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

隨著電力科技的發展，智能控制被引入到電力系統管理中，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測裝置。配電網點出現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中不可或缺的重要組成部分，其對于讀取信息和檢測系統故障具有智能控制優勢，可以與計算機智能系統結合共同形成智能配電網管理系統，用于記錄并分析電力系統振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰和短路等大擾動后引起的系統功率、頻率、電網電壓和電流等運行參數的動態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的安全運行以及智能電網的建設具有重要意義[1]。

目前，故障錄波裝置已經被應用在電力系統中，電網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點和供電體系的不同管理區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設備，涉及的監控參數多，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技術標準和管理規定，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，實現了對配網線路故障信息的有效監測。

1 功能參數

35 kV或10 kV配電線路的分布式故障錄波裝置功能參數主要針對于饋線的電氣量參數監測及發生線路故障后提供關鍵數據，主要針對單一饋線線路的模擬量和開關量的狀態進行持續記錄，并可以將多臺分布式故障錄波裝置通過網絡連接[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，具備多種暫態啟動及瞬態記錄功能。

2)穩態連續記錄功能。不間斷記錄波形，采用循環存儲方式，連續記錄3天以上數據。

3)數據分析功能。波形記錄、故障追溯及研判，小電流接地故障選線。

4)靈活可靠的組網及數據遠傳。支持多種數據通訊接口及通訊方式，采用IEC60870-5-103通訊規約。

1.2 技術參數

分布式故障錄波裝置的相關技術參數如下：

1)環境條件：

環境溫度 -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，數據存儲介質為內存、SD卡，存儲方式采用自動循環存儲方式，當存儲數據達到記錄容量后，新記錄數據可自動覆蓋舊數據。

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、內部電壓測量超過正常值、系統紊亂信號、內置輸出改變、突變觸發、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：

越限量啟動優于2%、突變量啟動優于5%、開關量<1 ms

8)通訊接口：

1 000 M/100 M 網絡接口，RS485接口，支持103 規約。

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結構圖。

圖1 分布式故障錄波裝置硬件系統結構圖

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、存貯數據；通訊模塊通過網絡向其他設備傳輸數據；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公司研發的嵌入式處理器，該處理器在傳統M3處理器的基礎上通過提高軟、硬件配置從而提高了系統運算能力，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存儲器執行時，STM32F407/417能夠提供210 DMIPS/566 CoreMark性能，ART加速器可實現Flash零等待狀態，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數模轉換芯片

電氣量數模轉換芯片AD7606，16位、8通道，內置200 kHz信息記錄數據模采集系統(DAS)。該芯片具有二階抗混疊濾波器、內嵌2.5 V電源、數字濾波器、模擬量輸入保護、采樣保持放大器、模數轉換器(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，同時觸發信號輸送指令，完成模塊運行程序。故障錄波裝置監測電力系統的各種運行狀況，通過遙信輸入輸出模塊采集轉換信號，監測系統的即時狀態，包括供電系統配電電路中的通信狀態、系統保護裝置開關、內部變壓器狀態、電源供電狀態、故障問題反饋狀態、即時反應狀態。

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

通訊模塊采用網絡接口傳輸系統運行數據。配置信息也可以通過RS485進行配置。

2.7 裝置樣機實現

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

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據分析程序兩部分。錄波程序可實現裝置初始化、通電后自檢、數據采樣和錄波啟動條件判定功能。若電力系統發生大擾動時滿足裝置啟動條件，則自動進行故障錄波、數據存儲和上傳等，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。數據分析程序可實現故障分析、系統設置、定時啟動、遠程操作、動態在線監測、系統診斷、數據分析、文件管理及數據庫、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記錄和穩態狀態記錄兩種方式記錄數據。

1)故障狀態記錄

整個供電系統中配電網點出現故障監測警報，故障錄波裝置進行信息記錄，信息數據以時間標志為區分，記錄過程根據設定好的程序指令執行，信息時間段設定如下，依據時間標志進行信息數據存儲，數據記錄方式如圖4所示。

圖4 接入量采集時段順序

A時段(100～2 000 ms)：在電力系統發生大擾動并啟動錄波程序前，記錄系統運行數據并輸出波形；

B時段(2 000～10 000 ms)：在電力系統發生大擾動并啟動錄波程序后，記錄初期運行數據并輸出故障波形；

C時段(10 000～60 000 ms)：在電力系統發生大擾動并啟動錄波程序后，記錄中期運行數據并輸出故障波形。

第一次啟動：供電系統狀態達到觸發條件，信號輸送至故障錄波裝置系統監測模塊，即時啟動裝置系統，并且開始執行數據時間段標志信息記錄程序；

重復啟動：供電系統信號傳輸中觸發再次啟動裝置，則不同對應程序運行指令開始執行數據記錄，重復啟動程序執行數據重復記錄指令；

系統出現故障信號進一步觸發故障裝置系統監測觸發程序，自動啟動該時間點的信息數據采集和記錄；

自動終止條件：系統擾亂信號輸送被觸發裝置監測模塊接收后最終完成啟動程序，接收信息數據采集后終止。

2)穩態狀態記錄

實時記錄所有模擬通道和開關量通道運行數據，當電力系統發生故障時，裝置可在數據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據分析界面。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。

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

圖5 錄波數據分析界面

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，運行穩定性好，受外界干擾影響小，保障采集故障數據的可靠性、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，經通訊網絡將各個分布式錄波裝置連接成一個整體，具有安裝靈活、可靠性高等優點。