故障录波器数据采集站的硬件设计

第２５卷第３期　２００９年５月　电站系统工程　
Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　
Ｖ＿０１．２５　Ｎｏ．３　

５９　

文章编号：１００５—００６Ｘ（２００９）０３－００５９－０２　
故障录波器数据采集站的硬件设计　
Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｆｏｒ　Ｆａｕｌｔ　Ｒｅｃｏｒｄｅｒ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｓｔａｔｉｏｎ　
阿城继电器股份有限公司　陈志刚　
我国的故障录波器发展到目前已经经历了机电式录波　
器、光线式录波器、固态数字式存储录波器以及目前普遍使　
用的微机式录波器等几个阶段。随着每个阶段的变化，电力　
系统的故障录波性能都得到了很大的提高。目前以单片机为　
基础的分散式录波器硬件结构繁琐、抗干扰能力差，尤其是　
存储空间小、存储能力低，当系统长时问故障或连续多次故　
障以及开关量多次变位时就无能为力了。因此就要求有一种　
新型的故障录波装置为电力系统的安全运行及事故分析提　
供保障，本故障录波器正是基于这种背景产生的。该录波器　
的录波分析系统由多微机构成分层分布式控制，采用现场开　
放式网络，有利于自动化监控系统接口，且能及时准确地将　
数据远传至中调，进行远端分析。该装置启动判据全面，记　
录方式灵活，记录容量大，并能实时显示采集量，可使用于　
各种电压等级的变电站。　

１系统整体结构　
在故障录波器的硬件设计中，研制了基于ＩＢＭ．ＰＣ机的　
ＩＳＡ总线的高速数据采集缓冲系统。在该系统中，模拟信号　
被高速数字化，经存储器缓冲后，通过ＩＳＡ总线，再根据Ｉ／Ｏ　
端口和存储器统一编址方式送给主计算机，进行数字处理。　
在该系统的研制中，成功地应用了高速数据采集技术、高速　
ＦＩＦＯ缓冲技术、存储器总线切换技术以及ＩＳＡ总线接口技　
术。具体的说来，本故障录波器整体包括两部分：一部分是　
分析机（上位机），由一台Ｐｅｎｔｉｕｍ４Ｉ控机构成，用于数据　
分析（包括故障类型判别、测距、实时显示、谐波分析、远　
传等）；另一部分是数据采集站（下位机），也是由一台　
Ｐｅｎｔｉｕｍ４工控机组成。有４块采集卡插在下位机里的ＩＳＡ插槽　
上，进行数据采集。分析机和采集站之间用网线联接。　
系统整体结构总图如图ｌ所示。　

图１系统结构总图　
收稿日期：２００８－ｌ１－ｌ６　
陈志１￣１］（１９７５－），男，工程师。设计员。啥尔滨，１５０３０２　

２数据采集站（下位机）结构图　
数据采集站以工控机的主ＣＰＵ为核心，以８０３ｌ为从　
ＣＰＵ，实行宿主机构，分工合作。工控机的ＣＰＵ主要进行　
物理显示、数据记录、储存以及网络通讯，而８０３１去控制　
高速采样，此种设计方案会使系统性能达到很好。随着电力　
系统综合自动化性能的提高，能方便存储大量信息、通讯方　
便的ＣＰＵ将成为主角。而工控机能很好地胜任上述功能，　
且目前基于ＰＣ机的运用软件非常流行和成熟，可以充分利　
用其高级语言、现成的软件包、大容量的硬盘和良好的人机　
界面，故开发周期短，开发起来简单、方便。随着微机的性　
能价格比日益提高，可以预见，工控机将是测控发展的一个　
方向。图２为下位机结构图。　
Ｉｓ＾总线　

图２数据采集站结构图　
模拟量输入卡硬件设计方案　
模拟量卡有３２路，单输入。每块开关量卡有６４路。模　
拟量采样频率为１８００　Ｈｚ，１２位Ａ／Ｄ采样，每周波数据量为　
２Ｘ３６Ｘ３２×２＝４６０８，即近４　ｋ的数据。模拟量采集卡设计　
方案，如图３所示。　
线　

图３模拟量采集卡设计框图　
模拟量输入信号共有３２路（一块采集卡），经过多路转　
换开关ＡＤ７５０６，至电压跟随器ＬＭ３　１　０。本系统模数转换采　
６Ｏ　电站系统工程　２００９年第２５卷　
用ＡＤＩ公司的ＡＤ９００２高速Ａ／Ｄ变换器，该芯片为ＥＣＬ逻　
辑电平。最高采样率高达１２５　Ｍｂｐｓ，分辨率为８　ｂｉｔ。本系　
统还包括两个ＶＭＥ插件（分别为两个通道的高速Ａ／Ｄ缓冲　
插件）、ＩＳＡ总线扩展ＰＣ插板。其中两个ＶＭＥ插件为系统　
的核心部件，它完成信号的缓冲、数据化、存储器缓冲和切　
换、向ＶＭＥ总线的数据发送以及与ＰＣ／ＩＳＡ总线的接口。　
ＩＳＡ总线扩展ＰＣ插板和ＰＣ机的检测软件使得可以用ＰＣ机　
来检测ＶＭＥ插件的工作状况、显示被采集信号波形、对信　
号进行离线计算和处理，以方便对采集插件的调试。为了使　
得两个通道的性能保持一致，两个通道的结构完全相同。模　
拟信号经过调整后，Ａ／Ｄ转换为分辨率为８　ｂｉｔ的数字信号，　
存储器由两片４　ｋＢ的ＦＩＦＯ组成，一片处于写状态时，另一　
片处于读状态。Ａ／Ｄ变换的结果写入处于写状态的ＦＩＦＯ，　
同时处于读状态的ＦＩＦＯ，按照发送接口的格式，通过ＶＭＥ　
的Ｐ２插口向ＶＭＥ总线的实时计算机发送数据。切换逻辑　
电路监视两片ＦＩＦＯ的状态，在一次写入和发送完成后改变　
两片ＦＩＦＯ的读写状态，切换读写总线。时钟电路缓冲和切换　
外时钟源和板内时钟源，并受到触发信号的开关控制。ＡＴ　
总线接口除用于通过Ｐ３口和ＡＴ扩展板，联结ＰＣ机以及　
ＰＣ监视程序，观察Ａ／Ｄ板的采集波形和调整Ａ／Ｄ缓冲器工　
作状态以外，在正常使用情况下，Ｐ３口可联结高速磁盘机，　
对数据进行海量存储。　

４存储器及其读写切换　
系统的存储器由两片高速ＦＩＦＯ及读写切换逻辑电路组　
成。两片存储器为存储时间１５　ｎｓ的高速ＦＩＦＯ　Ｉ　ｒ７２２４０，　
存储容量为４　ｋＢ。由于ＡＤＣ的输出为寄存器输出，电平转换　
前后无需外加锁存。电平转换将ＥＣＬ电平转化为１’ｒＬ电平。　
逻辑切换ＧＡＬ电路实时监视两片ＦＩＦＯ的状态，确保绝对可　
靠的读写切换，即保证在任意情况下的正确切换，包括一些　
非正常的情况，如在某次触发后存储器开始写入和读出，只　
有在一片写满和另一片读空两者均完成时才能切换。　
切换信号通过读写时钟的同步后，去控制ＦＩＦＯ的状态。　
即真正的切换时刻发生在下一次的触发到来时刻。因为系统　
包括两个完全相同的采集缓冲通道，保证两通道的步调完全　
相同是必须的。这是借助于触发和时钟同步技术来完成的。　
故障录波在电力系统中对重要的运行参数和运行状态　
进行监视和记录起到非常重要的作用。对于研究系统暂态和　
稳态响应，对于提高系统稳定计算的模拟精度，进一步发挥　
电网的运行潜力，起着越来越重要的作用。　口　
参考文献　
【ｌ】　夏芳，刘沛．变电站微机型故障录波装置设计方案［Ｊ】．继电器，２　０００．　
【２】　杨新民，杨隽琳．电力系统微机保护培训教材【Ｍ１．中国电力出版社．　
编辑：闻彰　

（上接第５８页）点ＴＶ变比是２０／０．２３（８６．９５／１），由于两侧　
变比的差异太大，两侧电压不能参与比较，而保护元件设置　
的动作值范围较小，所以在此变比下保护元件动作不出口。　
可以采取的措施是将发电机中性点电压取自接地变压器并　
联电阻中间，试验出的变比为２０８．３３／１。最后在开机试验时　
做发电机中性点接地短路时验证保护能动作出口。　

３与ＵＲ系列保护装置相关联的方面　
３．１试验仪器最好采用配套的ＤＯＵＢＬＥ　
精度高、操作简便的试验仪器有助于保证试验结果的准　
确性，如Ｕ　Ｒ系列保护装置调试采用厂家配套的ＤＯＵＢＬＥ　
试验仪器，应用其试验软件ｐｒｏＴｅｓｔ使继电器测试自动化，　
测试数据可自动记录、图示和储存，消除人为差错，大大提　
高了效率。ｐｒｏＴｅｓｔ软件更具有对试验方法及测试过程保存　
的功能，为优化继电器的测试效率及与人员无关的测试手段　
奠定了基础。针对差动保护两侧三相电流的比较问题，建议　
配备有６个电流源的Ｆ６１５０会使差动校验方法更为简单。　
３．２应配备保护管理机　
发变组保护装置提供实时数据及图形显示功能，但其很　
小的显示窗不能显示波形和录波数据。如采用保护管理机，　
则可实时了解ＧＥ保护的运行特性，且发生故障后可及时调　

出波形查看发生故障时的各个事件数据，及时分析判断。　
保护管理机能轻易与ＵＲ继电器进行通信并将数据上传　
至计算机的画面上，从中取得需要的信息。可以设定相量图　
以检查连接的正确性；设定功率因数表确认负荷的平衡性；　
设定ＴＨＤ表预测变压器的寿命周期；设定测量总表显示特　
定时间内的最ｄ＇／最大电流和电压，并且可以全屏幕显示，　
扩大可视范围，实时监视继电器的状态。利用保护管理机自　
身软件的纠错功能快速地进行故障诊断和提出解决办法：利　
用其自动测试功能还可缩短测试周期和调试时间，保护管理　
机将ＵＲ系列保护装置的性能进行了充分的挖掘和发挥。　

４总结　
本文分析和总结了ＧＥ公司的ＵＲ系列保护装置在调试　
中遇到的一些问题，并从实际出发，在现有的基础上对保护　
装置进行了优化，已应用于实际运行中，取得了一定的效果。　
ＵＲ系列保护装置由于其原理较为完善，元器件的性能优良，　
采样精度高，保护的适应性强，因而被越来越多的发电厂、　
变电站所使用。　口　
参考文献　
【ｌ】　电力系统继电保护规定汇编［Ｓ１．中国电力出版社，２００２．　
编辑：巨川