所示。

信号处理单元模块通过双端口RAM与通信处理单元相连，双端口RAM采用4K 16位的IDT7024芯片，如图10所示。

RS-232C串行通信接口的电平转换(驱动)芯片使用Maxim公司的MAX3232芯片；RS-485通信接口的驱动芯片使用Maxim公司的MAX485芯片；CAN总线通信接口的驱动器选用TI公司的SN65HVD230；以太网通信接口选用WIZnet公司的IIM7010A模块，IIM7010A以太网模块选用W3100A芯片。如图13.14.15.16所示。

信号处理单元的电源芯片选用TI公司的带Reset信号TPS70351芯片，通信处理单元电源芯片选用通用3.3VAIC1117，如图18.19所示。

硬件装置各部分的连接：

检测录波装置硬件设计方框图见图7：

信号调理电路的input 1至input 4管脚将调理后的电压信号分别连接到第一片AD7656芯片的input 1至input 4管脚作为A/D转换路的电压信号输入。信号调理电路的input 5至input8管脚将调理后的电流信号分别连接到另一片AD7656芯片的input 5至input 8管脚作为A/D转换路的电流信号输入(参考图5，6，8)。

两片AD7656的DSP D0至DSP D31管脚连接到TMS320VC33 DSP芯片的DSP D0至DSP D31的32条数据线管脚(参考图8，11)。

CPLD实现的控制功能，它的CPLD to ADC_RST，CPLD to ADC_CONVST，CPLD toADC_CS，CPLD to ADC_RD，CLPLD to ADC_WR，ADC to DSP_INT，ADC TCLK0，ADC1 toCPLD BUSY，ADC2 to CPLD BUSY，这九个控制管脚分别连接到两片AD7656的对应管脚，对A/D进行控制。CPLD的AD0至AD31管脚连接到开关量芯片上的对应管脚上，检测开关量状态。CPLD的DSP A11至DSP A14管脚连接DSP芯片的DSP A11至DSP A14地址管脚，接受来自DSP的地址信息。CPLD的DSP nPG0，DSP nPG1，DSP nPG3，DSP STRB管脚连接DSP芯片的对应管脚，接收页选通信号与外部存储选通信号。CPLD的CPLD to DPRAM nCE，CPLD to DPRAM nOE，CPLD to DPRAM R/nW与双端口RAM对应管脚相连，为双端口RAM芯片提供控制信息。(参考图8，9，11)

双端口RAM芯片IDT7024作为DSP和ARM之间传输信息的桥梁，其DSP D0至DSP D15数据管脚连接DSP芯片数据线的DSP D0至DSP D15管脚，与DSP芯片交换数据，其DSPA0至DSP A11地址管脚连接DSP芯片的地址线DSP A0至DSP A11管脚，接受来自DSP芯片的地址信息。双口RAM的STR D0至STR D15数据管脚连接ARM芯片数据线的STR D0至STR D15管脚，与ARM芯片交换数据。STRA0至STRA11地址管脚连接ARM芯片的STRA0至STRA11地址线管脚，接受来自ARM的地址信息。双口RAM的DPRAM to DSP nBUSY，STR to DSP INT与DPRAM to STR nBUSY，DSP to STR INT管脚分别连接在DSP和ARM芯片的对应管脚上，来给DSP和ARM芯片提供中断和状态信息。(参考图10，11，12)

DSP采用TMS320VC33芯片，其DSP to CPLD CLK，DSP to CPLD reset管脚与CPLD芯片对应管脚相连，提供时钟信息和复位操作。其DSP D0至DSP D15数据管脚与双口RAM对应接口相连，与DPRAM芯片交换数据，其DSP A0至DSP A11地址管脚连接DPRAM芯片的地址线DSPA0至DSPA11管脚，对DPRAM进行寻址。(参考图11，10，9)

ARM采用STR710FZ2芯片，其RS232_TX，RS232_RX管脚与RS-232C串行通信接口芯片对应管脚相连，控制232接口通信。其RS485_TX，RS485_RX，RS485管脚与RS-485通信接口芯片对应管脚相连接，控制RS-485接口通信。其CAN_TX，CAN_RX管脚与CAN总线通信接口对应管脚相连接，控制CAN接口通信。ARM芯片的ETHNET_nINT，ETHNET_nWR，ETHNET_nRD，ETHNET_nCS，ETHNET_RESET，ETHNET_nRESET管脚与以太网模块芯片对应管脚相连，控制以太网模块。STRA0至STRA14地址线与以太网模块对应地址线管脚相连，STRD0至STRD7数据线管脚与以太网模块对应数据线管脚相连，利用以太网模块进行通信。ARM芯片的STR D0至STR D15数据管脚连接DPRAM芯片数据线的STR D0至STR D15管脚，与DPRAM芯片交换数据。其STR A0至STR A11地址管脚连接DPRAM芯片的STR A0至STRA11地址线管脚，对DPRAM进行寻址。(参考图12，10，13，14，15，16)

电源芯片TPS70351的DSP_POWER_nCE管脚和ARM芯片的DSP_POWER_nCE管脚相连，由ARM控制DSP是否上电工作。(参考图18)

本发明方法包括故障检测过程中的信号传递流程、信号处理模块DSP系统的软件结构流程、通信调度模块基于STR710FZ2 ARM系统的软件结构流程。

故障检测过程中的信号传递流程按以下步骤执行，如图20所示：

步骤1：系统启动；

步骤2：判断是否需要修改判据定值；如果是，执行步骤3；如果否，执行步骤4；

步骤3：从上位机接受定值；

步骤4：待测信号通过信号调理电路；

步骤5：经过调理后的信号通过A/D采样；

步骤6：采样后的数据进入DSP芯片进行计算分析；

步骤7：判断是否发生故障；如果是，执行步骤8；如果否，返回步骤4；

步骤8：进行录波，将故障数据存入双端口RAM；

步骤9：ARM从双端口RAM读出故障数据，通过RS232，RS485，CAN，以太网上传至上位机；

步骤10：结束。

信号处理、通信调度及上位机这三者是相互联系的，有两条基本的数据流向，如图21所示。

一条流向是从上位机经任务调度模块，发送至数据处理模块。该条数据流向的内容主要包括上位机向录波子系统下发的各类控制命令及系统配置参数等。任务调度模块主要起命令和数据转发功能。数据处理模块针对上位机下达的命令进行相应的处理及配置。另一条流向是和前一条相反的过程，数据处理模块将采集的数据经过启动判据算法上传至任务调度模块，依据启动判据结果任务调度模块启动故障定标、故障波形存储和数据上传。上位机作为接收方，接收上传的波形数据。

信号检测与录波处理以DSP为核心，DSP系统软件结构流程按以下步骤执行，如图23所示：

步骤1：开始；

步骤2：DSP系统初始化；

步骤3：判断是否接收ARM中断；如果是，执行命令处理函数；如果否，执行步骤4；

步骤4：判断启动录波条件是否满足；如果是，进入录波处理函数；如果否，执行步骤5；

步骤5：判断是否有Timer0中断；如果是，进入进入Timer0中断处理函数；如果否，执行步骤6；

步骤6：判断是否有dma中断；如果是，进入dma中断处理函数；如果否，返回步骤3。

通信调度模块主要负责录波设备与上位机接口部分，它一方面完成上位机到录波设备的命令、参数等的传输，还包括从数据处理模块上传给上位机的波形数据，在系统启动录波进程时还应将上传的数据存储到模块的flash中。通信调度模块基于STR710FZ2 ARM系统的软件结构流程按以下步骤执行，如图26所示：

步骤1：开始；

步骤2：ARM系统初始化；

步骤3：判断是否接收到PC端命令中断；如果是，执行步骤4；如果否，执行步骤5；

步骤4：进入接收PC命令处理函数；

步骤5：判断是否接收到DSP中断；如果是，执行步骤6；如果否，返回步骤3；

步骤6：接收到DSP中断处理函数。

Claims (10)

1、一种电能质量与电力系统故障检测录波装置，其特征在于包括三个子系统：检测录波子系统、远程监控子系统、对时子系统；录波子系统对电力系统进行多点故障诊断，实施检测与记录电能质量参数，特别是故障发生时系统的动态电参量变化及开关量的状态；检测录波子系统中通信调度管理单元是检测录波设备与上位机服务器的桥梁，当发生故障时，它负责接收数据处理单元的故障记录，然后把数据缓存到FLASH中，同时通过以太网、CAN总线、RS-232C、485总线等通信接口及远程通信模块上传至上位机；远程监控子系统由上位机服务器及Internet客户端组成，上位机与每个录波结点组成C/S网络结构，实现故障信息传输与保护及安全装置日常运行监测的双重作用；对时子系统利用GPS所提供的精确授时的功能，提供系统时间及保证系统时间同步；对时子系统核心功能由对时模块实现，其与各个录波结点组成C/S结构，对时模板采用Motorola公司的16位微处理器MC9S12D64进行控制，通过RS232与GARMIN连接接收GPS时间数据，然后通过CAN总线把接收到时间分发给各个录波设备。

2、如权利要求1所述电能质量与电力系统故障检测录波装置，其特征在于检测录波子系统由信号调理模块、信号处理模块、通信调度管理模块组成；其中信号调理模块包括对电流信号和电压信号进行调理，对电流信号调理系统选用兵字TA1420立式穿芯小型精密交流电流互感器；对电压信号调理系统选用兵字TV1013-1型微型精密交流电压互感器；在对电流及电压信号隔离互感后，每一路输入信号都经过了一级电压跟随，在后续信号处理单元选用16位高精度双极性模拟输入AD7656作为ADC转换芯片。

3、如权利要求1所述电能质量与电力系统故障检测录波装置，其特征在于信号处理模块数据处理部分采用TMS320C33实现，在A/D转换上选用两片双极性16位精度的AD7656，CPLD选用3200门的XC95144XL实现所需的逻辑控制指令，复位电路选用TI专用电源芯片TPS70351。

4、权利要求1所述电能质量与电力系统故障检测录波装置，其特征在于通信调度管理单元选用意法半导体公司的STR710FZ2。

5、如权利要求1所述电能质量与电力系统故障检测录波装置，其特征在于信号处理单元模块与通信处理单元模块通过双端口RAM连接。

6、如权利要求2所述电能质量与电力系统故障检测录波装置，其特征在于其硬件装置各部分联接为信号调理电路的input1至input4管脚将调理后的电压信号分别连接到第一片AD7656芯片的input1至input4管脚作为A/D转换路的电压信号输入；信号调理电路的input5至input8管脚将调理后的电流信号分别连接到另一片AD7656芯片的input5至input8管脚作为A/D转换路的电流信号输入；

两片AD7656的DSP D0至DSP D31管脚连接到TMS320VC33 DSP芯片的DSP D0至DSP D31的32条数据线管脚；

CPLD实现的控制功能，它的CPLD to ADC_RST，CPLD to ADC_CONVST，CPLD toADC_CS，CPLD to ADC_RD，CLPLD to ADC_WR，ADC to DSP_INT，ADC TCLK0，ADC1 toCPLD BUSY，ADC2 to CPLD BUSY，这九个控制管脚分别连接到两片AD7656的对应管脚，对A/D进行控制；CPLD的AD0至AD31管脚连接到开关量芯片上的对应管脚上，检测开关量状态；CPLD的DSP A11至DSP A14管脚连接DSP芯片的DSP A11至DSP A14地址管脚，接受来自DSP的地址信息，CPLD的DSP nPG0，DSP nPG1，DSP nPG3，DSP STRB管脚连接DSP芯片的对应管脚，接收页选通信号与外部存储选通信号；CPLD的CPLD to DPRAM nCE，CPLD to DPRAM nOE，CPLD to DPRAM R/nW与双端口RAM对应管脚相连，为双端口RAM芯片提供控制信息；

双端口RAM芯片IDT7024作为DSP和ARM之间传输信息的桥梁，其DSP D0至DSP D15数据管脚连接DSP芯片数据线的DSP D0至DSP D15管脚，与DSP芯片交换数据，其DSP A0至DSP A11地址管脚连接DSP芯片的地址线DSP A0至DSP A11管脚，接受来自DSP芯片的地址信息；双口RAM的STR D0至STR D15数据管脚连接ARM芯片数据线的STR D0至STR D15管脚，与ARM芯片交换数据；STR A0至STR A11地址管脚连接ARM芯片的STR A0至STR A11地址线管脚，接受来自ARM的地址信息；双口RAM的DPRAMto DSP nBUSY，STR to DSP INT与DPRAM to STR nBUSY，DSP to STR INT管脚分别连接在DSP和ARM芯片的对应管脚上，来给DSP和ARM芯片提供中断和状态信息；

DSP采用TMS320VC33芯片，其DSP to CPLD CLK，DSP to CPLD reset管脚与CPLD芯片对应管脚相连，提供时钟信息和复位操作；其DSP D0至DSP D15数据管脚与双口RAM对应接口相连，与DPRAM芯片交换数据，其DSP A0至DSP A11地址管脚连接DPRAM芯片的地址线DSPA0至DSP A11管脚，对DPRAM进行寻址；

ARM采用STR710FZ2芯片，其RS232_TX，RS232_RX管脚与RS-232C串行通信接口芯片对应管脚相连，控制232接口通信；其RS485_TX，RS485_RX，RS485管脚与RS-485通信接口芯片对应管脚相连接，控制RS-485接口通信；其CAN_TX，CAN_RX管脚与CAN总线通信接口对应管脚相连接，控制CAN接口通信；ARM芯片的ETHNET_nINT，ETHNET_nWR，ETHNET_nRD，ETHNET_nCS，ETHNET_RESET，ETHNET_nRESET管脚与以太网模块芯片对应管脚相连，控制以太网模块；STR A0至STR A14地址线与以太网模块对应地址线管脚相连，STR D0至STR D7数据线管脚与以太网模块对应数据线管脚相连，利用以太网模块进行通信；ARM芯片的STR D0至STR D15数据管脚连接DPRAM芯片数据线的STR D0至STR D15管脚，与DPRAM芯片交换数据；其STR A0至STR A11地址管脚连接DPRAM芯片的STRA0至STRA11地址线管脚，对DPRAM进行寻址；

电源芯片TPS70351的DSP_POWER_nCE管脚和ARM芯片的DSP_POWER_nCE管脚相连，由ARM控制DSP是否上电工作。

7、如权利要求1所述电能质量与电力系统故障检测录波装置的实现方法，其特征在于包括：

(1)动态电参量测量：

对于220kV变电所，模拟量有每条220kV线路、母线联络断路器及每台变压器220kV侧的3个相电流和零序电流；两组220kV母线电压互感器的3个相对地电压和零序电压；开关量有操作每台220kV断路器的继电保护跳闸命令，纵联保护的通信通道信号，安全自动装置操作命令，空触点输入；

对于500kV变电所，模拟量有500kV侧需要记录的模拟量是500kV每条线路的4个电流量和4个线路电压量和每台主变压器的4个电流量；开关量有操作每台500kV断路器的继电保护跳闸命令，纵联保护通信通道信号及安全自动装置操作命令，空触点输入；

(2)故障时段划分：故障模拟量数据按时段由5个时段数据组成；

(3)启动判据：对于模拟量，故障类型就是触发故障录波的启动判据；对于开关量，故障类型就是开头量的状态变化；

(4)故障录波：

模拟量与开关量采集：使用DSP内部自带的定时器对模拟量的采集进行控制，两片AD同时进行采样，每一次采集8路16位模拟量数据，开关量通过CPLD译码后，DSP可以直接读取其状态，最多可以支持8路开关量；

故障诊断与记录：电参量采集完成后，依据启动判据进行故障诊断；当某个启动判据满足条件或检测到某个开关量的状态发生变化，就会启动故障录波，生成记录数据；整个故障过程也分为5个阶段，各个阶段的处理不同；

(5)记录上传：发生故障时，故障处理会通知通信调度模块发生了故障准备接受录波数据，调度模块通过双端口RAM通知DSP发送录波数据；

(6)远程控制命令处理：DSP软件接收并处理上位机的监控命令，主要有：强制启动录波、参数设置命令、实时波形显示命令。

8、如权利要求7所述的电能质量与电力系统故障检测录波装置的实现方法，其特征在于具体实施按以下步骤执行；

步骤1：系统启动；

步骤2：判断是否需要修改判据定值；如果是，执行步骤3；如果否，执行步骤4；

步骤3：从上位机接受定值；

步骤4：待测信号通过信号调理电路；

步骤5：经过调理后的信号通过A/D采样；

步骤6：采样后的数据进入DSP芯片进行计算分析；

步骤7：判断是否发生故障；如果是，执行步骤8；如果否，返回步骤4；

步骤8：进行录波，将故障数据存入双端口RAM；

步骤9：ARM从双端口RAM读出故障数据，通过RS232，RS485，CAN，以太网及远程通信模块上传至上位机；

步骤10：结束。

9、如权利要求7所述电能质量与电力系统故障检测录波装置的实现方法，其特征在于DSP系统操作过程按以下步骤执行：

步骤1：开始；

步骤2：DSP系统初始化；

步骤3：判断是否接收ARM中断；如果是，执行命令处理函数；如果否，执行步骤4；

步骤4：判断启动录波条件是否满足；如果是，进入录波处理函数；如果否，执行步骤5；

步骤5：判断是否有Timer0中断；如果是，进入进入Timer0中断处理函数；如果否，执行步骤6；

步骤6：判断是否有dma中断；如果是，进入dma中断处理函数；如果否，返回步骤3。

10、如权利要求7所述电能质量与电力系统故障检测录波装置的实现方法，其特征在于对于远程控制命令通信调度模块基于STR710FZ2 ARM系统按以下步骤执行：

步骤1：开始；

步骤2：ARM系统初始化；

步骤3：判断是否接收到PC端命令中断；如果是，执行步骤4；如果否，执行步骤5；

步骤4：进入接收PC命令处理函数；

步骤5：判断是否接收到DSP中断；如果是，执行步骤6；如果否，返回步骤3；

步骤6：接收到DSP中断处理函数。

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