電力系統微型故障錄波裝置的設計

東莞理工學院電子工程與智能化學院 冼子恒 陳紹彬 康慧麗 劉煥城 陳佩丹 張兆云

故障錄波裝置作為在電力系統中不可或缺的裝置，主要承擔著自動記錄故障前后的電氣量與非電氣量的變化過程，并通過得到的波形與數據判斷故障發生位置及其類型，便于解決故障與恢復供電，盡可能減少損失。本文設計一種以STM32F429芯片為核心，AD7606芯片為采樣模塊，結合其他外圍電路構成具有高采集速度、高采集精度、大記錄容量、人機交互界面良好的實時微型故障錄波裝置。

電力系統是人民日常生活中不可缺少的重要組成，它的安全穩定運行關系到許多行業的開展。故障錄波裝置是確保電力系統的穩定可靠運行的重要一環。隨著科技發展，電力系統朝著高電容量、高度自動化、高性能的方向不斷發展，其結構也愈發復雜，系統發生故障時所需分析考慮的因素也非常多，微型故障錄波裝置憑借其快速診斷故障的獨特優勢，成為電力系統的關鍵配置。本文就設計的微型故障錄波裝置，介紹其設計方案、功能與應用。

1 產品設計方案

1.1 整體設計

微型故障錄波裝置參照部頒標準《220～500KV電力系統故障動態記錄技術準則》(DL/T 553-2013)并結合《電力系統實時動態監測系統技術規范》進行設計，主要以STM32F429芯片為核心，在其外部拓展電源模塊、互感模塊、MCU模塊，互感模塊包含三路電壓、電流互感，MCU模塊包含信號采集和處理、用戶接口設計以及通訊模塊（圖1）。

1.2 MCU模塊

本裝置的數據處理采用STM32F429ZGT6芯片完成，其主要任務就是將從AD7606采樣到的數據樣本進行一系列操作，包括把數字信號還原成交流電壓電流雙極性信號，然后利用快速傅里葉變換，把輸入的數字信號中的各次諧波的幅值和相位的有效值提取出來，最后通過液晶顯示屏顯示出實時電流電壓以及各次諧波的幅值。

1.2.1 STM32F429主芯片

STM32F429芯片作為意法半導體公司研發的F4系列中的增強型芯片，是基于CM4內核的高性能微處理器，具有180MHz的工作頻率，1M的Flash閃存以及256KB的靜態隨機存取存儲器，同時支持各類其他存儲器，能夠做到輕松擴展內存容量。該芯片能夠自動識別實時ART功能，最大的釋放了CM4內核的性能。該芯片還集成了單一周期的DSP指令和FPU，大大的加強了芯片的計算能力，能快速地運行傅里葉級數，具有高速的運行速度。

1.2.2 AD7606采樣芯片

AD7606芯片作為進行AD采樣的主芯片，是一種8種通道16位逐次逼近型AD芯片，它可以所有通道同時采樣，它有2種接口模式：串行模式和并行模式，并行模式又分為8位和16位傳送方式。在數據轉換時，2個轉換信號CONVSTA/B，用來控制每4個或每8個ADC同時采樣。如果將2個CONVST引腳連接在一起，就可對8個ADC同時進行采樣。

圖1 產品整體設計

1.3 互感模塊

互感模塊主要由電流采集電路和電壓采集電路組成。電流采集電路可同時采集四路電流，根據電網二次端的參數，電壓60V，電流2A選擇互感器ZMCT101B。ZMCT101B是一種精密的電流互感器，主要參數輸入電流0-100A，輸出電流為2.5mA-25mA，精度：0.5%，線性度：0.3%。電壓傳感器選用ZMPT101B，可同時采集四路電壓，副邊電路是電壓電流變換路，當需要電壓輸出是采用，電壓能穩定在±12V內，適用于AD采樣電路采樣。

1.4 電源模塊

在電源模塊中主要使用了LK VIPER22A這款芯片，此功率開關芯片采用電流模式PWM控制方式，集成了高壓啟動電路和高壓功率管，是一款高性價比的開關電源。電壓輸入范圍比較寬，能達到85V AC-265V AC，芯片VDD的工作電壓范圍寬，很方便地應用于充電器領域。芯片提供了過溫、過流、過壓、欠壓等保護功能，保證了系統的可靠性。

2 產品功能與應用

本裝置具有高采集速度、高采集精度、大記錄容量、人機交互界面良好等優良特性，實時測量電信號的值存儲在主控芯片的RAM中，每次測量得出的值都會在RAM中實時刷新。當用戶在人機交互界面使用菜單系統選擇需要查看的電信號的值時，主控芯片會把此時RAM中對應的值傳送到顯示器中供用戶查看。通過對數據的處理，能夠實現基波測量、諧波測量、各路電壓有效值測量、各路功率測量、通過串口將測量信息打印、通過將數據記錄在ROM中實現數據記錄功能、通過串口采用專用軟件查看波形記錄。

結語：綜上所述，本文就基于STM32的電力系統微型故障錄波裝置的設計及其功能、應用做了相關闡述，介紹了其各模塊的組成與作用，便于使用者了解其完成故障錄波數據綜合分析的原理與過程。此微型故障錄波裝置為事故分析提供科學依據，為事故原因提供查找途徑，可進行電力系統運行的監控，供維護人員參考運用。