一种配网线路故障录波装置及其故障录波方法

摘要

本发明公开了一种配网线路故障录波装置，包含DMA模块、非易失性存储设备和两个环形缓存区。本发明还公开了一种故障录波方法。本发明在电力系统无故障或无异常发生时，采集的数据在无需CPU干预的情况下暂存于一环形缓存区，有效节省了CPU内存空间；当线路故障或检测到异常运行时，故障数据从该环形缓存区指向另一新开辟的环形缓存区，避免了有效数据被覆盖，为CPU广播故障信息预留了足够的时间，同时双缓存周期性切换，避免了复杂的边界数据处理操作。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统配网线路故障检测装置及方法，特别涉及一种基于双环形缓存的配 网线路故障录波装置及方法。

背景技术

故障录波装置是电力系统发生故障及振荡时能自动记录的一种装置，可记录因短路故障、 系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电压及其导出量，如有功、无功 及系统频率的全过程变化现象。当电力系统发生故障时，故障录波装置记录的数据用于分析 故障起因、监测继电保护和安全自动装置的操作以及观察故障发展的整个历程，是避免类似 事故再次发生的重要依据。当故障发生时，利用录波信息可以迅速确定故障的类型和相别， 计算出故障大致位置，从而缩小查找范围，减少人工劳动强度。迅速找到故障点，排除故障, 也有利于及时恢复供电，减少经济损失。

对于供配电网络，线路上故障录波装置的功耗一般要求不大于350mW，因此控制器CPU 在功耗低的限制条件下，内存容量一般较小。参考《DL/T55394220-500kV电力系统故障动 态记录技术准则》，故障数据记录按系统大扰动开始前的状态数据、系统大扰动后初期的状态 数据、系统大扰动后中期的状态数据、系统动态过程数据、系统长过程的动态数据五个时段 进行操作。一旦发生异常，故障录波装置记录信息量大，当采集数据不断更新时，采用缓存 区不断增加方式，会使CPU系统内存资源不断被消耗，当内存消耗殆尽时，CPU单元将崩溃； 当采集数据不断更新时，采用固定大小缓存区的方式，因故障或异常时线路A、B、C相间通 信有一定时延，会发生有效数据被覆盖的情况；采用单环形缓存方式，需频繁对边界数据进 行操作，实现过程比较复杂，不能保证数据的完整性和有效性。

发明内容

针对上述问题，本发明的发明目的在于提供一种配网线路故障录波装置，既能支持大数 据量不间断采集，同时又不受CPU内存空间局限的限制。

一种配网线路故障录波装置，包含DMA模块、非易失性存储设备和两个环形缓存区，所 述DMA模块包含初始化模块、读指令模块、写指令模块。

所述初始化模块在电力系统发生故障时以及故障数据记录完整时初始化DMA模块，更改 两个环形缓存区的主从关系，原用于存储数据的环形缓存区改为从环形缓存区，另一环形缓 存区改为主环形缓存区。

所述写指令模块在初始化DMA模块时，将电压、电流波形数据保存目标地址指向主环形 缓存区；在记录故障数据时，如果主环形缓存区已满而故障数据未记录完整时，写指令模块 则将电压、电流波形数据保存目标地址在主环形缓存区、从环形缓存区之间切换。

所述读指令模块在初始化DMA模块时，将电压、电流波形数据读取目标地址指向从环形 缓存区；在记录故障数据时，如果主环形缓存区已满而故障数据未记录完整时，读指令模块 则将电压、电流波形数据读取目标地址在主环形缓存区、从环形缓存区之间切换。

所述环形缓存区根据写指令模块的控制存储电压、电流波形数据。

所述非易失性存储设备根据读指令模块的控制读取环形缓存区中的电压、电流波形数据。

进一步，所述DMA模块还包含远程发送模块，用于从非易失性存储器中读取本次故障录 波数据，封装数据帧通过GPRS/SMS发送给监控主站。

进一步，所述环形缓存区中开辟两个一维数组，分别存储电压和电流波形数据。

进一步，所述写指令模块在指向环形缓存区时，指向环形缓存区的起始位。

进一步，所述读指令模块在电力系统发生故障时将电压、电流波形数据读取目标起始地 址设置为扰动前状态数据X个周波，所述X为不小于2的正整数。

本发明的另一目的在于提供一种故障录波方法，包含以下步骤：

1)DMA模块初始化，设置主环形缓存区和从环形缓存区，将电压、电流波形数据保存目 标地址指向主环形缓存区，电流、电压波形数据写入主环形缓存区。

2)当电力系统发生故障，DMA模块重新初始化，原存储数据的环形缓存区改为从环形缓 存区，另一环形缓存区改为主环形缓存区，将电压、电流波形数据保存目标地址指向主环形 缓存区，此后采集的电压、电流波形数据写入主环形缓存区。

3)DMA模块将电压、电流波形数据读取目标地址指向从环形缓存区，读取从环形缓存区 中扰动前的电压、电流波形数据存于非易失性存储设备。

4)当数据写到主环形缓存区的边界时，判断故障数据是否保存完整，保存不完整转至步 骤5)，保存完整转至步骤6)。

5)将电压、电流数据保存目标地址指向从环形缓存区，此后采集的电压、电流波形数据 写入到从环形缓存区，电压、电流波形数据读取目标地址指向主环形缓存区读出所有数据存 于非易失性存储设备；当数据写到从环形缓存区的边界时，判断故障数据是否保存完整，若 保存不完整将电压、电流数据保存目标地址指向主环形缓存区，此后采集的电压、电流波形 数据写入到主环形缓存区，电压、电流波形数据读取目标地址指向从环形缓存区读出所有数 据存于非易失性存储设备，重复执行本步骤，直至故障数据保存完整。

6)DMA模块重新初始化，重新设置主环形缓存区和从环形缓存区，将电压、电流数据保 存目标地址指向主形缓存区，此后采集的电压、电流波形数据写入到主环形缓存区；电压、 电流波形数据读取目标地址指向从环形缓存区读出所有数据存于非易失性存储设备。

7)在电力系统出现新的异常之前，主环形缓存区以环形缓存形式暂存波形数据。

8)从非易失性存储器中读取本次故障录波数据，封装数据帧通过GPRS/SMS发送给监控 主站，本次故障录波完成；

进一步，所述步骤1)中当写到主环形缓存区的边界时，DMA模块在没有CPU干预的情况 下从起始位开始写入，在电力系统没有异常情况时，以环形缓存形式循环此过程。

进一步，所述步骤3)中根据第一环形缓存区保存数据的最新位置，读取从环形缓存区 中扰动前状态数据X个周波存于非易失性存储设备，所述为不X小于2的正整数。

进一步，所述环形缓存区中开辟两个一维数组，分别存储电压和电流波形数据。

综上所述，本发明在线路无故障或无异常发生时，采集的数据在无需CPU干预的情况下 暂存于一环形缓存区，有效节省了CPU内存空间；当线路故障或检测到异常运行时，故障数 据从该环形缓存区指向另一新开辟的环形缓存区，避免了有效数据被覆盖，为CPU广播故障 信息预留了足够的时间，同时双环形缓存周期性切换，避免了复杂的边界数据处理操作。当 环形缓存区中故障信息全部存储到非易失性存储器时，释放该环形缓存区，为CPU执行后续 工作提供足够空间。基于双环形缓存的配网线路故障录波方法，实现了数据的不间断采集， 保证了主站服务平台所接收数据的完整性和可用性，同时具有占用CPU系统内存资源少，故 障再现效果好的特点。

附图说明

图1为本发明一种故障录波装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中的分相式结构示意图。

图3为本发明实施例中双环形缓存电流工作模式示意图。

图4为本发明实施例中双环形缓存电压工作模式示意图。

图5为本发明一种故障录波方法的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明方法作详细说明：本实施例给出了详细的实施方式和具体 的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本发明实施例中以配网线路故障录波装置为例进行描述，如图1所示，本发明主要包 括包含DMA模块、非易失性存储设备和两个环形缓存区，DMA模块中包含初始化模块、读指 令模块、写指令模块。

所述初始化模块在电力系统发生故障时以及故障数据记录完整时初始化DMA模块，更改 两个环形缓存区的主从关系，原用于存储数据的环形缓存区改为从环形缓存区，另一环形缓 存区改为主环形缓存区。

所述写指令模块在初始化DMA模块时，将电压、电流波形数据保存目标地址指向主环形 缓存区；在记录故障数据时，如果主环形缓存区已满而故障数据未记录完整时则将电压、电 流波形数据保存目标地址在主环形缓存区、从环形缓存区之间切换。

所述读指令模块在初始化DMA模块时，将电压、电流波形数据读取目标地址指向从环形 缓存区；在记录故障数据时，如果主环形缓存区已满而故障数据未记录完整时则将电压、电 流波形数据读取目标地址在主环形缓存区、从环形缓存区之间切换。

所述环形缓存区根据写指令模块的控制存储电压、电流波形数据。

所述非易失性存储设备根据读指令模块的控制读取环形缓存区中的电压、电流波形数据。

由技术背景的描述可知，A、B、C三相数据采集终端和主站服务平台之间的数据传输完 整性和有效性尤为重要。简要介绍故障录波装置的工作状况，如图2所示，A、B、C三相装 置同步采集线路电流、电压，若任一相装置监测到线路故障或发生异常，在数据采集不间断 的情况下通过Zigbee无线通信在三相装置之间广播故障信息帧，一定时延后确认广播信息发 送成功。故障数据保存完整后，通过Zigbee通信将三相数据汇总于装配有GPRS通信模块的 装置相，通过GPRS/SMS上传至主站服务平台，在主站服务平台上进行数据分析、故障定位等 后续工作。

如图5所示，为本发明故障录波方法的流程图，为便于具体说明本发明的实施过程，对 二个环形缓存区分别以第一环形缓冲区，第二环形缓冲区来进行标明，第一环形缓冲区的起 始位为A点，第二环形缓冲区的起始位为D点，如图3，图4所示，本实施例包括：

(1)在两个环形缓存区中分别开辟两个一维数组作为缓存以存储电压、电流波形的采集 数据。系统初始运行时，信号每采集完成一次，CPU单元DMA模块的写指令模块将电压、电 流波形数据保存目标地址指向第一环形缓存区，此时第一环形缓存区为主环形缓存区，电流、 电压波形数据写入第一环形缓存区，数据在第一环形缓存区中从A点开始保存。

(2)当写到第一环形缓存区的边界即一维数组下标最大值时，DMA模块在没有CPU干预 的情况下从A点开始写入，在线路没有异常情况时，循环此过程。

(3)当系统在B点检测到线路异常，初始化模块对DMA模块重新初始化，写指令模块将 电压、电流数据保存目标地址分别指向第二环形缓存区，此时第二环形缓存区为主环形缓存 区，此后采集的电压、电流波形数据写入到第二环形缓存区，并且从第二环形缓存区的起始 D点开始保存。

(4)读指令模块将电压、电流波形数据读取目标地址指向第一环形缓存区，根据第一环 形缓存区保存数据的最新位置以及《DL/T55394220-500kV电力系统故障动态记录技术准则》 中系统大扰动开始前的状态数据要求设置读取范围，非易失性存储设备读取第一环形缓存区 中扰动前状态数据X个周波(X不小于2)即图中点C与点B之间的数据，释放第一环形缓存 区空间，将第一环形缓存区作为备用缓存区。

(5)当数据写到第二环形缓存区的边界时，判断故障数据是否保存完整。

(6)若故障数据保存不完整，将电压、电流数据保存目标地址指向第一环形缓存区，此 后采集的电压、电流波形数据写入到第一环形缓存区，且从第一环形缓存区的起始A点开始 保存。电压、电流波形数据读取目标地址指向第二环形缓存区读出所有数据存于非易失性存 储设备；当数据写到第一环形缓存区的边界时，判断故障数据是否保存完整，若保存不完整 将电压、电流数据保存目标地址指向第二环形缓存区，此后采集的电压、电流波形数据写入 到第二环形缓存区，且从第二环形缓存区的起始D点开始保存。电压、电流波形数据读取目 标地址指向第一环形缓存区读出所有数据存于非易失性存储设备，重复执行本步骤，直至故 障数据保存完整。

(7)步骤(5)中，若故障数据保存完整不需继续记录波形，则DMA模块重新初始化， 写指令模块将电压、电流数据保存目标地址分别指向第一环形缓存区，此时第一环形缓存区 为主环形缓存区，此后采集的电压、电流波形数据写入到第一环形缓存区，且从第一环形缓 存区的起始A点开始保存。读指令模块将电压、电流波形数据读取目标地址指向第二环形缓 存区，读出第二环形缓存区中所有数据存于非易失性存储设备，释放第二环形缓存区空间。 线路在出现新的异常之前，第一环形缓存区以环形缓存形式暂存波形数据。从非易失性存储 器中读取本次故障录波数据，封装数据帧通过GPRS/SMS发送给监控主站，本次故障录波完成。