CN108983036B - 一种基于电子式互感器的行波测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电子式互感器的行波测距系统，包括测距主机和至少一个采集装置，采集装置包括电子式互感器以及采集模块，各采集模块上有SV数据传输端口，与测距主机上的对应SV数据接收端口连接，用于将采集到的实时SV采样信息发送给测距主机，作为判断故障发生的依据；各采集模块上有以太网端口，与测距主机上的对应以太网端口连接，当发生故障时，测距主机通过以太网端口向对应的采集模块发送召唤报文，采集模块通过以太网端口向测距主机发送需要的故障录波报文，以进行行波测距。相较于基于传统互感器的行波测距系统，该测距系统的精度和可靠性得到了很大地提升。

Description

一种基于电子式互感器的行波测距系统

技术领域

本发明涉及一种基于电子式互感器的行波测距系统，属于基于电子式互感器的行波测距技术领域。

背景技术

高压输电线路是电力系统中重要组成部分，它担负着电力能源运输的重要责任，由于交直流输电工程一般线路较长、跨越地形复杂，它又是技术作用电力系统中最容易出现故障的环节，线路故障的查找异常困难，精确测距重大。输电线路测距系统的作用就是在线路故障发生后，能够准确计算出故障点发生的位置，便于运行人员迅速查明故障点短路的原因，及时准确的进行故障定位和修复故障线路，保证输电线路的供电可靠性。伴随着行波信号提取、高速数据采集、数据传输等相关技术的逐步成熟，多种行波故障测距系统先后被成功研发，国内外己有多种行波故障测距装置投入实际运行。

行波测距系统能够完成故障点的定位，广泛应用于智能变电站的故障诊断和故障定位。目前国内的行波测距系统基本都是基于传统互感器，传统互感器目前存在绝缘难度大，动态范围小，安全性差，体积大，成本高等缺点，而电子式互感器是未来的发展方向。特别是基于罗氏线圈的电子式电流互感器目前已经非常成熟，相比较传统电流互感器来说，其测量精度更高，动态范围更优秀，能大大提升测距精度的同时，也符合未来的发展方向。但是，基于电子式互感器的行波测距系统需要专门的数据采集和数据传输方式，以应对高速化和智能化的要求，因此，传统的测距系统由于结构以及测距方式等因素，无法适用于电子式互感器，研究基于电子式互感器的分布式行波测距系统，对于提升行波测距的精确性、可靠性和高速性具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电子式互感器的行波测距系统，用以解决传统的测距系统无法适用电子式互感器的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：一种基于电子式互感器的行波测距系统，其特征在于，包括测距主机和至少一个采集装置，所述采集装置包括电子式互感器以及采集模块，各采集模块上有SV数据传输端口，与测距主机上的对应SV数据接收端口连接，用于将采集到的实时SV采样信息发送给测距主机，作为判断故障发生的依据；各采集模块上有以太网端口，与测距主机上的对应以太网端口连接，当发生故障时，测距主机通过以太网端口向对应的采集模块发送召唤报文，采集模块通过以太网端口向测距主机发送需要的故障录波报文，以进行行波测距。

各采集模块上还有同步信号接收端口，与测距主机上的同步信号发送端口连接，测距主机向各采集模块发送同步采样时间报文，用于同步各采集模块。

所述测距主机上有一个同步信号发送端口，所述同步信号发送端口输出连接有一个光扩展模块，光扩展模块与各采集模块的同步信号接收端口对应连接。

测距主机向各采集模块发送的同步采样时间报文中有时间戳信息，各采集模块对时间戳信息进行分频，保证与测距主机的时间同步。

所述采集模块为基于ARM+FPGA架构的SOC芯片。

所述采集模块包括用于连接电子式互感器的ADC采集端口，FPGA包括采集处理逻辑单元，采集处理逻辑单元与DDR RAM连接，用于将采集到的故障录波报文写入DDR RAM的缓存空间，DDR RAM的缓存空间与ARM共享，ARM通过相应的以太网端口将故障录波报文发送给测距主机，采集处理逻辑单元通过相应的SV数据传输端口将实时SV采样信息发送给测距主机。

采集模块在对时间戳信息进行分频之前，对接收到的时间戳信息进行有效性判断，当接收到的时间戳信息有效时，进行所述分频处理。

时间戳信息的有效性判断过程包括以下步骤：

(1)在接收到时间戳信息的同时，采集模块本地时钟开始计时；

(2)如果本地时钟计时得到的时间大于时间戳的发送间隔，则判定该时间戳信息无效，否则，判定为有效。

如果上一帧时间戳中的时间信息与当前帧时间戳中的时间信息的误差大于一个设定值，则判断当前帧时间戳信息无效。

本发明提供的行波测距系统是基于罗氏线圈原理的电子式电流互感器，能更真实的反应一次故障波形，测距精度更高，而且，采用分布式架构，一台行波测距主机接收一个或者多个行波测距采集装置的相关采样报文，采集装置的个数设置灵活，使现场布局更加灵活。测距主机上有两种数据传输端口，分别是SV数据接收端口和以太网端口，SV数据接收端口与各采集模块上的SV数据传输端口连接，各采集模块将采集到的实时SV采样信息通过SV数据传输端口发送给测距主机，测距主机对SV数据进行处理，以判断故障是否发生；以太网端口与各采集模块上的以太网端口连接，当判断发生故障时，测距主机通过以太网端口向对应的采集模块发送召唤报文，采集模块通过以太网端口向测距主机发送需要的故障录波报文，测距主机根据故障录波报文进行行波测距的逻辑判断。所以，该测距系统利用两种数据传输端口进行故障启动和故障测距的判断，相较于基于传统互感器的行波测距系统，精度和可靠性得到了很大地提升，并且，该测距系统适用于电子式互感器的特殊要求，对于提升行波测距的精确性、可靠性和高速性具有非常重要的意义。

附图说明

图1是行波测距系统原理图；

图2是采集单元接收测距主机的同步报文的处理过程图；

图3是采集单元的软件架构示意图；

图4是采集装置与测距主机的数据交互逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

行波测距系统主要包括两部分，分别是行波测距主机和子机。子机由至少一个采集装置构成，行波测距主机与子机的安装方式如图1所示。对于任意一个采集装置，包括两部分，分别是基于罗氏线圈原理的电子式互感器以及行波测距高速采集单元(也称为行波测距高速采集模块，以下简称为采集单元)，采集单元采用三相一体设计，与电子式电流互感器采用就地化方式安装，能采集单个线路的A、B、C三相电流信息。行波测距系统中的采集装置可称为分布式采集装置，采集装置中的采集单元也可以称为分布式采集单元。采集装置的个数根据实际要求进行设定，本实施例中，单台测距主机最大支持连接8台采集装置。

行波测距主机上有三种数据端口，分别是：SV数据接收端口、以太网端口和同步信号发送端口，分别对应图1中的点对点SV口、百兆以太网口和同步口TX；采集单元上有三种数据端口，分别是：SV数据传输端口、以太网端口和同步信号接收端口，分别对应图1中的SV点对点口、录波上送百兆以太网口和同步口RX。测距主机上的点对点SV口和百兆以太网口的个数与系统中的采集单元的个数相同，各采集单元上的SV点对点口与测距主机上的点对点SV口一一对应连接，各采集单元上的录波上送百兆以太网口与测距主机上的百兆以太网口一一对应连接。事实上，测距主机上的点对点SV口和百兆以太网口均是常规的以太网口，但是，由于这两种端口有不同的作用，所以，为了便于说明，将其中一种称为点对点SV口，另一种称为百兆以太网口；相应地，采集单元上的SV数据传输端口和以太网端口同样均是以太网口。

通过行波测距主机上的点对点SV口与采集单元上的SV点对点口，实现采集单元将采集到的实时SV采样信息发送给行波测距主机，本实施例中，采集单元发送的是实时80点的实时SV采样信息，作为判断故障发生的依据；通过行波测距主机上的百兆以太网口与采集单元上的录波上送百兆以太网口，实现当发生故障时，测距主机通过以太网端口向对应的采集单元发送召唤报文，采集单元接收到召唤报文后通过以太网端口向测距主机发送需要的故障录波报文，本实施例中，发送的是2M采样率的故障时刻录波报文，以进行行波测距。

而且，为了实现行波测距主机与各采集单元的采样同步，行波测距主机上还设置有同步信号发送端口，各采集单元上设有同步信号接收端口，同步信号发送端口与各采集单元上的同步信号接收端口对应连接。进一步地，为了降低行波测距主机的同步信号发送端口数量，行波测距主机上只设置有一个同步信号发送端口，对应图1中的同步口TX，为专用的对时口，同步口TX输出连接有一个光扩展装置，该光扩展装置与各采集单元的同步信号接收端口，对应图1中的同步口RX对应连接，因此，光扩展装置为接口扩展设备。行波测距主机通过同步口TX发送同步采样时间报文，经过光扩展装置后，将同步采样时间报文发送给各采集单元，用于各个采集单元的采样同步，实现在数据采集和发送的精准控制。

经过验证，如果采用秒脉冲或者B码分频的模式，但是因为行波测距主机和各采集单元之间的晶振计数值差异(一般晶振的误差为10-20ppm)，每秒的误差可以达到几个到十几微秒，所以，普通的秒脉冲和B码同步方式难以满足最小500nS的同步采样精度，因此采用行波测距主机发送同步采样信息的方式来同步采样。因为原始的同步采样时间报文中没有具体的时间信息，所以发送同步时间戳的模式是可选的方式，即在同步采样时间报文中加有时间戳信息。为了保证时间戳的精度，时间戳的发送频率越高越好，同时各采集单元必须保证一定的守时功能，在时间戳的间隙进行分频，给采样点打时间戳。时间戳的发送间隔为250uS，波特率为2M，在时间戳的间隙采集单元对时间戳进行分频，保证和行波测距主机的时间同步。行波测距主机和各采集单元的时间同步报文如表1所示，时间信息是一个32位的时间戳，自动翻转，单位为10nS。

表1

其同步模式如图2所示，采集单元接收行波测距主机发过来的同步时间戳，并通过一定的逻辑判断时间戳的有效性。采用以下方法对主机发过来的时间戳信息进行有效性判断：

第一步，采集单元解析主机发送的时间戳UART_T_cnt。与此同时，采集单元本地时钟自产一个时钟计数器，并开始计时，该时钟计数器的计数值，即计时得到的时间为t_cnt，该计数器在秒脉冲上升沿到来时自动清零。

第二步，对计数值t_cnt进行判断，如果计数值t_cnt大于时间戳的发送间隔t_T，即t_cnt超过时间戳的发送间隔某一个大于0的门限范围，利用不等式表示的话，是：|t_cnt-t_T|>offset，offset为设定的上述门限范围，那么，判定为该时间戳无效，即该时间戳的有效性标志TIME_VALID＝0；否则，判定为有效。

本实施例中，由于时间戳为32位，时间戳的发送间隔t_T为250uS，offset以10uS为例，那么，如果|t_cnt–250uS|>10uS，则，TIME_VALID＝0。

在上述判据的基础上，还可以根据上一帧时间戳中的时间信息与当前帧时间戳中的时间信息来进一步判断有效性。如果上一帧时间戳中的时间信息与当前帧时间戳中的时间信息的误差大于一个设定值(比如10uS)时，表示这两帧时间戳的时间信息相差很大，那么，就判断为当前帧时间戳信息无效。假设上一帧时间戳中的时间信息为LAST_UART_T_cnt，当前帧时间戳中的时间信息为UART_T_cnt，则，计算上一帧时间戳与当前帧时间戳的时间信息的差的绝对值|LAST_UART_T_cnt-UART_T_cnt|，如果该绝对值大于一个设定值，则将TIME_VALID置为0，即无效。

如果接收的时间戳信息有效，则对该时间戳进行分频，利用时间戳更新本地时间T_cnt，T_cnt<＝UART_T_cnt，否则T_cnt做自守时累加，即T_cnt<＝T_cnt+1。

每个采样单元都需要记录其采样时刻的时间戳，实际时间T_采集单元为行波测距主机的本地时间戳T_主机加上报文发送的延时时间T_delay，计算公式为：

T_采集单元＝T_主机+T_delay

采用行波测距主机给采集单元发送时间戳的方式，实现不同采集单元之间，采集单元与行波测距主机之间达到10nS的高精度采样同步，配合2M/S的高速采样率，最终实现150m的测距精度。

本实施例中，采集单元采用的主控是赛灵思公司(Xilinx)推出的行业可扩展处理平台ZYNQ，型号为7Z010，是一款基于ARM+FPGA架构的SOC芯片，具有强大的数字信号处理功能。

如图3所示，采集单元除了ARM+FPGA之外还有相关的通讯接口，比如：高速ADC采集端口、光以太网口1、光以太网口2、光对时接口以及其他的接口。其中，光以太网口1用于发送故障录波报文，对应为附图1的录波上送百兆以太网口；光以太网口2用于发送实时SV采样信息，对应为附图1的SV点对点口；光对时接口用于接收同步信息，对应为附图1中的同步口RX；高速ADC采集端口连接电子式互感器，用于接收电子式互感器的采集信息。

采集单元的核心在于ARM和FPGA，其中，图3中的PS单元(处理器系统单元)对应为ARM，PL单元(可编程逻辑单元)对应为FPGA。FPGA包括有采集处理逻辑单元，用于数据的相关处理，采集处理逻辑单元与DDR RAM连接，进一步通过AXI HP接口与DDR RAM连接，通过高速ADC采集的故障录波报文通过AXI HP高速接口直接写入DDR RAM的缓存空间，并且，AXIHP通过DMA的方式与DDR RAM传输数据，效率高，速率快，而且不占用CPU的资源。DDR RAM的缓存空间与ARM共享，ARM通过光以太网口1与行波测距主机通讯确认报文上送的时机，然后将故障录波报文打包发送给行波测距主机。并且，采集单元可以通过抽点方式，利用采集处理逻辑单元通过光以太网口2将单周波采样率为80点的SV格式的实时采样报文发送给行波测距主机，作为主机判断故障启动的依据。另外，采集单元采用大容量缓存存贮10个周波的2M/S的高速故障录波报文，即故障录波报文的数据窗为10个周波，当线路发生故障时，采集单元接收行波测距主机的召唤，上送3个周波的故障时刻录波信息给行波测距主机作为行波测距逻辑判断的依据。另外，由于需要利用录波报文进行行波测距，所以，为了实现测距的快速性，录波报文的传输速率通常情况下要快于实时SV采样报文的传输速率。

所以，该测距系统中，采集单元将实时SV采样报文发送给测距主机，测距主机根据该采样报文进行故障启动的判断，当线路产生故障时，即主机需要相关数据进行行波测距的时候，通过以太网发送相应的数据召唤报文给采集单元，采集单元应答，并发送故障时刻的录波报文。行波测距主机接收录波报文，并判断报文序号，当接收完录波的报文后，测距主机给采集单元发送接收完成的应答，完成一次行波测距数据上送的过程，其原理如图4所示。测距主机根据接收到的故障录波报文进行行波测距，提升系统稳定性。由于故障启动的判断以及行波测距的判断属于现有技术，本实施例就不再对这两个判断过程做详细说明。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于电子式互感器的行波测距系统，其特征在于，包括测距主机和至少一个采集装置，所述采集装置包括电子式互感器以及采集模块，各采集模块上有SV数据传输端口，与测距主机上的对应SV数据接收端口连接，用于将采集到的实时SV采样信息发送给测距主机，作为判断故障发生的依据；各采集模块上有以太网端口，与测距主机上的对应以太网端口连接，当发生故障时，测距主机通过以太网端口向对应的采集模块发送召唤报文，采集模块通过以太网端口向测距主机发送需要的故障录波报文，以进行行波测距。

2.根据权利要求1所述的基于电子式互感器的行波测距系统，其特征在于，各采集模块上还有同步信号接收端口，与测距主机上的同步信号发送端口连接，测距主机向各采集模块发送同步采样时间报文，用于同步各采集模块。

3.根据权利要求2所述的基于电子式互感器的行波测距系统，其特征在于，所述测距主机上有一个同步信号发送端口，所述同步信号发送端口输出连接有一个光扩展模块，光扩展模块与各采集模块的同步信号接收端口对应连接。

4.根据权利要求2所述的基于电子式互感器的行波测距系统，其特征在于，测距主机向各采集模块发送的同步采样时间报文中有时间戳信息，各采集模块对时间戳信息进行分频，保证与测距主机的时间同步。

5.根据权利要求1或2所述的基于电子式互感器的行波测距系统，其特征在于，所述采集模块为基于ARM+FPGA架构的SOC芯片。

6.根据权利要求5所述的基于电子式互感器的行波测距系统，其特征在于，所述采集模块包括用于连接电子式互感器的ADC采集端口，FPGA包括采集处理逻辑单元，采集处理逻辑单元与DDR RAM连接，用于将采集到的故障录波报文写入DDR RAM的缓存空间，DDR RAM的缓存空间与ARM共享，ARM通过相应的以太网端口将故障录波报文发送给测距主机，采集处理逻辑单元通过相应的SV数据传输端口将实时SV采样信息发送给测距主机。

7.根据权利要求4所述的基于电子式互感器的行波测距系统，其特征在于，采集模块在对时间戳信息进行分频之前，对接收到的时间戳信息进行有效性判断，当接收到的时间戳信息有效时，进行所述分频处理。

8.根据权利要求7所述的基于电子式互感器的行波测距系统，其特征在于，时间戳信息的有效性判断过程包括以下步骤：

(1)在接收到时间戳信息的同时，采集模块本地时钟开始计时；

(2)如果本地时钟计时得到的时间大于时间戳的发送间隔，则判定该时间戳信息无效，否则，判定为有效。

9.根据权利要求8所述的基于电子式互感器的行波测距系统，其特征在于，如果上一帧时间戳中的时间信息与当前帧时间戳中的时间信息的误差大于一个设定值，则判断当前帧时间戳信息无效。

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