CN116359662A - 一种电网异常检测与录波系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电网异常检测与录波系统，包括AC/DC供电单元、电压电流采样单元、计量芯片、MCU单元、SD存储卡、显示与按键单元、铁电存储及实时时钟单元和若干RS485调试串口单元；电压信号接入电压端子，并为装置提供工作电源电路，使装置无需额外接工作电源；电压电流采样单元包括电压采样电路和电流采样电路，电压电流采样单元将采集到的电压电流信号经电压采样电路、电流采样电路接入计量芯片，在计量芯片内部完成数据波形采样、实时量、累计量计算；相比现有技术，本发明采用内置DSP及浮点运算单元的MCU，异常检测与录波软件算法上使用双缓存队列配合DMA通道进行数据接收运算处理，简化了录波器的软硬件设计。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种电网异常检测与录波系统及实现方法。
背景技术
电力系统故障录波器是一个长期运行在现场监测和记录电力系统运行状况的装置，它是电气系统的"黑匣子"。当电力系统发生事故，故障录波器记录的数据是分析事故原因、继电保护和自动安全装置运行情况以及事故发展过程的重要依据，在国内外电力系统中得到广泛应用。传统的故障录波器由于其复杂的设计和高昂的成本，其主要应用于输配电高压线路。
随着电力系统网络化、复杂化,其行为也变得越来越复杂。一些初始的假设和简化模型的适用性都将受到挑战与检验。在这种情况下，获得大量详细的现场测量数据无疑将变得越来越重要，特别是在发生故障或异常情况下。它们不仅为分析故障原因和测试继电保护的运行行为提供了基础，也为电工研究和理解复杂系统的真实行为并发现其规律性提供了宝贵的信息。因此，故障录波器作为电力系统瞬态过程的记录仪,电力系统对其需求越来越高。
传统的故障录波器大多采用高速ADC作为采样前端，DSP/FPGA作为实时数据运算处理单元，ARM作为业务逻辑实现处理单元，这样的组合方式使得整体系统软硬件设计变的复杂且成本高昂。目前故障录波装置多应用于输配电高压线路，适用于低压配用电侧的具有故障录波功能的设备也主要见于电能质量分析仪器，但分析仪器设备不适合长期放置工程项目现场使用，同时功能复杂，大部分功能普通用户基本用不到。同时常规的故障录波器通常作为专用装置存在，功能单一。当电网运行正常时，故障录波器显示与系统有关的电压、电流等实时参数，不进行记录；当出现故障或振荡时，才启动记录程序，根据设计要求把运行中的各类参数和继电保护状态的动作状态存储下来以便后面分析。低压配用电侧同样存在各种电网运行异常事件需要进行监视录波以便进行事件回顾分析，来排除异常事件优化系统运行，例如电压电流越限，跌落，突变，谐波异常等事件。但是目前该领域还缺少相关的配套产品及应用，或成本高昂或功能单一。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种简化了常规录波系统软硬件设计，并降低了成本的电网异常检测与录波系统及实现方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种电网异常检测与录波系统，包括AC/DC供电单元、电压电流采样单元、计量芯片、MCU单元、SD存储卡、显示与按键单元、铁电存储及实时时钟单元和若干RS485调试串口单元；电压信号接入电压端子，并为装置提供工作电源电路，使装置无需额外接工作电源；电压电流采样单元包括电压采样电路和电流采样电路，电压电流采样单元将采集到的电压电流信号经电压采样电路、电流采样电路接入计量芯片，在计量芯片内部完成数据波形采样、实时量、累计量计算，所述计量芯片通过SPI接口将相关参数传至MCU单元，所述MCU单元通过专用高速数据采集接口HSDC获取实时波形采样数据进行谐波计算；所述MCU单元通过SDIO接口扩展SD存储卡，SD存储卡根据装置的存储周期将采集的数据写入；所述实时时钟单元为数据存储提供时标依据；设计一路工业以太网接口方便装置接入能源管理系统进行交互和录波数据的上传。
作为本发明的进一步优选，所述电流采样电路采样使用柔性罗氏线圈将电流信号接入装置电流输入端子。
作为本发明的进一步优选，所述MCU单元包括MCU芯片，所述MCU芯片包括VCC接口、若干个输入输出接口GPIO、SDIO接口、RMI I接口、UART接口、12C接口、INT接口、RST接口、HSDC接口和SPI接口；其中两个所述输入输出接口GPIO用于显示器和控制面板；其他输入输出接口GPIO用于与外部设备连接；所述SDIO接口用于连接SD存储卡；所述RMI I接口用于连接以太网接口；所述UART接口用于连接RS485调试接口；所述12C接口用于连接实时时钟单元和铁电存储；所述INT接口和RST接口用于连接外部看门狗；所述HSDC接口和SPI接口用于连接计量芯片。
一种电网异常检测与录波实现方法，其特征在于，包括以下具体步骤：S1、对MCU单元进行上电初始化，并读取保存在铁电存储器中的配置参数以及电能累计量，完成对MCU整体工作情况的设置，选择外部晶振为25MHz，使用PLL，使MCU的主频工作在168MHz；在输入输出接口GPIO初始化中；S2、对输入输出接口GPIO进行配置；S3、对外部设备进行初始化；即对计量芯片，SD卡及文件系统的初始化；S4、初始化完成后，进行多任务处理
作为本发明的进一步优选，所述步骤S2中，对输入输出接口GPIO进行配置，具体包括输入输出接口GPIO工作模式、输入/输出模式、速度、用于采集输入开关量或者输出指示；并配置相应的输入输出接口GPIO为复用功能，用来与存储器、SD存储卡、实时时钟单元、计量芯片、通讯模块等通信。
作为本发明的进一步优选，述步骤S4中多任务处理包括：稳态数据采集、暂态数据采集与录波、SD卡数据存储、通讯和按键与显示模块。
作为本发明的进一步优选，所述暂态数据采集包括以下具体步骤：S 1、MCU单元通过HSDC接口获取实时波形采样数据，并进行谐波计算；S2、数据采集通过DMA中断控制；S3、在DMA后台缓存数据时，对前一次的数据进行计算，有效避免数据处理的过程不及时导致的数据缓存被新的数据覆盖，从而保证电压电流波形数据的完整性和连续性。
作为本发明的进一步优选，所述暂态数据录波包括以下具体步骤：S 1、当实时波形采用数据接收缓存满后，对数据进行有效性验证；S2、若验证无效，则重复暂态数据采样和S1；S3、若验证有效，则对数据进行相关数值计算；S4、判断计算后的数据是否满足录波启动条件；S5、若不满足录波条件，则重复暂态数据采样和S1-S4；S6、若满足录波条件，则启动录波，即按录波规范要求对该启动周波前后的波形数据进行记录存储写入SD卡文件中进行保存，方便日后分析时读取或者通过以太网进行远传；直至完成录波。
作为本发明的进一步优选，当以下启动条件满足任意一个时，则启动录波；所述录波启动条件包括(启动条件参数及比例值可根据项目应用需求设置)：1、电压突变量启动,电压突变量启动判断根据是根据ΔU≥5％UN；2、过压和欠压启动，正序电压越限启动判据是根据U≤90％UN或U≥110％ UN；3、电流突变量启动，电流突变量启动判据是根据ΔI≥5％IN；4、电压频率越限启动，频率越限启动是根据49.5Hz≤f≤50.5Hz；5、谐波分量异常启动，当前电压电流总谐波畸变率刷新历史最大值。
作为本发明的进一步优选，所述录波数据记录包括以下具体步骤：S1、判断启动条件发生的位置；S2、当启动条件发生在buff0中，判断启动条件前缓存波形是否小于x；S3、当启动条件前缓存波形不足x个时，当前buff0中不足的部分由前一次buff1中数据补足；后y个波形数据则由发生时刻buff0中后续的波形数据以及新接收到的buff1中数据补足；S4、当启动条件前缓存波形大于等于x个时，则前需要的前x个波形数据直接记录buff0中的数据；后y个波形数据直接使用buff0中后续的波形数据以及新接收到的buff1中数据补足；S5、当启动条件发生在buff1中，判断启动条件前缓存波形是否小于x；S6、当启动条件前缓存波形不足x个时，当前buff1中不足的部分由buff0中数据补足；后y个波形数据则由发生时刻buff1中后续的波形数据以及新接收到的buff0中数据补足；S7、当启动条件前缓存波形大于等于x个时，则前需要的前x个波形数据直接记录buff1中的数据；后y个波形数据则由发生时刻buff1中后续的波形数据以及新接收到的buff0中数据补足。
本发明的有益之处在于：本发明用于记录电力系统发生故障时的电流、电压等物理量以及继电保护和安全装置的运行情况；采用内置DSP及浮点运算单元的MCU，异常检测与录波软件算法上使用双缓存队列配合DMA通道进行数据接收运算处理，简化了录波器的软硬件设计，对于配用电侧录波要求不高的应用场合可以无需再使用高速ADC，DSP，FPGA等复杂昂贵的元器件；使用常规的ARM处理器配合电测量芯片通过SPI+SHDC双接口的方式，即可在传统多功能电能表的基础之上提供基本的异常检测与录波功能；有效降低故障录波器的硬件成本，作为一种新型的多功能录波设备可广泛应用于低压配用电侧的电网异常事件监测，研究排除改善电网运行中存在的不稳定因素，提高系统整体稳定性，同时有保留多功能电能表的功能，一机多用，提高系统集成度。
还包括以下优点：
1、异常检测与录波系统支持多种启动量；相电压和零序电压突变量启动；过压和欠压启动；电流突变量启动；频率越限启动；谐波分量异常启动；开关量启动；
2、使用内置DSP及浮点运行单元的单颗MCU芯片，完成电参数采集运算处理以及业务逻辑实现；
3、电压、电流信号采样处理使用专用计量芯片，该计量芯片提供两路数据输出接口；一路用于提供实时量累计量数据，一路用于提供高速实时波形采样数据，两个数据通道互不影响；
4、计量芯片电压电流通道ADC采样率为28.8kHz，每周波可实时提供72到576点数据用于数值计算和波形记录(记录点数根据应用分析计算要求选择)；
5、电流采样使用罗氏线圈，与传统电流测量装置相比有以下突出特点：无饱和；线性度好，标定容易；待测电流量程大；瞬态反应能力突出；待测电流频率范围宽，从0.1Hz到1MHz，可用于测量谐波；
6、测量范围：电压90～528V、电流10～1000A，测量准确度：电压0.2级、电流1级、有功功率1级、无功功率1级、有功电能1级、无功电能2级；
7、内置大容量SD卡用于存储故障录波数据，用于电网异常事件记录分析和用于周期性存储实时量累计量数据，用于负载运行趋势分析；
8、SD卡内故障录波数据及周期性实时量累计量数据采用CSV文件格式保存，可以直接使用Excel表格工具打开进行分析或者使用配套分析软件进行数据分析；
9、使用MCU内DMA通道自动接收计量芯片高速接口输出的实时波形数据，配合双缓存队列，提高数据采集处理效率，降低对MCU性能的依赖；
10、整体软硬件设计上采用ARM(处理器)+EMU(计量芯片)的架构，减少了传统录波装置中高速AD，DSP，FPGA器件的使用，简化了软硬件设计。降低了整体成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明主体流程示意图；
图3是多任务处理示意图；
图4是DMA双缓存接收示意图；
图5是暂态数据录波流程图；
图6是电压频率示意图；
图7是当启动条件发生的缓存buff0时波形记录处理示意图；
图8是当启动条件发生的缓存buff1时波形记录处理示意图；
图9是SD卡数据存储流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
实施例一：
结合图1、一种电网异常检测与录波系统，包括AC/DC供电单元、电压电流采样单元、计量芯片、MCU单元、SD存储卡、显示与按键单元、铁电存储及实时时钟单元和若干RS485调试串口单元。
装置工作电源电路使用支持超宽电压输入AC-DC模块，支持90-528VAC电压输入，满足低压配用电侧各种供电环境下使用。
电压信号接入电压端子，并为装置提供工作电源电路，使装置无需额外接工作电源。
电压电流采样单元包括电压采样电路和电流采样电路，所述电流采样电路采样使用柔性罗氏线圈将电流信号接入装置电流输入端子。
电压电流采样单元将采集到的电压电流信号经电压采样电路、电流采样电路接入计量芯片，在计量芯片内部完成数据波形采样、实时量、累计量计算。
计量芯片采用HT7132多功能三相电测量芯片，该IC具有测量三相电压、电流、有功功率、无功功率、频率、有功电能、无功电能；开放了电压、电流的原始数据，通过原始数据计算，对电压、电流谐波测量分析的要求。有2路SPI通信，一路低速SPI供电测数据传输，一路高速HSDC通信口，用于采集瞬时值，通过对瞬时值进行处理结果，从而得知发生什么事件，对相应数据进行录波，实现瞬态事件的记录与数据录波，两路SPI通信的好处是高速HSDC通信不会影响到稳态电测数据的精度。计量芯片电流信号采样输入接口支持罗氏线圈，外部无需再增加积分电路。ADC采样速率可达28.8kHZ，提供同步采样数据，便于分次谐波分析以及谐波严重时周波数据记录。
MCU单元采用基于
-M4的ARM处理器STM32F407，在168MHz频率下，从Flash存储器执行时，STM32F407能够提供210DMIPS/566CoreMark性能，并且利用意法半导体的ART加速器实现了FLASH零等待状态。支持单周期DSP指令和浮点单元。系统时钟采用外部有源晶振，相较内部晶振和外部无缘晶振能提高更好的频率精度及稳定性。25MHz外部时钟输入，经锁相环倍频后生成168MHz的高速系统时钟。MCU内置的浮点运算单元及DSP指令提高浮点及谐波部分运算效率。小型系统单颗芯片即能满足常规数学运算要求无需再配置专用DSP芯片。降低系统复杂度
所述计量芯片通过SPI接口将相关参数传至MCU单元，所述MCU单元通过专用高速数据采集接口HSDC获取实时波形采样数据进行谐波计算。
所述MCU单元通过SDIO接口扩展SD存储卡，SDIO Secure Di gital Input andOutput，安全数字输入输出接口，在SD卡接口的基础上发展而来，兼容SD卡，并可以连接SDIO装置，SD卡存储采用使用高质量MLC闪存颗粒的工业级SD存储卡。能适应广泛的工作温度，即使在严峻的工作环境，依然展现其快速的传输速度及长效可靠性。符合SD协会所制定的高速规格，搭配高容量储存空间，能同时满足需要效能与容量并俱的嵌入式装置，SD存储卡根据装置的存储周期将采集的数据写入。
数据以.CSV表格存储需要有文件系统支持，使用嵌入式FATFS文件系统，FATFS是一个完全免费开源的FAT文件系统模块，专门为小型的嵌入式系统而设计。可以移植到8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM等系列单片机上而只需做简单的修改。它支持FATl2、FATl6和FAT32，支持多个存储媒介；有独立的缓冲区，可以对多个文件进行读、写。
STM32F407芯片自带以太网模块，该模块包括带专用DMA控制器的MAC802.3(介质访问控制)控制器，通过简化介质独立接口(RMI I)连接PYH芯片LAN8742实现10/100M速率自适应以太网通信接口。通过移植LwIP TCP/IP协议栈实现和系统平台的数据远传和基于WebServers的网页配置及数据展示等功能。
为保证整个系统的实时性，SD存储卡和高速数据采集接口HSDC通过DMA与外设进行通信。DMA是一种AMBA先进高性能总线(AHB)模块，它具有三个AHB端口：1个用于DMA编程的从端口和2个允许DMA在从模块之间进行数据传输的主端口(外设和存储器端口)。DMA使得数据传输在后台进行，而无需Cortex-Mx处理器干预。在数据传输过程中，主处理器能够执行其他任务，仅当需要处理一个完整数据块时才会被中断。可以在不显著影响系统性能的情况下进行大量数据的传输。STM32F2/F4 DMA控制器充分利用了Cortex-Mx哈佛结构和多层总线系统的优势，保证了DMA传输和CPU中断响应的及时性
所述实时时钟单元为数据存储提供时标依据。
异常检测与录波系统是一个实时性要求极高的系统，所以设计的原则首先是提高程序执行速度，保证程序的可移植性，所以本装置采用模块化设计的思想。在异常检测与录波系统中，由于系统包含多个任务，如数据采集、数据计算、存储、通信等，而在发生故障时，每个任务都有不同的优先顺序，根据任务的实时性，必须给每个任务赋予一个优先级顺序，低优先级的任务在运行的时候可以被高优先级的任务抢占执行，以保证系统实时性要求。各个任务被划分为不同的任务模块，使用C语言模块化编程方法进行调度。
当电网异常检测与录波系统发生故障，将故障发生时刻前后的数据记录到SD存储卡中，为保证录波数据的准确性和可回溯性，故障录波模拟量记录过程及记录方式参考DL/T553-1994《220-500kV电力系统故障动态记录技术准则》相关标准执行。
设计一路工业以太网接口方便装置接入能源管理系统进行交互和录波数据的上传。
本申请采用内置DSP及浮点运算单元的MCU，异常检测与录波软件算法上使用双缓存队列配合DMA通道进行数据接收运算处理，简化了录波器的软硬件设计，对于配用电侧录波要求不高的应用场合可以无需再使用高速ADC，DSP，FPGA等复杂昂贵的元器件。使用常规的ARM处理器配合电测量芯片通过SPI+SHDC双接口的方式，即可在传统多功能电能表的基础之上提供基本的异常检测与录波功能。有效降低故障录波器的硬件成本，作为一种新型的多功能录波设备可广泛应用于低压配用电侧的电网异常事件监测，研究排除改善电网运行中存在的不稳定因素，提高系统整体稳定性，同时有保留多功能电能表的功能，一机多用，提高系统集成度。
实施例二：
结合图2-9，一种电网异常检测与录波实现方法，包括以下具体步骤：
S1、对MCU单元进行上电初始化，并读取保存在铁电存储器中的配置参数以及电能累计量，完成对MCU整体工作情况的设置，选择外部晶振为25MHz，使用PLL，使MCU的主频工作在168MHz；在输入输出接口GPIO初始化中。
配置参数主要为了和测量计量精度相关的计量芯片出厂校准参数数据，以及和设备运行相关的稳态数据记录周期、设置密码以及电能累计量等。
S2、对输入输出接口GPIO进行配置。
对输入输出接口GPIO进行配置，具体包括输入输出接口GPIO工作模式、输入/输出模式、速度、用于采集输入开关量或者输出指示；并配置相应的输入输出接口GPIO为复用功能，用来与存储器、SD存储卡、实时时钟单元、计量芯片、通讯模块等通信。
S3、对外部设备进行初始化；即对计量芯片，SD卡及文件系统的初始化。
在存储参数读取中，读取保存在铁电存储器中的配置参数以及电能累计量等。在外设初始化中，完成计量芯片，SD卡及文件系统的初始化。
S4、初始化完成后，进行多任务处理。
结合图3，多任务处理包括：稳态数据采集、暂态数据采集与录波、SD卡数据存储、通讯和按键与显示模块。
所述暂态数据采集包括以下具体步骤：
结合图4，为了能保证录波数据的完整，实时波形采样暂态数据采集与处理必须保证实时性的要求，数据采集交由DMA中断直接控制，减少CPU轮询时间，同时采用双缓存方式，在DMA后台缓存数据的时候对前一次的数据进行计算，有效避免数据处理的过程不及时导致的数据缓存被新的数据覆盖，从而保证电压电流波形数据的完整性和连续性。
异常检测与录波算法采用双缓存队列配合DMA通道数据接收处理的方式，当Buff0缓存接收满后进行数据有效性验证，再经过录波启动条件判断来触发是否启动录波保存缓存内实时波形。同时Buff0缓存满进行数据处理计算的时候，将缓存接收指针指向Buff1利用DMA通道的特性在后台进行实时波形数据的缓存，当Buff1缓存满后进行Buff1内数据的计算处理与判断，同时将缓存接收指针指向Buff0在后台缓存数据。实现了数据接收和数据计量缓存相对独立，避免数据计算时内接收的数据覆盖，同时双缓存队列交替接收处理。可以集中处理缓存内多个周波的批量数据，充分发挥MCU计算性能，相较环形队列实时计算每个周波的方式对整体MCU计算性能要求大大降低。以工频环境下缓存设置单次为存储6个周波为例，则DMA用来采集存储6周波实时波形数据耗时为120ms，对MCU来说只需要每隔120ms来对缓存数据进行一次批量计算处理，对系统实时运算性能就大大降低。而环形队列对每个周波进行实时计算就需要每隔20ms就计算处理一次。
结合图5，所述暂态数据录波包括以下具体步骤：
S 1、当实时波形采用数据接收缓存满后，对数据进行有效性验证；
S2、若验证无效，则重复暂态数据采样和S1。
S3、若验证有效，则对数据进行相关数值计算。
S4、判断计算后的数据是否满足录波启动条件。
S5、若不满足录波条件，则重复暂态数据采样和S1-S4。
S6、若满足录波条件，则启动录波，即按录波规范要求对该启动周波前后的波形数据进行记录存储写入SD卡文件中进行保存，方便日后分析时读取或者通过以太网进行远传；直至完成录波。
所述录波启动条件包括(启动条件参数及比例值可根据项目应用需求设置)：
1、电压突变量启动,电压突变量启动判断根据是根据ΔU≥5％UN；
2、过压和欠压启动，正序电压越限启动判据是根据U≤90％ UN或U≥110％ UN；
3、电流突变量启动，电流突变量启动判据是根据ΔI≥5％IN；
4、电压频率越限启动，频率越限启动是根据49.5Hz≤f≤50.5Hz；
5、谐波分量异常启动，当前电压电流总谐波畸变率刷新历史最大值。
开关量启动，包括0-1启动、1-0启动。
突变量及过压欠压启动判断是通过对每个周波数据求有效值，再根据有效值前后变化量和大小来判断是否满足突变启动及越限启动。
上述为电压电流有效值计算公式，通过对每个波形的数据求点积引入相应的校准数据开跟后求得。数据点积和开跟可以直接调用DSP浮点运算库函数进行运算。
结合图6，电压频率计算是通过计量电压采样波形中过零点数据直接的间隔来进行计算，假设一段电压采样波形中两个过零点直接间隔是时间为T(单位秒)，则该段数据采样时刻的电压频率为1/T。采样数据通常不会刚好处于零点位置，实际计算的时候通过对零点前后的两个数据点进行直线插值，再根据计算零点位直线段的位置结合两个采样点的周期间隔计算出准确的过零点时刻。
谐波分量启动是通过对每个周波数据采用插值、快速傅里叶变换的方式求出每个周波的总谐波畸变率，再结合存储是历史畸变率最大值来判断是否启动波形。
总谐波畸变率是一组高次谐波的有效值幅度与第一个谐波(或基波)的有效值幅度之间的比率。总谐波畸变率越大则信号失真越高。
其中：IRE(k)、URE(k)为电流和电压傅里叶变换后所得的kth谐波的实数部分；
IIM(k)、UIM(k)为电流和电压傅里叶变换后所得的kth谐波的虚数部分。
录波数据记录：
通过上一步计算满足启动条件后，即可开始进行波形数据的存储，因触发条件在缓存中所处位置的不同，需按不同情况进行分类处理分析。如下讨论是以谐波异常录波功能作为讨论示例，其他类型启动条件录波处理与其相似。假设谐波异常录波要求保存发生时刻的波形及前4后6个周波的完整数据。这边使用最小满足缓存大小进行讨论。实际应用根据系统参数计算耗时及缓存空间大小限制配置相应的数据缓存大小。例如这边为满足保存前4后6及发生时刻一个11个周波的数据，最小满足要求的缓存大小配置为6+6段(双缓存)(录波是要求记录发生电前后的波形便于后续回顾分析，通常要求发生后记录的波形数到多于发生时刻前，假设事件需记录发生时刻前波形数为a，发生时刻后波形数位b，由此可推广需要最小的缓存大小配置位b+b)，在50Hz的情况下缓存6个周波耗时为120ms，在这120ms内完成前一次6段数据的启动条件运行判断。缓存中每一段用来保存一个完整周波的采样数据点，以一个周波144点数据为例。则需要配置缓存大小为(6+6)*144*4Byte(每个数据点为4字节数据)＝6912Byte。实际使用时可根据系统资源配置增加缓存大小，同时也能获得更多的时间间隔用于运行，代价就是需要更多的运行时RAM空间。
以下为具体波形记录过程：
1当启动条件发生在buff0中：
1.1当启动条件前缓存波形不足4个时，因buff0-buff1是一直循环往复连续的，当前buff0中不足的部分可由前一次buff1中数据补足。后6个波形数据则由发生时刻buff0中后续的波形数据以及新接收到的buff1中数据补足。
1.2当启动条件前缓存波形大于等于4个时，则前需要的前4个波形数据可以直接记录buff0中的数据。因缓存长度设计为每段6个，所以后6个波形数据也可以直接使用buff0中后续的波形数据以及新接收到的buff1中数据补足。
2当启动条件发生在buff1中：
2.1当启动条件前缓存波形不足4个时，当前buff1中不足的部分可由buff0中数据补足。后6个波形数据则由发生时刻buff1中后续的波形数据以及新接收到的buff0中数据补足。
2.2当启动条件前缓存波形大于等于4个时，则前需要的前4个波形数据可以直接记录buff1中的数据。后6个波形数据则由发生时刻buff1中后续的波形数据以及新接收到的buff0中数据补足。
当启动条件发生的缓存buff0时波形记录处理示意图，见图7。
当启动条件发生的缓存buff1时波形记录处理示意图，见图8。
SD卡数据存储
MCU单元内部设置有文件系统，用于组织记录到SD存存储卡内的数据，将数据记录成电脑端可直接读写的.CSV格式，便于后续提取录波数据用于分析展示。
当电网出现异常时将异常时刻前后的电压电流波形进行记录，并连当时标一起记录到SD卡中进行长期存储，录波数据记录写入SD卡前先对SD卡进行检测，检测卡是否插入，文件系统是否正常，若非则等待卡插入或重新初始化。检测是否已到数据记录周期，到数据记录周期，则对需要存储的数据进行格式化按顺序批量写入SD卡内的.CSV文件。
故障录波器将故障发生时刻前后的数据记录到SD卡中，为保证录波数据的准确性和可回溯性，故障录波模拟量记录过程及记录方式参考DL/T553-1994《220-500kV电力系统故障动态记录技术准则》相关标准执行。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种电网异常检测与录波系统，其特征在于，包括AC/DC供电单元、电压电流采样单元、计量芯片、MCU单元、SD存储卡、显示与按键单元、铁电存储及实时时钟单元和若干RS485调试串口单元；电压信号接入电压端子，并为装置提供工作电源电路；电压电流采样单元包括电压采样电路和电流采样电路，电压电流采样单元将采集到的电压电流信号经电压采样电路、电流采样电路接入计量芯片，所述计量芯片通过SPI接口将相关参数传至MCU单元，所述MCU单元通过专用高速数据采集接口HSDC获取实时波形采样数据进行谐波计算；所述MCU单元通过SDIO接口扩展SD存储卡，SD存储卡根据装置的存储周期将采集的数据写入；所述实时时钟单元为数据存储提供时标依据。
2.根据权利要求1所述的一种电网异常检测与录波系统，其特征在于，所述电流采样电路采样使用柔性罗氏线圈将电流信号接入装置电流输入端子。
3.根据权利要求1所述的一种电网异常检测与录波系统，其特征在于，所述MCU单元包括MCU芯片，所述MCU芯片包括VCC接口、若干个输入输出接口GPIO、SDIO接口、RMII接口、UART接口、12C接口、INT接口、RST接口、HSDC接口和SPI接口；其中两个所述输入输出接口GPIO用于显示器和控制面板；其他输入输出接口GPIO用于与外部设备连接；所述SDIO接口用于连接SD存储卡；所述RMII接口用于连接以太网接口；所述UART接口用于连接RS485调试接口；所述12C接口用于连接实时时钟单元和铁电存储；所述INT接口和RST接口用于连接外部看门狗；所述HSDC接口和SPI接口用于连接计量芯片。
4.一种电网异常检测与录波实现方法，其特征在于，包括以下具体步骤：S1、对MCU单元进行上电初始化，并读取保存在铁电存储器中的配置参数以及电能累计量；S2、对输入输出接口GPIO进行配置；S3、对外部设备进行初始化；即对计量芯片，SD卡及文件系统的初始化；S4、 初始化完成后，进行多任务处理。
5.根据权利要求4所述的一种电网异常检测与录波实现方法，其特征在于，所述步骤S2中，对输入输出接口GPIO进行配置，具体包括输入输出接口GPIO工作模式、输入/输出模式、速度、用于采集输入开关量或者输出指示；并配置相应的输入输出接口GPIO为复用功能，用来与存储器、SD存储卡、实时时钟单元、计量芯片、通讯模块通信。
6.根据权利要求4所述的一种电网异常检测与录波实现方法，其特征在于，所述步骤S4中多任务处理包括：稳态数据采集、暂态数据采集与录波、SD卡数据存储、通讯和按键与显示模块。
7.根据权利要求6所述的一种电网异常检测与录波实现方法，其特征在于，所述暂态数据采集包括以下具体步骤：S1、MCU单元通过HSDC接口获取实时波形采样数据，并进行谐波计算；S2、数据采集通过DMA中断控制；S3、在DMA后台缓存数据时，对前一次的数据进行计算。
8.根据权利要求6所述的一种电网异常检测与录波实现方法，其特征在于，所述暂态数据录波包括以下具体步骤：S1、当实时波形采用数据接收缓存满后，对数据进行有效性验证；S2、若验证无效，则重复暂态数据采样和S1；S3、若验证有效，则对数据进行相关数值计算；S4、判断计算后的数据是否满足录波启动条件；S5、若不满足录波条件，则重复暂态数据采样和S1-S4；S6、若满足录波条件，则启动录波，即按录波规范要求对该启动周波前后的波形数据进行记录存储写入SD卡文件中进行保存；直至完成录波。
9.根据权利要求8所述的一种电网异常检测与录波实现方法，其特征在于，当以下启动条件满足任意一个时，则启动录波；所述录波启动条件包括：1、电压突变量启动, 电压突变量启动判断根据是根据∆U≥5%UN；2、过压和欠压启动，正序电压越限启动判据是根据U≤90% UN 或U≥110% UN；3、电流突变量启动，电流突变量启动判据是根据∆I≥5%IN；4、电压频率越限启动，频率越限启动是根据49.5Hz≤f≤50.5Hz；5、谐波分量异常启动，当前电压电流总谐波畸变率刷新历史最大值。
10.根据权利要求8所述的一种电网异常检测与录波实现方法，其特征在于，所述录波数据记录包括以下具体步骤：S1、判断启动条件发生的位置；S2、当启动条件发生在buff0中，判断启动条件前缓存波形是否小于x；S3、当启动条件前缓存波形不足x个时，当前buff0中不足的部分由前一次buff1中数据补足；后y个波形数据则由发生时刻buff0中后续的波形数据以及新接收到的buff1中数据补足；S4、当启动条件前缓存波形大于等于x个时，则前需要的前x个波形数据直接记录buff0中的数据；后y个波形数据直接使用buff0中后续的波形数据以及新接收到的buff1中数据补足；S5、当启动条件发生在buff1中，判断启动条件前缓存波形是否小于x；S6、当启动条件前缓存波形不足x个时，当前buff1中不足的部分由buff0中数据补足；后y个波形数据则由发生时刻buff1中后续的波形数据以及新接收到的buff0中数据补足；S7、当启动条件前缓存波形大于等于x个时，则前需要的前x个波形数据直接记录buff1中的数据；后y个波形数据则由发生时刻buff1中后续的波形数据以及新接收到的buff0中数据补足。
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