基于DSP的故障录波及精确测距装置的研制
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摘要
故障录波器是电力系统发生故障及振荡时能自动记录的一种装置，它主要用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为，了解系统暂态过程中系统各电参量的变化规律，校核电力系统计算程序及模型参数的正确性。多年来，故障录波已成为分析系统故障的重要依据。故障测距是故障录波系统中的一个组成部分，精确的故障测距可以极大的缩短巡线时间，加快恢复供电，对电力系统安全和经济运行具有非常重要的意义。
本文参考了大量国内外微机故障录波装置的设计，针对国内普遍使用的故障录波装置采样不灵活、后台分析软件分析能力弱、故障测距结果不准等不足，设计了一种新的微机型故障录波及精确测距装置。本文详细介绍了该装置各个部分的结构及特点。
首先，第一章论述了本课题的目的和意义以及国内外目前在此方面的发展情况。第二章着重介绍了装置的硬件结构、软件设计方案及整体上的特点。
第三章详细介绍了装置数据采集部分的设计，包括基于DSP芯片TMS320C6713的高速数据采集卡的硬件结构、前置机与后位机的数据交换，软件设计框图及各个流程，以及如何实现在数据采集时动态地调整采样频率——对于电力系统正常运行状况和不正常运行状况采用不同的采样率——这样既节省了存储空间，又能保证分析故障时对数据采样率的要求。第四章详细介绍了装置之间及装置与调度中心之间的数据通讯的实现。通讯方法采用MODEM实现，编程工具采用流行的Visual C++6.0。
第五章叙述了本装置精确故障测距的功能，它具有精度高、鲁棒性强的特点。第六章初步分析了一种新的故障判别启动方法。它利用小波分析对突变信号的敏感性，采用对采集的数据进行小波变换后寻找奇异点的方法判别故障的发生。通过MATLAB中的小波工具箱对上叙方法进行的仿真表明了本方法的有效性。最后第七章对本文作了总结。
The fault-recorder is the device that can record data when fault or oscillation happens in the power system. It mainly used to check the action of relay protection and automation safety device and find out the rule of many electric parameters' changing in order to verify the calculating programs & parameters of model in power system. The fault-recorder has already become an important method of fault analysis. Fault location is a very significant part of the fault-recorder. Precise fault location can save a lot of time using to find fault point and resume supply of electricity. It is significant to safe and economic operation of power system.
There are some deficiencies in domestic fault-recorders such as fixed sampling rate, poor ability of fault analysis, imprecise fault location, etc. A new project of the fault-recorder based on DSP is introduced in this paper.
Above all, the purpose of this subject is presented in Chapter 1. An introduction of the hardware & software construction and its features is given in the Chapter 2. The design of data sampling of the device is detailedly presented in chapter 3, including the hardware of data sampling card based on DSP TMS320C6713, data transmission between PC and DSP, The design of programming, and how to change sampling rate automatically-this method not only save the memory but also meet the need of sampling rate when analyzing. A way how to realize data transmission between devices or device and administering center is provide in Chapter 4. The data transmission depends on MODEM. The programming tool is VC++ 6.0.
The accurate fault location function is described in the Chapter 5. The fault location has high accuracy and robustness. The preliminary analysis of a new judgment of fault starter is proposed in the Chapter 6. The wavelet transform is used for fault starter. The results of digital simulation show that the wavelet transform is the effective method for fault starter.
本文参考了大量国内外微机故障录波装置的设计，针对国内普遍使用的故障录波装置采样不灵活、后台分析软件分析能力弱、故障测距结果不准等不足，设计了一种新的微机型故障录波及精确测距装置。本文详细介绍了该装置各个部分的结构及特点。
首先，第一章论述了本课题的目的和意义以及国内外目前在此方面的发展情况。第二章着重介绍了装置的硬件结构、软件设计方案及整体上的特点。
第三章详细介绍了装置数据采集部分的设计，包括基于DSP芯片TMS320C6713的高速数据采集卡的硬件结构、前置机与后位机的数据交换，软件设计框图及各个流程，以及如何实现在数据采集时动态地调整采样频率——对于电力系统正常运行状况和不正常运行状况采用不同的采样率——这样既节省了存储空间，又能保证分析故障时对数据采样率的要求。第四章详细介绍了装置之间及装置与调度中心之间的数据通讯的实现。通讯方法采用MODEM实现，编程工具采用流行的Visual C++6.0。
第五章叙述了本装置精确故障测距的功能，它具有精度高、鲁棒性强的特点。第六章初步分析了一种新的故障判别启动方法。它利用小波分析对突变信号的敏感性，采用对采集的数据进行小波变换后寻找奇异点的方法判别故障的发生。通过MATLAB中的小波工具箱对上叙方法进行的仿真表明了本方法的有效性。最后第七章对本文作了总结。
The fault-recorder is the device that can record data when fault or oscillation happens in the power system. It mainly used to check the action of relay protection and automation safety device and find out the rule of many electric parameters' changing in order to verify the calculating programs & parameters of model in power system. The fault-recorder has already become an important method of fault analysis. Fault location is a very significant part of the fault-recorder. Precise fault location can save a lot of time using to find fault point and resume supply of electricity. It is significant to safe and economic operation of power system.
There are some deficiencies in domestic fault-recorders such as fixed sampling rate, poor ability of fault analysis, imprecise fault location, etc. A new project of the fault-recorder based on DSP is introduced in this paper.
Above all, the purpose of this subject is presented in Chapter 1. An introduction of the hardware & software construction and its features is given in the Chapter 2. The design of data sampling of the device is detailedly presented in chapter 3, including the hardware of data sampling card based on DSP TMS320C6713, data transmission between PC and DSP, The design of programming, and how to change sampling rate automatically-this method not only save the memory but also meet the need of sampling rate when analyzing. A way how to realize data transmission between devices or device and administering center is provide in Chapter 4. The data transmission depends on MODEM. The programming tool is VC++ 6.0.
The accurate fault location function is described in the Chapter 5. The fault location has high accuracy and robustness. The preliminary analysis of a new judgment of fault starter is proposed in the Chapter 6. The wavelet transform is used for fault starter. The results of digital simulation show that the wavelet transform is the effective method for fault starter.
引文
1．中华人民共和国电力行业标准《DL／T533-94 220～500kV电力系统故障动态记录技术准则》
2．骆健，丁网林，唐涛，“国内外故障录波器的比较”，电力自动化设备，2001，21(7)，27～31
3．锁小军，孙超图，“故障录波器简析”．陕西水力发电，2000，16(1)，32～35
4．孙淑东，“电力系统故障录波装置使用中的几个问题”，继电器，2000，28(8)，59～61
5．赵自刚，赵春雷，“国产故障录波器现状分析及新型录波器展望”，电网技术，1999，23(3)，44～47
6．夏芳，刘沛，“变电站微机型故障录波装置设计方案”，继电器，2000，28(3)，40～43
7．李连昌，“微机型故障录波器综述”，电力情报，1996，No．1，11～12
8．王皞．徐强．康恩婷，“WGL-300微机故障录波器”，电力情报，2000，No．3，49～51
9．卢小芬．“电力系统故障录波器的功能研究”，泉州师专学报(自然科学)，2000，18(1)，7～9
10．曾祥君，尹项根，陈浩等，“GPS同步暂态录波仪的研制”，高电压技术，2000，26(2)，56～58
11．张奕波，刘正国，“GZL-1故障录波仪及测距装置的设计”，上海第二工业大学学报，1999 No．2，61～71
12．梁合庆，“变电站综合自动化中的故障录波装置”，变电站综合自动化研讨会论文集，1995，201～202
13．苏宏勋，曹全喜，白菊花，“故障录波器现状及一种新方案的探悉”，继电器，1997，25(6)，33～38
14．郝琳娜，张新国，焦彦军，董柱，王哲等，“以太网在变电站微机型故障录波器中的应用”，中国电力，2002，35(5)，45～47
15．张承学，龚庆武，胡志坚等．“基于GPS同步采样装置的研制及其应用”，电力系统自动化，2000，24(10)，49～52
16．徐芳，龚庆武，陈允平，“GPS及其在电力系统中的应用”，华北电力技术，1996．6
17．陈青等．“全球卫星定位系统(GPS)在电力系统中的应用”，山东电力技术，1995．3
18．徐丙银等，“接收GPS卫星信号的电力系统同步时钟”，电力系统自动化，1995．3
19．高厚磊，贺家李，“基于GPS的同步采样及在保护与控制中的应用”，电网技术，1995．7
20．刘韬文，龚庆武，龙志君，“基于GPS的输电线路故障精确定位装置的研究”，电力建设，2002．5
21．张承学，龚庆武，胡志坚等，“基于GPS同步采样装置的研制及其应用”，电力系统自动化，2000，24(1)，45～47
22．苏进喜，解子凤等，“基于GPS的新型输电线路故障定位装置的研制”，电网技术，1999，23(6)
23．吕虎，钟岷秀等，“基于GPS授时同步采样的输电线路故障定位”，电力系统自动化，22(8)，1998．8
24．王幸之等．《单片机应用系统抗干扰技术》，北京航空航天大学出版社，1999
25．全玉生，杨敏中，王晓蓉等，“高压架空输电线路的故障测距方法”，电网技术，2000，24(4)，27～33
26．董新洲．葛耀中，“一种使用两端电气量的高压输电线路故障测距算法”，电力系统自动化，1995，19(8)，47～53
27．董新洲，葛耀中，徐丙垠，“利用GPS的输电线路行波故障测距研究”，电力系统自动化，1996，20(12)，37～40
28．肖东辉，刘沛，“架空线路故障测距方法综述”，电力系统自动化，1993，17(8)，46～56
29．胡帆，刘沛等，“高压输电线路故障测距算法仿真研究”，中国电机工程学报，1995．1
30．林湘宁，刘沛等，“基于故障电流暂态分量的测距研究”，电力系统自动化，2002，26(3)，45～50
31．吴必信，陈冬菊，“综述单端故障测距算法(一)”，电力自动化设备，1995，8(3)，30～34
32．吴必信，王玉秋，“综述单端故障测距算法(二)”，电力自动化设备，1995，11(4)，23～25
33．吴必信，“综述单端故障测距算法(三)”，电力自动化设备，1996，2(1)，15～19
34．任丽香，《TMS320C6000系列DSPs的原理与应用》，电子工业出版社，2000
35. "TMS320C6713 FLOATING-POINT DIGITAL SIGNAL PROCESSOR", Texas Instrument, 2003
36. "TMS320C6000: Board Design for JTAG", Texas Instrument, 2002
37. "TMS320C6000 EMIF to External Flash Memory", Texas Instrument, 2002
38. "TMS320C6000 EMIF-to-External SDRAM Interface", Texas Instrument, 2001
39. "TMS320C6000 Peripherals Reference Guide", Texas Instrument, 2001
40. "ADS7864 data sheet", Texas Instrument, 2000
41. "AM29LV160D data sheet", AMD, 2000
42. "MT48LC8M16A2 data sheet", Micron, 2003
43. "PCI2040 Implementation Guide", Texas Instrument, 1999
44. "PCI2040 PCI-DSP Bridge Controller data manual", Texas Instrument, 1999
45．龚庆武，雷庆生，王志梅，陈允平，“采用输电线路双端信号的故障精确定位系统”继电器，1999，27(6)
46．龚庆武，输电线路精确故障定位理论研究及其实现(博士论文)，2002．10
47．刘靖，故障录波装置的研制(硕士论文)，2003．5
48．韩祯祥，吴国炎，电力系统分析，浙江大学出版社，1993
49．崔锦泰著，程正兴译，《小波分析导论》西安交通大学出版社，1997
50．胡昌华，《基于MATLAB的系统分析与设计——小波分析》西安电子科技大学出版社，1999
51．汤福生，《小波变换的工程分析与应用》科学出版社，1998
52．程正兴，《小波分析算法与应用》西安交通大学出版社，1999
53．张贤达，《现代信号处理》清华大学出版社，1995
54．艾永乐，王福忠，董爱华，蹇永良，“小波奇异性检测理论在电力系统继电保护装置故障诊断中的应用”焦作工学院学报(自然科学版)，2001，20(1)，70～74
55．杨晓敏，李红艳．王艳丽，“用小波原理构成继电保护启动元件的研究”电力自动化设备，1999，19(4)，11～13
56．杨晓敏，胡起宙，卢健，“小波分析在线路保护中应用的可行性研究”华北电力技术，1999．NO．8，52～54
57．葛耀中，“小波变换与继电保护技术”继电器，1998，26(4)，1～6
58．赵晓坦，苏鹏声，“离散序列小波变换在微机继电保护中的应用”继电器，2002，30(10)，37～40
59．董新州，“故障信息 小波变换与继电保护”中国电力，2001，34(12)，22～26
2．骆健，丁网林，唐涛，“国内外故障录波器的比较”，电力自动化设备，2001，21(7)，27～31
3．锁小军，孙超图，“故障录波器简析”．陕西水力发电，2000，16(1)，32～35
4．孙淑东，“电力系统故障录波装置使用中的几个问题”，继电器，2000，28(8)，59～61
5．赵自刚，赵春雷，“国产故障录波器现状分析及新型录波器展望”，电网技术，1999，23(3)，44～47
6．夏芳，刘沛，“变电站微机型故障录波装置设计方案”，继电器，2000，28(3)，40～43
7．李连昌，“微机型故障录波器综述”，电力情报，1996，No．1，11～12
8．王皞．徐强．康恩婷，“WGL-300微机故障录波器”，电力情报，2000，No．3，49～51
9．卢小芬．“电力系统故障录波器的功能研究”，泉州师专学报(自然科学)，2000，18(1)，7～9
10．曾祥君，尹项根，陈浩等，“GPS同步暂态录波仪的研制”，高电压技术，2000，26(2)，56～58
11．张奕波，刘正国，“GZL-1故障录波仪及测距装置的设计”，上海第二工业大学学报，1999 No．2，61～71
12．梁合庆，“变电站综合自动化中的故障录波装置”，变电站综合自动化研讨会论文集，1995，201～202
13．苏宏勋，曹全喜，白菊花，“故障录波器现状及一种新方案的探悉”，继电器，1997，25(6)，33～38
14．郝琳娜，张新国，焦彦军，董柱，王哲等，“以太网在变电站微机型故障录波器中的应用”，中国电力，2002，35(5)，45～47
15．张承学，龚庆武，胡志坚等．“基于GPS同步采样装置的研制及其应用”，电力系统自动化，2000，24(10)，49～52
16．徐芳，龚庆武，陈允平，“GPS及其在电力系统中的应用”，华北电力技术，1996．6
17．陈青等．“全球卫星定位系统(GPS)在电力系统中的应用”，山东电力技术，1995．3
18．徐丙银等，“接收GPS卫星信号的电力系统同步时钟”，电力系统自动化，1995．3
19．高厚磊，贺家李，“基于GPS的同步采样及在保护与控制中的应用”，电网技术，1995．7
20．刘韬文，龚庆武，龙志君，“基于GPS的输电线路故障精确定位装置的研究”，电力建设，2002．5
21．张承学，龚庆武，胡志坚等，“基于GPS同步采样装置的研制及其应用”，电力系统自动化，2000，24(1)，45～47
22．苏进喜，解子凤等，“基于GPS的新型输电线路故障定位装置的研制”，电网技术，1999，23(6)
23．吕虎，钟岷秀等，“基于GPS授时同步采样的输电线路故障定位”，电力系统自动化，22(8)，1998．8
24．王幸之等．《单片机应用系统抗干扰技术》，北京航空航天大学出版社，1999
25．全玉生，杨敏中，王晓蓉等，“高压架空输电线路的故障测距方法”，电网技术，2000，24(4)，27～33
26．董新洲．葛耀中，“一种使用两端电气量的高压输电线路故障测距算法”，电力系统自动化，1995，19(8)，47～53
27．董新洲，葛耀中，徐丙垠，“利用GPS的输电线路行波故障测距研究”，电力系统自动化，1996，20(12)，37～40
28．肖东辉，刘沛，“架空线路故障测距方法综述”，电力系统自动化，1993，17(8)，46～56
29．胡帆，刘沛等，“高压输电线路故障测距算法仿真研究”，中国电机工程学报，1995．1
30．林湘宁，刘沛等，“基于故障电流暂态分量的测距研究”，电力系统自动化，2002，26(3)，45～50
31．吴必信，陈冬菊，“综述单端故障测距算法(一)”，电力自动化设备，1995，8(3)，30～34
32．吴必信，王玉秋，“综述单端故障测距算法(二)”，电力自动化设备，1995，11(4)，23～25
33．吴必信，“综述单端故障测距算法(三)”，电力自动化设备，1996，2(1)，15～19
34．任丽香，《TMS320C6000系列DSPs的原理与应用》，电子工业出版社，2000
35. "TMS320C6713 FLOATING-POINT DIGITAL SIGNAL PROCESSOR", Texas Instrument, 2003
36. "TMS320C6000: Board Design for JTAG", Texas Instrument, 2002
37. "TMS320C6000 EMIF to External Flash Memory", Texas Instrument, 2002
38. "TMS320C6000 EMIF-to-External SDRAM Interface", Texas Instrument, 2001
39. "TMS320C6000 Peripherals Reference Guide", Texas Instrument, 2001
40. "ADS7864 data sheet", Texas Instrument, 2000
41. "AM29LV160D data sheet", AMD, 2000
42. "MT48LC8M16A2 data sheet", Micron, 2003
43. "PCI2040 Implementation Guide", Texas Instrument, 1999
44. "PCI2040 PCI-DSP Bridge Controller data manual", Texas Instrument, 1999
45．龚庆武，雷庆生，王志梅，陈允平，“采用输电线路双端信号的故障精确定位系统”继电器，1999，27(6)
46．龚庆武，输电线路精确故障定位理论研究及其实现(博士论文)，2002．10
47．刘靖，故障录波装置的研制(硕士论文)，2003．5
48．韩祯祥，吴国炎，电力系统分析，浙江大学出版社，1993
49．崔锦泰著，程正兴译，《小波分析导论》西安交通大学出版社，1997
50．胡昌华，《基于MATLAB的系统分析与设计——小波分析》西安电子科技大学出版社，1999
51．汤福生，《小波变换的工程分析与应用》科学出版社，1998
52．程正兴，《小波分析算法与应用》西安交通大学出版社，1999
53．张贤达，《现代信号处理》清华大学出版社，1995
54．艾永乐，王福忠，董爱华，蹇永良，“小波奇异性检测理论在电力系统继电保护装置故障诊断中的应用”焦作工学院学报(自然科学版)，2001，20(1)，70～74
55．杨晓敏，李红艳．王艳丽，“用小波原理构成继电保护启动元件的研究”电力自动化设备，1999，19(4)，11～13
56．杨晓敏，胡起宙，卢健，“小波分析在线路保护中应用的可行性研究”华北电力技术，1999．NO．8，52～54
57．葛耀中，“小波变换与继电保护技术”继电器，1998，26(4)，1～6
58．赵晓坦，苏鹏声，“离散序列小波变换在微机继电保护中的应用”继电器，2002，30(10)，37～40
59．董新州，“故障信息 小波变换与继电保护”中国电力，2001，34(12)，22～26