电力系统故障录波器的设计电子教案.doc

电力系统故障录波器的设计中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 邵维维 学 号： 04031358 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 设计题目： 电力系统故障录波器的设计 专 题： 指导教师： 陈奎 职 称： 副教授 2007年 6 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院信息与电气工程学院 专业年级电气032 学生姓名邵维维 任务下达日期： 2007 年 3 月 5 日毕业设计日期： 2007年 3 月 5日 至 2007 年 6月20日毕业设计题目：电力系统故障录波器的设计毕业设计主要内容和要求：当电力系统发生故障时对其各种电气信号进行录波，对于分析电力系统故障、确定故障原因，制定预防措施都有积极的意义。本设计题目主要是针对煤矿6kV电网而设计的一种故障录波装置，要求完成内容。1.熟悉微机原理与技术，能够按要求设计模拟和数字电路。2.熟悉计算机与微机通讯原理和方法，设计通讯电路。3.熟悉A/D转换的原理，并按要求设计A/D转换电路4.熟悉电力系统故障的基本特点。5绘制详细电路原理图。6.编写程序框图。7.编写论文院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要 故障录波器是电力系统发生故障时能自动记录的一种装置，它主要用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为，了解系统暂态过程中系统各电参量的变化规律，校核电力系统计算程序及模型参数的正确性。多年来，故障录波己成为分析系统故障的重要依据。本文针对当前煤矿事故屡次发生的现状，结合煤矿的具体情况，研究设计了一种基于DSP煤矿用高压故障录波器。文中阐述了录波器在煤矿供电系统中的作用及目前国内外的发展情况，分析了煤矿供电系统的各种故障特征，根据故障特征制定了相应的故障录波启动判据。本文参考了大量国内外微机故障录波装置的设计，根据DSP的发展过程和DSP的特点选择了TI公司的芯片TMS320F206。针对国内普遍使用的故障录波装置的不足，设计了一种基于DSP的煤矿用故障录波装置。本文详细设计出了故障录波器的硬件结构，包括A/D转换模块、模拟量输入电路、开关量输入输出单元、复位电路的设计及时钟、人机接口、通信模块等。同时给出了录波器主处理器、数据采集计算系统、故障判断子系统的软件设计框图，最后设计出FIR滤波器，实现了软件滤波，给出了数据处理算法，一定程度上降低了此器件的成本，提高了故障检测能力，适合煤矿广泛使用。 关键词：故障录波； 故障诊断； 故障分析；数字信号处理芯片； FIR滤波ABSTRACTThe fault-recorder is the device that can record data when fault happens in the power system. Its mainly used to check the action of relay protection and automation safety device and find out the rule of many electric parameters changing in order to verify the calculating programs and parameters of model in power system. Over the years,the fault-recorder has already become an important basis of fault analysis. With the specific situation of coal mines, a kind of high-voltage fault-recorder used in coal mines and based on DSP is designed in this paper, in view of the current actuality of frequent coal-mine accidents.The paper describes the using of the fault-recorder in coal mine power system and the situation of the current domestic and international developments, and analysis the coal power system fault characteristics, according to the fault characteristics start-up criterion is established. At the same time, the paper references to the large number of domestic and foreign fault-recorders designs. According to development process and the characteristics of the DSP ,we choose the chips TMS320F206 of TI Company. In view of the inadequate of the fault-recorder, the paper design a mine fault-recorder based on DSP.This paper details the design of the hardware of the fault-recorder structure, including the A/D conversion modules, analog input circuit, Switch input and output modules, Watch-Dog and clock, man-machine interface, communications module. At the same time, it has given the software design diagram a fault-recorder main processor, data acquisition computer system, fault diagnosis system and keyboard module. Finally the designing of FIR filter achieves software filtering and a data-processing algorithm is offered, thereby it reduces the cost of the entire design and improves the ability of fault diagnosis. Its more suitable for extensive using of coal mines.Keywords： Fault Record; Fault Diagnosis; Fault Analysis; DSP; FFT Arithmetic目 录1 绪论11.1 引言11.2 故障录波器在煤矿供电系统中的作用11.3 故障录波器的国内外发展状况21.4数字信号处理器（DSP）技术31.4.1 DSP芯片的发展31.4.2 DSP芯片的选择31.4.3 DSP技术在电力系统中的应用前景41.5研究的任务52 煤矿供电系统故障特征及故障录波器录波启动62.1 煤矿供电的特点62.2故障录波器的录波过程62.3.1故障分析82.3.2启动判据的设计102.4 启动算法113 故障录波器的硬件设计133.1故障录波器的硬件设计选择及其原理框图133.1.1故障录波器的硬件设计准则133.1.2 DSP芯片的选择133.1.3故障录波器的原理框图及各部分的功能153.2主要硬件电路介绍163.2.1核心控制模块163.2.2 模数转换模块193.2.3模拟量输入及多路开关转换模块203.2.4开关量输入输出模块223.2.5复位电路设计233.2.6实时时钟模块243.2.7人机接口模块253.2.8通信接口设计263.2.9 数据存储模块274 故障录波器的软件设计284.1主处理器的软件设计284.2数据采集计算系统的软件设计284.3故障判断子程序的软件设计294.4系统抗干扰措施315 FIR滤波器的设计与实现和采样数据处理算法335.1滤波器的选择335.2 FIR滤波器的设计方法345.3采样数据处理算法375.3.1傅氏算法概述385.3.2正弦函数模型算法406 结论47参考文献48附录：本系统原理图50翻译部分51英文原文51中文译文55致 谢611 绪论1.1 引言故障录波器是在电力系统发生故障时能自动记录的一种装置，它可以记录因短路故障、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（有功、无功及系统频率）的全过程变化现象。主要用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为，了解系统暂态稳态过程中系统各电参量的变化规律，校核电力系统计算程序及模型参数的正确性。多年来故障录波器已成为分析系统故障的重要依据1。近几年来，煤矿在生产生活中起到越来越重要的作用，针对煤矿事故频繁发生，煤矿的安全问题引起了人们的极大关注，煤矿用电安全也得到了越来越多的重视，而煤矿所用故障录波器是研究煤矿电网的基础，也是评价继电保护动作行为、分析系统和设备故障性质及原因的重要依据，性能优良的故障录波装置对于保证电力系统安全运行及提高电能质量起到了重要的作用。DSP由于其功能的日益强大，在许多领域里都得到了广泛的应用，如：通用数字信号处理，通信，图形/图像信号处理，控制，军事等诸多方面。在电力系统中的应用近几年逐渐开展起来的，并且也已经进入到了电力系统的各个方面。如：保护，控制，自动化装置等。因此应用与故障录波器中可以使其性能得到很大的改善和提高。1.2 故障录波器在煤矿供电系统中的作用1、事故追忆及事故原因分析 在煤矿供电系统发生事故的情况下，故障录波器能够记录故障发生瞬间电网的电压、电流、频率、零序电压电流以及各开关量的状态，根据记录的各种数值能够回现故障发生瞬间及随后几秒钟电网的各种模拟量及开关量的状态，据此能够分析出事故原因，这样利于电网的改造及事故的预防，以避免事故的再次发生。2、故障点定位、接地选线、谐波分析电网庞大复杂，当发生故障时，如果不能及时将故障点定位，逐段电路的排查是非常繁杂和庞大的工作，并且极为费时，对故障的及时排除及维护极为不利。故障点定位功能能够迅速的查出故障发生的大体位置，这样极大的节省了时间与人力，对电力系统的维护有着非常重要的意义。同时，由于小电流接地系统发生单相接地故障时，系统还可继续运行12小时，若能够及时的找出接地故障相排除故障，则电力系统就能够持续的运行，所以要求其具有接地选线功能。同时还应该具有谐波分析的能力。3、继电保护动作的评价在电力系统发生事故时，继电保护装置有时会出现拒动或误动的情况。仅凭保护装置的信号表示，有时并不能正确评价继电保护和自动装置的工作。有了故障录波装置，利用故障录波数据就可以正确评价或验算继电保护装置工作的正确性。特别是当发生转换性故障时，更需要录波数据来正确评价继电保护和重合闸装置的工作2。1.3 故障录波器的国内外发展状况故障录波器应用于电力工业已有多年历史，60年代末，我国电力系统开始应用以光电转换为原理、120胶片为记录载体的故障录波器，录波器在电网故障及继电保护动作行为分析方面发挥着越来越重要的作用。特别是80年代中期以来，随着计算机技术被引入继电保护领域，故障录波器更有了快速的发展。历经10余年，微机型故障录波器已经完全取代了光电式录波器。成为电网故障信息记录的主力，在许多重大事故的调查和分析中发挥着重要的作用。虽然微机型故障录波器在数据记录性能上有了很大提高，基本解决了光电式故障录波器录波环节多、容量小、没有时标、无记忆能力、数据读取误差大等问题，以具有记忆功能强、存储容量大、能进行故障计时、故障类型判别、故障参数和事件顺序记录、能实现数据远传和便于进行后台分析等特点而得到很大发展，但从近几年的运行实践看，现有国产微机型故障录波器在性能上仅仅是完成了从模拟式录波向数字式录波的转换，还远未发挥出计算机的巨大潜力，仍存在下列问题：1录波方式不一致，全网点录波器时间参照系不同，不便于统一分析和统计查询。2数据输出方式简单，交换接口层次多，速率低，规约不统一，不便于组数据远传及综合分析。3录波器多采用串口通信，数据传输速率低，对于大容量的数据传送需要很长时间。4数据的安全性仍难尽如人意。由于直流消失、连续故障、误操作等因素，仍可能造成录波失败。5在设计上，未充分考虑故障录波的特点和需求。国外的故障录波器一般采用分散式结构，标准模块化设计，可以分散安装在开关柜或保护小室内，通过以太网可以联到一台所级计算机或远传到调度中心。计算机配有通用根系软件包，可集中进行数据处理。但国外的故障录波器并非完全适用于国内，主要表现在：国外故障录波系统除前置录波器外，还要配置专门的故障分析软件，构成独立的录波网，投资大，技术要求高，不适合目前仍以集中屏式结构为主，网络功能不健全的变电站系统1。为解决日益复杂的电力系统故障分析，电力系统故障录波器必须具备的基本功能，着重研究它的主要发展特点：设备的微机化,强大的故障分析功能，实时的相角测量及功角监测，精确的故障测距，系统的网络化等，并就此提出可行的实现方案。软件开发基于Windows，硬件采用模块化，使系统界面友好，实时性高，扩展容易，可靠性高,维护简易.随着全球定位系统的建立及计算机、微波光纤通讯在电力系统中的广泛应用，故障录波器将全方位发展成为一个多功能故障录波及监测分析综合系统。进入21世纪以后，随着器件性能的逐渐增强，各种高性能器件纷纷投入使用，使故障录波器的性能得到了加强，速度更快，录波数据更多，稳定性也更好，但是在软件方面没有更大的突破。1.4数字信号处理器（DSP）技术数字信号处理器（DigitalSignalProcessing，简称DSP）是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。1.4.1 DSP芯片的发展世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程期间2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须的单周期芯片。 1980年。日本NEC公司推出的PD7720是第一个具有乘法器的商用DSP 芯片。第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi 公司，它于1982年推出了浮点DSP芯片。1983年，日本的Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期为120ns ，且具有双内部总线，从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能的浮点DSP芯片应是ATT公司于1984年推出的DSP32。在这么多的DSP芯片种类中，最成功的是美国德克萨斯仪器公司（简称TI）的一系列产品。TI公司于1982年成功推出了启迪一代的DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS32C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS32C40/C44，第五代DSP芯片TMS32C50/C51/C52/C53及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。1.4.2 DSP芯片的选择设计DSP应用系统，选择DSP芯片时非常重要的一个环节。只有选定了DSP芯片才能进一步设计外围电路集系统的其它电路。总的来说，DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。一般来说，选择DSP芯片时考虑如下诸多因素。1DSP芯片的运算速度。运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP芯片时所需要考虑的一个主要因素。DSP芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量：(1) 指令周期。就是执行一条指令所需要的时间，通常以ns为单位。(2) MAC时间。即一次乘法加上一次加法的时间。(3) FFT执行时间。即运行一个N点FFT程序所需的时间。(4) MIPS。即每秒执行百万条指令。(5) MOPS。即每秒执行百万次操作。(6) MFLOPS。即每秒执行百万次浮点操作。(7) BOPS。即每秒执行十亿次操作。2.DSP芯片的价格。根据一个价格的实际应用情况，确定一个价格适中的DSP芯片。3.DSP芯片的硬件资源。4.DSP芯片的运算速度。5.DSP芯片的开发工具。6.DSP芯片功耗。7.其它的因素，如封装的形式、质量标准、生命周期等。综合以上考虑，选用TI公司的TMS320F206，TMS320F206是TMS320C2XX系列的一款高性价比定点DSP，目前己得以广泛应用。1.4.3 DSP技术在电力系统中的应用前景随着我国电力系统的飞速发展，传统的故障录波装置在性能方面，己不能满足电力系统以及变电站自动化发展的要求。特别是在装置的前置采样单元中，由于受到传统设备作为运算和控制核心的单片机，在数据处理能力方面的限制，其数据采样频率和精度无法大幅提高，装置的启动算法以及采样数据实时处理方面，也无法进一步运用各种新型的数字信号处理方法，来全面的提高和完善装置的性能。而数字信号处理芯片(DSP)，作为一种为达到快速数学运算而特殊设计的新型微处理器，具有相当强大的数据处理能力。它与一般的微处理器(MCU)相比有以下的特点：1片内有多条地址、数据和控制总线，可使多个控制和运算部件并行工作，提高CPU的处理能力。2DSP中有硬件乘法器，乘法运算只需一条指令完成。并且乘法器是独立的，可以和加法器等运算部件并行工作，提高了CPU的数字处理能力。3DSP中有一些特殊指令，用来加速数字处理。比如，乘且累加(MAC)指令，一个指令周期内同时完成乘法和加法运算。4主频比一般MCU要高许多。从指令周期来看：低档DSP一般为5Ons；中档DSP一般为10ns；高档DSP一般为5ns。从处理看；低档DSP一般为20MIPS ；中档DSP一般为100MIPS；高档DSP一般为1600MIPS。数字运算，归根结底是乘、加运算。由上可见，DSP的内部硬件结构比MCU更适合于数字信号处理。在相同的主频下，甚至要比目前最先进的个人计算机快10倍-50倍。DSP技术与高速A/D以及现代计算机技术的结合，将可以进一步提高和完善微机保护、自动装置、以及故障录波等，对实时要求很高的装置。因此DSP技术在电力系统中具有广泛的应用前景。因而在本课题中，我们将运用DSP技术进行新型故障录波装置的研制和开发，即以DSP技术改造传统的故障录波设备，充分发挥其在信号处理及数字运算方面的强大功能，研制一套启动可靠、录波数据精确、组网灵便的新型故障录波装置。本装置的研制将弥补目前故障录波装置的诸多不足，同时完善和满足目前电力系统运行中对录波数据及装置提出的各种要求，这对保证电力系统的安全、可靠和经济运行有着积极和重要的作用。1.5研究的任务 1、对煤矿供电系统的特征进行总结，并且对煤矿供电系统故障特征进行分析，设计出合理的录波启动判据，根据DSP的特点，选择合适的芯片。2、设计出故障录波器的硬件部分，包括前向通道（模拟量开关量数据采集），DSP 处理器及外设（包括A/D 控制器、SRAM、键盘、看门狗、液晶、通信模块等），提高故障录波器的运行速度及处理数据的能力，增强其稳定性。3、选择合适的软件算法,实现录波器功能.最终完成整个录波器的设计。2 煤矿供电系统故障特征及故障录波器录波启动电力系统的故障录波器的启动都是利用故障状态与正常运行状态时信号的区别来实现的，煤矿高压故障录波器也是利用此原理来工作，要设计出性能优良的故障录波器，首先要设定准确全面的判据，下面就煤矿供电系统的主要故障特征进行总结，用以设计出录波启动判据。2.1 煤矿供电的特点1双回路供电由于煤矿用电安全的重要性，煤矿井下的供电是双回路或者是多回路的，当一路发生故障时，另一路应该能够担负矿井的全部负荷，这是煤矿供电系统最基本的一个特征。2中性点接地方式由于井下供电环境的特殊要求，煤炭安全规程规定：禁止由地上中性点直接接地的发电机或者变压器直接向井下供电，井下配电变压器中性点不得直接接地。因此，目前我国煤矿6kV电网有的采用中性点不接地方式，属于小电流接地系统，但是在此方式下，电网单相接地电流较大，对安全不利，表现在两个方面：一方面是过大的接地电弧电流由于能量大，不易自熄，会烧坏电缆的绝缘，引起相间短路，进而引发更大的电缆放炮事故；另一方面，电弧接地过电压的概率增加，将会使电缆或电气设备绝缘薄弱处被击穿。所以现在较多的煤矿出现了中性点经消弧线圈接地或消弧线圈并（串）电阻接地的运行方式，消弧线圈可以降低单相接地时的对地电容电流。可以看出，我国煤矿井下供电是中性点不接地或者是中性点经消弧线圈接地的小电流接地系统。3电容电流较大井上到井下的电力传输都是通过电缆进行的，所以井下电缆较多，电网的绝缘电阻较低，但其值仍比对地电容及相间电容的容抗大的多。故进行接地故障分析时，可将绝缘电阻忽略不计。此时，电网电容性电流较大，在电网发生接地故障时，电容电流较高，经消弧线圈接地系统，经过消弧线圈的补偿作用，容性电流大大减小或者是出现感性电流2。2.2故障录波器的录波过程电力系统的故障动态记录可分为三种：1高速故障记录用于记录因短路故障或系统操作引起的、线路分布参数作用的、在线路上出现的电流及电压暂态过程。2故障动态过程记录记录因大扰动引起的系统电流、电压及其导出量，主要用于监测继电保护与安自装置的动作行为。现在系统中运行的各种故障录波器多属此类。3长过程动态记录用于记录线路的潮流、母线电压及频率等。故障录波器的记录方式一般采用分段记录的方式，可记录长时间的振荡及长时间的扰动，满足电力系统动态长过程的需要。参考DCDEBA系统大扰动前开始的绝对时刻t=0L/T553- 94标准，记录方式一般按照下图2. 1执行：图2. 1 DL/T553- 94标准分段记录方式 A时段：系统大扰动开始前的状态数据，输出原始波形及有效值，记录时间不少于0. 0 4秒。 B时段：系统大扰动初期的状态数据，可直接输出原始记录波形及有效值，可观察到5次谐波，同时也可输出每一周波的工频有效值及直流分量值，记录时间不少于0. 1秒。 C时段：系统大扰动中期状态数据，输出连续的工频有效值，记录时间不少于1. 1秒。 D时段：系统动态过程数据，每0. 1秒输出一个工频有效值，记录时间不少于20秒。E时段：系统长时间的动态数据，每1秒输出一个工频有效值，记录时间不少于10分钟。进入D，E时段后，恢复故障判别模块的执行，若有相继故障则又转入ABCDE段录波。本装置的故障录波记录过程就是针对高速故障采样率不足而设计的，是按照图2. 2的记录ABC时段进行的。不仅可以满足完成记录故障从开始到跳闸及重合闸过程，而且采样频率变化次数不多，处理简单。由于原来的故障录波器单片机简单内存较小，录取的是关键的一些点，现在我们设计的高密度B段(采样频率25.6KH)可以完成满足规定中的BCD段。图2.2 装置采用的分段记录方式图中：A时段表示故障前10个周波的数据，采样频率为12.8KHzB时段表示故障发生后5秒故障数据，采样频率为25.6KHzC时段表示4秒的有效值上传，每隔0.1秒上传一组各个通道的有效值。其中：在进入C时段后，恢复故障判别模块的执行，有相继故障则进入ABC时段录波，直至排除故障。2.3 故障分析和启动判据的设计2.3.1故障分析1单相接地故障在煤矿电网中，金属性接地只占5，而漏电故障却高达95，也就是说，绝大部分故障是漏电故障。其中，单相漏电和接地故障占整个电气接地故障80以上。单相接地是煤矿井下电网中出现频率最高的故障形式，所以将其作为煤矿供电系统的主要故障进行分析，以设计出较好的判据。单相接地故障主要分为稳态接地故障和电弧接地故障，二者的特征相差悬殊，如果在设计判据的时候不加考虑的话，可能会造成漏选或者是误选，在判据设计的时候综合考虑两种故障特征，以设计出较合理的录波启动判据。当发生稳态故障时，对中性点经消弧线圈接地的小电流接地系统，其稳态接地时故障判据小，其电流大小与方向和脱谐度的大小有很大关系，其故障判据不易设定和实现。对于中性点经消弧线圈并（串）电阻接地系统，零序电流有功分量是一个很好的判据。而现在的中性点经消弧线圈接地系统，主要采用消弧线圈并（串）电阻的派生接地方式，且消弧线圈本身的有功分量较大（实测单相接地时其有功分量达23A8），所以采用零序电流有功分量这一判据。其它的如零序电流最大原理1314、零序功率方向原理1516、首半波原理517、谐波电流方向原理518等都因为在特定的煤矿供电系统中有所限制或者是较复杂而没有采用。而发生电弧接地时，无论中性点采用何种接地方式，故障线路高频衰减零序电流均较大，其值可能为工频零序电流的几倍。对于电弧接地，高频电流是一个比较重要的量，可以设定高频衰减零序电流来作为判据。根据故障线路流过的高频电流等于非故障线路高频电流之和的特点，设定了暂态电流互积求和判据，近年来兴起的小波分析等理论方法由于不够成熟或者是还没有达到实际应用的水平所以在此也不予采用。无论中性点采用不接地或者是经消弧线圈接地，当发生了稳态接地或者电弧接地，零序电压都会发生变化，而且幅值上升很大。2单相断相故障发生断相故障后，该相的相电流为零，另外两相的电流大小相等，方向相反。此种故障很容易判别。3两相短路及两相短路接地故障我们以 B、C 两相短路为例，有如下的边界条件： （2.1） 以A相为参考向量，根据对称向量法有： （2.2） （2.3）从而有 （2.4）： （2.5） 由此可见，当电路发生两相短路故障时，系统中不但存在正序分量，还存在负序分量，但零序分量为零。并且两故障相电流大小相等，方向相反，这是两相短路的重要特征。产生两相短路故障时，故障点的位置对判据的影响也比较大，故障点位置处于供电系统的末端时，系统的短路电流较小，可能产生漏判的情况。当发生在供电系统始端时，短路电流较大，较容易判断。但是无论是发生在始端还是末端，都会产生负序电流，所以负序电流的产生与相电流的增大是两相短路可以利用的故障特征；另外两故障相的电流差值最大，这也是一个可以利用的重要特征，在此运用了其相电流的增大及相电流差最大联合作用来作为判据。4三相短路三相短路属于煤矿井下对称性故障，故障后三相电流仍然对称，系统中只存在正序电流分量，并且幅值较大。发生短路时，由于系统中总阻抗大大减小，因而短路电流可能达到很大的数值。强大的短路电流所产生的热和电动力效应会造成严重的后果，因而，必须立刻切除。由于三相短路的特征比较突出，如果三相电流同时剧烈增大，其故障特征也比较容易提取和判断。2.3.2启动判据的设计录波启动判据的设置是研制煤矿故障录波器的一个重要环节，因为它关系到系统发生故障或者是系统运行在不正常状态时录波装置能否可靠启动，以对故障状态进行全面可靠的记录。1单相接地故障分析：针对单相接地故障，设计了零序电压越限启动。2两相短路及两相短路接地故障：采用相电流越限及相电流差联合启动25。3三相短路故障：采用相电流越限及相电流突变量启动。4断相故障：采用相电流越限启动。5甩负荷或者是负荷急剧增加：甩负荷会使频率降低，而负荷急剧增加会使频率增高，因此采用的是频率越限启动方式。6失压：失压一般是由于开关误动造成的，由于存在开关量启动判据，可以依据它进行启动。同时失压还可以根据电压越限和电压突变量启动。7开关误动：任何开关量发生变化时，系统均启动。根据前面的分析，设计出以下的故障录波启动判据：（1）相电压越限及突变启动。（2）相电流越限及突变启动。（3）零序电压越限启动。（4）相电流差启动。（5）低频、过频及频率变化率启动。（6）开关量启动。（7）手动启动。2.4 启动算法本文根据查阅的文献中所采用的经验数据来进行各启动量的设定，在实际应用中，可根据具体情况，进行具体设定。1、相电流和相电压突变启动相电压突变量启动采用： （2.6）运用此种方式是为了抵消频率偏移所带来的误差，式中 N 为一个工频周期内的采样点数，在此 N 为256，和，分别为 K 时刻及一个周期和两个周期前的电流电压值，采用分相判别，用计算出的相电流或相电压突变量与定值比较，连判3次满足突变量启动判据即确认为启动。电流突变量的值设为，电压突变启动的值设为。2、相电流、相电压越限启动25根据计算出来的相电压与相电流有效值来作为录波启动的判据。相电流启动的高限值设为110Ie，低限值设为85Ie；相电压启动的高限值设为115Ue，低限值设为80Ue。3、零序电压越限启动利用零序电压互感器获得零序电压的信息来作为录波启动的判据。零序电压启动的定值设为20V5。4、相电流差启动计算并比较三种相电流差，找出最大值，即可找出短路或短路接地相，在此不赘述。5、频率越限及频率变化率启动用计算得到的频率与频率越限定值比较以判定是否启动。频率变化率用下式得到 (2.7)将计算出的频率滑差与定值比较后确定是否应启动。上式中为前一参考时刻测得的系统频率；为本时刻测得的系统频率；T为相邻两参考时刻的间隔时间。这里设为1s。高频率启动的定值设为50.5 Hz，低频率启动的定值设为49.5 Hz。频率变化率启动的定值设为1Hz/s。3 故障录波器的硬件设计硬件电路是故障录波器工作的基础，其设计的好坏，将直接影响到装置功能的实现。硬件电路的设计要求围绕故障录波器功能的要求进行，在设计时应充分考虑增强其自身的抗干扰性能。本章主要介绍基于DSP的故障录波器的硬件电路的设计。3.1故障录波器的硬件设计选择及其原理框图 3.1.1故障录波器的硬件设计准则围绕其功能进行，同时要求遵循以下准则：1软硬件合理划分：系统中软件和硬件在逻辑功能上是等效的。具有相同功能的微机应用系统，其软硬件功能分配可以在很宽的范围内变化。系统的软硬件功能分配要根据系统的要求而定，提高硬件功能的比例可以提高速度、减少所需的存储量，有利于监测和控制的实时性。相反，提高软件功能的比例可以降低硬件的造价，提高灵活性和适应性，但相应速度要下降，软件设计费用和所需的存储器容量要