基于安全數字儲存卡和FAT32格式的故障錄波方案

葉傅華

上海電氣輸配電集團 上海 200042

1 研究背景

在電網中,電力設備故障錄波具有非常重要的意義。故障錄波對于分析電力系統故障性質及原因,診斷繼電保護動作有效性、正確性,查找電力設備故障點等而言,都是必不可少的數據來源。

故障錄波按照是否嵌入電力設備可以分為兩類。一類是獨立于電力設備及電網系統的故障錄波儀。文獻[1]中詳述了一種變電站故障錄波及報文分析裝置,不僅具有智能化、便利化的移動終端特點,而且能夠有效提高故障分析效率,縮短故障恢復時間。這一類故障錄波裝置一般作為獨立設備掛網運行,適用范圍廣,但是軟硬件均需要獨立開發,存在開發周期長、開發難度大的缺點。另一類利用電力設備自身的硬件基礎集成錄波功能。文獻[2]中提出了一種基于現場可編程門陣列,搭載同步動態隨機存儲器的高壓直流輸電故障錄波方案。繼電保護是電力系統安全運行的重要保障,在數字式繼電保護技術和自動化技術的支持下,集測量、控制、保護、數據通信于一體的變電所綜合自動化設備已成為目前我國絕大部分新建變電站的二次裝備,與其它學科的交叉、滲透日益深入[3]。目前,大部分繼電保護裝置均自帶故障錄波功能,通過分析所記錄的數據可以改進繼電保護設備的工作性能[4-7]。

電能治理設備包括有源濾波器、靜止無功補償器、動態電壓恢復器等,如果由單獨的故障錄波裝置采集故障數據,分析設備在發生故障時的性能,會產生較高的成本。電能治理設備自身也需要采集數據進行計算,因此將故障錄波功能集成至電能治理設備內部,是一種經濟有效的方案。由此,筆者提出一種基于安全數字儲存卡和FAT32格式的故障錄波方案。

2 控制系統結構

安全數字儲存卡作為一種基于閃存的存儲器,以體積小、功耗低、可靠性高、可擦寫、非易失性等優點逐漸成為主流存儲介質之一,在嵌入式系統中得到了越來越廣泛的應用[8-9]。因此,可以將安全數字儲存卡作為設備故障錄波的存儲介質,將錄波功能集成至電能治理設備中。筆者針對靜止無功補償器,將安全數字儲存卡作為一種存儲介質來實現故障錄波功能。

靜止無功補償器是一種主要補償系統無功功率的電能治理設備。對此,采用兩個TMS320F28335數字信號處理器實現核心控制算法、流程處理、通信、故障判斷等功能,采用一個現場可編程門陣列實現模數轉換采樣、數據調度等功能。故障錄波方案控制系統硬件結構如圖1所示。

圖1 故障錄波方案控制系統硬件結構

安全數字儲存卡通過串行外設接口方式與從數字信號處理器相連,記錄發生故障時靜止無功補償器的電壓、電流、故障碼、狀態等信息。上位機人機界面通過串行通信接口方式與數字信號處理器通信,實現各種參數設置和數據顯示功能。控制板上配置有時鐘芯片,數字信號處理器可通過內部集成電路總線方式訪問,初始時間設置完成后,可掉電保持。現場可編程門陣列的主要功能是模數轉換采樣、生成脈沖寬度調制脈沖,配合數字信號處理器完成各種輸入輸出控制。

對于正在開發的設備,加載使用安全數字儲存卡的故障錄波功能,只需要考慮數字信號處理器外圍電路配置安全數字儲存卡的串行外設接口即可,不需要額外增加其它硬件,即可實現錄波功能。實現成本低,方法簡便。

3 故障錄波軟件

通常閃存芯片可以隨意寫入,當軟件寫入數據時,只需要按照固定的順序就可以完成錄波。但是,要將閃存芯片上的數據讀出,則難度較大。通常閃存芯片被固定在硬件上,必須由懂得操作軟件的人員在現場將數據讀出,并存儲在計算機中,這會造成靜止無功補償器斷電等不必要操作。另一方面,對在閃存芯片上以數據流方式存儲的內容進行分析極不方便,所存儲的大段數據需要先經原始編程人員確定數據存儲順序,然后做大量后期處理。數據格式轉換的難度也較大。

若將安全數字儲存卡作為普通閃存芯片使用,顯然浪費了安全數字儲存卡的功能。如果可以用計算機將安全數字儲存卡上存儲的數據正常讀出,既免去技術人員現場調試的麻煩,又可以方便進行格式轉換。對此,提出通過采用FAT32文件存儲格式將數據存儲在安全數字儲存卡上。

FAT32格式是一種分區格式,被廣泛應用于硬盤、移動硬盤、安全數字儲存卡等存儲介質。安全數字儲存卡只有一個盤片,所以沒有柱面、磁頭等概念。

總體而言,一個FAT32格式文件系統可以分為三個部分:保留區、文件配置表區、數據區。根據文獻[10]詳述的FAT32格式文件系統,可以清晰地看到用戶需要操作文件配置表區和數據區。

FAT32格式文件系統數據結構見表1。實現設備故障錄波功能,在FAT32格式文件中相關的區域填入各種對應的內容,生成以日期為文件名,固定數據長度的數據文件。現場巡視人員可以方便地將安全數字儲存卡取出,技術人員可以在計算機上進行各種數據格式轉換,實現波形、設備運行工況等的分析。這樣做雖然占用了一定的軟件資源,但是節省了大量的硬件資源和開發成本。

表1 FAT32格式文件系統數據結構

FAT32格式文件系統屬于磁盤操作系統,基本存儲單位是扇區,存儲數據為128×2nBytes,一個扇區包含512 Bytes,這為數字信號處理器與安全數字儲存卡通信的數據長度提供了參考,即以一次寫入一個扇區為宜。將需要存儲的數據以一個扇區的長度逐次寫入安全數字儲存卡,這是程序的主體結構。故障錄波軟件流程如圖2所示。

圖2 故障錄波軟件流程

將故障錄波功能嵌入電力電子設備控制器時,通常可在隨機存儲器中開辟一塊數據專用區,在故障發生后繼續記錄一段時間的數據至緩沖區滿,此后再逐步將數據搬移到非易失性存儲器上。筆者采用這一方法實現數據存儲,在輸入文件數據后,需要判斷當前緩沖區的數據是否全部搬入,若沒有,則需要繼續搬移,直至所有數據都存入安全數字儲存卡,則結束。為了最大限度利用安全數字儲存卡空間,可以將固定長度定義為512 Bytes的整數倍。

4 錄波時序

靜止無功補償器屬于電能治理設備的一種,這一類電力電子設備通常有較高的實時控制要求。在數字信號處理器中通常可采用模數轉換中斷或定時中斷的方式,來達到控制目的。靜止無功補償器正常運行時,從數字信號處理器大部分中斷時間用于處理檢測、算法、流程等,而將需要錄波的數據實時緩存在隨機存儲器中,這一操作所用的時間非常短。一旦靜止無功補償器發生故障,可將靜止無功補償器切換至待機或熱備用等狀態,中斷時數字信號處理器將出現一部分空閑時間。利用這段空閑時間,可以啟用錄波功能,將需要存儲的數據寫入安全數字儲存卡。

設備正常運行時,從數字信號處理器的中斷時間資源分配如圖3所示。中斷時間資源大部分用于實現設備的功能性控制,一小部分用于將實時數據寫入隨機存儲器中。此時完全可以不考慮安全數字儲存卡的故障錄波功能,這也為各種電力電子設備嵌入故障錄波功能提供了極大方便。

圖3 正常運行時從數字信號處理器中斷時間資源分配

靜止無功補償器發生故障后,一般會待機、熱備用,甚至停機,此時從數字信號處理器中斷時間資源分配如圖4所示。中斷時間資源占用較少,可以在空閑部分插入數據存儲。可以啟用數據寫入安全數字儲存卡的功能,利用剩余的中斷時間實現錄波。

圖4 發生故障后從數字信號處理器中斷時間資源分配

5 結束語

筆者以獨立運行的靜止無功補償器為例,提出一種基于安全數字儲存卡,采用FAT32格式的故障錄波方案。這一故障錄波方案對硬件配置要求極低,只需占用少量軟件資源,即可將錄波功能程序段作為模塊加入電能治理設備的主體控制程序。試驗結果表明,這一方案不僅成本低,嵌入方式簡單,而且具有實時性強、可讀性佳的特點。