1．目的及意义

1.1 选题的背景和意义

随着电网规模日益扩大，就需要一个能够准确进行故障元件诊断、事故后数据分析、保护动作行为评价等功能完善的电网故障信息综合分析系统。这对于电力系统的安全可靠运行起着十分重要的作用。电力系统中,为了掌握电力设备在进行交接、大修及运行过程中的状态,需要对其相关电气量进行采集、分析和计算,其中暂态过程的电气参数尤为重要。并且目前的电力系统暂态保护和故障分析等方法也大多都是基于故障暂态电气量的分析。因此,电力暂态信号的采集与录波单元的研制有着十分重要的意义。

正常工作时,该单元根据采集数据判断系统是否发生故障、是否启动录波程序,记录故障前后的数据,并对其进行存盘、制表、画波形及计算有效值等操作。这为分析并解除系统事故提供了科学依据,对减少停电时间、提高供电可靠性和安全运行水平都极为重要。其在电力系统故障研究中的具体作用主要表现在以下几个方面

(1)正确分析事故的原因,制订反事故措施;(2) 正确评价继电保护和自动装置的工作;(3) 进行故障定位(4) 发现继电保护和自动装置的缺陷,便于改进和完善装置;(5) 发现一次设备缺陷,及时消除隐患;(6) 记录电力系统的振荡过程.

1.2电力系统录波单元发展现状分析

图1 故障录波器的原理框图

Fig.1 Function diagram of fault recorder

电力系统所应用的数据采集与录波单元基本上由三个主要部分组成控制器,模数转换模块以及与上位机进行数据传输的通信模块。

对于核心控制器来说，其主要分为以下几种；第一种是图1中核心控制器1和2均为单片机，可称为单片机型故障录波器，其技术特点主要有：

(1) 采用单片机作为主要控制器控制数据的动态不间断采集，以及故障后的数据突变计算和控制外接设备等。

(2) 采用高速的A／D转换，以保证高精度、高密度的数据采集及其实时性。

(3) 可采用RAM等作为数据记录介质。对比更早期用感光胶片作为记录介质的光电式故障录波器，可以更快地记录故障发生时的电压电流波形图。

(4) 系统具有扩展性。

(5) 系统具有通用性。可安装于任何一个变电站，基本不需要改动硬件和软件。

但由于单片机的指令执行速度慢，总线带宽窄，不能满足系统实时性的要求，且单片机不具有DMA数据传输方式，限制了传输速度等缺点，随着电力网络的发展一般单片机已不能满足系统要求。

第二种是图1中核心控制器1和核心控制器2有一个或全部为DSP，可称为DSP故障录波器。数字信号处理芯片(DSP)，作为一种为达到快速数学运算而特殊设计的新型微处理器，具有相当强大的数据处理能力[U。目前，DSP已经广泛应用于高速白动控制、通信技术、图象处理、数学家电等众多领域，为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。另外，DSP可以不再单纯用作数据采集，它还同时能肩负主要运算和控制功能。因此DSP与高速A/D以及现代计算机技术的结合，将进一步提高和完善微机保护白动装置以及故障录波等对实时要求很高的装置。但是DSP计算能力虽然强大，控制能力却相对不足，无法移植功能强大的操作系统，需要白己制定TCP / IP协议栈以支持网络通信，工程量大且不便日后的维护升级，这在完整的故障录波系统中不仅影响到DSP的处理速度，也难以胜任更高精度和实时性的要求。

第三种是图1中核心控制器1为DSP，核心控制器2为ARM处理器。嵌入式系统具有的特点是:高可靠性，软硬件结构高度可裁剪性，并且在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作。另外，采用嵌入式操作系统可以获得很好的实时处理能力。ARM在数字信号处理方面和DSP在系统控制方面都存在其弱点，因此采用ARM和DSP的双CPU方案，为复杂的信号处理算法提供硬件支持，同时具备强大的任务处理能力，形成相对精简优化的软硬件结构。

数据采集中的模数转换模块的性能很大程度上取决于所采用的A/D芯片,而选用何种芯片则取决于所应用的领域。通常在电力系统中,转换精度应大于等于12bit。分析现有的数据采集系统,有些采样速率很高,但是其精度较低或者输入通道数较少有些精度很高,但是采样速率较低或者与控制器的连接方式不合适。

数据采集与录波单元和上位机之间的数据传输问题上,现在的数据采集卡都是通过系统总线也就是通道总线、微型计算机总线与机相连,总共分为三种传统的串行口、插槽型以及现在比较流行的USB接口。USB方式具有结构简单,开发的设备便于携带,应用方便,传输速率理论上可以达到480Mbps等优点，今后将会有更多的数据采集单元采用这一方式来完成高速数据传输。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2.1毕业设计基本内容

（1）通过查阅资料，首先了解电力暂态信号采集与录波单元的基本组成，认识其发展历程及现阶段基本发展情况；

（2）调研分析电力系统继电保护用暂态信号的采样率需求、采集时长需求以及通道数需求，完成总体需求分析；

（3）分别对信号调理电路、模数转换电路进行研究与设计，研究适用于电流互感器和电压互感器二次侧的信号调理电路的研究与设计方案，完成多通道同时数模转换电路的研究与设计。完成多通道电力暂态信号采集数据的存储与分析，实现整体的设计。

2.2研究目标

（1）查阅文献资料，了解常见电力系统录波单元的发展现况；

（2）通过本课题的训练，培养动手能力、分析问题及解决问题的能力，重点是提出多通道电力暂态信号采集单元的设计方案；

（3）体现录波方案与安全、经济和环保的关系；体现技术经济性能；

（4）自主完成毕业设计内容，提高专业表达能力，提高自身的发展能力。

2.3拟采用的技术方案

该设计的硬件电路分为五个部分：控制器、A/D转换、电源管理、信号调理和外设通信接口,

（1）根据前期查阅资料以及阅读文献，决定选用DSP处理模块，选择合适的芯片；

（2）查阅资料，根据整体规划选择合适的电压、电流互感器以及偏置电路；

（3）根据整体要求选择合适的滤波电路和转换电路；

（4）根据所选芯片的内核工作电压，选取合适的电源芯片，完成电源管理；

（5）外部拟采用USB接口。3. 参考文献

[1] 曹军军．基于TMS320F2812的电力暂态信号采集与录波单元的研究[D]．成都：西南交通大学，2006．

[2] 梁志超．通用多通道数据采集系统的设计与实现[D]．西安：西安电子科技大学，2010．

[3] 孙文．多通道数据采集系统的设计与实现[D]．长沙：湖南大学，2013．

[4] 韩友川．基于ARM的多通道数据采集技术的研究与开发[D]．北京：北方工业大学，2009．

[5] 陈昊琳,张国庆,郭志忠.故障录波器发展历程及现状分析[J].电力系统保护与控制,2010,38(05):148-152.

[6] 陈小勤,曹军军,何正友,李宗昉.电力暂态信号数据采集与录波单元的研制[J].电力自动化设备,2008(09):104-107.

[7] 杜新伟,李媛,刘涤尘.电力故障录波数据综合处理系统[J].电力系统自动化,2006(12):75-78 96.

[8] 马一博. 基于TMS320LF2407的电力暂态信号采集系统[A]. 中国煤炭学会煤矿自动化专业委员会.第十七届全国煤矿自动化学术年会、中国煤炭学会自动化专业委员会学术会议论文集[C].中国煤炭学会煤矿自动化专业委员会:,2007:3.

[9] 张志刚,王宪杰. 多通道高速数据采集故障录波装置[J]. 电测与仪表. 2002(03)

[10] 徐倩.数字化变电站故障录波系统的应用研究[D]. 河北：华北电力大学,2010

[11] 于洪泽. 基于DSP和FPGA的电网故障录波器的研制[D].哈尔滨工业大学,2013.7

[12] 杨博,张加宏,李敏,顾芳.基于ARM的多通道数据采集系统[J].仪表技术与传感器,2015(02):104-107.

[13] GiancarloColmenares,Fadi Halal,Marek B. Zaremba. Ant Colony Optimization for DataAcquisition Mission Planning[J]. Management and Production EngineeringReview,2014,5(2).

[14] Mohammad Arkani,Hossein Khalafi,NaserVosoughi. Development of An Embedded FPGA-Based Data Acquisition SystemDedicated to Zero Power Reactor Noise Experiments[J]. Metrology and MeasurementSystems,2014,21(3).

[15]Electric Power; Findings from Crompton Greaves Ltd. in the Area of ElectricPower Reported (Vector space representation of signals for transient signalanalysis in transformers and shunt reactor)[J]. Energy amp; EcologyBusiness,2016. 1．目的及意义

1.1 选题的背景和意义

随着电网规模日益扩大，就需要一个能够准确进行故障元件诊断、事故后数据分析、保护动作行为评价等功能完善的电网故障信息综合分析系统。这对于电力系统的安全可靠运行起着十分重要的作用。电力系统中,为了掌握电力设备在进行交接、大修及运行过程中的状态,需要对其相关电气量进行采集、分析和计算,其中暂态过程的电气参数尤为重要。并且目前的电力系统暂态保护和故障分析等方法也大多都是基于故障暂态电气量的分析。因此,电力暂态信号的采集与录波单元的研制有着十分重要的意义。

正常工作时,该单元根据采集数据判断系统是否发生故障、是否启动录波程序,记录故障前后的数据,并对其进行存盘、制表、画波形及计算有效值等操作。这为分析并解除系统事故提供了科学依据,对减少停电时间、提高供电可靠性和安全运行水平都极为重要。其在电力系统故障研究中的具体作用主要表现在以下几个方面

(1)正确分析事故的原因,制订反事故措施;(2) 正确评价继电保护和自动装置的工作;(3) 进行故障定位(4) 发现继电保护和自动装置的缺陷,便于改进和完善装置;(5) 发现一次设备缺陷,及时消除隐患;(6) 记录电力系统的振荡过程.

1.2电力系统录波单元发展现状分析