葉傅華

上海電氣輸配電集團 上海 200042

1 研究背景

在電網(wǎng)中,電力設備故障錄波具有非常重要的意義。故障錄波對于分析電力系統(tǒng)故障性質(zhì)及原因,診斷繼電保護動作有效性、正確性,查找電力設備故障點等而言,都是必不可少的數(shù)據(jù)來源。

故障錄波按照是否嵌入電力設備可以分為兩類。一類是獨立于電力設備及電網(wǎng)系統(tǒng)的故障錄波儀。文獻[1]中詳述了一種變電站故障錄波及報文分析裝置,不僅具有智能化、便利化的移動終端特點,而且能夠有效提高故障分析效率,縮短故障恢復時間。這一類故障錄波裝置一般作為獨立設備掛網(wǎng)運行,適用范圍廣,但是軟硬件均需要獨立開發(fā),存在開發(fā)周期長、開發(fā)難度大的缺點。另一類利用電力設備自身的硬件基礎集成錄波功能。文獻[2]中提出了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列,搭載同步動態(tài)隨機存儲器的高壓直流輸電故障錄波方案。繼電保護是電力系統(tǒng)安全運行的重要保障,在數(shù)字式繼電保護技術和自動化技術的支持下,集測量、控制、保護、數(shù)據(jù)通信于一體的變電所綜合自動化設備已成為目前我國絕大部分新建變電站的二次裝備,與其它學科的交叉、滲透日益深入[3]。目前,大部分繼電保護裝置均自帶故障錄波功能,通過分析所記錄的數(shù)據(jù)可以改進繼電保護設備的工作性能[4-7]。

電能治理設備包括有源濾波器、靜止無功補償器、動態(tài)電壓恢復器等,如果由單獨的故障錄波裝置采集故障數(shù)據(jù),分析設備在發(fā)生故障時的性能,會產(chǎn)生較高的成本。電能治理設備自身也需要采集數(shù)據(jù)進行計算,因此將故障錄波功能集成至電能治理設備內(nèi)部,是一種經(jīng)濟有效的方案。由此,筆者提出一種基于安全數(shù)字儲存卡和FAT32格式的故障錄波方案。

2 控制系統(tǒng)結構

安全數(shù)字儲存卡作為一種基于閃存的存儲器,以體積小、功耗低、可靠性高、可擦寫、非易失性等優(yōu)點逐漸成為主流存儲介質(zhì)之一,在嵌入式系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應用[8-9]。因此,可以將安全數(shù)字儲存卡作為設備故障錄波的存儲介質(zhì),將錄波功能集成至電能治理設備中。筆者針對靜止無功補償器,將安全數(shù)字儲存卡作為一種存儲介質(zhì)來實現(xiàn)故障錄波功能。

靜止無功補償器是一種主要補償系統(tǒng)無功功率的電能治理設備。對此,采用兩個TMS320F28335數(shù)字信號處理器實現(xiàn)核心控制算法、流程處理、通信、故障判斷等功能,采用一個現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)模數(shù)轉換采樣、數(shù)據(jù)調(diào)度等功能。故障錄波方案控制系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

圖1 故障錄波方案控制系統(tǒng)硬件結構

安全數(shù)字儲存卡通過串行外設接口方式與從數(shù)字信號處理器相連,記錄發(fā)生故障時靜止無功補償器的電壓、電流、故障碼、狀態(tài)等信息。上位機人機界面通過串行通信接口方式與數(shù)字信號處理器通信,實現(xiàn)各種參數(shù)設置和數(shù)據(jù)顯示功能?？刂瓢迳吓渲糜袝r鐘芯片,數(shù)字信號處理器可通過內(nèi)部集成電路總線方式訪問,初始時間設置完成后,可掉電保持?，F(xiàn)場可編程門陣列的主要功能是模數(shù)轉換采樣、生成脈沖寬度調(diào)制脈沖,配合數(shù)字信號處理器完成各種輸入輸出控制。

對于正在開發(fā)的設備,加載使用安全數(shù)字儲存卡的故障錄波功能,只需要考慮數(shù)字信號處理器外圍電路配置安全數(shù)字儲存卡的串行外設接口即可,不需要額外增加其它硬件,即可實現(xiàn)錄波功能。實現(xiàn)成本低,方法簡便。

3 故障錄波軟件

通常閃存芯片可以隨意寫入,當軟件寫入數(shù)據(jù)時,只需要按照固定的順序就可以完成錄波。但是,要將閃存芯片上的數(shù)據(jù)讀出,則難度較大。通常閃存芯片被固定在硬件上,必須由懂得操作軟件的人員在現(xiàn)場將數(shù)據(jù)讀出,并存儲在計算機中,這會造成靜止無功補償器斷電等不必要操作。另一方面,對在閃存芯片上以數(shù)據(jù)流方式存儲的內(nèi)容進行分析極不方便,所存儲的大段數(shù)據(jù)需要先經(jīng)原始編程人員確定數(shù)據(jù)存儲順序,然后做大量后期處理。數(shù)據(jù)格式轉換的難度也較大。

若將安全數(shù)字儲存卡作為普通閃存芯片使用,顯然浪費了安全數(shù)字儲存卡的功能。如果可以用計算機將安全數(shù)字儲存卡上存儲的數(shù)據(jù)正常讀出,既免去技術人員現(xiàn)場調(diào)試的麻煩,又可以方便進行格式轉換。對此,提出通過采用FAT32文件存儲格式將數(shù)據(jù)存儲在安全數(shù)字儲存卡上。

FAT32格式是一種分區(qū)格式,被廣泛應用于硬盤、移動硬盤、安全數(shù)字儲存卡等存儲介質(zhì)。安全數(shù)字儲存卡只有一個盤片,所以沒有柱面、磁頭等概念。

總體而言,一個FAT32格式文件系統(tǒng)可以分為三個部分:保留區(qū)、文件配置表區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)。根據(jù)文獻[10]詳述的FAT32格式文件系統(tǒng),可以清晰地看到用戶需要操作文件配置表區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。

FAT32格式文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構見表1。實現(xiàn)設備故障錄波功能,在FAT32格式文件中相關的區(qū)域填入各種對應的內(nèi)容,生成以日期為文件名,固定數(shù)據(jù)長度的數(shù)據(jù)文件?，F(xiàn)場巡視人員可以方便地將安全數(shù)字儲存卡取出,技術人員可以在計算機上進行各種數(shù)據(jù)格式轉換,實現(xiàn)波形、設備運行工況等的分析。這樣做雖然占用了一定的軟件資源,但是節(jié)省了大量的硬件資源和開發(fā)成本。

表1 FAT32格式文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構

FAT32格式文件系統(tǒng)屬于磁盤操作系統(tǒng),基本存儲單位是扇區(qū),存儲數(shù)據(jù)為128×2nBytes,一個扇區(qū)包含512 Bytes,這為數(shù)字信號處理器與安全數(shù)字儲存卡通信的數(shù)據(jù)長度提供了參考,即以一次寫入一個扇區(qū)為宜。將需要存儲的數(shù)據(jù)以一個扇區(qū)的長度逐次寫入安全數(shù)字儲存卡,這是程序的主體結構。故障錄波軟件流程如圖2所示。

圖2 故障錄波軟件流程

將故障錄波功能嵌入電力電子設備控制器時,通?？稍陔S機存儲器中開辟一塊數(shù)據(jù)專用區(qū),在故障發(fā)生后繼續(xù)記錄一段時間的數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)滿,此后再逐步將數(shù)據(jù)搬移到非易失性存儲器上。筆者采用這一方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲,在輸入文件數(shù)據(jù)后,需要判斷當前緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)是否全部搬入,若沒有,則需要繼續(xù)搬移,直至所有數(shù)據(jù)都存入安全數(shù)字儲存卡,則結束。為了最大限度利用安全數(shù)字儲存卡空間,可以將固定長度定義為512 Bytes的整數(shù)倍。

4 錄波時序

靜止無功補償器屬于電能治理設備的一種,這一類電力電子設備通常有較高的實時控制要求。在數(shù)字信號處理器中通常可采用模數(shù)轉換中斷或定時中斷的方式,來達到控制目的。靜止無功補償器正常運行時,從數(shù)字信號處理器大部分中斷時間用于處理檢測、算法、流程等,而將需要錄波的數(shù)據(jù)實時緩存在隨機存儲器中,這一操作所用的時間非常短。一旦靜止無功補償器發(fā)生故障,可將靜止無功補償器切換至待機或熱備用等狀態(tài),中斷時數(shù)字信號處理器將出現(xiàn)一部分空閑時間。利用這段空閑時間,可以啟用錄波功能,將需要存儲的數(shù)據(jù)寫入安全數(shù)字儲存卡。

設備正常運行時,從數(shù)字信號處理器的中斷時間資源分配如圖3所示。中斷時間資源大部分用于實現(xiàn)設備的功能性控制,一小部分用于將實時數(shù)據(jù)寫入隨機存儲器中。此時完全可以不考慮安全數(shù)字儲存卡的故障錄波功能,這也為各種電力電子設備嵌入故障錄波功能提供了極大方便。

圖3 正常運行時從數(shù)字信號處理器中斷時間資源分配

靜止無功補償器發(fā)生故障后,一般會待機、熱備用,甚至停機,此時從數(shù)字信號處理器中斷時間資源分配如圖4所示。中斷時間資源占用較少,可以在空閑部分插入數(shù)據(jù)存儲?？梢詥⒂脭?shù)據(jù)寫入安全數(shù)字儲存卡的功能,利用剩余的中斷時間實現(xiàn)錄波。

圖4 發(fā)生故障后從數(shù)字信號處理器中斷時間資源分配

5 結束語

筆者以獨立運行的靜止無功補償器為例,提出一種基于安全數(shù)字儲存卡,采用FAT32格式的故障錄波方案。這一故障錄波方案對硬件配置要求極低,只需占用少量軟件資源,即可將錄波功能程序段作為模塊加入電能治理設備的主體控制程序。試驗結果表明,這一方案不僅成本低,嵌入方式簡單,而且具有實時性強、可讀性佳的特點。