基于Cortex-M4處理器的分布式故障錄波裝置的研究與設計

馬興明，孫國強，王麗娜

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 大慶供電公司，黑龍江 大慶163000)

0 引 言

隨著電力科技的發(fā)展，智能控制被引入到電力系統(tǒng)管理中，電力輸出和供電管理、流量控制和配電安全等方面均需要應用智能監(jiān)測裝置。配電網(wǎng)點出現(xiàn)的電壓故障以及其他原因故障的記錄和分析需要結合智能管理，有效地進行信息記錄和分析并準確地作出處理。故障錄波裝置作為新型智能化設備是智能電網(wǎng)中不可或缺的重要組成部分，其對于讀取信息和檢測系統(tǒng)故障具有智能控制優(yōu)勢，可以與計算機智能系統(tǒng)結合共同形成智能配電網(wǎng)管理系統(tǒng)，用于記錄并分析電力系統(tǒng)振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰和短路等大擾動后引起的系統(tǒng)功率、頻率、電網(wǎng)電壓和電流等運行參數(shù)的動態(tài)變化過程以及繼電保護和安全自動裝置的動作過程。因此，故障錄波裝置對電力系統(tǒng)的安全運行以及智能電網(wǎng)的建設具有重要意義[1]。

目前，故障錄波裝置已經(jīng)被應用在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)公司開展了故障錄波裝置[2-3]，結合計算機技術采用多元分布方法對不同配電網(wǎng)點和供電體系的不同管理區(qū)間進行有效信息采集，形成面向通用對象的分布式錄波結構，避免因錄波裝置局部故障造成整套裝置退出運行，有效解決了傳統(tǒng)集中式故障錄波裝置結構復雜等問題。目前專家學者對分布式錄波的關鍵技術、結構設計等方面進行了相關研究，但這些均應用于主網(wǎng)設備，涉及的監(jiān)控參數(shù)多，制造工藝復雜，且價格昂貴。

基于上述情況，針對35 kV、10 kV配電線路特點及相關電網(wǎng)技術標準和管理規(guī)定，提出一種基于Cortex-M4處理器為核心架構的簡潔分布式故障錄波裝置，實現(xiàn)了對配網(wǎng)線路故障信息的有效監(jiān)測。

1 功能參數(shù)

35 kV或10 kV配電線路的分布式故障錄波裝置功能參數(shù)主要針對于饋線的電氣量參數(shù)監(jiān)測及發(fā)生線路故障后提供關鍵數(shù)據(jù)，主要針對單一饋線線路的模擬量和開關量的狀態(tài)進行持續(xù)記錄，并可以將多臺分布式故障錄波裝置通過網(wǎng)絡連接[4]。

1.1 基本功能

分布式故障錄波裝置的功能主要包括：

1)暫態(tài)記錄功能。記錄故障、擾動等引起的電氣量全過程變化波形，支持多種采樣率，具備多種暫態(tài)啟動及瞬態(tài)記錄功能。

2)穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄功能。不間斷記錄波形，采用循環(huán)存儲方式，連續(xù)記錄3天以上數(shù)據(jù)。

3)數(shù)據(jù)分析功能。波形記錄、故障追溯及研判，小電流接地故障選線。

4)靈活可靠的組網(wǎng)及數(shù)據(jù)遠傳。支持多種數(shù)據(jù)通訊接口及通訊方式，采用IEC60870-5-103通訊規(guī)約。

1.2 技術參數(shù)

分布式故障錄波裝置的相關技術參數(shù)如下：

1)環(huán)境條件：

環(huán)境溫度 -10 ℃～+55 ℃；

相對濕度 5%～95%；

大氣壓力 80～106 kPa。

2)工作電源：

裝置具備交流電源和直流電源接口，配置靈活，符合電源要求。

3)采集通道配置：

裝置具有8路開關量和8路模擬量錄波通道。

4)模擬通道(額定值/測量范圍)：

交流電壓 100 V/0～180 V；

交流電流 5A(1 A)/0～200 A(0～40 A)；

交流頻率 50 Hz/40～60 Hz。

5)裝置對時方式采用差分B碼，同步誤差 ≤1 μs，數(shù)據(jù)存儲介質為內存、SD卡，存儲方式采用自動循環(huán)存儲方式，當存儲數(shù)據(jù)達到記錄容量后，新記錄數(shù)據(jù)可自動覆蓋舊數(shù)據(jù)。

6)錄波啟動方式：

故障錄波裝置設定啟動方式包括轉換信號觸發(fā)、內部電壓測量超過正常值、系統(tǒng)紊亂信號、內置輸出改變、突變觸發(fā)、2、3、5、7次諧波越限啟動、電流變頻頻率輸出異常、其他參數(shù)值測量異常、頻率越限、頻率滑差啟動、手動啟動、遠方啟動。

7)啟動精度：

越限量啟動優(yōu)于2%、突變量啟動優(yōu)于5%、開關量<1 ms

8)通訊接口：

1 000 M/100 M 網(wǎng)絡接口，RS485接口，支持103 規(guī)約。

2 裝置設計

2.1 總體架構

分布式故障錄波裝置采用基于Cortex-M4內核STM32F407/417系列芯片作為核心處理器。如圖1所示為分布式故障錄波裝置硬件系統(tǒng)結構圖。

圖1 分布式故障錄波裝置硬件系統(tǒng)結構圖

分布式故障錄波裝置核心處理器通過接口與通訊模塊、AD7606轉換芯片、顯示模塊、對時模塊、電源模塊和遙信I/O模塊相連。核心處理器用于處理、分析、存貯數(shù)據(jù)；通訊模塊通過網(wǎng)絡向其他設備傳輸數(shù)據(jù)；AD7606芯片用于將輸入的電氣模擬量包括4路電壓量、4路電流量轉換成數(shù)字量；對時模塊用于接收GPS或者北斗對時信號；遙信I/O模塊用于傳遞開關節(jié)點信息。

另外，電源模塊接入工作電源為設備供電，顯示模塊提供配置人機界面或者指示燈。

2.2 核心處理器

ARM Cortex-M4處理器是由ARM公司研發(fā)的嵌入式處理器，該處理器在傳統(tǒng)M3處理器的基礎上通過提高軟、硬件配置從而提高了系統(tǒng)運算能力，新增加浮點、DSP、并行等新型計算方式，具有信號處理精度高、低功耗、低成本等優(yōu)點。

STM32F407/417集成度高、性能良好。采用了工作頻率為168 MHz的CortexTM-M4內核(具有浮點單元)。在168 MHz頻率下，從Flash存儲器執(zhí)行時，STM32F407/417能夠提供210 DMIPS/566 CoreMark性能，ART加速器可實現(xiàn)Flash零等待狀態(tài)，并能自動調整功耗，將功耗降低至238 μA/MHz。芯片電路原理圖如圖2所示。

圖2 芯片電路原理圖

2.3 AD7606數(shù)模轉換芯片

電氣量數(shù)模轉換芯片AD7606，16位、8通道，內置200 kHz信息記錄數(shù)據(jù)模采集系統(tǒng)(DAS)。該芯片具有二階抗混疊濾波器、內嵌2.5 V電源、數(shù)字濾波器、模擬量輸入保護、采樣保持放大器、模數(shù)轉換器(ADC)、基準電壓緩沖和高速串、并行接口。

2.4 遙信輸入輸出模塊

遙信輸入輸出模塊通過開關變換將接收的信息進行信號轉換，同時觸發(fā)信號輸送指令，完成模塊運行程序。故障錄波裝置監(jiān)測電力系統(tǒng)的各種運行狀況，通過遙信輸入輸出模塊采集轉換信號，監(jiān)測系統(tǒng)的即時狀態(tài)，包括供電系統(tǒng)配電電路中的通信狀態(tài)、系統(tǒng)保護裝置開關、內部變壓器狀態(tài)、電源供電狀態(tài)、故障問題反饋狀態(tài)、即時反應狀態(tài)。

2.5 對時模塊

對時模塊采用標準接收B碼(DC)對時電路。IRIG-B(DC)時碼：每秒1幀，包含100個碼元，每個碼元10 ms。模塊采用二進制對時方式，2 ms為0、分隔標志或末編碼位；5 ms為1；8 ms為整100 ms基準標志。

2.6 通訊模塊

通訊模塊采用網(wǎng)絡接口傳輸系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。配置信息也可以通過RS485進行配置。

2.7 裝置樣機實現(xiàn)

裝置樣機如圖3所示，采用標準殼體，尺寸為180 mm×140 mm×60 mm。殼體正面有產(chǎn)品貼膜及指示燈和重啟電源按鍵。 裝置頂部和底部分別有對外接口端子，端子采用標準5.08間距接插件。頂部有對外的USB接口和無線通訊接口的天線，以及電源、遙信輸入接口。底部有2組8P接插件，包括4組電壓信號輸入和4組電流信號輸入。

圖3 裝置樣機圖

3 功能實現(xiàn)

3.1 軟件功能

分布式故障錄波裝置軟件程序分為錄波程序和數(shù)據(jù)分析程序兩部分。錄波程序可實現(xiàn)裝置初始化、通電后自檢、數(shù)據(jù)采樣和錄波啟動條件判定功能。若電力系統(tǒng)發(fā)生大擾動時滿足裝置啟動條件，則自動進行故障錄波、數(shù)據(jù)存儲和上傳等，并能夠完成單相接地故障判斷、短路故障判斷，將分析結果上傳。數(shù)據(jù)分析程序可實現(xiàn)故障分析、系統(tǒng)設置、定時啟動、遠程操作、動態(tài)在線監(jiān)測、系統(tǒng)診斷、數(shù)據(jù)分析、文件管理及數(shù)據(jù)庫、打印、圖形界面、制表等功能[5-7]。

3.2 故障錄波

錄波程序是分布式故障錄波裝置的核心，裝置可通過故障狀態(tài)記錄和穩(wěn)態(tài)狀態(tài)記錄兩種方式記錄數(shù)據(jù)。

1)故障狀態(tài)記錄

整個供電系統(tǒng)中配電網(wǎng)點出現(xiàn)故障監(jiān)測警報，故障錄波裝置進行信息記錄，信息數(shù)據(jù)以時間標志為區(qū)分，記錄過程根據(jù)設定好的程序指令執(zhí)行，信息時間段設定如下，依據(jù)時間標志進行信息數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)記錄方式如圖4所示。

圖4 接入量采集時段順序

A時段(100～2 000 ms)：在電力系統(tǒng)發(fā)生大擾動并啟動錄波程序前，記錄系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)并輸出波形；

B時段(2 000～10 000 ms)：在電力系統(tǒng)發(fā)生大擾動并啟動錄波程序后，記錄初期運行數(shù)據(jù)并輸出故障波形；

C時段(10 000～60 000 ms)：在電力系統(tǒng)發(fā)生大擾動并啟動錄波程序后，記錄中期運行數(shù)據(jù)并輸出故障波形。

第一次啟動：供電系統(tǒng)狀態(tài)達到觸發(fā)條件，信號輸送至故障錄波裝置系統(tǒng)監(jiān)測模塊，即時啟動裝置系統(tǒng)，并且開始執(zhí)行數(shù)據(jù)時間段標志信息記錄程序；

重復啟動：供電系統(tǒng)信號傳輸中觸發(fā)再次啟動裝置，則不同對應程序運行指令開始執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄，重復啟動程序執(zhí)行數(shù)據(jù)重復記錄指令；

系統(tǒng)出現(xiàn)故障信號進一步觸發(fā)故障裝置系統(tǒng)監(jiān)測觸發(fā)程序，自動啟動該時間點的信息數(shù)據(jù)采集和記錄；

自動終止條件：系統(tǒng)擾亂信號輸送被觸發(fā)裝置監(jiān)測模塊接收后最終完成啟動程序，接收信息數(shù)據(jù)采集后終止。

2)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)記錄

實時記錄所有模擬通道和開關量通道運行數(shù)據(jù)，當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，裝置可在數(shù)據(jù)中標出帶有絕對時標的故障線路。

3.3 軟件界面

軟件功能界面分為圖形采集工具界面和數(shù)據(jù)分析界面。圖形采集工具界面主要用來配置采樣頻率、輸入量程、采集通道等參數(shù)。

數(shù)據(jù)分析界面主要運行分析故障錄波數(shù)據(jù)。圖5所示為三相電壓、零序電壓，三相電流、零序電流的采樣數(shù)據(jù)錄波波形，記錄為comtrade格式文件。

圖5 錄波數(shù)據(jù)分析界面

4 結 語

該文介紹了一種基于Cortex-M4處理器的分布式故障錄波裝置的研究與設計，硬件設計上保證高效、實時和多任務技術要求，適用于現(xiàn)場就地分散安裝，并針對該饋線出線的電氣量及開關量進行記錄存貯，運行穩(wěn)定性好，受外界干擾影響小，保障采集故障數(shù)據(jù)的可靠性、完整性與安全性，提高了配電線路故障分析、處理的效率；同時，通過將設備分布式安裝于各饋線開關柜內，經(jīng)通訊網(wǎng)絡將各個分布式錄波裝置連接成一個整體，具有安裝靈活、可靠性高等優(yōu)點。