电力系统微型故障录波装置的设计

东莞理工学院电子工程与智能化学院 冼子恒 陈绍彬 康慧丽 刘焕城 陈佩丹 张兆云

故障录波装置作为在电力系统中不可或缺的装置，主要承担着自动记录故障前后的电气量与非电气量的变化过程，并通过得到的波形与数据判断故障发生位置及其类型，便于解决故障与恢复供电，尽可能减少损失。本文设计一种以STM32F429芯片为核心，AD7606芯片为采样模块，结合其他外围电路构成具有高采集速度、高采集精度、大记录容量、人机交互界面良好的实时微型故障录波装置。

电力系统是人民日常生活中不可缺少的重要组成，它的安全稳定运行关系到许多行业的开展。故障录波装置是确保电力系统的稳定可靠运行的重要一环。随着科技发展，电力系统朝着高电容量、高度自动化、高性能的方向不断发展，其结构也愈发复杂，系统发生故障时所需分析考虑的因素也非常多，微型故障录波装置凭借其快速诊断故障的独特优势，成为电力系统的关键配置。本文就设计的微型故障录波装置，介绍其设计方案、功能与应用。

1 产品设计方案

1.1 整体设计

微型故障录波装置参照部颁标准《220～500KV电力系统故障动态记录技术准则》(DL/T 553-2013)并结合《电力系统实时动态监测系统技术规范》进行设计，主要以STM32F429芯片为核心，在其外部拓展电源模块、互感模块、MCU模块，互感模块包含三路电压、电流互感，MCU模块包含信号采集和处理、用户接口设计以及通讯模块（图1）。

1.2 MCU模块

本装置的数据处理采用STM32F429ZGT6芯片完成，其主要任务就是将从AD7606采样到的数据样本进行一系列操作，包括把数字信号还原成交流电压电流双极性信号，然后利用快速傅里叶变换，把输入的数字信号中的各次谐波的幅值和相位的有效值提取出来，最后通过液晶显示屏显示出实时电流电压以及各次谐波的幅值。

1.2.1 STM32F429主芯片

STM32F429芯片作为意法半导体公司研发的F4系列中的增强型芯片，是基于CM4内核的高性能微处理器，具有180MHz的工作频率，1M的Flash闪存以及256KB的静态随机存取存储器，同时支持各类其他存储器，能够做到轻松扩展内存容量。该芯片能够自动识别实时ART功能，最大的释放了CM4内核的性能。该芯片还集成了单一周期的DSP指令和FPU，大大的加强了芯片的计算能力，能快速地运行傅里叶级数，具有高速的运行速度。

1.2.2 AD7606采样芯片

AD7606芯片作为进行AD采样的主芯片，是一种8种通道16位逐次逼近型AD芯片，它可以所有通道同时采样，它有2种接口模式：串行模式和并行模式，并行模式又分为8位和16位传送方式。在数据转换时，2个转换信号CONVSTA/B，用来控制每4个或每8个ADC同时采样。如果将2个CONVST引脚连接在一起，就可对8个ADC同时进行采样。

图1 产品整体设计

1.3 互感模块

互感模块主要由电流采集电路和电压采集电路组成。电流采集电路可同时采集四路电流，根据电网二次端的参数，电压60V，电流2A选择互感器ZMCT101B。ZMCT101B是一种精密的电流互感器，主要参数输入电流0-100A，输出电流为2.5mA-25mA，精度：0.5%，线性度：0.3%。电压传感器选用ZMPT101B，可同时采集四路电压，副边电路是电压电流变换路，当需要电压输出是采用，电压能稳定在±12V内，适用于AD采样电路采样。

1.4 电源模块

在电源模块中主要使用了LK VIPER22A这款芯片，此功率开关芯片采用电流模式PWM控制方式，集成了高压启动电路和高压功率管，是一款高性价比的开关电源。电压输入范围比较宽，能达到85V AC-265V AC，芯片VDD的工作电压范围宽，很方便地应用于充电器领域。芯片提供了过温、过流、过压、欠压等保护功能，保证了系统的可靠性。

2 产品功能与应用

本装置具有高采集速度、高采集精度、大记录容量、人机交互界面良好等优良特性，实时测量电信号的值存储在主控芯片的RAM中，每次测量得出的值都会在RAM中实时刷新。当用户在人机交互界面使用菜单系统选择需要查看的电信号的值时，主控芯片会把此时RAM中对应的值传送到显示器中供用户查看。通过对数据的处理，能够实现基波测量、谐波测量、各路电压有效值测量、各路功率测量、通过串口将测量信息打印、通过将数据记录在ROM中实现数据记录功能、通过串口采用专用软件查看波形记录。

结语：综上所述，本文就基于STM32的电力系统微型故障录波装置的设计及其功能、应用做了相关阐述，介绍了其各模块的组成与作用，便于使用者了解其完成故障录波数据综合分析的原理与过程。此微型故障录波装置为事故分析提供科学依据，为事故原因提供查找途径，可进行电力系统运行的监控，供维护人员参考运用。