CN111965485B - 一种用于输电线路行波测距的数据处理***及方法 - Google Patents

一种用于输电线路行波测距的数据处理***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于输电线路行波测距的数据处理***及方法，FPGA记录采样数据的时标数据；对采样数据进行抽取；将采样数据存入高速采样数据缓存区，将时标存入高速采样数据时标缓存区，将所抽取的数据存入低速采样数据缓存区；测距CPU读取低速采样数据采样缓存区的抽取数据并进行启动逻辑判断，如果满足，则获取高速采样缓存区的数据及对应时标，得到行波波头对应的时标作为行波波头对应时刻。本发明一方面减少了CPU的计算数据量，提高了计算效率，另一方面采用高速采样数据进行故障时刻判断，保证了故障判断的精度。解决了嵌入式开发CPU无法快速处理高速采样数据及时标进行行波测距的问题，满足了高精度行波测距的要求，并有利于电力***故障定位和快速修复。

Description

一种用于输电线路行波测距的数据处理***及方法
技术领域
本发明涉及电力***继电保护技术领域，尤其涉及一种用于输电线路行波测距的数据处理***及方法。
背景技术
行波是电力***发生故障后产生的一种电磁波，它以波的形态沿着线路光速行进。行波在故障时产生，因而又称为故障行波，它具有突变快、频率高、传播速度快、衰减快、持续时间短的特点。虽然行波是一种短时突变信号，却蕴含了丰富的故障信息，可以用来实现故障判断和故障定位。
行波定位是已成熟应用于输电网的故障定位方法，能够精确定位故障点。故障分量包含丰富的故障信息并分布于从直流分量到高频分量的广阔频谱范围内,而且高频分量中包含着比工频分量更多的故障信息，行波测距通过提高采样频率(大于1MHz)，来获取电力***故障时的暂态信号，并利用这些暂态的时域和频域的信息，完成行波波头的识别，根据波头达到时刻时标计算定位故障点，有利于电力***故障定位和快速修复。
然而有故障定位装置需精确检测行波波头，对行波检测的采样频率要求极高，因此行波检测数据量较大，处理时效低。
发明内容
为了解决了嵌入式开发CPU无法快速处理高速采样数据及时标进行行波测距的问题，本发明提供了一种用于输电线路行波测距的数据处理***及方法，采用低速采样数据进行逻辑判断，采用高速采样数据获取波头发生时刻，一方面减少了计算数据量，提高了计算效率，另一方面保证了故障定位的精度。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于输电线路行波测距的数据处理***，包括：FPGA、数据采集模块、高速采样数据缓存区、高速采样数据时标缓存区、低速采样数据缓存区以及测距CPU；
所述数据采集模块在所述FPGA的控制下对输电线路传输信号进行采样，每周波采样点数为M，M大于1兆；
所述FPGA记录采样数据的时标数据；对所述采样数据按照每周波N点进行抽取，N能被M整除；所述FPGA将所述采样数据存入高速采样数据缓存区，将所述时标存入高速采样数据时标缓存区，将所抽取的数据存入低速采样数据缓存区；
所述测距CPU读取低速采样数据采样缓存区的抽取数据并从相或相间电流突变以及不平衡电流产生进行启动逻辑判断，如果满足启动逻辑，则获取启动时刻低速采样数据缓存区数据的指针偏移，根据抽取数据与所述采样数据的对应关系，获取所述启动时刻高速采样数据时标缓存区的指针偏移；将启动前半周波及启动后的两周波的高速采样缓存数据及对应时标拷贝至二级缓存空间进行存储；读取二级缓存空间的采样数据，计算出波头位置的相对偏移，获取行波波头，行波波头对应的时标作为行波波头对应时刻。
进一步的，FPGA接收GPS或北斗卫星授予的秒脉冲，将采样数据打上时标，记录采样数据的时标数据。
进一步的，启动逻辑判断包括，
启动逻辑判断包括：
判断当前时刻电流零序分量与前一周期的对应时刻的的电流零序分量的差值的绝对值大小，如果大于第一启动值，则满足启动逻辑；
计算当前周期线电流与前一周期的线电流的差值绝对值，同时计算前一周期的线电流与前两周期的线电流的差值绝对值，两个绝对值的差值的绝对值如果超过第二启动值，则满足启动逻辑；
计算一个周期电流零序分量各采样点绝对值的和，计算出零序分量有效值，计算当前采样时刻求出有效值与两周前对应时刻求出的有效值差值，如果超过第三启动值，则满足启动逻辑。
本发明另一方面提供一种用于输电线路行波测距的数据处理系方法，包括：
(1)FPGA控制数据采集模块对输电线路传输信号进行采样，每周波采样点数为M，M大于1兆，同时记录采样数据的时标；
(2)FPGA对所述采样数据按照每周波N点进行抽取，N能被M整除；FPGA将所述采样数据存入高速采样数据缓存区，将所述时标存入高速采样数据时标缓存区，将所抽取的数据存入低速采样数据采样缓存区；
(3)测距CPU读取低速采样数据采样缓存区的抽取数据并进行启动逻辑判断，如果满足启动逻辑，则进入步骤(4)；
(4)获取启动时刻低速采样数据缓存区数据的指针偏移，根据抽取数据与所述采样数据的对应关系，获取所述启动时刻高速采样数据时标缓存区的指针偏移；
(5)测距CPU将启动前半周波及启动后的两周波的高速采样缓存区的数据及对应时标拷贝至二级缓存空间进行存储；
(6)测距CPU读取二级缓存空间的采样数据，计算出波头位置的相对偏移，获取行波波头，根据采样数据与时标的对应关系获取行波波头对应的时标，作为行波波头对应时刻。
进一步的，还包括输出行波波头对应时刻作为故障发生时刻。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明采用低速采样数据进行逻辑判断，当满足启动逻辑后采用高速采样数据获取波头发生时刻，一方面减少了CPU的计算数据量，提高了计算效率，另一方面采用高速采样数据进行故障时刻判断，保证了故障判断的精度。解决了嵌入式开发CPU无法快速处理高速采样数据及时标进行行波测距的问题，满足了高精度行波测距的要求，并有利于电力***故障定位和快速修复。
(2)本发明设置三个缓存区分别存储高速采样数据、时标以及抽取的数据，利用相互之间的对应关系，快速查找，不占用CPU的缓存；当满足启动逻辑后高速采样缓存区的数据及时标分别拷贝至设置的二级缓存空间进行存储，进行计算；一方面三个缓存区的数据循环覆盖，无需占用大量的存储空间；另一方面仅在满足启动逻辑后才占用CPU的缓存，减少了CPU的资源占用。
附图说明
图1是用于输电线路行波测距的数据处理***的组成示意图；
图2是本发明提出的用于行波测距的时标数据对齐方案；
图3是本发明用于输电线路行波测距的数据处理流程。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提供了一种用于输电线路行波测距的故障采样与时标对齐、存储方法，为行波测距的精确故障定位提供了保障措施。输电线路行波测距***是电力***故障定位和快速修复重要组成部分。行波测距主要采用高采样率数据及数据时标来提高测距结果的精确性，利用行波波头达到时刻差定位故障点。本发明解决了嵌入式开发CPU无法快速处理高速采样数据及时标进行行波测距的问题，满足了高精度行波测距的要求。
本发明提供了一种用于输电线路行波测距的数据处理***，结合图1，包括：FPGA、数据采集模块、高速采样数据缓存区、高速采样数据时标缓存区、低速采样数据缓存区以及测距CPU。
所述数据采集模块在所述FPGA的控制下对输电线路传输信号进行采样，每周波采样点数为M，M大于1M。
所述FPGA记录采样数据的时标数据；对所述采样数据按照每周波N点进行抽取，N能被M整除；所述FPGA将所述采样数据存入高速采样数据缓存区，将所述时标存入高速采样数据时标缓存区，将所抽取的数据存入低速采样数据缓存区，结合图2。进一步地，FPGA接收GPS或北斗卫星授予的秒脉冲，将采样数据打上时标，记录采样数据的时标数据。
所述测距CPU读取低速采样数据采样缓存区的抽取数据并进行启动逻辑判断，如果满足启动逻辑，则获取启动时刻低速采样数据缓存区数据的指针偏移，根据抽取数据与所述采样数据的对应关系，获取所述启动时刻高速采样数据时标缓存区的指针偏移；将启动前半周波及启动后的两周波的高速采样缓存的高速采样缓存区的数据及对应时标拷贝至二级缓存空间进行存储；读取二级缓存空间的采样数据，计算出波头位置的相对偏移，获取行波波头，行波波头对应的时标作为行波波头对应时刻。所述测距CPU输出行波波头对应时刻作为故障发生时刻。
本发明另一方面提供一种用于输电线路行波测距的数据处理系方法，如图3所示：
步骤一：测距装置运行时，FPGA控制数据采集模块AD高速采样，每周波采样点数为M(M大于1M)，同时记录采样数据的时标；FPGA接收GPS或北斗卫星授予的秒脉冲，将采样数据打上时标，记录采样数据的时标数据。
步骤二：FPGA对高速采样数据按照每周波N点(N能被M整除)进行抽点缓存。FPGA将采样抽点后的数据分别存入三个循环缓存区，即高速采样数据缓存区、高速采样数据时标缓存区、低速采样数据缓存区；
FPGA对高速采样数据按照倍率K(K为整数)进行抽点，将高速数据采样、高速数据时标、抽点后低速采样数据进行循环存储。
结合图2，告诉采样数据和时标一一对应，高速采样数据和低速采样为倍率K的对应关系，N＝M/K，按照此关系对应。
步骤三：测距CPU读取低速采样缓存区数据作启动逻辑判别，如果满足启动逻辑，则进入步骤四；否则结束流程。
测距CPU正常运行时，不需要实时读取高速采样数据和时标，仅访问低速采样缓存区数据进行启动逻辑判别，减少测距CPU运行负荷。
步骤四：获取启动时刻低速采样缓存区数据的指针偏移，根据高速数据与低速数据的对应关系(抽点倍率)，获取启动时刻高速采样时刻的指针偏移；
测距CPU判别启动后，根据高速采样数据和低速采样数据的倍率对应关系，根据低速采样数据的采样偏移获取高速采样数据和时标的偏移。
步骤五：将启动前半周波及启动后的两周波的高速采样缓存的数据及时标分别拷贝至设置的二级缓存空间进行存储。
测距CPU判别启动后，需将高速采样数据和采样数据时标进行二级缓存，以免数据在测距计算运行逻辑执行期间数据被覆盖。
步骤六：测距CPU读取自身二级缓存空间的高速采样缓存数据，先对采样数据进行克拉克变换，经高通滤波器后进行再两点微分，找出奇异点从而计算出波头位置的相对偏移。
同时根据高速采样缓存数据和采样时标的对应关系，读取波头位置采样数据的时标。获取波头到达时刻的精确时标，计算出故障点位置，给出测距结果。
进一步地，启动逻辑判断包括：
(1)零序电流突变量启动，判断当前时刻电流零序分量与前一周期的对应时刻的的电流零序分量的差值的绝对值大小，实现启动判别，公式如下：
d3i0k＝|3i0k-3i0(k-N)|＝|(iak+ibk+ick)-(ia(k-N)+ib(k-N)+ic(k-N))|
其中，N为每个周期采样点数。设置启动值为I0set，比较I0set和d3i0k，当连续三个点d3i0k大于I0set置保护启动。
(2)相间电流突变量启动，计算当前周期线电流与前一周期的线电流的差值绝对值，同时计算前一周期的线电流与前两周期的线电流的差值绝对值，判断两个绝对值的差值绝对值大小，实现启动。公式如下：
ΔIab＝||iabk-iab(k-N)|-|iab(k-N)-iab(k-2N)||
ΔIbc＝||ibck-ibc(k-N)|-|ibc(k-N)-ibc(k-2N)||
ΔIca＝||icak-ica(k-N)|-|ica(k-N)-ica(k-2N)||
其中，N为一个周期采样点数，iabk、ibck、icak为当前时刻三个线电流，iab(k-N)、ibc(k-N)、ica(k-N)为一周前对应时刻的三个线电流，iab(k-2N)、ibc(k-2N)、ica(k-2N)为两周前对应时刻的三个线电流；求出三个突变量，任何一个突变量连续三点超过启动定值则置保护启动。
(3)零序电流限时越变启动，计算一个周期电流零序分量各采样点绝对值的和，经系数处理计算出零序分量有效值，比较当前采样时刻求出有效值与两周前对应时刻求出的有效值的大小，超越一定限值实现启动。公式如下：
i0Sk＝S0k-S0(k-2N)
其中，N为一个周期采样点数，i0j每个采样点对应的电流零序分量，i0k为当前采样点对应的电流零序分量，i0(k-2N)为两周前对应时刻电流零序分量，m为电流零序分量有效值与电流零序分量绝对值在一周内平均值的变换系数。当i0Sk超过启动值时，置装置启动。
测距CPU开辟K个计算缓存区域循环对启动前半周波及启动后的两周波的高速采样缓存数据和时标进行二级存储。测距CPU使用二级缓存的高速采样数据找到行波波头相对偏移，而后根据高速采样数据与高速采样数据时标的对应关系获取行波波头对应时刻，利用波头到达时刻进行故障精确定位。
综上所述，本发明涉及一种用于输电线路行波测距的数据处理***及方法，FPGA记录采样数据的时标数据；对采样数据进行抽取；将采样数据存入高速采样数据缓存区，将时标存入高速采样数据时标缓存区，将所抽取的数据存入低速采样数据缓存区；测距CPU读取低速采样数据采样缓存区的抽取数据并进行启动逻辑判断，如果满足，则获取高速采样缓存区的数据及对应时标，得到行波波头对应的时标作为行波波头对应时刻。本发明一方面减少了CPU的计算数据量，提高了计算效率，另一方面采用高速采样数据进行故障时刻判断，保证了故障判断的精度。解决了嵌入式开发CPU无法快速处理高速采样数据及时标进行行波测距的问题，满足了高精度行波测距的要求，并有利于电力***故障定位和快速修复。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (2)

1.一种用于输电线路行波测距的数据处理***，其特征在于，包括：FPGA、数据采集模块、高速采样数据缓存区、高速采样数据时标缓存区、低速采样数据缓存区以及测距CPU；
所述数据采集模块在所述FPGA的控制下对输电线路传输信号进行采样，每周波采样点数为M，M大于1兆；
所述FPGA记录采样数据的时标数据；对所述采样数据按照每周波N点进行抽取，N能被M整除；所述FPGA将所述采样数据存入高速采样数据缓存区，将所述时标存入高速采样数据时标缓存区，将所抽取的数据存入低速采样数据缓存区；
所述测距CPU读取低速采样数据缓存区的抽取数据并从相或相间电流突变以及不平衡电流产生进行启动逻辑判断，如果满足启动逻辑，则获取启动时刻低速采样数据缓存区数据的指针偏移，根据抽取数据与所述采样数据的对应关系，获取所述启动时刻高速采样数据时标缓存区的指针偏移；将启动前半周波及启动后的两周波的高速采样数据缓存区的数据及对应时标拷贝至二级缓存空间进行存储；读取二级缓存空间的采样数据，计算出波头位置的相对偏移，获取行波波头，行波波头对应的时标作为行波波头对应时刻；
启动逻辑判断包括：
判断当前时刻电流零序分量与前一周期的对应时刻的电流零序分量的差值的绝对值大小，如果大于第一启动值，则满足启动逻辑；
计算当前周期线电流与前一周期的线电流的差值绝对值，同时计算前一周期的线电流与前两周期的线电流的差值绝对值，两个绝对值的差值的绝对值如果超过第二启动值，则满足启动逻辑；
计算一个周期电流零序分量各采样点绝对值的和，计算出零序分量有效值，计算当前采样时刻求出有效值与两周前对应时刻求出的有效值差值，如果超过第三启动值，则满足启动逻辑；
FPGA接收GPS或北斗卫星授予的秒脉冲，将采样数据打上时标，记录采样数据的时标数据。
2.一种用于输电线路行波测距的数据处理系方法，其特征在于，包括：
(1)FPGA控制数据采集模块对输电线路传输信号进行采样，每周波采样点数为M，M大于1兆，同时记录采样数据的时标；
(2)FPGA对所述采样数据按照每周波N点进行抽取，N能被M整除；FPGA将所述采样数据存入高速采样数据缓存区，将所述时标存入高速采样数据时标缓存区，将所抽取的数据存入低速采样数据缓存区；
(3)测距CPU读取低速采样数据缓存区的抽取数据并进行启动逻辑判断，如果满足启动逻辑，则进入步骤(4)；
(4)获取启动时刻低速采样数据缓存区数据的指针偏移，根据抽取数据与所述采样数据的对应关系，获取所述启动时刻高速采样数据时标缓存区的指针偏移；
(5)测距CPU将启动前半周波及启动后的两周波的高速采样数据缓存区的数据及对应时标拷贝至二级缓存空间进行存储；
(6)测距CPU读取二级缓存空间的采样数据，计算出波头位置的相对偏移，获取行波波头，根据采样数据与时标的对应关系获取行波波头对应的时标，作为行波波头对应时刻；
启动逻辑判断包括：
判断当前时刻电流零序分量与前一周期的对应时刻的的电流零序分量的差值的绝对值大小，如果大于第一启动值，则满足启动逻辑；
计算当前周期线电流与前一周期的线电流的差值绝对值，同时计算前一周期的线电流与前两周期的线电流的差值绝对值，两个绝对值的差值的绝对值如果超过第二启动值，则满足启动逻辑；
计算一个周期电流零序分量各采样点绝对值的和，计算出零序分量有效值，计算当前采样时刻求出有效值与两周前对应时刻求出的有效值差值，如果超过第三启动值，则满足启动逻辑；
FPGA接收GPS或北斗卫星授予的秒脉冲，将采样数据打上时标，记录采样数据的时标数据；
还包括输出行波波头对应时刻作为故障发生时刻。
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