一种智能型电力系统故障录波器的制造方法
【专利摘要】一种智能型电力系统故障录波器，包括数据采集单元和数据管理单元，数据管理单元和数据采集单元之间通过以太网通信。其中数据采集单元包括若干信号采集控制模块，每块信号采集控制模块又包括信号调理器、A/D转换模块、光电隔离电路、GPS同步时钟、无线通信模块、DSP数据处理板、以太网接口电路；数据管理单元包括主控制芯片ARM、Flash接口电路、SDRAM接口电路、以太网接口电路、硬盘接口电路、串口通信接口电路、触摸屏接口电路、JTAG接口电路、USB接口电路、无线通信模块。该发明解决了以往各个故障录波器组网困难、不能够分散式安装，系统体积大等问题并且提高了运行速度、稳定性能、通信能力。
【专利说明】一种智能型电力系统故障录波器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电器信号记录仪，特别是涉及一种电力系统故障信号记录仪。
【背景技术】
[0002]目前国内故障录波器多采用微机式录波器，这种故障录波器采用前后台模式，前台采集往往以DSP为核心的数据采集模块为主，后台是一台工控机，这种微机式录波器，在数据同步采集、数据通信、灵活性方面都存在不足，由于各个故障录波器系统体积大，运行速度、稳定性能、通信能力存在差异，组网困难、不能实现组网工作，也不能够分散式安装。随着变电站的数字化、网络化发展，传统的微机式故障录波器已经不能满足要求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种智能型电力系统故障录波器用于解决上述技术问题。
[0004]一种智能型电力系统故障录波器，包括数据采集单元和数据管理单元两大部分，数据采集单元与数据管理单元之间通过以太网进行通信。
[0005]当以太网不能组网时数据采集单元和数据管理单元之间还可以通过无线通信模块进行通信。
[0006]所述数据采集单元A包括若干数据采集控制模块；数据管理单元B包括主控制芯片ARM、触摸屏模块、硬盘模块、USB接口电路、JTAG接口电路、外扩Flash模块、外扩SDRAM模块、RS232模块、以太网接口电路、无线通信模块。
[0007]所述数据采集控制模块包括信号调理器、A/D转换模块、光电隔离电路、GPS同步时钟、无线通信模块、DSP数据处理板、以太网接口电路。
[0008]所述信号调理模块包括电流信号变换电路、电压信号变换电路。
[0009]所述A/D转换模块所采用的转换芯片型号为MAX125。
[0010]所述主控制芯片ARM型号为S3C6410。
[0011]所述DSP数据采集板所用DSP型号为TWS320LF2407。
[0012]所述以太网的网络主控制器采用芯片型号为RTL8019AS。
[0013]采用上述技术方案的优点在于A/D转换芯片采用MAX125，该芯片为8通道14位A/D转换器，所以采集的数据位数可以是任意的8的倍数(如可采集8位、16位、24位、32位等)设计灵活；
[0014]本发明采用模块化的设计思想使得各部分间相对独立从而也使得设计方便灵活并且可以实现分布式安装，便于以太网组网，便于协调工作等；
[0015]本发明采用以太网进行数据传输相比于以往的HPI接口通信方式提高了传输速率，增强了通信能力，避免了普通录波器数据传输的瓶颈问题；
[0016]此外，本发明增加了无线通信模块，该模块用于以太网出现故障不能进行通信时应急之用，可以在一定范围内实现数据的传输，根据zigbee通信协议可以经无线传输将数据传输给数据管理单元或者直接传输给调度中心的上位机，提高了通信的可靠性。[0017]下面结合附图对本发明智能型电力系统故障录波器作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为故障录波器单元结构示意图。
[0019]图2为数据采集控制模块结构示意图。
[0020]图3为数据管理单元结构示意图。
[0021]图4为电流信号变换电路示意图。
[0022]图5为电压信号变换电路示意图。
[0023]图6为MAX125数据采集转换电路连接示意图。
[0024]图7为光电隔离电路示意图。
[0025]图8为数据采集单元无线通信模块电路连接示意图。
[0026]图9为DSP与以太网电路连接示意图。
[0027]图10为Flash存储器扩展电路连接示意图。
[0028]图11为SDRAM电路连接示意图。
[0029]图12为以太网电路连接示意图。
[0030]图13为硬盘电路连接示意图。
[0031]图14为数据管理单元无线通信模块电路连接示意图。
【具体实施方式】
[0032]如图1所示，本发明智能型电力系统故障录波器包括数据采集单元和数据管理单元两大部分，两部分之间通过以太网来完成数据传输，其中数据采集单元包括若干个数据采集控制模块，并且有GPS同步时钟实时同步各个数据采集控制模块。
[0033]如图2所示，所述数据采集控制模块包括DSP数据处理板、信号调理器、A/D转换模块、光电隔离电路、GPS同步时钟、无线通信模块、以太网接口电路。信号调理器信号输出端连接A/D转换模块的模拟信号输入端，A/D转换模块的数字数据输出端连接DSP数据处理板的数据输入端，光电隔离模块将开关量信号输出端连接DSP数据处理板数据输入端，无线通信模块连接DSP数据处理板的数据输出端，以太网接口电路输入端连接DSP数据处理板数据输出端，GPS同步时钟连接DSP数据处理板的时钟端口。
[0034]所述信号调理器包括电压信号变换电路和电流信号变换电路，分别完成对电压信号、电流信号的处理调节使之处理后变成幅值大小适当的信号并送入A/D转换器。
[0035]如图4所示，图中包括电流输入端X1、电流输出端X2、电流互感器BKl、运放Yl、运放Y2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容Cl、电容C2、电容C3、电流输出端CHl等。电流互感器BKl的输入端分别接电流输入端X1、电流输入端X2，电流互感器BKl的输出端之间接入电阻Rl电阻Rl的一端接地另一端接电阻R2，电阻R2经电容C12接地并且电阻R2接运放Yl的正相输入端，运放Yl的输出端经电阻R3接入运放Y2的正相输入端，且运放Y2的输出端连接运放Y2的负相输入端，运放Y2的输出端连接电容C2，电容C串联电阻R7后接地，同时电容C2串联电阻R5、电容C3并接地运放Y2的负相输入端经电阻R6接地，电阻R5和电容C3之间引出端口 CH1，其中运放Yl为电压跟随器，运放Y2与电阻R4构成运算放大器，电网中的电流由Xl进，X2出在电流互感器BKl的作用下电信号传到电压跟随器的输入端，经电压跟随器输出后进入运算放大器，放大到适合a/d转换器的大小由输出端CHl送入A/D转换器MAX125。
[0036]如图5所示，所述电压信号变换电路包括电压接入端口 X3、X4、电压互感器BK2、电阻R8、电阻R9、电阻R10、二极管LED1、运放Y3、信号输出端CH1，电压互感器BK2的输入端接入电压信号，电压互感器BK2的输出端并联发光二极管LED1，发光二极管LEDl的正极接地，LEDl的负极接电阻R8，与电阻R8和LEDl并联有电阻R10，电阻R8和电阻RlO之间引出端口接电阻R9然后接运放Y3的正向输入端，运放Y3的输出端接运放Y3的负相输入端，运放Y3的输出端引出端口 CH2，其中电阻R8、R9、R10构成分压电路，运放Y3构成电压跟随器，电网中的电压经X3、X4接入电压互感器BK2，经电压互感器BK2后传送到分压电路，经分压后再进入电压跟随器，之后CH2输入给A/D转换器MAX125。
[0037]如图6所示，所述A/D转换电路主要采用MAX125芯片来实现的，包括一片A/D转换芯片MAX125、第一电平转换芯片74LVC245A、第二电平转换芯片74LVC245A、一片DSP，A/D转换芯片MAX125的CHlA引脚接A相电压AV、CH2A引脚接A相电流AC、CH3A引脚接B相电压BV、CH4A引脚接B相电流BC、CH5A引脚接C相电压CV、CH6A引脚接C相电流CC、CH7A引脚接零序电压DV、CH8A引脚接零序电流DC ；A/D转换芯片MAX125的引脚D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13 分别接第一电平转换芯片 74LVC245A 的引脚 A0、Al、A2、A3、A4、A5、A6、A7，第一电平转换芯片 74LVC245A 的引脚 B0、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、DIR 分别接 DSP 的引脚 D13、D12、D11、D10、D9、D8、D7、D6、P0.1 ；MXA125 的引脚 D5、D4、D3、D2、DIO、DO 分别接第二电平转换芯片74LVC245A的引脚A0、Al、A2、A3、A4、A5，第二电平转换芯片74LVC245A的引脚 DIR、B0、B1、B2、B3、B4、B5 分别接 DSP 的引脚 P0.2、D5、D4、D3、D2、D1、D0 ;A/D 转换芯片MAX125的引脚INT、CS、WR、RD分别接DSP的引脚P0.4、CSO、WE、0E，两片电平转换芯片74LVC245A的CE引脚接地、Vcc接电源。其中A/D转换芯片MXA125用于模数转换，电平转换芯片74LVC245A用于电平转换，DSP用于数字信号分析处理。
[0038]如图7所不,所述光电隔离电路主要包括信号输入端InO、发光二极管LED2、光敏三极管FT、信号输出端CH3、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C4。电阻R11、发光二极管、电容C4串接于第一回路电容C4和发光二极管LED2之间接地，电阻Rll和电容C4之间引出端口 InO ;电阻R13、电阻R12、光敏三极管FT依次连接形成第二回路光敏二极另一端接地，电阻Rl3另一端接电源，电阻R12和电阻R13之间引出端口 CH3。经发光二极管LED2把开关量信号转换成光信号，再由光敏二极管FT感光将光信号转化成电信号最后经输出端CH3输入到DSP的数据输入端。
[0039]如图8所示，所述无线通信模块包括无线通信模块SZ05、DSP、指示灯L1、指示灯L2、指示灯L3、指示灯L4、跳针Pin、电阻R13?电阻R16，本实施例中无线通信模块SZ05设置为数据发射状态。无线通信模块SZ05的RX、TX端口分别与DSP的TX、RX引脚相连接，DATA端口外接数据收发指示灯LI并串联有电阻R13和电源，当LI指示灯亮时表明此时有数据正在发送传输；RUN端口外接系统运行指示灯L2并串联有电阻R14和电源，当L2亮时表明处于工作状态；NET端口外接网络指示灯L3并串联有电阻R15和电源，当L3亮时表明SZ05处于组网通信状态；ALARM端口外接系统警告指示灯L4并串联有电阻R16和电源，当L4亮时表明系统工作异常，这四个端口都外接指示灯以便用户观察系统运行情况，CENTER为中间节点端口，若此端口接低电平则无线通信模块具有中心节点功能，DEVICE为终端节点端口，若此端口接低电平，则此无线模块具有终端模块的功能，CONFIG为配置接口，其接低电平为配置无线通信状态，在这个状态下可以配置无线通信模块的参数，这3个端口在硬件电路设计中均留有跳线帽以便功能的选择。
[0040]当数据采集单元和数据管理单元之间以太网通信出现故障时，由DSP控制启动该数据采集单元无线通信模块开始工作，实现录波数据的无线发射。
[0041]如图9所示，为DSP与以太网之间的电路连接示意图，图中包括DSP芯片TMS32LF2407、以太网控制芯片RT8019AS、电平转换芯片LVT16245、逻辑运算芯片AHCT139、双绞线驱动/接收器2(F001N、RJ-45接口，DSP芯片TMS32LF2407的地址引脚AO~A15分别依次与以太网控制芯片RT8019AS的地址引脚SAO~SA15相连接，DSP芯片TMS32LF2407的数据引脚DO~D15通过电平转换芯片LVT16245分别依次与以太网控制芯片RT8019AS的数据引脚DAO~DA15相连接，DSP芯片TMS32LF2407的引脚INTO、引脚READY通过电平转换芯片LVT16245分别依次与以太网控制芯片RT8019AS的引脚nINTO、引脚nREADY相连接，DSP芯片的引脚R、引脚IS、引脚IOSTRB分别依次与逻辑运算芯片ACH139的引脚A、引脚B1、引脚B2相连接，逻辑运算芯片ACH139的引脚Y0、引脚Yl分别依次与以太网控制芯片RTL8019AS的引脚10W、引脚IOR相连接，以太网控制芯片RTL8019AS的引脚TPRX —、弓丨脚TPRX+分别通过双绞线驱动/接收器接入RJ-45接口的引脚nTPRX —、引脚nTPRX+。DSP采集处理的信号流入以太网控制芯片RTL8019AS再由RJ-45接口传往信号接收终端。[0042]如图3所示，数据管理单元包括主控制芯片ARM、触摸屏模块、硬盘模块、USB接口电路、JTAG接口电路、外扩Flash模块、外扩SDRAM模块、RS232模块、以太网接口电路、无线通信模块。其中主控制芯片ARM型号为S3C6410，以太网模块中网络控制器型号为RTL8019AS。
[0043]如图10所示，为Flash存储器电路连接示意图，包括ARM芯片S3C6410、SRAM存储器芯片、Flash存储器芯片，SRAM存储器芯片采用IS61LV25616AL、Flash存储器芯片采用SST39VF160。SRAM存储器芯片IS61LV25616AL的引脚AO~引脚A17分别连接S3C6410的引脚P3.1~引脚P3.18，SRAM存储器芯片IS61LV25616AL的引脚1/00~引脚1/015分别连接S3C6410的引脚P2.0~引脚P2.15，SRAM存储器芯片IS61LV25616AL的引脚CE、0E、WE、BHE、BLE分别依次连接ARM芯片S3C6410的引脚P3.26、引脚Pl.1、引脚P3.27、引脚P3.30、引脚P3.31，SRAM存储器芯片IS61LV25616AL的引脚VCC、VSS分别依次接VDD和接地，VDD和地之间接有电容C9-1 ;Flash存储器芯片SST39VF160的引脚AO~引脚A19分别接S3C6410的引脚P3.1~引脚P3.20，引脚DQO~引脚DQ15分别依次接S3C6410的引脚P2.0~引脚P2.15, Flash存储器芯片SST39VF160的引脚CE、引脚0E、引脚WE分别依次接ARM芯片S3C6410的引脚Pl.0、引脚Pl.1、引脚P3.27，引脚VDD和引脚VSS分别接VDD和地，VDD和地之间接有电容C9-2。
[0044]如图11所示，包括第一运算存储器册57￥561620和第二运算存储器册57￥561620。第一运算存储器HY57V561620的数据端口 DQOO~数据端口 DQ15分别依次接S3C6410的数据引脚DATAOO~数据引脚DATA15 ;第二运算存储器HY57V561620的数据端口 DQOO~数据端口 DQ15分别依次接S3C6410的数据引脚DATA16~数据引脚DATA31 ;两片运算存储器HY57V561620的端口 AO~端口 A12分别依次经总线与主控制芯片S3C6410的地址引脚ADDROO~地址引脚ADDR12相连接；A13、A14分别接ADDR24、ADDR25，两片运算存储器HY57V561620 的端口 WE、CAS、RAS, CS、CLK, CLKE 分别接 S3C6410 的引脚 nWE、nCAS、nRAS、nGCS6、SCLKO, SCKE，两片运算存储器HY57V561620的端口 DQMH、DQML分别接主控制芯片S3C6410 的引脚 nWBEl、nWBEO，两片运算存储器 HY57V561620 的端口 VSSO、VSS1、VSS2、VSSQO, VSSQl、VSSQ2、VSSQ3 接地，两片运算存储器 HY57V561620 的端 口 VCCO、VCC1、VCC2、VCCQO、VCCQ1、VCCQ2、VCCQ3 接 1.3V 电源。
[0045]如图12所示，包括网络控制器RTL8019AS、芯片HR901170A、电阻R19?电阻R51、电容C5?电容C12、晶振W。网络控制器RTL8019AS的端口 SDO?端口 SD7分别依次经电阻R19?电阻R26依次与S3C6410的引脚DO?引脚D7相连接；网络控制器RTL8019AS的端口SD8?端口 SD15分别依次经电阻R27?电阻R36依次与S3C6410的引脚D8?引脚D15相连接；网络控制器RTL8019AS的端口 SAO、SAU SA2、SA3、SA4、I ORB, IOffB分别依次经电阻R37?电阻R43依次与S3C6410的引脚Al?引脚A7相连接，S3C6410的引脚OSCO和引脚OSCT之间接入晶振W，引脚OSCO经电容C12后接地，引脚OSCT经电容Cll后接地，S3C6410的引脚HD、引脚LD分别依次经电阻R49和电阻R50与芯片HR901170A的引脚TP0UT+、弓丨脚TPOUT—相连接，且引脚HD和引脚LD分别经电容C5和电容C6接地，58号引脚和59号引脚分别经电阻R48和电阻R49接地，且引脚R48和引脚R49分别与HR901170A的引脚TPIN—和引脚TPIN+相连接。
[0046]上述芯片HR901170A是汉仁电子有限公司生产的RJ45接口连接器(带网络变压器/滤波器)，该连接器满足IEEES02.3和IEEE902.3ab标准，能够较好地抑制电磁干扰。通过HR901170A系统就可以连接到以太网上。
[0047]如图13所示，图中包括硬盘IDE、电平转换芯片74LVT244A、缓冲器SN74LV16245。硬盘的数据引脚DO?D18分别经总线依次接缓冲器的引脚IBl?引脚1B8和引脚2B1?引脚2B8，硬盘的引脚DMARQ、IODRY、DMACK, INTRQ分别接S3C6410芯片的引脚nDMARQ、nIODRY、nDMACK、nINTRQ，硬盘的引脚 D10W、DIOR、DA1、DAO、DA2、CSO、CSl 分别接电平转换芯片 74LVT244A 的引脚 1Y1、1Y2、1Y3、1Y4、2Y1、2Y2、3Y3 ；
[0048]电平转换芯片74LVT244A的引脚1X1?1X4和引脚2X1?2X4分别接电平转换芯片 74LVT244A 的引脚 nWE、nOE、ADDR01、ADD00、ADD02、nGCS3、ADD03、IORDY
[0049]其中硬盘IDE用于数据存储，电平转换器74LVT244A用于转化缓冲器和硬盘之间的电压，缓冲器用于数据的存储或读取时起缓冲作用。
[0050]如图14所示，图中包括无线通信模块SZ05、ARM芯片S3C6410、指示灯L01、指示灯L02、指示灯L03、指示灯L04、跳针PinO、电阻R55、电阻R56、电阻R57、电阻R58，本发明中无线通信模块SZ05设置为数据接收状态。无线通信模块SZ05的RX、TX端口分别与S3C6410的TX、RX引脚相连接，DATA端口外接数据收发指示灯LOl并串联有电阻R55和电源，当LOl指示灯亮时表明此时有数据正在发送传输；RUN端口外接系统运行指示灯L02并串联有电阻R56和电源，当L02亮时表明处于工作状态；NET端口外接网络指示灯L03并串联有电阻R57和电源，当L03亮时表明SZ05处于组网通信状态；ALARM端口外接系统警告指示灯L04并串联有电阻R58和电源，当L04亮时表明系统工作异常，这四个端口都外接指示灯以便用户观察系统运行情况，CENTER为中间节点端口，若此端口接低电平则无线通信模块具有中心节点功能，DEVICE为终端节点端口，若此端口接低电平，则此无线模块具有终端模块的功能，CONFIG为配置接口，其接低电平为配置无线通信状态，在这个状态下可以配置无线通信模块的参数，这3个端口在硬件电路设计中均留有跳线帽以便功能的选择。
[0051]当数据采集单元和数据管理单元之间以太网通信出现故障时，由ARM芯片S3C6410控制启动该数据管理单元无线通信模块开始工作，接收数据采集单元发送来的无线录波数据。
[0052]本发明智能型电力系统故障录波器的具体工作过程为:
[0053]上电运行后，数据管理单元将设置系统运行方式，整定数据采集单元起动参数和通信参数。在对数据采集单元设置参数时，数据采集单元将退出录波起动判断程序。直到参数设置完毕，数据采集单元才恢复录波起动判断程序，并按新设置的定值进行采样和起动录波判断。
[0054]接入的电压、电流量经过交流互感器转换后，由A/D回路采样，开关量经光电隔离后输入，数据采集控制模块对模拟量和开关量进行高速实时采集，并计算各起动判据，判断是否满足起动定值，如果满足起动条件，则立刻发出一个起动脉冲信号，该脉冲信号将被所有相关的采集控制单元接收，并作为起动录波的起始信号，使不同采集控制单元同步开始录波。
[0055]同时录波数据通过高速以太网被实时传到数据管理单元，由数据管理单元实现录波数据的存贮、分析、及远传；此外，当高速以太网出现故障不能正常工作时，数据采集单元无线通信模块和数据管理单元无线通信模块会自动启动工作，实现录波数据的传输与接收工作，保障数据管理单元可以顺利接收到录波数据。
[0056]5秒钟录波后进行所有起动判据的判断，如果整组复归，则结束本次录波，如果有突变量或开关量启动，则重头开始一次新的录波，如果仅仅有稳态量起动判据没有复归，则仍以原采样率记录有效值，直到稳态量起动判据都不满足而结束录波。录波结束后，数据管理单元将缓冲区中的故障数据进行整理、保存并生成硬盘数据文件和配置文件。随后对故障数据进行分析，按照设置的系统参数对录波数据进行相量图分析、功率分析、谐波分析、故障测距、阻抗图分析等，并将分析结果通过显示屏显示，最后数据管理单元将录波数据远传。
[0057]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种智能型电力系统故障录波器，包括数据采集单元和数据管理单元两大部分，其特征在于，数据采集单元与数据管理单元之间通过以太网进行通信。
2.根据权利要求1所述智能型电力系统故障录波器，其特征在于，数据采集单元和数据管理单元之间通过无线通信模块进行通信。
3.根据权利要求1所述智能型电力系统故障录波器，其特征在于，所述数据采集单元(A)包括若干数据采集控制模块；数据管理单元(B)包括主控制芯片(ARM)、触摸屏模块、硬盘模块、USB接口电路、JTAG接口电路、外扩Flash模块、外扩SDRAM模块、RS232模块、以太网接口电路、无线通信模块。
4.根据权利要求3所述智能型电力系统故障录波器，其特征在于，所述数据采集控制模块包括信号调理器、A/D转换模块、光电隔离电路、GPS同步时钟、无线通信模块、DSP数据处理板、以太网接口电路，信号调理器信号输出端连接A/D转换模块的模拟信号输入端，A/D转换模块的数字数据输出端连接DSP数据处理板的数据输入端，光电隔离模块将开关量信号输出端连接DSP数据处理板数据输入端，无线通信模块连接DSP数据处理板的数据输出端，以太网接口电路输入端连接DSP数据处理板数据输出端，GPS同步时钟连接DSP数据处理板的时钟端口。
5.根据权利要求4所述智能型电力系统故障录波器，其特征在于所述信号调理模块包括电流信号变换电路、电压信号变换电路。
6.根据权利要求4所述的智能型电力系统故障录波器，其特征在于所述A/D转换模块所采用的转换芯片型号为MAX125。
7.根据权利要求3所述智能型电力系统故障录波器，其特征在于所述主控制芯片ARM型号为S3C6410。
8.根据权利要求4所述智能型电力系统故障录波器，其特征在于所述DSP数据采集板所用 DSP 型号为 TWS320LF2407。
9.根据权利要求1所述的智能型电路系统故障录波器，其特征在于所述以太网的网络主控制器采用芯片型号为RTL8019AS。
【文档编号】H04L29/06GK103592549SQ201310611042
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】聂文艳, 王仲根 申请人:淮南师范学院