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(shè)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(shè)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(shè)備可以分為兩類。一類是獨立于電力設(shè)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(shè)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(shè)備自身的硬件基礎(chǔ)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(shù)和自動化技術(shù)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(shè)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(shè)備的工作性能[4-7]。

電能治理設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)

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(yīng)用[8-9]。因此,可以將安全數(shù)字儲存卡作為設(shè)備故障錄波的存儲介質(zhì),將錄波功能集成至電能治理設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 故障錄波方案控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

安全數(shù)字儲存卡通過串行外設(shè)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(shè)置和數(shù)據(jù)顯示功能。控制板上配置有時鐘芯片,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(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(shù)人員現(xiàn)場調(diào)試的麻煩,又可以方便進行格式轉(zhuǎn)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(yīng)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(jié)構(gòu)見表1。實現(xiàn)設(shè)備故障錄波功能,在FAT32格式文件中相關(guān)的區(qū)域填入各種對應(yīng)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(shù)人員可以在計算機上進行各種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)波形、設(shè)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)。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(shè)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(jié)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(shè)備的一種,這一類電力電子設(shè)備通常有較高的實時控制要求。在數(shù)字信號處理器中通?？刹捎媚?shù)轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)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(shè)備的主體控制程序。試驗結(jié)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。