CN1120989C - 一种暂态变化过程同步记录方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对电力***暂态变化过程同步记录方法及装置。由高精度晶振驱动AD采样，对被测模拟信号进行循环采集；故障发生、开关操作等暂态过程发生时，记录触发信号出现时刻的精确时间，保存触发前后的采集结果。时钟由全球定位***GPS同步晶振实现，可消除因S.A干扰、卫星失锁等引起的偏差，自产秒脉冲偏差小于0.1μS。在时钟的同步作用下，多个记录装置对异地测量点的模拟信号同步测量，连接成网络，实现电力***操作、故障及扰动等暂态变化过程的分布式高速记录及测量。

Description

一种暂态变化过程同步记录方法及装置

一、技术领域本发明属于电力***继电保护技术领域及高电压测量技术领域，涉及一种对电力***故障暂态变化过程的高速记录方法及实现装置。

二、背景技术

在电力***故障、操作、雷电等扰动过程中，电压、电流信号含有丰富的高频分量，蕴含大量的***状态信息。电力***暂态分析、暂态保护、行波定位、及故障检测等都要求对电力***暂态过程进行记录分析，且一般需要对电力***异地测量点的暂态过程超高速同步记录。

目前国内外的故障录波装置，高速采集装置满足不了对故障暂态过程高速同步采集的要求。一般故障录波装置AD采样率仅为1kHz～5kHz，满足不了对电力***暂态过程记录的要求。但另外有一些高速AD采集卡，其采样频率很高，可达20MHz，可是一般只有一个通道，8位精度，且不具备同步时标信号，不能满足对电力***异地测量点的暂态过程进行同步记录。当前，美国国防部建立的全球定时定位导航***(以下简称GPS)，提供了任何时候在任何地点精确定时和定位的可能。定时功能通过GPS接受机接受天上卫星发出的高精度时间信息实现。GPS接受机接受到的时钟精度与卫星发射的时钟精度、GPS接受机锁定跟踪的卫星数目、GPS接受机本身工作状态是否正常等因素有关。美国有意在卫星发射的信号中加入了选择性干扰(SELECTIVE AVAILABILITY，以下简称S.A.干扰)，使普通用户得到的定时定位精度大大下降。一般GPS接受机的OEM板给出的时间精度指标是一个概率指标，秒脉冲误差服从正态分布，例如MOTOROLA VP ONCORE的GPS接受机，统计精度为50nS的GPS接受机，根据实验在正常工作条件下，最大偏差可能达2μS，但在卫星失步的情况下，偏差甚至达几十毫秒。为了得到高精度时钟，需要对GPS接受机接受到的时钟信号进行进一步处理。申请号97108825.X名为“一种基于GPS信号的定时方法和设备”的发明专利，采用一张以相差变化值和相差变化率为自变量的二元电压控制表，控制调整压控晶振的电压，以产生高精度时钟，该方法需要对计算机输出的数字信号进行DA转换，产生模拟量，控制压控晶振，整个控制过程复杂。申请号98106172.9名为“在同步分配式网络***中保持时间同步的方法和实施该方法的同步装置”的发明专利，公开了一种采用GPS时钟信号校正同步分布式网络***中的时钟，但没有给出消除GPS时钟信号偏差的方法。

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高速高精度的GPS同步暂态波形记录的方法和装置，能够实现对电力***暂态过程进行异地同步高速采样记录。

三、发明内容为实现以上目的，本发明提出以下方法：

1.一种暂态变化过程的同步记录方法，包括如下步骤：

(1)由高精度恒温晶振同步全球定位***(GPS)产生高精度时钟。

(2)由高精度恒温晶振驱动高速AD，对模拟信号进行连续采样，将采集到的数据循环存储于存储器中，刷新高速AD卡上存储器中数据，无需CPU干预。在有触发信号出现时，读取步骤(1)中高精度时钟的时间值，延时采集一段时间(由预先设定的整定值设置，一般取20～200mS)后，CPU将存储器上的数据转存到内存中。

(3)保存触发前后的数据为一数据文件，各数据对应的发生时刻，由步骤(2)中记录的触发信号出现时刻的时间值及该数据在数据文件中的位置计算。

(4)多个记录装置在不同地方测量的不同数据文件可以通过文件中各数据发生时刻的时间值进行匹配，反映出同一时刻不同地点、不同信号的大小，并能反映在同一时间段内不同地点、不同信号的变化情况，能用于电力***暂态过程的分析或其它行业对异地信号的同步测量。

2.实现上述要求中采集同步功能的GPS同步高精度时钟

由GPS接受机跟踪接受GPS卫星的时钟信号，产生一秒一个脉冲的GPS秒脉冲信号(1PPS)。由高精度晶振输出高频振荡信号，经分频得到一秒一个脉冲的自产秒脉冲信号。自产秒脉冲与GPS的秒脉冲经鉴相器比较，得到二者的相位差，对相位差求平均，根据相位差的平均值修正自产秒脉冲信号，有效消除GPS时钟的随机偏差和晶振的累计偏差，提高自产秒脉冲信号精度。进一步分析如下：

(1)由于GPS秒脉冲不存在累计偏差、具有长期稳定性好，但受S.A.干扰、卫星失锁等因素的影响，具有短期稳定性差的特点。从每一个秒脉冲的精度来看，可能存在较大的偏差。正因为如此，GPS接受机给出的时间精度是一个概率指标。例如：MOTOROLA VP ONCORE型GPS接受机给出的时间精度指标为“位置固定”模式下，50nS(1σ)，其含义是卫星天线处于静止状态下，该GPS接受机的秒脉冲偏差近似成正态分布：ε∈N(0，σ²)，落于1σ概率范围(时间偏差小于50nS)的慨率为0.6828，也就是说，存在概率0.3173的秒脉冲，偏差大于50nS；落于2σ概率范围(时间偏差小于100nS)的慨率为0.9546；落于3σ概率范围(时间偏差小于150nS)的慨率为0.9974。根据发明者实验，最大偏差可能达2μS。如果对M次秒脉冲偏差的求平均，平均值也服从正态分布： $\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\∈N(0,\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{M}),$ 即在可能出现的相同慨率下，M次秒脉冲偏差的平均值是单个秒脉冲的偏差的 。也就是说，秒脉冲偏差平均值小于

出现的慨率为0.6828，秒脉冲偏差平均值小于

出现的慨率为0.9546，秒脉冲偏差平均值小于

出现的慨率为0.9974。故采用求平均值方法可以抵消部分GPS秒脉冲的随机干扰，提高GPS秒脉冲的精度。

(2)具有温度补偿功能的高精度晶振，从每一个秒脉冲的精度来看偏差很小，但偏差一般是同向的，即在一段时间内大部分秒脉冲同时为正偏差或同时为负偏差，长时间内累计偏差较大。如精度为10^-9秒的恒温晶振，1秒内的累计偏差小于10^-9秒，一天的累计偏差小于86.4μS。采用晶振振荡输出的信号分频得到自产秒脉冲信号，长时间运行，自产秒脉冲信号有较大积累偏差。如果每隔一段时间对自产秒脉冲信号进行一次校正，消除积累偏差，可以得到高精度的自产秒脉冲时钟信号。

(3)晶振输出信号的分频及自产秒脉冲信号的校正由计数器和比较器完成。晶振输出振荡信号由计数器累加，累加结果与CPU预先设定的标准值经比较器比较，当二者相同时，产生一秒脉冲输出信号(即自产秒脉冲信号)，并复位计数器。自产秒脉冲的校正通过对预先设定的标准值的调整完成，通常取预先设定的标准值为晶振的振荡频率值，为消除晶振的累计偏差，每测量M次，调整一次预先设定的标准值。也就是说：取预先设定的标准值为晶振的振荡频率值，连续记录M次GPS秒脉冲与自产秒脉冲的相位差，求平均值并取整。当平均值不为零时，调整一次预先设定的标准值。调整方法为：若GPS秒脉冲超前自产秒脉冲时，预先设定的标准值减去平均值；而若GPS秒脉冲落后自产秒脉冲时，则预先设定的标准值加上平均值。采用调整后的预先设定的标准值，运行一个周期，比较器产生一次秒脉冲输出。然后，立即把预先设定的标准值重新设置为晶振的振荡频率值，连续测量M次相位差，由相位差平均值再调整一次预先设定的标准值，如此反复，产生高精度的自产秒脉冲时钟。

(4)结合上述(1)、(2)、(3)，分析10MHz精度为10^-9秒的恒温晶振分频得到的自产秒脉冲信号与GPS秒脉冲信号的配合。晶振每100秒的累计偏差小于10^-7S，即小于晶振振荡信号的一个单元周期。因此可以取每100秒对晶振的偏差校正一次，即取M为100。在设预先设定的标准值为10M的条件下，通过鉴相器每秒记录一次GPS秒脉冲与自产秒脉冲的偏差，累计100次，对偏差求平均，并取整。由上述(1)分析，100次GPS秒脉冲的平均值偏差小于15nS(即0.15个晶振振荡周期)的慨率为：0.9974。正常情况下，一般平均值在[-2，+2](单位为：晶振振荡周期)区间内。当平均值在[-2，+2]区间内，且不为零时，对预先设定的标准值调整一次，调整方法为10M加平均值，在调整后的预先设定的标准值下运行一秒钟(即比较器产生一次脉冲输出)。然后，把预先设定的标准值调回为10M，再连续测量100次相位差，求平均，并取整，由相位差再调整一次预先设定的标准值，如此反复，达到输出的自产秒脉冲时钟偏差不大于晶振振荡周期(0.1μS)。

(5)分析预先设定的标准值调整的规律，在一定的外部条件下，晶振的偏差恒定，每测量M次调整一次的预先设定的标准值，调整值的大小具有一定的规律，由CPU统计分析预先设定的标准值调整的规律，一般取：在本次调整之前的20次调整的规律。例如在本次调整之前的20次调整的序列为：

0，0，1，0，0，1，0，1，0，0，1，0，0，1，0，0，1，0，0，1

则规律大致为每两次调整的值为0，接下来的一次调整为1。根据该规律可以预测接下来的调整值序列应为：

0，0，1，0，…

在上述(4)中，当GPS秒脉冲与自产秒脉冲的平均偏差在[-2，+2]区间外，则表明可能是GPS秒脉冲信号失真或装置故障，不能由上述(4)中偏差调整预先设定的标准值，而应按CPU记忆的预先设定的标准值调整规律进行调整。这样，即使在GPS卫星失步的条件下，仍能保证运行1小时，偏差不大于1μS。

(6)在上述(5)中，存在一个段特殊时期：在GPS同步高精度时钟上电启动运行最初的一段时间内(例如上电后的0～15分钟)，由于晶振的自产秒脉冲和GPS秒脉冲尚未同步、GPS接受机可能未锁定GPS卫星、也可能恒温高精度晶振尚未稳定，导致GPS秒脉冲与自产秒脉冲的平均偏差在[-2，+2]区间外。但在该特殊时期，仍然采用GPS秒脉冲与自产秒脉冲的平均偏差调整预先设定的标准值，直到自产秒脉冲和GPS秒脉冲同步后，再进入正常的运行状态。

3.实现1中要求的记录故障触发时刻准确时间的方法

当故障触发信号出现时，记录信号出现时刻的准确时间，可应用于行波距离保护、故障定位等方面。

(1)来自电流互感器、电压互感器的输入信号经微分后，提取行波波头突变信号。行波波头突变信号与开关变位等信号相或产生触发信号。

(2)触发信号出现时，读取由CPU对自产秒脉冲信号进行计数、处理并生成年月日时分秒时钟刻度。

(3)触发信号出现后，读取由鉴相器记录的故障触发信号与自产秒脉冲信号的相位差产生的秒以下刻度。

4.实现1的一种GPS同步暂态波形记录装置

GPS同步暂态波形记录装置由GPS同步高精度时钟发生器、数据采集部分及微型计算机等组成。GPS同步高速数据采集***有“采集”和“读写”两种工作方式。平时，***处于“采集”数据等待启动触发状态。此时，***在硬件逻辑电路的控制下自动进行数据采集，刷新高速AD卡上存储器中数据，无需CPU干预。当一个或多个触发信号到达后，***会记录触发的准确时刻，然后延时采集一段数据后，自动停止采集转入“读写”方式。在“读写”方式下CPU将存储器上的数据转存到内存中。然后再启动***进入“采集”状态，等待下一个启动触发的到来。故障触发时刻的精确时间由上述2中方法读取，录波数据文件的长度(其中包括启动触发前的数据长度、启动触发后的数据长度)由存储器的容量、触发后延时记录数据长度等设置决定。因此触发点在录波数据文件中的位置是确定的，可以由触发点的时刻求出录波数据文件中的每个数据对应的精确时刻。这样，异地测量的不同数据文件可以通过文件中各数据发生时刻的时间值进行匹配，反映出同一时刻不同地点、不同信号的大小，并能反映在同一时间段内不同地点、不同信号的变化情况，能用于电力***暂态过程的分析或其它行业对异地信号的同步测量。

采用本暂态过程同步记录方法得到的高精度同步时钟精度：在GPS接受机工作正常时，同步误差小于0.1μS；在GPS接受机工作失步1小时情况下，能保证同步误差小于1μS。本暂态过程同步记录装置的高速采集***性能指标：6通道，AD采样频率为5MHz，精度为12为，能保存触发前后0.2S的数据。这样，能够满足对电力***暂态过程进行异地同步高速采样记录的要求，也能满足其它行业对各种信号异地高速同步测量的要求。

四、附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步详细的说明。附图中：

图1：GPS同步暂态波形记录装置硬件框图；

图2：GPS同步暂态波形记录装置软件主程序框图；

图3：GPS同步暂态波形记录装置自产秒脉冲中断程序框图；

图3：GPS同步暂态波形记录装置故障触发中断程序框图。

五、具体实施方法

参见图1，GPS同步暂态波形记录装置由GPS同步高精度时钟发生器、高速数据采集部分及微型计算机等组成。

GPS同步高精度时钟发生器包括GPS接受机1、鉴相器2、24位计数器6、比较器7及10MHz恒温高精度晶振10等组成。10MHz恒温高精度晶振10产生10MHz振荡信号，经24位计数器6计数，计数结果与预先设定的标准值比较，当二者一致时，产生一脉冲信号输出，即自产秒脉冲17信号。GPS接受机1产生GPS秒脉冲16信号，GPS秒脉冲16信号与自产秒脉冲17信号通过鉴相器2测量二者相位差18，送到CPU15读取相位差，求平均，CPU15根据平均值调整预先设定的标准值，预先设定的标准值一般取值范围：[10M-2，10M+2]，通过调整预先设定的标准值来消除自产秒脉冲的累计偏差，使自产秒脉冲的偏差小于0.1μS。

高速数据采集部分由10MHz恒温高精度晶振10、二分频器5、AD采样8、存储器3、接口单元14、微分电路11、或门12、第二鉴相器13、计数延时单元9、与门4等组成。高速采集部分由10MHz恒温高精度晶振10产生的10MHz振荡信号经二分频器5分频后产生5MHz的AD采样信号19，控制AD采样8及存储器3连续采样、将采集到的数据循环存储于存储器中。当故障发生时，电流或电压信号20经微分电路11产生暂态突变，或者开关操作的变位信号21，经或门12，产生一触发信号22，第二鉴相器13记录触发信号22与自产秒脉冲17的相位差，即触发信号出现时刻的秒以下刻度，秒以上刻度由CPU15对自产秒脉冲计数生成，触发信号中断CPU15，读取该触发时刻。触发信号并通过计数延时单元9延时0.1秒后，通过与门4屏蔽5MHz的AD采样信号19，停止采样，存储器3进入“读状态”，由CPU15通过接口单元14读取存储器3记录的触发前后的暂态变化过程。读取完成后，恢复循环采样，将采集到的数据循环存储于存储器中，等待下一次触发。

微型计算机完成检测与控制功能，软件如图2、图3及图4所示。图2给出主程序框图，开机后，延时15分钟，在位置固定的模式下，一般GPS接受机能够进入稳定工作状态。对自产时钟初始化，要求GPS秒脉冲与自产秒脉冲同步，当二者不同步时，调整预先设定的标准值，延时等待，直到同步为止。然后，开中断，循环检测是否有触发标志产生。当有触发发生时，延时0.1秒，确保触发前后暂态变化过程已记录完毕、停止采样，CPU读取存储器记录的暂态数据。然后，恢复连续采样、将采集到的数据循环存储于存储器中，并进行故障处理，处理完成后，重新回到触发检测状态，等待下一次触发信号的到来。

图3给出自产秒脉冲的校正过程。当自产秒脉冲出现时，产生自产秒脉冲中断，累计秒脉冲，生成年月日时分秒时钟，并对计数器S加1，当计数器S为1时，表明：刚对自产秒脉冲进行过一次调整，必须把预先设定的标准值调回10M。当S＝M时(即连续运行M秒)，需要对自产秒脉冲进行一次调整，消除累计偏差，对M次相位差求平均值 ε，当 ε落在[-2，+2]的范围内，表明GPS接受机工作基本正常，调整一次预先设定的标准值为(10M+ ε)，以消除自产秒脉冲的累计偏差，并统计以前20次的调整规律；而当 ε落在[-2，+2]的范围外，表明GPS接受机可能工作不正常，不能按 ε来调整预先设定的标准值，而是按统计规律来调整。预先设定的标准值调整完成后，计数器S清零，并中断返回。

图4给出触发中断程序框图。当触发信号出现时，产生触发中断，记录触发时刻，置触发标志，并中断返回。

Claims (3)

1.一种暂态变化过程的同步记录方法，包括如下步骤：

(1)由高精度恒温晶振同步全球定位***，以下简称“GPS”，产生高精度时钟；

(2)由高精度恒温晶振驱动高速AD，对模拟信号进行连续采样，将采集到的数据循环存储于存储器中，刷新高速AD卡上存储器中数据；在有触发信号出现时，读取上一步骤中高精度时钟的时间值，按预先设置的整定值延时采集一段时间后，CPU将存储器上的数据转存到内存中；

(3)保存触发前后的数据为一数据文件，各数据对应的发生时刻，由上一步骤中记录的触发信号出现时刻的时间值及该数据在数据文件中的位置计算；

(4)多个记录装置在不同地方测量的不同数据文件通过文件中各数据发生时刻的时间值进行匹配，反映出同一时刻不同地点、不同信号的大小，并反映在同一时间段内不同地点、不同信号的变化情况。

2.按照权利要求1所述的同步记录方法，实现采集同步功能的GPS同步高精度时钟，由高精度晶振输出信号分频得到的自产秒脉冲信号，自产秒脉冲信号与GPS的秒脉冲信号经鉴相器比较，得到二者的相位差，根据该相位差的平均值修正自产秒脉冲信号，以消除GPS时钟因选择性干扰、卫星失锁等引起的偏差和晶振的累计偏差，提高自产秒脉冲信号精度，其步骤如下：

(1)晶振输出信号的分频及自产秒脉冲信号的校正由计数器和比较器完成；晶振输出振荡信号由计数器累加，累加结果与CPU预先设定的标准值经比较器比较，当计数结果与预先设定的标准值一致时，产生并且输出一秒脉冲信号，并复位计数器；

(2)自产秒脉冲信号的校正通过对预先设定的标准值的调整完成，即由微处理器CPU修改送入比较器进行比较的预先设定标准值完成；可取预先设定的标准值为晶振的振荡频率值，为消除晶振的累计偏差，每测量M次，调整一次预先设定的标准值；即通常取预先设定的标准值为晶振的振荡频率值，连续记录M次GPS秒脉冲与自产秒脉冲的相位差，求平均值并取整；当平均值不为零时，调整一次预先设定的标准值；调整方法为：若GPS秒脉冲超前自产秒脉冲时，预先设定的标准值减去平均值；而若GPS秒脉冲落后自产秒脉冲时，则预先设定的标准值加上平均值；采用调整后的预先设定的标准值，运行一个周期，比较器产生一次秒脉冲输出；然后，立即把预先设定的标准值重新设置为晶振的振荡频率值，再连续测量M次相位差后，由相位差平均值再调整一次预先设定的标准值，如此反复，产生高精度的自产秒脉冲时钟；

(3)正常条件下，预先设定的标准值根据自产秒脉冲信号与GPS的秒脉冲信号相位差的平均值进行调整；而GPS秒脉冲信号失真或装置故障时，预先设定的标准值根据计算机统计的以往预先设定标准值的调整规律进行调整。

3.一种暂态变化过程的同步记录装置，由GPS同步高精度时钟发生器、高速数据采集部分及微型计算机组成，特征在于：

GPS同步高精度时钟发生器包括GPS接受机(1)、鉴相器(2)、24位计数器(6)、比较器(7)及10MHz恒温高精度晶振(10)等组成；10MHz恒温高精度晶振(10)产生10MHz振荡信号，经24位计数器(6)计数，计数结果与预先设定的标准值比较，当二者一致时，产生一脉冲信号输出，即自产秒脉冲信号(17)；GPS接受机(1)产生GPS秒脉冲(16)信号，GPS秒脉冲(16)信号与自产秒脉冲信号(17)通过鉴相器(2)测量二者相位差(18)，送到CPU(15)读取相位差，求平均，CPU(15)根据平均值调整预先设定的标准值，预先设定的标准值一般取值范围：[10M-2，10M+2]，通过调整预先设定的标准值来消除自产秒脉冲的累计偏差，使自产秒脉冲的偏差小于0.1μS；

高速数据采集部分由10MHz恒温高精度晶振(10)、二分频器(5)、AD采样(8)、存储器(3)、接口单元(14)、微分电路(11)、或门(12)、第二鉴相器(13)、计数延时单元(9)、与门(4)等组成；高速采集部分由10MHz恒温高精度晶振(10)产生的10MHz振荡信号经二分频器(5)分频后产生5MHz的AD采样信号(19)，控制AD采样(8)及存储器(3)连续采样、将采集到的数据循环存储于存储器中；当故障发生时，电流或电压信号(20)经微分电路(11)产生暂态突变，或者开关操作的变位信号(21)，经或门(12)，产生一触发信号(22)，第二鉴相器(13)记录触发信号(22)与自产秒脉冲(17)的相位差，即触发信号出现的时刻的秒以下刻度，秒以上刻度由自产秒脉冲计数生成，触发信号中断CPU，读取该触发时刻；触发信号并通过计数延时单元(9)延时0.1秒后，通过与门(4)屏蔽5MHz的采样脉冲信号，停止采样，存储器进入“读状态”，由CPU(15)通过接口单元(14)读取存储器记录的触发前后的暂态波形；读取完成后，恢复循环采样，等待下一次触发。