ZH3嵌入式电力故障录波分析装置技术说明书V20Word文档格式.docx
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5安装调试27
5.1装置的端子布置27
5.2装置安装及调试27
5.3装置检查28
1概述
1.1应用范围
ZH-3嵌入式电力故障录波分析装置是采用先进的DSP与32位嵌入式CPU,结合高性能的嵌入式实时操作系统VxWorks而设计的,适应电力系统发展需求的嵌入式电力故障录波分析装置。
1.2技术特点
1.录波单元信号采集与启动计算采用单DSP构架,摒弃多DSP结构,由1片DSP即可实现80路模拟量,160路开关量的接入;
同时采用新型电路结构和96000门大规模可编程逻辑器件,集成度高,抗干扰能力强,系统运行稳定。
2.32位高速浮点数字信号处理器(DSP),16位A/D,采样速率10kHz可调,谐波分辨率≤99次,开关事件分辨率0.1ms;
3.录波单元运行在高性能实时嵌入式操作系统VxWorks下,系统稳定、可靠,实时性好;
4.录波数据三存储:
录波数据分别由DSP、32位CPU和管理机存储在3个地方,大大地提高了数据的安全性;
5.数据记录采用A-B-C段方式,A、B、C段全部采用采样值记录,摒弃了传统的D、E低采样率和有效值记录段,从而全部数据可以进行相量图分析和阻抗分析,大大地提高了数据的可用性;
6.支持长时间连续纪录,装置能以1KHz的采样值连续记录,记录数据以7天为周期刷新,数据保持时间只受通道数和存储器容量限制,摒弃了传统的一周波一个点的有效值慢扫描记录;
7.不定长动态录波和故障测距,金属性短路的测距精度优于2%;
8.启动判据种类齐全,在各种短路、接地故障和其它异常工况下灵敏启动录波;
9.强大的计算和分析能力(电压、电流的幅值、峰值、有效值、频率计算,有功、无功功率计算,功角、相角测量,相量、序量和谐波分析);
10.公式编辑器可生成各种电量及其导出量的波形图,并可动态观察其随时间变化的轨迹,真实地再现故障全过程;
11.支持多种对时方式,包括接点脉冲对时、IRIG-B码对时、串口对时、网络对时等,并支持对时方式组合及双向对时;
12.录波单元可完全脱离管理机独立工作,可独立接入信息子站和调度;
一台录波管理机最多可同时管理64台录波单元;
13.录波数据格式自动转换,可转出COMTRADE1999版或COMTRADE1991版;
14.先进的抗干扰设计:
采用6层PCB、SMD和软件容错技术,抗干扰能力达到GB/T14598规定的严酷等级为Ⅳ级标准。
1.3装置遵循标准
ZH-3嵌入式电力故障录波分析装置,符合以下主要标准:
DL/T873-2004:
《微机型发电机变压器组动态记录装置技术条件》
DL/T478-2001:
《静态继电保护及安全自动装置通用技术条件》
DL/T663-1999:
《220~500KV电力系统故障动态记录装置检验测试要求》
DL/T553-94:
《220~500KV电力系统故障动态记录技术准则》
IEC60255-24:
2001:
《电气继电器第24部分:
电力系统暂态数据交换(COMTRADE)的通用格式》
2技术指标
2.1输入信号
1)装置可接入32~80路模拟量、64~160路开关量,模拟量以16路为一组和开关量以32路为一组可以随意配置,没有比例限制;
2)交流额定电压(PT二次侧电压侧):
57.7V,50Hz;
3)交流额定电流(CT二次侧电流):
1A或5A,50Hz;
4)模拟量线性工作范围:
交流电压回路:
0.05V~180V(相电压回路),0.05V~300V(开口三角电压回路);
交流电流回路:
0.01In~36In(In电流额定值);
直流电压回路:
0.05V~600V;
耐压可根据用户要求设计。
直流电流回路:
0.01mA~20mA;
5)过载能力:
3倍额定电压,连续工作;
2倍额定电流,连续工作;
20倍额定电流工作10s,40倍额定电流工作1s。
2.2采样指标
1)采样速率1~10kHz可调;
2)最大谐波分辨率99次;
3)开关事件分辨率0.1ms;
4)25℃时,额定值下的电流、电压波形采样精度优于±
0.3%;
5)25℃时,额定值下的各路电压、电流之间的有效值测量相对误差小于±
0.5%;
6)有功功率、无功功率、视在功率测量误差不超过±
0.5%;
7)装置的各路交流电压、交流电流相互之间的相位测量误差≤1°
;
8)温度从-20℃至60℃的变化引起的误差不超过满刻度的±
1.0%;
9)采用自适应技术调整零漂。
2.3信号处理
1)32位高速浮点DSP+32位嵌入式CPU;
2)16位A/D
2.4时钟及同步精度
1)具有三种对时方式:
硬件脉冲对时,软件串口对时,IRIG-B码对时;
2)同步时钟精度≤10s;
IRIG-B及脉冲方式≤-1s;
3)装置自身时钟精度24h,误差≤±
1s;
2.5录波数据记录方式
采用A-B-C段记录方式,各时段记录时间可调,采样频率可设,且全部为瞬时采样值,最低采样率为1000Hz。
2.6录波管理机
录波管理机采用高性能低功耗的嵌入式一体化工控机,CPU≥1.0G,硬盘≥120G,
内存≥256M,采用工业级12.1TFT液晶显示器。
2.7录波单元
录波单元最大可接入80路模拟量和160路开关量,DSP配有512M固态盘,嵌入式32位CPU配备80G硬盘作为存储介质。
2.8同步三存储
故障数据分别由录波单元中DSP上的固态盘、嵌入式32位CPU的硬盘、录波管理机上的硬盘三个存储介质同时存储,确保录波数据的安全性。
2.9启动精度
1
相电压突变量启动
整定范围
0.03—0.2Un
整定精度
不大于5%
2
零序电压突变量启动
0.03—0.2Un
3
正序电压越限启动
1.05—1.3Un
不大于2%
4
负序电压越限启动
0.02—0.2Un
不大于2%
5
零序电压越限启动
6
频率越限启动
50.2—52Hz
不大于0.001Hz
7
频率变化率启动
0.01—10Hz/s
不大于0.005Hz/s
8
1.5s内电流变差10%启动
0.05—0.3In
不大于3%
11
相电流突变量启动
0.02—0.3In
不大于5%
12
相电流越限启动
0.5—1.3In
13
零序电流突变量启动
14
零序电流越限启动
15
负序电流越限启动
0.05—0.3In
2.10参数整定方式
1)在线修改:
录波器在线运行时,可直接修改运行定值及参数;
2)远传修改:
上级管理部门可通过远传修改;
2.11抗电磁干扰能力
1)能承受GB/T14598.9规定的严酷等级为III级的辐射电磁场干扰;
2)能承受GB/T14598.10规定的严酷等级为Ⅳ级的快速瞬变干扰;
3)能承受GB/T14598.13规定的严酷等级为III级的脉冲群干扰;
4)能承受GB/T14598.14规定的严酷等级为Ⅳ级的静电放电干扰。
2.12通讯
支持标准TCP/IP协议和IEC870-5-103规约。
1)通讯方式:
通过以太网,与故障信息管理系统联网;
通过以太网或RS-232接口、调制解调器、电话交换网与多级调度联网;
2)通讯速率:
电话拔号时线路通讯速率最高可达56kbps,实际通讯速率与通讯线路质量和Modem有关;
以太网通讯速率为10/100M。
2.13供电电源
1)交流电源:
额定电压:
单相220V,允许偏差-20%~+15%,频率50Hz,允许偏差3Hz;
2)直流电源:
额定电压:
220V、110V,允许偏差-20%~+15%,纹波系数:
≤5%;
2.14外形尺寸及颜色
1)外形尺寸(高宽深):
2260mm800mm600mm;
2260mm800mm800mm;
2360mm800mm600mm;
2)颜色:
按用户要求定制。
3工作原理
3.1总体结构
ZH-3嵌入式电力故障录波分析装置主要由录波单元和录波管理机组成,录波单元由一块高性能32位浮点DSP板和一块32位嵌入式CPU板构成,32位嵌入式CPU上运行嵌入式实时操作系统VxWorks,录波单元与录波管理机之间由以太网联接,系统结构图如下:
图3.1.1系统结构图
DSP板上有64M内存,512M标配的Flash,DSP板完成数据采集、启动判别、录波数据传输等功能,它将故障数据存储在Flash中,Flash为录波数据的第一级存储,同时通过高速以太网以点对点方式将故障数据传送到嵌入式32位CPU板。
嵌入式CPU板上有标配的512M内存和80G硬盘,它作为录波数据的第二级存储。
嵌入式CPU板上运行嵌入式实时操作系统VxWorks,它完成录波数据的存储、通信、分析、打印和定值设置等功能。
录波单元无需录波管理机的支持即可以作为一个独立的录波装置使用,它提供以下接口输出:
◆一个标准的RS232串行口
◆一个RS232/422/485可选串行口
◆一个标准的打印并行口
◆三个独立的以太网口
录波单元与录波管理机配合使用,可以使录波数据具备第三级存储,录波管理机使用高性能低功耗的P-III工控机,采用12.1〞TFT液晶显示器,CPU主频>
1GHz,内存≥256M,硬盘≥80G,运行Windows2000/XP操作系统,使用SQLServer2000数据库。
录波单元与录波管理机之间通过以太网交换机相连,以太网交换机扩充的网口可以供本地监控接入,或提供给故障信息子站接入。
录波单元提供的另外两个独立网口可以提供给多级调度使用,也可以用来接入故障信息子站。
3.1.1组屏方式
在组屏时,录波单元与录波管理机可以一一对应,也可以用一台录波管理机接入多个录波单元实现集散式结构。
由于录波单元与录波管理机都提供的是标准的以太网接口,用户也可以根据自己的需要选择接入方式。
如图3.1.2所示为ZH-3嵌入式电力故障录波分析装置的组屏图,屏柜内装有一个5U19〞录波单元主机箱、一个6U19〞管理机机箱、一个4U19〞传感器机箱、一台以太网交换机、一台80列打印机和一台Modem。
录波单元主机箱内含高性能32位高速浮点DSP+32位嵌入式CPU组成的录波单元。
管理机机箱内含一台高性能工控机和12.1〞TFT液晶显示器,录波单元主机箱机箱为封闭式背插结构,操作方便并提高了抗电磁干扰能力。
传感器机箱由PT、CT和直流电压/电流隔离变送器板组成。
装置的所有组成部分安装在一个标准机柜内,机柜为全封闭结构,在机柜前面设有密封玻璃门。
装置的进出线由柜底进出,柜内两侧端子排接模拟量、开关量、告警信号、对时信号及电源输入等,详见屏后端子排图。
图3.1.2ZH-3嵌入式电力故障录波分析装置组屏示意图
3.2装置硬件原理
3.2.1录波单元原理
录波单元由一片32bit高速浮点数字处理器(DSP)和一片32位嵌入式CPU组成,一片DSP实现多达80路模拟量和160路开关量的接入,完成信号的采集、启动计算、启动判断及数据传输。
DSP从FPGA读取采样数据和时标,保存于动态存储器SDRAM中,并将数据打包后传输给CPU。
录波单元中高速32bit浮点CPU运行高可靠性的实时操作系统VxWorks,实现故障录波的管理和控制以及对外通讯等功能,其结构框图如下:
图3.2.1录波单元结构框图
3.2.2数字信号处理器原理
DSP采用ADI,Inc.公司的高性能嵌入式处理器SHARCADSP,为增强型HARVARD结构,指令周期仅为10ns,其内部具有2个并行运算单元,1个协处理器,峰值运算能力为600MFLOPS。
装置采用一片DSP完成80路模拟量和160路开关量信号采集和处理,摒弃了多DSP的结构,避免了多DSP系统的DSP之间的同步控制要求,提高了系统运行的可靠性。
SHARCADSP内部结构图如下:
图3.2.2:
32位浮点DSP结构图
3.2.3录波数据存储原理
录波数据的存储是系统关键技术之一,本系统中采用独创的录波数据同步三存储技术。
第一级是将录波数据存储在ADSP板载的大容量FLASH存储器内;
第二级是将录波数据存储在32位嵌入式CPU板上配置的大容量CF卡(选配)或微硬盘内;
第三级存储是将录波数据存储在管理机配置的大容量硬盘内,录波三存储数据流图如下:
3.2.4信号采集原理
装置设计的信号采集速率不低于10000次/秒,每通道采用独立ADC,由FPGA控制控制各通道的转换,将转换结果保存到FPGA内部RAM中,在转换完成后启动高速DMA数据传送。
图3.2.4信号采集系统结构
3.3装置软件原理
ZH-3嵌入式电力故障录波分析装置的软件系统包括三个完全独立的子系统,即录波单元中的DSP软件系统、嵌入式软件系统和录波管理机软件系统。
3.3.1DSP程序设计
DSP软件主要分为3个部分:
(1)初始化流程;
(2)主程序流程;
(3)中断服务程序流程。
1)初始化流程:
进行系统的初始化,并进行上电后的首次自诊断。
2)主程序流程:
进行与CPU的通讯建立,接收CPU的命令,传送实时波形数据和故障录波数据。
3)中断服务程序流程
中断服务过程主要实现数据测采集和实时故障判据算法、GPS对时控制、录波控制等等。
3.3.2VxWorks程序设计
32位CPU运行在嵌入式实时多任务操作系统VxWorks下,它由录波中断控制任务、录波数据记录、运行日志记录、格式转换服务、通信服务、用户安全保密管理、存储器管理、调试信息服务、定值管理、配线管理等多个并行子任务和模块组成。
软件系统的结构如图3.3.1所示:
图3.3.1录波单元软件系统结构图
VxWorks操作系统是美国WindRiver公司设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS),是嵌入式开发环境的关键组成部分。
它以其良好的持续发展能力、高性能的内核、良好的可靠性、卓越的实时性、以及友好的用户开发环境,在嵌入式实时操作系统领域占据领先地位,被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求高的领域中,如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。
在美国的F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上,甚至火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。
3.3.3管理机程序设计
录波管理机子系统运行在Windows2000Server操作系统下,使用MSSQLServer2000数据库管理平台,它由主控界面、定值设置、配线编辑、波形分析显示、波形打印、数据库管理、发电机特性试验、调试信息浏览、实时监测、以太网通信代理等模块组成。
录波管理机提供对录波单元的操作、维护、管理界面等功能,各个模块互相配合,组成一个统一工作的整体。
录波管理机软件系统的结构如图3.3.2所示:
图3.3.2录波管理机软件系统结构图
4功能设计
ZH-3嵌入式电力录波分析装置主要功能有:
暂态录波功能、实时监测功能、波形分析功能、保护动作特性分析功能、连续稳态记录功能、通信功能、实验功能等。
4.1暂态录波功能
当系统发生大扰动时,启动录波,记录系统发生大扰动前后各输入量(电流、电压、直流量、开关状态等)的变化过程,记录系统发生大扰动的时刻:
年、月、日、时、分、秒、毫秒。
4.1.1录波数据采样及记录方式
数据记录采用A-B-C段方式,A、B、C段全部采用采样值记录,摒弃了传统的D、E低采样率和有效值记录段,大大地提高了数据的可分析性;
模拟量采样及记录方式如下图所示:
A时段:
系统大扰动开始前的状态数据,记录时间为40ms~1000ms可调,采样频率10kHz、5kHz、2kHz、1kHz可设。
B时段:
系统大扰动后初期的状态数据,记录时间400ms~10s可调,采样频率同A段。
C时段:
系统大扰动后中期的状态数据,记录时间最大可设600s,如故障不消失,则可一直持续录波。
采样频率1kHz。
图4.1.1模拟量数据记录时段顺序
4.1.2不定长录波的实现
1)非振荡故障启动
a)第一次启动;
b)有且仅有一次故障,按A→B→C顺序录波;
除A、B段外,如果正在录波又出现一次启动,则录波立即回到S点重新开始A→B→C顺序录波。
2)自动终止记录条件
同时符合如下条件时,则自动停止记录:
a)记录时间>3s;
b)所有启动量全部复归。
4.2启动量及定值
除高频信号外,所有信号均可作为起动量并可起动录波:
1)相电压和零序电压突变量起动;
2)正序电压过/欠限、负序和零序电压越限起动;
3)频率越限起动;
4)主变中性点电流越限起动;
5)电流变差起动;
6)相电流突变量起动;
7)相电流、负序电流、零序电流越限起动;
8)开关量变位起动;
9)长期低电压、低频率起动;
10)手动、远方起动。
4.2.1启动定值
定值整定及推荐值如下:
交流电压
名称
单位
出厂推荐值
备注
V
(3%~20%)Un
8%Un
相电压高越限启动
(105%~130%)Un
115%Un
相电压低越限启动
80%Un~95%Un
90%Un
(3%~20%)3U0n
8%(3U0n)
开口三角电压
零序电压高越限启动
(1%~20%)3U0n
10%3U0n
开口三角电压
电压正序高越限启动
电压正序低越限启动
0.90%Un
电压负序越限启动
自产零序电压越限启动
3(1%~20%)Un
310%Un
自产3U0
自产零序电压突变启动
3(3%~20%)Un
38%(3U0n)
自产3U0
电压3次谐波越限启动
1%~100%
30%基波有效值
交流电流
A
2%In~30%In
8%In
相电流高越限启动
(50%~130%)In
110%In
相电流1.5秒内电流变差启动
5%~100%
20%
零序电流突变启动
零序电流高越限启动
10%In
零序电流1.5秒内电流变差启动
%
电流负序越限启动
自产零序电流越限启动
3(2%In~30%)In
310%In
自产3I0
自产零序电流突变启动
38%In
直流通道
直流突变量启动
(5%~40%)Zn
20%Udn
直流高越限启动
(105%~140%)Zn
120%Udn
直流低越限启动
(70%~95%)Zn
80%Udn
频率启动定值
电压频率突变量启动
0.1Hz
0.01Hz~50Hz
电压频率高越限启动
50.5Hz
5Hz~150Hz
电压频率低越限启动
49.5Hz
开关量
判启动
4.3系统实时监测
4.3.1波形实时监测
可实时监测接入装置的交流电压、电流,直流电压、电流波形及开关量状态,及交流电压、电流基波有效值及相角,并可在一、二次值间相互切换。
4.3.2相量图实时监测
从所有交流模拟量通道中任意选取1~8个交流量显示其相量图,固定以第一个相量相位为基准(相位为0),其它相量以它为参考,按相对于基准相量的相位进行绘制,并显示相量的有效值和相角。
图4.3.1相量图监测
4.3.3序量实时监测
可任选三相电压或三相电流,实时显示正序、负序、零序有效值和相角。
4.3.4功率实时监测
选择三相电压、三相电流,实时显示单相或三相无功功率、有功功率、视在功率值,当电流为多分支时,可显示多个分支功率和。
4.3.5谐波实时监测
实时显示所选择通道的基波、二次、三次、五次谐波的有效值和相角;
4.4波形分析功能
4.4.1相量分析
用CAAP2000分析软件打开录波数据文件,可从所有交流模以通道中任意选取1~8个交流量进行相量显示;
支持两种显示模式,一种是“旋转相量模式”,即按每个相量的实际相位进行绘制,所有交流量在相量图中都是旋转相量。
另一种为“参考相量模式”,固定以第一个相量的相位为基准(相位为0),其它相量以它为参考,按相对于基准相量的相位进行绘制。
被选择相量的排列顺序可以调整,通过调整选择量的顺序,来设定在“参考相量模式“下的基准相量。
4.4.2序量分析
用CAAP分析软件打开录波数据文件,任意选取三相电压或三相电流,装置能显示其正序、负序、零
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