CN103197184A

CN103197184A - 一种考虑冲击负荷的故障录波装置

Info

Publication number: CN103197184A
Application number: CN 201310115032
Authority: CN
Inventors: 梁伟; 王耀; 张在为
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2013-07-10

Abstract

一种考虑冲击负荷的故障录波装置，包括录波数据采集单元、录波数据处理单元和录波通信单元，所述的录波数据采集单元包括电压、电流互感器、FPGA和模数转换器，所述的电压、电流互感器用于采集录波数据，所述的电压、电流互感器的信号输出端与FPGA的信号输入端相连，FPGA的信号输出端与模数转换器的模拟信号输入端相连，模数转换器的数字信号输出端作为录波数据采集单元的输出与录波数据处理单元的信号输入端相连，录波数据处理单元的信号输出端与录波通信单元的信号输入端相连，所述的录波通信单元与远程控制主站进行通信。本发明对传统故障录波装置进行改进，简单有效，记录数据全面，兼顾冲击负荷的数据监控。

Description

一种考虑冲击负荷的故障录波装置

技术领域

本发明是涉及一种考虑冲击负荷的故障录波装置，具体地说是涉及一种记录涵盖普通负荷和冲击负荷运行数据的新型装置。

背景技术

智能电网是未来电力***的发展方向，而变电站的智能化是实现智能电网的基本前提。在智能化变电站的建设中，提高一次设备和二次设备的数据信息的准确性和实时性显得尤为重要。为此，目前电网安装投运了大量的信息测量搜集装置和故障定位装置，故障录波装置就是其中的一种。

故障录波装置是一种常年投入运行，实时监视电力***运行状态的自动装置。其主要功能是当被监视***发生故障时，根据采集通道的分析判断出***已经发生故障，并记录故障前后整个过程的电压，电流等各个监测对象的状态，为分析电力***故障提供重要的数据基础。

传统上的冲击负荷主要以硅铁电弧炉，电解铝等为主，随着电力***的发展，大量新的冲击负荷开始出现，其中以电动汽车和城市地铁轻轨为主要代表。与普通负荷相比，冲击负荷启停频繁，具有冲击性，所作节点电压变化不大，负荷容量比较大，功率波动比较大，需要电能变换装置，对电力***有潜在的扰动威胁。针对这些冲击负荷的特性，传统的故障录波装置的启动判据已不在适用，进而不能有效全面的记录被监测***的运行数据或者扰动数据，为此需要采用新的方法和装置来进行监控和测量冲击负荷的运行，为冲击负荷的深入研究提供重要的数据源支持。

发明内容

本发明的目的在于弥补传统故障录波装置的不足，对于包含电弧炉、电解铝或者城市轻轨等冲击负荷的电力***，依托传统的故障录波装置的基本原理，设计一种用于电力负荷测量领域的新的故障录波装置，使其既能够记录普通负荷的运行数据信息又能够单独记录冲击负荷的运行数据信息。该装置简单有效，记录数据全面，可以长期运行，具有很好的应用前景。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种考虑冲击负荷的故障录波装置，包括录波数据采集单元、录波数据处理单元和录波通信单元，所述的录波数据采集单元包括电压、电流互感器、现场可编程阵列FPGA和模数转换器，所述的电压、电流互感器作为考虑冲击负荷的故障录波装置的信号采集端与电站变压器的进线端相连，用于采集录波数据，所述的电压、电流互感器的信号输出端与现场可编程阵列FPGA的信号输入端相连，现场可编程阵列FPGA的信号输出端与模数转换器的模拟信号输入端相连，模数转换器的数字信号输出端作为录波数据采集单元的输出与录波数据处理单元的信号输入端相连，录波数据处理单元的信号输出端与录波通信单元的信号输入端相连，所述的录波通信单元与远程控制主站进行通信。

本发明录波数据处理单元包括总线、数字信号处理器DSP和GPS对时装置，所述的数字信号处理器DSP通过总线与录波数据采集单元的输出端相连，所述的数字信号处理器DSP与GPS对时装置的信号输出端相连。

本发明录波通信单元包括ARM处理器。

本发明录波数据采集单元和录波数据处理单元之间通过第一双口RAM存储器连接，所述的录波数据采集单元的输出信号存储至第一双口RAM存储器，录波数据处理单元读取前述数据进行处理；录波数据处理单元和录波通信单元之间通过通过第二双口RAM存储器连接，所述的录波数据处理单元的输出信号存储至第二双口RAM存储器，录波通信单元读取前述数据进行处理。

本发明模数转换器采用16位模数转换器。

本发明录波数据处理单元中，数字信号处理器DSP的处理步骤如下：

（1）、数据读取的步骤：数字信号处理器DSP读取录波数据采集单元采集的电压、电流的数字信号；

（2）、是否发生故障的判断步骤：普通负荷的录波部分主要采用相电压和相电流越限来设计启动判据。电压和电流的变化范围超过或者低于电压额定值和电流稳态值的10%，即认为故障，启动录波。

冲击负荷的录波部分采用电流突变量和功率突变量相结合的方式来设计启动判据，首先检测电流突变量是否满足预定条件，如果满足，则继续检测功率突变量是否满足，如果二者均满足，则启动冲击负荷录波。具体如下，在采集数据的过程中，定义电流的相邻采样值之差为电流的变化值，两个相邻的电流变化值之差为电流的突变量。如果电流的突变量超过或者低于电流稳态值的15%，即认为电流突变满足启动条件，有功功率的突变量的定义与电流类似，当有功功率的突变量超过或者低于有功功率的稳态值的15%，即认为有功功率突变满足启动条件，如果二者同时满足，则启动冲击负荷录波。

（3）、存储录波数据的步骤：将录波数据存储在第二双口RAM存储器中，再判断故障扰动是否结束，决定是否继续启动录波，如果故障扰动结束，则返回读取采集数据，重复进行，直至数据读取全部结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在传统的故障录波装置的基础上进行改进，节约成本，简单易行。

2、针对冲击负荷的特性，采用相电流突变和功率突变相结合的方式来设计录波装置的启动判据，实现对冲击负荷运行数据的监控和测量。

3、采用新的通信方案，摒弃现有录波装置的PC二级***，避免了上位机传输数据的过程，提高了传输速度，改善了上传数据的安全可靠性和抗干扰性。

附图说明

图1是本发明一种考虑冲击负荷的故障录波装置的结构图

图2是DSP录波启动判据算法的流程图

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种考虑冲击负荷的故障录波装置采用分布式结构形式，由录波数据采集单元、录波数据处理单元和录波通信单元构成。

录波数据采集单元主要由信号调理电路和模数转换电路组成，通过电压互感器和电流互感器等电力设备可以获得电压和电流等模拟量，将这些模拟量送入信号调理电路进行滤波和隔离变换等处理，再将处理后的模拟量送入16位模数转换器（A/D）2转化为数字信号，其中为了实现高效的同步采样，引入可编程控制阵列（FPGA）1进行编程控制，产生一定的控制时序，控制多路模拟切换开关，实现共用同一采样保持，放大和A/D转换电路的目的。开关量的采集同模拟量有一定的差别，采集的开关量首先通过前置检测通道进行光电隔离，然后接入16位三态数据收发器，这样就得到了可以上传的数字信号。汇总得到数字信号以后，由FPGA软件控制高速双口RAM存储器3来存储这些数字信号，然后信号送入录波数据处理单元。

录波数据处理单元是故障录波装置的核心，主要由总线4、数字信号处理器（DSP）5和对时装置构成6，DSP作为主控CPU，在GPS对时装置提供时间同步的前提下，采用中断形式实现对录波数据采集的控制，即实现对高速双口RAM存储器的数据的读入。数据进入DSP进行分析处理，包括数字滤波、相序分解变换、实时计算各路有效值等，并做出是否进行录波启动的判断以及对数据是否进行保存和上传等一系列的处理，若录波启动，录波数据还是采用高速双口RAM存储器7进行临时存储。

录波数据保存以后需要向远方控制主站上传数据，录波通信单元可以高效可靠地实现这一功能。录波通信单元主要由ARM微处理器8构成，采用基于以太局域网的网络通信方案，在主控板上采用独立的ARM控制网卡芯片实现TCP/IP协议网络通信，来完成录波设备与远方控制主站之间的数据上传工作。

如图2所示，该流程图描述了DSP录波启动判据算法的设计过程。首先进行DSP启动初始化和程序初始化，读取采集数据，启动数据处理分析，进行是否发生故障的判断，决定启动普通负荷的故障录波以及冲击负荷的故障录波，冲击负荷的录波过程是将功率突变和相电流突变叠加考虑来设计录波启动判据，首先检测电流突变量是否满足预定条件，如果满足，则继续检测功率突变量是否满足，如果二者均满足，则启动冲击负荷录波，针对普通负荷的录波过程，采用相电压和相电流突变原理来设计录波启动判据，录波启动过程与冲击负荷的类似。无论哪种负荷形式的录波启动，则将录波数据可靠存储，再判断故障扰动是否结束，决定是否继续启动录波，如果故障扰动结束，则返回读取采集数据，重复进行，直至数据读取全部结束。

本发明使用的可编程控制阵列（FPGA）1为Actel公司的A42MX09，数字信号处理器（DSP）5为TMS320F2812，16位模数转换器（A/D）2为MAXIM公司的MAX1189，高速双口RAM存储器3和7为CY7C024AV。

本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种考虑冲击负荷的故障录波装置，包括录波数据采集单元、录波数据处理单元和录波通信单元，所述的录波数据采集单元包括电压、电流互感器、现场可编程阵列FPGA和模数转换器，所述的电压、电流互感器作为考虑冲击负荷的故障录波装置的信号采集端与电站变压器的进线端相连，用于采集录波数据，所述的电压、电流互感器的信号输出端与现场可编程阵列FPGA的信号输入端相连，现场可编程阵列FPGA的信号输出端与模数转换器的模拟信号输入端相连，模数转换器的数字信号输出端作为录波数据采集单元的输出与录波数据处理单元的信号输入端相连，录波数据处理单元的信号输出端与录波通信单元的信号输入端相连，所述的录波通信单元与远程控制主站进行通信。

2.根据权利要求1所述的一种考虑冲击负荷的故障录波装置，其特征是所述的录波数据处理单元包括总线、数字信号处理器DSP和GPS对时装置，所述的数字信号处理器DSP通过总线与录波数据采集单元的输出端相连，所述的数字信号处理器DSP与GPS对时装置的信号输出端相连。

3.根据权利要求1所述的一种考虑冲击负荷的故障录波装置，其特征是所述的录波通信单元包括ARM处理器。

4.根据权利要求1所述的一种考虑冲击负荷的故障录波装置，其特征是所述录波数据采集单元和录波数据处理单元之间通过第一双口RAM存储器连接，所述的录波数据采集单元的输出信号存储至第一双口RAM存储器，录波数据处理单元读取前述数据进行处理；录波数据处理单元和录波通信单元之间通过通过第二双口RAM存储器连接，所述的录波数据处理单元的输出信号存储至第二双口RAM存储器，录波通信单元读取前述数据进行处理。

5.根据权利要求1所述的一种考虑冲击负荷的故障录波装置，其特征是所述的模数转换器采用16位模数转换器。

6.根据权利要求1所述的一种考虑冲击负荷的故障录波装置，其特征是所述的录波数据处理单元中，数字信号处理器DSP的处理步骤如下：

（2）、是否发生故障的判断步骤：设定电压额定值、电流稳态值、电流突变量和功率突变量；如果实时采集的电压和电流超过或者低于电压额定值和电流稳态值的10%，即认为故障扰动，启动录波；

冲击负荷的录波部分采用电流突变量和功率突变量相结合的方式来设计启动判据，首先检测电流突变量是否满足预定条件，如果满足，则继续检测功率突变量是否满足，如果二者均满足，则启动冲击负荷录波；

7.根据权利要求6所述的一种考虑冲击负荷的故障录波装置，其特征是步骤（2）中：在采集数据的过程中，定义电流的相邻采样值之差为电流的变化值为，两个相邻的电流变化值之差为电流的突变量；如果电流的突变量超过或者低于电流稳态值的15%，即认为电流突变满足启动条件，有功功率的突变量的定义与电流类似，当有功功率的突变量超过或者低于有功功率的稳态值的15%，即认为有功功率突变满足启动条件，如果二者同时满足，则启动冲击负荷录波。