电力电子装置故障录波器设计

（３）在实时性方面，线路故障分析都是在上位机实现的， 不需要很强的实时性。而电力电子装置对实时性要求很强，及 时的故障诊断一方面可以阻止故障的扩大，减小故障引起的危 害。另外，由于电力电子装置一般均具有保护功能，当装置发 生故障时，务必引起保护系统动作，故障信息会因此而消失， 因此故障录波和诊断必须具有很强的实时性。
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文章编号：１６７１—４５９８１２００９１０２—０３９２—０４
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中图分类号：ＴＰ２７７
文献标识码：Ａ
电力电子装置故障录波器设计
胡志坤１，林 勇１，安 庆２，桂卫华１，何多昌３
（１．中南大学物理科学与技术学院，湖南长沙４１００８３； ２．周Ｅｌ市供电公司，河南周口４６６００１｝３．株洲变流技术国家工程研究中心，湖南株洲４１２００１）
摘要：针对电力电子装置的故障诊断实现特点，提出了一种专门针对电力电子装置的故障录波系统，由中心分析站和采集子站组成， 该装置采用多ＣＰＵ并行工作的电路结构，ＡＲＭ９处理器实现友好的人机界面以及丰富的通信接口，ＤＳＰ实现故障录波启动、测频、开 关量检测等算法。ＦＰＧＡ实现高速ＡＤ采样控制以及ＡＲＭ和ＤＳＰ之间数据交换的控制；介绍了故障录波器的工作原理，录波启动、突 变量检测、软件测频等算法及软件各主要功能模块的流程框图，并对该装置的特点和应用前景作了研究和说明。
录波装置的软件主要功能为：数据采集与处理、录波启动判
本系统实时计算分析软件负责装置级故障的启动判据的计 断、故障录波、ＧＰＳ对时、数据存储与网络传输。是否启动录波
算、稳态数据和故障数据的存盘。采集站管理软件负责故障文 功能是通过判断开关量以及对采集进来的数据进行相关的处理。
件的上传、ＧＰＳ校时、本采集站的在线管理、控制维护和与 设计到的算法有：测频算法，突变量检测，缓慢越限，闪变检测
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万方数据
第２期
胡志坤。等：电力电子装甓故障录波器设计
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结构改变。『Ｉｉｉ这些拓扑结构及其破坏后的拓扑结构的变形有多 它具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式
种多样，很难采用通用的故障诊断方法。为了更准确地判断故 控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合。
障原因，确定故障装置，自动保护装置的动作行为，需要录波由于ＡＤ转换源自相对于ＤＳＰ是慢速外设，如果直接采用
装置提供更全面的故障分析功能。ＤＳＰ控制ＡＤ转换器．则ＤＳＰ的开销较大，难于做到实时的
２系统的总体设计
为了使故障录波装置既能记录下故障或异常运行时的各种 模拟量和开关量，又能对记录的数据文件进行详细、全面的后 台分析，合理的进行硬件配置是一个关键问题。本装置在结构 上分为两层：采集子站和中心分析站。系统连接图如图１所示。
源是经过ＤＳＰ处理后的数据。由于ＡＲＭ９处理器和ＤＳＰ工作
不同步，但是又有数据交换，所以在ＤＳＰ和ＡＲＭ９处理器之
间加一个１８位双口ＲＡＭ芯片，同时为了节约ＤＳＰ的开销，
图１故障录波的总体结构图
采用ＦＰＧＡ把１８位双口ＲＡＭ芯片映射为ＤＳＰ的ＲＡＭ单元， 可随时读写该双口ＲＡＭ，从而实现了ＡＲＭ９处理器和ＤＳＰ
中心分析站的通讯等功能。
算法，开关量变位，谐波畸变率的计算等。通过设置相关参数的
中心分析站采用工控ＰＣ机的录波分析管理机，也可以选 阈值来判断是否启动故障录波，然后进行数据就地存储以及上传
用工业一体化工作站。其中包括主机、显示器、鼠标、键盘等 给中心站等工作。采集站软件的主流程图如图３所示。
装置。通过ＧＰＲＳ与现场分析单元通讯，主要完成故障录波数
在本系统中，上位机具有高速度、大容量、对实时性要求 相对较低的特点，而下位机则对实时性要求较高，因此这种主 从式分层结构既充分利用了上位机的资源，同时也使数据采集
之间采用双口ＲＡＭ作为缓存。在故障录波的时候ＡＲＭ９处 理器实现现场数据的就地存储和传送。 ４录波装置工作原理
任务分散化，有利于保证实时性和可靠性。
开关量变位启动：每一个开关量的状态可以用一个ｂｉｔ位 来表示，所以３２个开关量的状态用两个字就完全可以表示了。 在开关量变位启动的检测中，采用了软件去抖的措施。假定开 关量在第Ｋ点变化，则装置会检测到第Ｋ点的开关最状态Ｓ （Ｋ）前一点的状态Ｓ（Ｋ一１）不同，记下此时的时间但并不 启动，继续检测第（Ｋ＋１）点的开关量状态Ｓ（Ｋ＋１）。若Ｓ （Ｋ＋１）与Ｓ（Ｋ）相同，说明开关量是发生了变位，应立即 启动录波；若Ｓ（Ｋ＋１）与Ｓ（Ｋ）不同，说明开关量的变化 只是抖动，应不予理会，继续程序的正常运行。 ５．２数据记录格式
ｌ 电力电子装置故障录波器的特点 变电站线路故障录波主要用于电网故障的数据记录与分
析。通过采样三相电压电流，零序电压电流和开关量信息，综 合双端数据进行故障测距。
对于电力电子装置来说，其故障诊断在内容和方法上和变 电站的线路故障都有所不同，比较有以下特点：
收稿日期：２００８—０８—２２；修回日期：２００８一０９—１３。 基金项目：湖南省自然科学基金资助项目（０６ＦＩ）００７）。 作者简介：胡志坤，湖北鄂州人，硕士生导师，副教授，主要从事智能 信息处理方向的研究。
ｏ 引言
故障录波装置是电力网发生故障或振荡时能自动记录的一 种监测装置，它日以继夜地监视着电力网及一些重要的电气装 置【１］。随着电力电子技术的迅猛发展，实现能量变换的电力电 子装置，由于其效率高、控制灵活方便、易实现等优点，已得 到广泛的应用［２】，同时电力电子装置的安全运行关乎财产和生 命的安全。但是，电力电子装置的故障一般都是突发性的，往 往事后无法分析其故障产生的原因，这些不是电力电子装置的 继电保护装置所能替代的。目前，故障录波器及其各种形式的 产品已广泛应用于电力系统［３］，但电力电子装置目前暂时没有 专门针对电力电子装置的故障录波器，甚至大部分电力电子装 置都不具备录波功能。这是由于电力电子装置具有不同的功 能、不同特征，因此无法采用通用的方法对其进行故障诊断。 为此，本文综合电力电子装置的故障特点，提出一种新型高性 能的故障录波器的设计。
（２）在启动判据方面，线路的判据相对比较简单，电力电 子装置的就比较复杂。线路故障判据通常以三相模拟电气量为 一组，设置有基波越上限，越下限，突变量，１．５ｓ电流变差， 零序、负序越上限。电力电子装置的不仅有阈值越限启动，还 要用到小波分解高频分量，频率变动，畸变率越限等，判据多 种多样，且电气参量复杂，故障种类多，运行工况复杂，需要 采用更加全面和可靠的故障监测方式。
图２硬件结构
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图３软件主流程图
５录波装置的软件设计
５．１装置的启动方式 根据不同的故障特征。电力电子装置故障录波器采用不同
的三种启动方式。 突变量启动：在这种启动方式中，主要是求取电压、电流
的有效值，并与整定的定值门坎值相比，判断是否真的有故障 发生。这种故障发生的事件很短（十几微秒和几十微秒）。
据的分析和管理。当大型电力电子装置发生故障时，接受
ＧＰＲＳ传来的故障录波数据，对故障数据进行分析和管理。
３系统的硬件设计
针对数据采集实时性．高速性、便携，多通信接口和大数
据量的问题，采集站的硬件结构设计如图２所示。 采用１１公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２作为运算单元。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２
是目前国际市场上较为先进、功能强大的３２位定点ＤＳＰ芯片。
关键词：故障录波；电力电子装置；ＤＳＰ
Ｆａｕｌｔ Ｒｅｃｏｒｄｅｒｓ ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｉｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
Ｈｕ Ｚｈｉｋｕｎｌ，Ｌｉｎ Ｙｏｎ９１，Ａｎ Ｑｉｎ９２，Ｇｕｉ Ｗｅｉｈｕａｌ，Ｈｅ Ｄｕｏｃｈａｎ９３
（１．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３； ２．Ｚｈｏｕｋｏｕ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏ．，Ｚｈｏｕｋｏｕ ４６６００１，Ｃｈｉｎａ；
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计算机测量与控制
第１７卷
缓慢越限启动：电压、电流越上Ｆ限，频率与变化率越 限。指不严重的过电压、欠电压或过电流，三相不平衡，某个 电力电子元件断开，触发电路故障，控制电路电源电压不正常 及其他辅助电路故障等。这时装置虽能运行，但工作不正常， 不能长期运行。缓变故障可指某些故障预兆或苗头，如不及时 处理将发展成具有破坏性的大故障。
３．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｅｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｃｏｎｖｅｒｔ，Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１００３１。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ。ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｆａｕｌｔ ｒｅｃｏｒｄｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ ｉｃｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｃｅｎｔｅｒ ａｎａｌｙｚｅ ｓｔａｔｉｏｎ，ｄａｔｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｔａｔｉｏｎ．ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｒｅｃｏｒｄｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｄｏｐｔｓ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｏｄｅ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ＣＰＵｓ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｌｇｏ— ｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｒｅｅｏｒｄｅｒｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆａｕｈ ｒｅｅｏｒｄｅｒｓ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ＤＳＰ