基于单片机的电力系统故障录波设计综述

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

1 绪论

1.1课题的背景与意义

企业变电所在企业生产有着重要的地位，保证变电所的安全、可靠的运行是十分必要的。随着计算机技术的发展，变电所的综合自动化监控系统开始逐渐在国内电力变电所使用，而企业变电所自动化监控刚起步，研究符合企业要求的变电所自动监控系统对企业安全生产有重要意义。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。

电力系统的调度自动化是电网安全稳定运行的重要保证，随着其自动化水平的不断提高以及通信等技术的加盟，促进了网络层的EMS（能量管理系统）、SCADA系统（数据采集及监视控制），厂站端的SOE（事件顺序记录）、PDR（事故追忆记录）等配套设施的不断出现和改进。多年来，电力系统自动故障记录已成为分析系统事故，特别是分析继电保护动作行为的重要依据。尤其是以微机为基础的故障录波装置，能够记录电网故障发生前后电气量和状态变化过程信息，完整地反映故障后的瞬间变化及继电保护的动作行为，并有数据存档和数据再分析的能力。而且，随着通信技术的介入，电网调度端可以随时收集分布于各个厂站的故障录波器的信息，这就是故障录波器联网系统[。到目前为止，各网（省）调已相继完成以实现全网故障录波数据远传为主要目标的联网工作。其目的非常明确：提高电力系统调度和运行的水平，提高处理电力系统事故的快速反应能力，确保电力系统安全可靠供电。从而，所有上述调度自动化配套设施，都为开发电网故障信息综合分析系统提供了广阔的平台。

基于以上分析，研究一种基于故障录波信息的调度端电网故障诊断系统，提出了“软保护”的诊断思想，实现了电网调度端的故障录波信息管理、电网层的故障元件诊断、以及双端测距等功能。

电力系统故障录波装置主要在变电站中用作记录和分析电网设备的故障，它长年投入运行，时刻监视着系统运行状况。正常情况下不启动录波，发生故障或振荡时则自动启动进行录波。一般可记录故障前几百毫秒，故障后几千毫秒时间段内的有关电气参量的变化全过程波形及继电保护的动作情况，在动态过程结束后又能自动停止记录。故障录波分析的主要意义有：正确分析事故的原因并研究对策；正确评价继电保护和自动装置的工作 ；了解系统运行情况，迅速正确地处理事故进行故障定位。

此外故障录波器不仅用于电网故障的诊断，在其他领域也有其他的应用，例如汽车行驶记录仪、大型电机运行状态监控和柴油发动机状态监控等，在油田、石化、钢铁、

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高速公路、铁路、地铁等系统外企业均得到广大应用。因此研究故障录波器具有很重要的意义。

1.2国内外故障录波装置的发展和研究现状

到 80 年代初故障录波技术只是停留在以光电转换为原理、胶片为记录载体, 还不能真正在电力系统故障时可靠的记录下数据。在 1982 年, 比利时电力系统发生重大故障, 因为没有可靠的故障记录分析依据, 造成严重损失。1984 年, 法国电力系统变压器发生爆炸导致法国 50% 以上地区处于黑暗之中, 同样因为缺少可靠的故障记录分析设备, 一年后仍未找出事故原因。自 80 年代中期以来, 随着计算机技术被引入继电保护领域, 国内外的故障录波技术便上了新的台阶, 在数据记录性能上有了很大提高, 基本解决了光电式故障录波器录波环节多、容量小、没有时标、无记忆能力、数据读取误差大等问题, 以具有记忆功能强、存储容量大、能进行故障记时、故障类型判别、故障参数和事件顺序记录、能实现数据远传和便于进行后台分析等特点, 故障录波器得到迅猛的发展。1980 年, 我国第一台超高压电网故障录波装置诞生; 1984 年, 我国第一台微机继电保护装置问世, 历经 10 余年, 微机型故障录波器已经完全取代了光电式录波器, 成为电网故障信息记录的主力, 在许多重大事故的调查和分析中发挥了重要作用。同 期国外出 现了以瑞 士 LEM、美国 Intelligent instrument s Inc 等为代表开发故障录波屏的国外公司。进入 90 年代, 在 1995 年英国CSD公司购买了中国研制开发的微机故障录波测距软件则开创了我国电力系统向国外出口软件技术的先例, 使中国电力科研成果真正走向了世界。

就国内录波器而言, 有以下一些问题:

( 1) 录波方式不一致, 全网各点录波器时间参照系不同, 不便于统一分析和统计查询。( 2) 数据的安全性仍难尽如人意。由于直流消失、连续故障、误操作等因素, 仍可能造成录波失败。( 3) 电网信息与保护及安自装置自身工作信息, 运行信息与故障信息, 线路信息与机组信息等分类不清, 定位不准。( 4) 数据输出方式简单, 交换接口层次多, 速率低, 规约不统一, 不便于组网、数据远传及综合分析。( 5) 与其他故障分析设备交换数据不方便。( 6) 在设计上, 未充分考虑故障录波的特点和需求。

国外的故障录波器一般采用分布式结构，标准模块设计，可以分散安装在开关柜或保护室内，通过通信网可以连到一台所级计算机或数据远传到调度中心。计算机配有通用分析软件包，可集中进行数据处理。但是国外产品的价格太高，使得在变电站中的普遍安装存在一定的经济问题，另外国外故障录波器需配置专门的故障分析软件，构建独立的录波网，投资大，技术要求高，不适合目前仍以集中组屏式结构为主，网络功能不健全的变电站系统订。

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1.3本课题的研究任务

本课题的主要研究内容有：

在熟悉课题、调研和收集资料的基础上，对设计课题进行可行性分析，提出能完成课题要求的各种系统组态方案，包括系统总体结构、系统输入/输出方式、数据处理方式、控制算法、处理器类型和系统的抗干扰措施等方案。我们结合本课题，针对目前故障录波器采样速率低，系统容量小的缺点提出了基于FPGA +C8051F120+USB的故障录波装置设计方案。

1、在比较和分析了国内外产品的长处和不足的基础上，结合本课题对录波器的要求和技术指标，提出了相应的系统设计方案。

2、进行高速采集输入的电压、电流、开关接点信号等电量，变换成数字信号后并存入数据存储器，及系统软件设计。

3、电源线路故障时，记录电压、电流的变化。

4、可显示对故障类型、故障时间和设备，可打印出故障波形曲线。

1．4本章小结

本章主要介绍了故障录波装置的研究背景和意义，并探讨了国内外故障录波装置的发展和研究现状，针对故障录波装置现有的一些缺点提出相应的解决方案，明确课题的研究任务。

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