基于Cortex-M4处理器的分布式故障录波装置的研究与设计

马兴明，孙国强，王丽娜

(国网黑龙江省电力有限公司 大庆供电公司，黑龙江 大庆163000)

0 引 言

随着电力科技的发展，智能控制被引入到电力系统管理中，电力输出和供电管理、流量控制和配电安全等方面均需要应用智能监测装置。配电网点出现的电压故障以及其他原因故障的记录和分析需要结合智能管理，有效地进行信息记录和分析并准确地作出处理。故障录波装置作为新型智能化设备是智能电网中不可或缺的重要组成部分，其对于读取信息和检测系统故障具有智能控制优势，可以与计算机智能系统结合共同形成智能配电网管理系统，用于记录并分析电力系统振荡、频率崩溃、电压崩溃和短路等大扰动后引起的系统功率、频率、电网电压和电流等运行参数的动态变化过程以及继电保护和安全自动装置的动作过程。因此，故障录波装置对电力系统的安全运行以及智能电网的建设具有重要意义[1]。

目前，故障录波装置已经被应用在电力系统中，电网公司开展了故障录波装置[2-3]，结合计算机技术采用多元分布方法对不同配电网点和供电体系的不同管理区间进行有效信息采集，形成面向通用对象的分布式录波结构，避免因录波装置局部故障造成整套装置退出运行，有效解决了传统集中式故障录波装置结构复杂等问题。目前专家学者对分布式录波的关键技术、结构设计等方面进行了相关研究，但这些均应用于主网设备，涉及的监控参数多，制造工艺复杂，且价格昂贵。

基于上述情况，针对35 kV、10 kV配电线路特点及相关电网技术标准和管理规定，提出一种基于Cortex-M4处理器为核心架构的简洁分布式故障录波装置，实现了对配网线路故障信息的有效监测。

1 功能参数

35 kV或10 kV配电线路的分布式故障录波装置功能参数主要针对于馈线的电气量参数监测及发生线路故障后提供关键数据，主要针对单一馈线线路的模拟量和开关量的状态进行持续记录，并可以将多台分布式故障录波装置通过网络连接[4]。

1.1 基本功能

分布式故障录波装置的功能主要包括：

1)暂态记录功能。记录故障、扰动等引起的电气量全过程变化波形，支持多种采样率，具备多种暂态启动及瞬态记录功能。

2)稳态连续记录功能。不间断记录波形，采用循环存储方式，连续记录3天以上数据。

3)数据分析功能。波形记录、故障追溯及研判，小电流接地故障选线。

4)灵活可靠的组网及数据远传。支持多种数据通讯接口及通讯方式，采用IEC60870-5-103通讯规约。

1.2 技术参数

分布式故障录波装置的相关技术参数如下：

1)环境条件：

环境温度 -10 ℃～+55 ℃；

相对湿度 5%～95%；

大气压力 80～106 kPa。

2)工作电源：

装置具备交流电源和直流电源接口，配置灵活，符合电源要求。

3)采集通道配置：

装置具有8路开关量和8路模拟量录波通道。

4)模拟通道(额定值/测量范围)：

交流电压 100 V/0～180 V；

交流电流 5A(1 A)/0～200 A(0～40 A)；

交流频率 50 Hz/40～60 Hz。

5)装置对时方式采用差分B码，同步误差 ≤1 μs，数据存储介质为内存、SD卡，存储方式采用自动循环存储方式，当存储数据达到记录容量后，新记录数据可自动覆盖旧数据。

6)录波启动方式：

故障录波装置设定启动方式包括转换信号触发、内部电压测量超过正常值、系统紊乱信号、内置输出改变、突变触发、2、3、5、7次谐波越限启动、电流变频频率输出异常、其他参数值测量异常、频率越限、频率滑差启动、手动启动、远方启动。

7)启动精度：

越限量启动优于2%、突变量启动优于5%、开关量<1 ms

8)通讯接口：

1 000 M/100 M 网络接口，RS485接口，支持103 规约。

2 装置设计

2.1 总体架构

分布式故障录波装置采用基于Cortex-M4内核STM32F407/417系列芯片作为核心处理器。如图1所示为分布式故障录波装置硬件系统结构图。

图1 分布式故障录波装置硬件系统结构图

分布式故障录波装置核心处理器通过接口与通讯模块、AD7606转换芯片、显示模块、对时模块、电源模块和遥信I/O模块相连。核心处理器用于处理、分析、存贮数据；通讯模块通过网络向其他设备传输数据；AD7606芯片用于将输入的电气模拟量包括4路电压量、4路电流量转换成数字量；对时模块用于接收GPS或者北斗对时信号；遥信I/O模块用于传递开关节点信息。

另外，电源模块接入工作电源为设备供电，显示模块提供配置人机界面或者指示灯。

2.2 核心处理器

ARM Cortex-M4处理器是由ARM公司研发的嵌入式处理器，该处理器在传统M3处理器的基础上通过提高软、硬件配置从而提高了系统运算能力，新增加浮点、DSP、并行等新型计算方式，具有信号处理精度高、低功耗、低成本等优点。

STM32F407/417集成度高、性能良好。采用了工作频率为168 MHz的CortexTM-M4内核(具有浮点单元)。在168 MHz频率下，从Flash存储器执行时，STM32F407/417能够提供210 DMIPS/566 CoreMark性能，ART加速器可实现Flash零等待状态，并能自动调整功耗，将功耗降低至238 μA/MHz。芯片电路原理图如图2所示。

图2 芯片电路原理图

2.3 AD7606数模转换芯片

电气量数模转换芯片AD7606，16位、8通道，内置200 kHz信息记录数据模采集系统(DAS)。该芯片具有二阶抗混叠滤波器、内嵌2.5 V电源、数字滤波器、模拟量输入保护、采样保持放大器、模数转换器(ADC)、基准电压缓冲和高速串、并行接口。

2.4 遥信输入输出模块

遥信输入输出模块通过开关变换将接收的信息进行信号转换，同时触发信号输送指令，完成模块运行程序。故障录波装置监测电力系统的各种运行状况，通过遥信输入输出模块采集转换信号，监测系统的即时状态，包括供电系统配电电路中的通信状态、系统保护装置开关、内部变压器状态、电源供电状态、故障问题反馈状态、即时反应状态。

2.5 对时模块

对时模块采用标准接收B码(DC)对时电路。IRIG-B(DC)时码：每秒1帧，包含100个码元，每个码元10 ms。模块采用二进制对时方式，2 ms为0、分隔标志或末编码位；5 ms为1；8 ms为整100 ms基准标志。

2.6 通讯模块

通讯模块采用网络接口传输系统运行数据。配置信息也可以通过RS485进行配置。

2.7 装置样机实现

装置样机如图3所示，采用标准壳体，尺寸为180 mm×140 mm×60 mm。壳体正面有产品贴膜及指示灯和重启电源按键。 装置顶部和底部分别有对外接口端子，端子采用标准5.08间距接插件。顶部有对外的USB接口和无线通讯接口的天线，以及电源、遥信输入接口。底部有2组8P接插件，包括4组电压信号输入和4组电流信号输入。

图3 装置样机图

3 功能实现

3.1 软件功能

分布式故障录波装置软件程序分为录波程序和数据分析程序两部分。录波程序可实现装置初始化、通电后自检、数据采样和录波启动条件判定功能。若电力系统发生大扰动时满足装置启动条件，则自动进行故障录波、数据存储和上传等，并能够完成单相接地故障判断、短路故障判断，将分析结果上传。数据分析程序可实现故障分析、系统设置、定时启动、远程操作、动态在线监测、系统诊断、数据分析、文件管理及数据库、打印、图形界面、制表等功能[5-7]。

3.2 故障录波

录波程序是分布式故障录波装置的核心，装置可通过故障状态记录和稳态状态记录两种方式记录数据。

1)故障状态记录

整个供电系统中配电网点出现故障监测警报，故障录波装置进行信息记录，信息数据以时间标志为区分，记录过程根据设定好的程序指令执行，信息时间段设定如下，依据时间标志进行信息数据存储，数据记录方式如图4所示。

图4 接入量采集时段顺序

A时段(100～2 000 ms)：在电力系统发生大扰动并启动录波程序前，记录系统运行数据并输出波形；

B时段(2 000～10 000 ms)：在电力系统发生大扰动并启动录波程序后，记录初期运行数据并输出故障波形；

C时段(10 000～60 000 ms)：在电力系统发生大扰动并启动录波程序后，记录中期运行数据并输出故障波形。

第一次启动：供电系统状态达到触发条件，信号输送至故障录波装置系统监测模块，即时启动装置系统，并且开始执行数据时间段标志信息记录程序；

重复启动：供电系统信号传输中触发再次启动装置，则不同对应程序运行指令开始执行数据记录，重复启动程序执行数据重复记录指令；

系统出现故障信号进一步触发故障装置系统监测触发程序，自动启动该时间点的信息数据采集和记录；

自动终止条件：系统扰乱信号输送被触发装置监测模块接收后最终完成启动程序，接收信息数据采集后终止。

2)稳态状态记录

实时记录所有模拟通道和开关量通道运行数据，当电力系统发生故障时，装置可在数据中标出带有绝对时标的故障线路。

3.3 软件界面

软件功能界面分为图形采集工具界面和数据分析界面。图形采集工具界面主要用来配置采样频率、输入量程、采集通道等参数。

数据分析界面主要运行分析故障录波数据。图5所示为三相电压、零序电压，三相电流、零序电流的采样数据录波波形，记录为comtrade格式文件。

图5 录波数据分析界面

4 结 语

该文介绍了一种基于Cortex-M4处理器的分布式故障录波装置的研究与设计，硬件设计上保证高效、实时和多任务技术要求，适用于现场就地分散安装，并针对该馈线出线的电气量及开关量进行记录存贮，运行稳定性好，受外界干扰影响小，保障采集故障数据的可靠性、完整性与安全性，提高了配电线路故障分析、处理的效率；同时，通过将设备分布式安装于各馈线开关柜内，经通讯网络将各个分布式录波装置连接成一个整体，具有安装灵活、可靠性高等优点。