CN110907747A - 一种配电网行波故障采样处理*** - Google Patents

一种配电网行波故障采样处理*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种配电网行波故障采样处理***，包括用于监测配电线路的电压信号的电压互感器，用于采集电压互感器输出的电压信号的ADC数据采集模块，用于输出时间信号的授时模块，和FPGA采样处理单元；FPGA采样处理单元控制所述ADC数据采集模块进行数据采样，FPGA采样处理单元将采样数据进行低通滤波处理并对低通滤波后的数据进行工频量计算，并将所述时间信号打入ADC采样值数据中。本发明的采样处理***所采用的采样时间同步控制方案，同步精度较高，利用FPGA较高的运算速度预先对采样数据进行滤波和工频量计算，便于极大的提高后续故障分析处理的效率和准确性。

Description

一种配电网行波故障采样处理***
技术领域
本发明涉及配电网供电线路的行波故障分析技术，尤其涉及一种针对配电网行波故障进行采样处理的***。
背景技术
在对配电网进行行波故障分析时，通常需要实时采样大量的电压数据信号，而数据的采样处理对于后续的故障数据分析的准确性以及处理效率有着重要的影响。FPGA(可编程阵列器件)是一种适合的运算量较大，但是运算结构相对比较简单的数据处理器件。目前，已有将FPGA应用于配电网的行波故障采集，然而目前应用较多的也只是利用FPGA来对采集信号的进行简单的去燥处理，后续还需要通过其它处理器(比如DSP)进行较为繁杂的计算，也就是说目前的FPGA处理没有对后续的行波故障分析处理起到简化的作用。
此外，目前所采用的双端行波测距需要多台装置同步采样才能准确测量行波信号到达装置测量点的时间差，因此，对于行波信号采样时间的同步控制精度也存在较高的要求，而目前的针对配电网行波故障的同步采样方案也存在着较大的提升空间。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种可对配电网的行波信号进行高效采样处理的***，提高采样数据的有效性以及对采样数据的处理效率。
为实现本发明的目的，提供一种配电网行波故障采样处理***，包括电压互感器、ADC数据采集模块、授时模块和FPGA采样处理单元；
所述电压互感器用于监测配电线路上的三相电压信号；
所述ADC数据采集模块用于采集电压互感器输出的电压信号；
所述授时模块用于输出时间信号；
所述ADC数据采集模块和授时模块与所述FPGA采样处理单元电性连接，FPGA采样处理单元控制所述ADC数据采集模块进行数据采样，FPGA采样处理单元将采样数据进行低通滤波处理并对低通滤波后的数据进行工频量计算，并将所述时间信号打入ADC采样值数据中。
优选的，所述FPGA采样处理单元包括：
同步采样模块，用于控制ADC进行同步采样；
时间解码模块，对授时模块输出的时间信息进行解码，得到时间信息；将绝对时标打入ADC采样值数据中；
FIR低通滤波模块，对采样数据进行低通滤波处理；
傅里叶变换模块，利用FIR低通滤波后的数据计算工频量；
数据格式化模块，将采样数据、FIR低通滤波后的数据、工频量数据、时间数据按一定格式存入uPP控制器的FIFO；
uPP控制器，其实现uPP接口协议，将FIFO内的数据通过uPP接口传输至外部处理设备。
优选的，所述ADC数据采集模块包括3个ADC模数转换器，用以对电压互感器监测的三相电压信号进行同步数据采集。
优选的，其中所述数据格式化模块将数据写入FIFO，每个数据结构长度固定，包含500个采样点和FIR低通滤波数据，傅里叶滤波计算结果，绝对时标包含时间解码结果和内部时间计数器值，每个采样数据包都含有数据包中第一个采样点的绝对时标。
进一步的，使用双时钟FIFO将数据格式化模块和uPP接口连接起来，数据格式化模块作为FIFO的写入端，uPP接口作为FIFO的读端，数据格式化模块和uPP接口可使用不同的时钟独立控制。
优选的，所述ADC数据采集模块配置为使用OPA2604芯片作为前端运放接收所述电压互感器输出的电压信号，并通过TI公司的THS1408芯片连接OPA2604芯片的信号输出端，THS1408芯片的信号输出端连接FPGA采样处理单元。
优选的，所述授时模块配置为GPS/北斗卫星授时模块，通过GPS/北斗卫星授时模块的卫星接收模块输出的1PPS秒脉冲和NMEA-0183标准协议获取绝对时标。
优选的，所述时间解码模块设置为使用NIOS II软核，运行解码程序程序进行解码。
优选的，所述FIR低通滤波模块设置的截止频率为500Hz。
优选的，所述采样处理***采用PT供电绕组进行供电，同时还设置有备用电源，故障发生后，采样处理***切换到备用电源进行供电。
相比现有的行波故障采样方案，本发明的有益效果体现在：采用FPGA作为多路采样控制器、GPS时标控制器、数据缓存、以及数字滤波处理器，可实现较高的运算速度和较低的资源消耗，实现对采样数据的高效处理。进一步的，所采用的采样时间同步控制方案，同步精度较高。利用FPGA较高的运算速度预先对采样数据进行滤波和工频量计算，便于极大的提高后续故障分析处理的效率和准确性。
附图说明
图1为本发明实施例的配电网行波故障采样处理***的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的配电网行波故障采集处理***进行详细的阐述说明，应该说明的是，本发明的实施方式并不限于以下具体实施例。
提供一种配电网行波故障采样处理***，包括电压互感器、ADC数据采集模块、授时模块和FPGA采样处理单元；
所述电压互感器用于监测配电线路上的三相电压信号；
所述ADC数据采集模块用于采集电压互感器输出的电压信号；
所述授时模块用于输出时间信号；
所述ADC数据采集模块和授时模块与所述FPGA采样处理单元电性连接，FPGA采样处理单元控制所述ADC数据采集模块进行数据采样，FPGA采样处理单元将采样数据进行低通滤波处理并对低通滤波后的数据进行工频量计算，并将所述时间信号打入ADC采样值数据中。
应该说明的是，提供的上述采样处理***可为通过行波法对配电网进行的故障定位分析提供前端的信号采集处理。通过上述方案，可实现对配电线路的三相电压信号进行同步采样，而通过FPGA采样处理单元将采样数据进行低通滤波处理并对低通滤波后的数据进行工频量计算，有助于在后续的故障定位分析时，通过工频量数据高效、快捷的判断是否有故障发生，使得后续对于是否发生故障的判断无需进行大量计算，有助于提高对采样数据的处理能力(通常情况下，在对配电网进行行波故障分析时，需实时处理监测的采集数据，数据计算量较大)，并提高故障检测灵敏度。作为一种可选择的应用，本实施例的配电网行波故障采样处理***可配合DSP处理器使用，将经过本采样处理***的FPGA采样处理单元处理后的采样数据发送到DSP处理器进行后续的故障定位分析处理。
作为可选的实施方案，所述ADC数据采集模块包括3个ADC模数转换器，用以对电压互感器所监测的三相电压信号进行同步数据采集。
作为一种具体的，由于10kV配电线路的塔杆间距一般在60米左右，行波在线路中的传输速度最高为0.3米/纳秒，因此可将硬件采样间隔配置为不低于200ns，即采样率≥5MSPS。鉴于此，本实施例中将所述ADC数据采集模块配置为使用OPA2604芯片作为前端运放接收所述电压互感器输出的电压信号，并通过TI公司的THS1408芯片连接OPA2604芯片的信号输出端，THS1408芯片的信号输出端连接FPGA采样处理单元。THS1408具有14位的分辨率，最高8MSPS的采样速率，满足***设计需求的≥5MSPS的设计要求，14位的分辨率可以较好的识别微弱的电压行波信号，采用CMOS工艺，使用单个3.3V供电，无需外部参考电源，可以直接接入FPGA采样处理单元的I/O口，支持单端和差分两种模拟量输入方式，前端使用OPA2604运放芯片，可以匹配不同的电压互感器输出电压信号。
作为优选的实施方案，所述FPGA采样处理单元包括：
同步采样模块，用于控制ADC进行同步采样；
时间解码模块，对授时模块输出的时间信息进行解码，得到时间信息；将绝对时标打入ADC采样值数据中；
FIR低通滤波模块，对采样数据进行低通滤波处理；
傅里叶变换模块，利用FIR低通滤波后的数据计算工频量；
数据格式化模块，将采样数据、FIR低通滤波后的数据、工频量数据、时间数据按一定格式存入uPP控制器的FIFO；
uPP控制器，其实现uPP接口协议，将FIFO内的数据通过uPP接口传输至外部处理设备。
上述方案中，采样值经过数据格式化后，ADC采样数据、FIR低通滤波结果、傅里叶变换结果、以及时间数据一起格式化成采样数据包存入uPP控制器的FIFO中。由于采样数据包内已经具有FIR滤波和傅里叶变换计算的基波有效值，后续无需再重新进行计算，直接使用FPGA采样处理单元提供的计算结果即可判断是否有故障事件发生。采样数据包含原始的全频电压信号，有利于故障信号的回放和再次分析。
通常情况下，在一些行波测距方法中(如双端行波测距方法)通常需要多台装置同步采样才能准确测量行波信号到达装置测量点的时间差。本采样处理***中的所述授时模块配置为GPS/北斗卫星授时模块，通过GPS/北斗卫星授时模块的卫星接收模块输出的1PPS秒脉冲和NMEA-0183标准协议获取绝对时标。
作为优选的，其中所述数据格式化模块将数据写入FIFO，每个数据结构长度固定，包含500个采样点和FIR低通滤波数据，傅里叶滤波计算结果，绝对时标包含GPS/北斗卫星授时模块的时间解码结果和内部时间计数器值，内部时间计数器由恒温晶振提供时钟源，用于计时秒以下时间，计数器由1PPS信号清零，可以提供高达10ns的时间精度，每个采样数据包都含有数据包中第一个采样点的绝对时标。
优选的，使用双时钟FIFO将数据格式化模块和uPP接口连接起来，数据格式化模块作为FIFO的写入端，uPP接口作为FIFO的读端，数据格式化模块和uPP接口可使用不同的时钟独立控制。
作为优选的，由于NMEA-0183协议的消息是变长消息，不利于使用硬件直接解码。将所述时间解码模块设置为使用NIOS II软核，运行解码程序程序进行解码。
作为优选的，所述FIR低通滤波模块设置的截止频率为500Hz，有助于去除噪声等干扰信号。
作为优选的，所述采样处理***采用PT供电绕组进行供电，同时还设置有备用电源，故障发生后，采样处理***切换到备用电源进行供电。

Claims (10)

1.一种配电网行波故障采样处理***，其特征在于，包括电压互感器、ADC数据采集模块、授时模块和FPGA采样处理单元；
所述电压互感器用于监测配电线路上的三相电压信号；
所述ADC数据采集模块用于采集电压互感器输出的电压信号；
所述授时模块用于输出时间信号；
所述ADC数据采集模块和授时模块与所述FPGA采样处理单元电性连接，FPGA采样处理单元控制所述ADC数据采集模块进行数据采样，FPGA采样处理单元将采样数据进行低通滤波处理并对低通滤波后的数据进行工频量计算，并将所述时间信号打入ADC采样值数据中。
2.根据权利要求1所述的配电网行波故障采样处理***，其特征在于，所述FPGA采样处理单元包括：
同步采样模块，用于控制ADC进行同步采样；
时间解码模块，对授时模块输出的时间信息进行解码，得到时间信息；将绝对时标打入ADC采样值数据中；
FIR低通滤波模块，对采样数据进行低通滤波处理；
傅里叶变换模块，利用FIR低通滤波后的数据计算工频量；
数据格式化模块，将采样数据、FIR低通滤波后的数据、工频量数据、时间数据按一定格式存入uPP控制器的FIFO；
uPP控制器，其实现uPP接口协议，将FIFO内的数据通过uPP接口传输至外部处理设备。
3.根据权利要求1所述的配电网行波故障采样处理***，其特征在于，所述ADC数据采集模块包括3个ADC模数转换器，用以对电压互感器监测的三相电压信号进行同步数据采集。
4.根据权利要求2所述的配电网行波故障采样处理***，其特征在于，其中所述数据格式化模块将数据写入FIFO，每个数据结构长度固定，包含500个采样点和FIR低通滤波数据，傅里叶滤波计算结果，绝对时标包含时间解码结果和内部时间计数器值，每个采样数据包都含有数据包中第一个采样点的绝对时标。
5.根据权利要求2或4所述的配电网行波故障采样处理***，其特征在于，使用双时钟FIFO将数据格式化模块和uPP接口连接起来，数据格式化模块作为FIFO的写入端，uPP接口作为FIFO的读端，数据格式化模块和uPP接口可使用不同的时钟独立控制。
6.根据权利要求2所述的配电网行波故障采样处理***，其特征在于，所述ADC数据采集模块配置为使用OPA2604芯片作为前端运放接收所述电压互感器输出的电压信号，并通过THS1408芯片连接OPA2604芯片的信号输出端，THS1408芯片的信号输出端连接FPGA采样处理单元。
7.根据权利要求1所述的配电网行波故障采样处理***，其特征在于，所述授时模块配置为GPS/北斗卫星授时模块，通过GPS/北斗卫星授时模块的卫星接收模块输出的1PPS秒脉冲和NMEA-0183标准协议获取绝对时标。
8.根据权利要求7所述的配电网行波故障采样处理***，其特征在于，所述时间解码模块设置为使用NIOSII软核，运行解码程序程序进行解码。
9.根据权利要求2所述的配电网行波故障采样处理***，其特征在于，所述FIR低通滤波模块设置的截止频率为500Hz。
10.根据权利要求1所述的配电网行波故障采样处理***，其特征在于，所述采样处理***采用PT供电绕组进行供电，同时还设置有备用电源，故障发生后，采样处理***切换到备用电源进行供电。
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