牵引供电电能质量分析及故障录波设计方案
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智能 配 电装备 与技 术 、电能管 理 技术专 辑
牵 引供 电电能质 量分析 及故 障录波设计方 案
张 林 包素 丽 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ孙金 华
（ 国电南 自轨道交 通公 司，南京 ２ ０ ０ １０ ０） 摘要 本 文介 绍 了一种适用 于 牵 弓供 电系统 的电 能质 量分 析及故 障 录波设 计方案 ，本 方案从 Ｉ 基础硬 件 、软件 原理和 工程应用 三个 方面全 面提升 了电能质量分 析及 故障录 波的功 能和性 能。
Ｚｈ ｎ ｎ Ｂａ ｕ ｉ Ｓｕ ｎ ａ ａ ｇ Ｌｉ ｏ Ｓ ｌ ｎＪｉｈｕ
（ ｎｉｇＳ ａｌ ｙ＆ Ｔａ ｋ ｒｆｃ ｎ ｉｅｒ ｇＣ ．Ｌｄ Ｎａｊ ｇ ２ ０ Ｎａｊ ＡＣＲ ｉ ｎ ｗａ ｒｃ ａ ｇｎ ｅｉ ｏ， ｔ， ｎｉ ， ０ ０） Ｔ ｉ Ｅ ｎ ｎ １ ０
换 后通过母 板连线 至 Ｃ Ｕ模件 。 Ｐ
Ｃ Ｕ模 件是装 置 的核 心模件 ，功能包 括模拟 数 Ｐ 据 的采样和 处理 、保护 算法 、与监控模 件及 Ｉ 模 ／ Ｏ 件 通 信 、 事 件 定 值 的 存 储 等 基 本 功 能 。 模 件 以
ＦｅＳ ａ ｒｅ ｃｌ 司 的 Ｐ ｗ ｒ Ｕ Ｃ ｉ芯 片 为主 处理 器 ， ｅ公 ｏ ｅＱ Ｉ Ｃ Ｉ Ｃ Ｕ频率最高到 ４０ ｚ低功耗（． ａ２６ ｚ。 Ｐ ０ ＭＨ ， ０８ ｔ ６ ＭＨ ） Ｗ
Ａｂｓｒ ｃ Ｔｈ ｓａ ｔ ｌ ｅ ｃ ｂ ｓａ ｔ ｃｉｎｐ ｗｅ ｕ ｐｙ ｓ ｔｍ ｓ ｐ ｗｅ ｕ ｌｙ ａ ａｙ ｉ ｎ ａ ｌ ｒ ｃ ｒ ｅ ｔａ ｔ ｉ ｒ ｃｅｄ ｓ ｒ ｅ ｒ ｔ ｏ ｒｓ ｐ ｌ ｙｓｅ ， ｏ ｒｑ ａｉ ｎ ｌｓｓａ ｄ ｆｕｔ ｅ ｏ ｄ ｒ ｉ ｉ ａ ｏ ｔ ｄ ｓｇ ， ｔｒ ｅ ｓ ｅ ｔ ｏ ｈ ｓ ｒ ｇ ａ ｅ ｉｎ ｈ ｅ ａ ｐ ｃｓ ｆ ｔｉ ｐ ｏ ｒ ｍ ｆｏ ｈ ｕ ｄ ｒｙｎ ａ ｄ ｒ ， ｓ ｆｗａｅ ｒ ｃｐｅ ａ ｄ ｎ ｉｅ ｒｎ ｒ ｍ ｔ ｅ ｎ ｅｌ ｉｇ ｈ ｒ ｗａ ｅ ｏ ｔ ｒ ｐ ｎ ｉ ｌｓ ｎ ｅ ｇｎ ｅ ｇ ｉ ｉ
依 据 。本 文 结合 多年 牵 引供 电运 行 经 验 ，依 据 电 能质
式， 最多可 同时配置两 个Ｒ 一８ 和３ 以太 网通 信接 Ｓ４ ５ 个 口。采用 印制板 背插式机箱结 构，使装 置 内部强 、弱 电回路在 走线上完全分 开 ， 免 了相互干扰 ， 高 了 避 提 装 置抗干 扰能力 ；高标准 的电磁 兼容性能 ，密 闭、抗 震 的机箱 结构 ，外壳防护符合Ｉ５ 的要求 。 装置硬 Ｐ０ 本 件 主要组成模件有 ：交流模件 、保护Ｃ Ｕ 件 、监控 Ｐ 模 ＭＭ１ 模件 、面板模件 、开入模件 、电源模件 。 交流模 件提 供 多个 电压 输 入和 电流输入 回 路 ， 分 别供 启动录 波和测 量用 ，交流 量经 压互 、流互 变
Ｎ Ｄ Ｆ ＡＳ 用 丁 事 件 、录 波 等 文 件 存 取 ； 计 有 ＡＮ Ｌ Ｈ 设 ３ ＭＢ Ｓ Ａ ， 系 统 启 动 后 程 序 运 行 丁 Ｓ ＡＭ ， ２ ＤＲ Ｍ ＤＲ
置采 用基 于 １ 位 同步 采样 Ａ Ｄ转 换器 的 模拟 量 高精 ６ ／
度采 集系统 ； 交流输 入通道为 两路牵 引所进 线 电压 电 流共 １路通 道 ，每周波 １ ８ ２ ２ 点采样 ，并且确 保所有通
关键 词：牵 弓供 电；傅 里叶算 法； 电能质量 ；故障 录波 Ｉ Ｉ ｅ ｒ ｔｏ ｆＣｏ ｍ ｕｎｉａ ｉ ｎｓａ ｄ Ｍ ｏ ｉｏ ｉ ｂｓ ａ ｉ ｎ ｎｔ ｇ ａ ｉ ｎ ｏ ｍ ｃ ｔｏ ｎ ｎ ｔ ｒｎｇＳｕ ｔ ｔｏ Ｃｏ ｍ ｕ ｃ ｔｏ ａ ｇ ｍ ｅ ｔＤｅ ｉ ｅＰｒ ｇ ａ ｍ ｎｉａ ｉ ｎ Ｍ ｎａ ｅ ｎ ｖ ｃ ｏ ｒ ｍ
Ｋ ｅ ｏ ｄ ： ｔａ ｔｏ ｗｅ ｕ ｐｌ ｙ ｗ ｒ ｓ ｒ ｃｉ ｎ ｐｏ ｒｓ ｐ ｙ； ｆ ｕ ｉｒａ ｇ ｒｔ ｍ ； ｐ ｗ ｅ ｕ ｌ ｙ； ｆ ｕ ｔｒ ｃ ｒ ｒ ｏ ｒｅ ｌ ｏ ｉｈ ｏ ｒｑ ａ ｉ ｔ ａ ｌ ｅ ｏ ｄｅ
在牵 引供 电电力机车运行过程 中，电力机车 方 面是 ‘ 个很大 的非线性负载 ， 会产 生大量 的高次谐波 ， 另 方面 电力机车对于 电网还是不对称 负荷 ，会产生 负序分量 ，大量非线性 、冲击性 负荷 的使用 ，给牵 引 供 电系统 的电能质量带来 了严重 的危害『 ］ 要实现对 １。 乞 电能质量 的综合治理 ，就必须实现 电能质量 的在线分 析与 实时监测 ，以了解 电能质量 的水平 。这有利 ｒ及 时发现 电网上 的电能质量 问题 ，便 了 “ 早发现 、早治 理 ”，为电网创造一个 良好 的环境 。同时，故 障录波 数据是牵 引供 电系统故障分析和保护动作判断 的重要
量 国家标准 ，基于嵌入式 实时多任 务操作平 台，提 小 了 一 种融合 了电能质量分析及故障录波 的实现方案 。
１ 硬 件 设 计
依据 本方 案设 计 的 电能 质量 分析 及故 障录波 装
设 计有 ３ ＭＢ ＮＯ Ｌ Ｈ用 丁程序 存储 ，２ ６ ２ Ｒ Ｆ ＡＳ ５ ＭＢ
ａ ｐｉａｉｎ ｎ ａｃ ｅ ｕ ｃｉｎ ｌ ｎ ｅｆｒ ｎ ｅ ｆｈ ｏ ｒ ｕ ｌｙａ ａ ｓｓ ｎ ｕｔｅ ｏｄｒ ｐ ｌ ｔ ｓ ｏｅｈ ｅ ｎ ｔ ａｉ ａ ｄｐ ｒ ｍａｃ ｔｅ ｗｅ ａｉ ｎ ｌ ｉ ａ ｄｆ ｌｒｃ ｒｅ． ｃ ｏ ｔ ｎ ｔ ｆ ｈ ｏ ｔ ｙ ｏ ｏ ｐ ｑ ｔ ｙ ａ
８ Ｂ Ｆ ＡＭ （ 电存 储器 ）用 于 电度量 存储 。Ｃ Ｕ ｋ Ｒ 铁 Ｐ 模 件 高主频 和大 容量存 储使 Ｃ Ｕ 具 有极 强 的数据 Ｐ 处 理能 力， 故障 的快 速分析 处理提 供 了保 证 。 Ｐ 为 Ｃ Ｕ 模 件采用 二阶 Ｒ 无源 抗混 叠低通滤 波和 １ Ｃ ６位 、６ 路 同步采 样 Ａ／ Ｄ转换 器 ＡＤ ６ ６构成模 拟量采 集 系 ７５
牵 引供 电电能质 量分析 及故 障录波设计方 案
张 林 包素 丽 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ孙金 华
（ 国电南 自轨道交 通公 司，南京 ２ ０ ０ １０ ０） 摘要 本 文介 绍 了一种适用 于 牵 弓供 电系统 的电 能质 量分 析及故 障 录波设 计方案 ，本 方案从 Ｉ 基础硬 件 、软件 原理和 工程应用 三个 方面全 面提升 了电能质量分 析及 故障录 波的功 能和性 能。
Ｚｈ ｎ ｎ Ｂａ ｕ ｉ Ｓｕ ｎ ａ ａ ｇ Ｌｉ ｏ Ｓ ｌ ｎＪｉｈｕ
（ ｎｉｇＳ ａｌ ｙ＆ Ｔａ ｋ ｒｆｃ ｎ ｉｅｒ ｇＣ ．Ｌｄ Ｎａｊ ｇ ２ ０ Ｎａｊ ＡＣＲ ｉ ｎ ｗａ ｒｃ ａ ｇｎ ｅｉ ｏ， ｔ， ｎｉ ， ０ ０） Ｔ ｉ Ｅ ｎ ｎ １ ０
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Ｃ Ｕ模 件是装 置 的核 心模件 ，功能包 括模拟 数 Ｐ 据 的采样和 处理 、保护 算法 、与监控模 件及 Ｉ 模 ／ Ｏ 件 通 信 、 事 件 定 值 的 存 储 等 基 本 功 能 。 模 件 以
ＦｅＳ ａ ｒｅ ｃｌ 司 的 Ｐ ｗ ｒ Ｕ Ｃ ｉ芯 片 为主 处理 器 ， ｅ公 ｏ ｅＱ Ｉ Ｃ Ｉ Ｃ Ｕ频率最高到 ４０ ｚ低功耗（． ａ２６ ｚ。 Ｐ ０ ＭＨ ， ０８ ｔ ６ ＭＨ ） Ｗ
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在牵 引供 电电力机车运行过程 中，电力机车 方 面是 ‘ 个很大 的非线性负载 ， 会产 生大量 的高次谐波 ， 另 方面 电力机车对于 电网还是不对称 负荷 ，会产生 负序分量 ，大量非线性 、冲击性 负荷 的使用 ，给牵 引 供 电系统 的电能质量带来 了严重 的危害『 ］ 要实现对 １。 乞 电能质量 的综合治理 ，就必须实现 电能质量 的在线分 析与 实时监测 ，以了解 电能质量 的水平 。这有利 ｒ及 时发现 电网上 的电能质量 问题 ，便 了 “ 早发现 、早治 理 ”，为电网创造一个 良好 的环境 。同时，故 障录波 数据是牵 引供 电系统故障分析和保护动作判断 的重要
量 国家标准 ，基于嵌入式 实时多任 务操作平 台，提 小 了 一 种融合 了电能质量分析及故障录波 的实现方案 。
１ 硬 件 设 计
依据 本方 案设 计 的 电能 质量 分析 及故 障录波 装
设 计有 ３ ＭＢ ＮＯ Ｌ Ｈ用 丁程序 存储 ，２ ６ ２ Ｒ Ｆ ＡＳ ５ ＭＢ
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８ Ｂ Ｆ ＡＭ （ 电存 储器 ）用 于 电度量 存储 。Ｃ Ｕ ｋ Ｒ 铁 Ｐ 模 件 高主频 和大 容量存 储使 Ｃ Ｕ 具 有极 强 的数据 Ｐ 处 理能 力， 故障 的快 速分析 处理提 供 了保 证 。 Ｐ 为 Ｃ Ｕ 模 件采用 二阶 Ｒ 无源 抗混 叠低通滤 波和 １ Ｃ ６位 、６ 路 同步采 样 Ａ／ Ｄ转换 器 ＡＤ ６ ６构成模 拟量采 集 系 ７５