CN101144840A - 一种电网过电压信号变频采样方法 - Google Patents

Abstract

一种电网过电压信号变频采样方法，涉及电网过电压信号采集的方法。所述的方法步骤包括：(1)初始化操作；(2)启动A/D采样；(3)以高频采样频率循环采样；(4)判断是否有触发信号；(5)预触发变频采样；(6)上位机读取和保存数据。本发明的方法能够以较小的存储容量完整记录电网内、外过电压信号，数据量小、采集的数据不失真，能够追忆电网事故前的信号，故可广泛应用于电网过电压信号的采集，也可用于其他领域的故障波形捕获记录。

Description

一种电网过电压信号变频采样方法

技术领域

本发明涉及高电压测试技术领域，涉及到一种电网过电压波形采集的方法。

背景技术

运行经验表明，电网中发生的各种绝缘事故大部分是由于系统中过电压引起的。电力系统中的过电压类型多种多样，其产生原因和危害也各不相同，为了正确分析事故原因，改进电网绝缘配合，防止内外过电压事故，运行部门需要一种高性能、自动化的电网过电压实时监测系统。

数据采集单元是过电压在线监测系统的核心部分之一，它将来自传感器的模拟信号转化成数字信号，以便微机系统分析、处理和保存等，其技术和精度直接决定了过电压监测系统的性能。电力系统中的过电压究其根本可以分为内部过电压和外部过电压两大类型，内部过电压又可以分为操作过电压和暂时过电压。外部过电压即大气过电压，其波头陡、幅值高、持续时间短，IEC和中国国家标准的标准雷电波的波头、半峰时间分别为1.2±30％μs和50±20％μs，其波头等效频率高达1MHz以上，要求采集卡的采样频率至少是2MHz。操作过电压波头较缓，但持续时间相对较长，标准操作过电压的波头、半峰时间分别为250±20％μs和2500±60％μs，暂时过电压的等效频率比较低，但其持续时间相对较长，持续1秒以上，若要完整捕获电力系统中出现的各种内过电压，则要求采样时间至少为1s即以上。在缓存容量一定的条件下，采样频率和采样时间长度是相互矛盾的。目前的过电压在线监测系统中的触发电路都是采用电压幅值绝对值的阈值触发，采集单元并不能识别所发生过电压的类型，当以满足雷电过电压测量要求的采样频率采样，若过电压为内部过电压时，由于存储器容量的限制，会造成采样时间缩短，因而不能完整采集内部过电压数据；若以高速的采样频率完整采集内部过电压，则数据量大、需要大容量的存储器，对数据存储、传输、分析和保存都会增加了许多麻烦。如何在较小容量的存储器条件下能够完整记录高频的雷电过电压和波形持续时间较长的内部过电压是过电压采集卡的技术难点。

目前，应用于电力系统的故障录波装置中的采样频率一般1kHz～20kHz之间，且采样频率为固定值，因此无法完整记录电力系统外部过电压波形。而应用于过电压在线监测系统的数据采集多是采用固定采样频率对故障信号进行采样，不可避免会丢失持续时间较长的内过电压波形。如申请号为89106209.2的中国专利，公开的《电力系统过电压在线监测装置》的采集方法是：将整个采样过程采样分A采、B采两个部分，A采是追忆采样，采用较低的采样频率，B采是过电压正规记录，应用较高的采样频率。当电网出现过电压时，采样频率自动由A采转为B采。显然这种采集方法有其局限性，其一是B采部分的采样频率固定，如果以10M频率采样，根本不能完整记录内过电压波形；其二是触发电路采用的是幅值阈值触发，当出现雷电过电压时，由A采转为B采过程需要一定的转换时间，而A采频率低，不满足雷电波头的测量要求，在转换会造成测量波形畸变。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种电网过电压信号变频采样方法，能够以较小容量的存储器完整记录电力系统中的内、外过电压信号。

本发明涉及一种电网过电压信号变频采样方法的实现技术方案如下：

一种电网过电压信号变频采样方法，其步骤为：

步骤一、初始化操作，由上位机完成对采集卡的初始化的具体步骤为：

(a)采集卡状态清零；

(b)地址清零；

(c)设置A/D模式；

(d)设置采样频率控制字；

(e)设置预触发长度；

(f)设置变频采样长度；

(g)设置变频采样频率控制字；

步骤二、启动A/D转换；

步骤三、循环采样，循环采样过程中采集卡按照设定的高频采样频率F1进行数据采集和数据的循环存储：

当完成初始化且采集卡接收到A/D转换命令后，采集卡提供A/D采样时钟信号，同时启动内部计数器0作为存储器的地址发生器，地址发生器的时钟与A/D采样时钟信号同步；在进行每点采样的同时，可编程逻辑器件CPLD同步提供静态存储器RAM地址信号和写信号，把每次采集到的数据存到对应的RAM中，并且自动增加地址；如果采样点数超过存储器的最大容量，新数据覆盖旧数据步骤四、判断是否有触发信号：

如果有，转向步骤五进行预触发变频采样，如果没有，转向步骤三进行循环采样；

步骤五、预触发变频采样，具体步骤如下：

当触发信号到来后，CPLD启动其内部的计数器1和计数器2分别从零开始计数，以高频采样频率F1进行数据采集和保存；当计数器2计数到一定长度(存储器长度L-预触发长度L₁-变频长度L₂)后，将AD采样和地址发生器的时钟切换为设定的频率F₂；当计数器1计数到长度(存储器长度L-预触发长度L₁)时停止采样，发出采样完成信号，通知上位机读取数据；

步骤六：上位机接收到采样完成信号，开始读取采集卡缓存中的数据，数据读完后，转向步骤一，循环执行步骤一至步骤六，直到关机。

采用本发明所述的一种电网过电压信号变频采样方法，能够以较小的存储容量完整记录电网内、外过电压信号，数据量小，没有数据失真，而且能够追忆电网的事故前的信号。

附图说明

图1为本发明实施例的硬件结构框图

图2为本发明实施例的主程序流程图

图3为本发明实施例的初始化程序流程框图

图4为本发明实施例的预触发变频采样程序框图

图5为采用本发明实施例采集实际电网过电压波形的结果图

图6为采用本发明实施例采集实际电网内部过电压波形

图7为采用本发明实施例采集实际电网感应雷电过电压波形

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步说明如下：

在图1中描述了实现一种电网过电压信号采集方法的硬件平台的结构框图，包括输入通道、信号调理回路、模数转换(ADC)电路、存储单元电路、内部时钟、触发控制逻辑、存储器接口、时钟/时序控制、总线接口，具体介绍如下：

采集卡的信号输入通道包括三个结构相同的、功能独立的模拟信号输入电路和一个外触发信号输入电路。输入信号范围为±1V或±5V，可通过跳线选择；信号调理电路将输入模拟信号转换成模数转换芯片要求的输入信号，主要由跟随电路和差分放大电路组成，在本实施中信号调理电路部分用到的集成芯片有运算放大器OPA690和差分运算放大器AD8138；A/D转换电路包括三个结构相同的、功能独立的电路。在本实施例中A/D转换芯片采用高速12位流水线型模数转换芯片ADS807；存储单元电路包括三个结构相同的、功能独立的电路，用来保存采集的数据；在本实施例中所采用的存储芯片为256k字的静态随机存储器IS61LV25616；系统的控制核心主要实现时钟/时序控制、触发逻辑控制、A/D采样控制、数据存储、计算机命令译码等功能。在本实施例中采样ALTERA公司的可编程器件(CPLD)EPM3256ATC144。

在图2中主程序首先由上位机对采集卡进行初始化操作；当上位机对采样卡完成初始化并启动采样后，采样卡进行数据循环采集，循环采样过程中采集卡以按照设定高频采样频率F1进行数据采集和数据的循环存储：当采集卡接收到A/D转换命令后，提供A/D转换的时钟信号，同时启动内部计数器0作为存储器的地址发生器，地址发生器的时钟与A/D采样时钟信号同步；在进行每点采样的同时，CPLD同步提供RAM地址信号和写信号，把每次的采集到的数据存到对应的RAM中，并且自动增加地址；如果采样点数超过存储器的最大容量，新数据覆盖旧数据；判断是否有触发信号，如果没有，则仍然进行循环采样，如果有，则进行变频预触发采样。当数据存满后，停止采样，通知计算机将数据读入缓存；上位机接收到采样完成信号，开始读取采集卡缓存中的数据，数据读完后，计算机重新初始化采样卡并启动采样，如此循环。

图3给出了初始化操作程序流程图，具体步骤为：采集卡状态清零；地址清零；设置A/D模式；设置采样频率控制字；设置预触发长度；设置变频采样长度；设置变频采样频率控制字。

图4给出预触发变频采样的程序图：当触发信号到来后，CPLD启动其内部的计数器1和计数器2分别从零开始计数，当计数器2计数到一定长度(存储器长度L-预触发长度L₁-变频长度L₂)后，将AD采样和地址发生器的时钟切换为设定的频率F₂；当计数器1计数到长度(存储器长度L-预触发长度L₁)时停止采样，发出停止采样信号，通知上位机读取数据。

试验结果

图5为本发明实施例采集实际过电压波形的结果图，图中A点50000个数据为追忆电网电压波形，A～B共25000个数据点为以10Mbps的高频采样频率采集的过电压波形，B点以后为以100kbps的采样频率采集的电压波形。

图6为本发明实施例10kV电网内部过电压波形，图7为采集到的感应雷过电压波形。

由以上分析结果可看出，采用本发明所述的一种电网过电压信号变频采样方法，能够以较小的存储容量完整记录电网内、外过电压信号，数据量小、采集的数据不失真，能够追忆电网事故前的信号，故可广泛应用于电网过电压信号的采集，也可用于其他领域的故障波形捕获记录。

Claims (1)

1.一种电网过电压信号变频采样方法，其特征在于，所述方法的步骤为：

步骤一、初始化操作，由上位机完成对采集卡的初始化，具体的步骤为：

(a)采集卡状态清零；

(b)地址清零；

(c)设置A/D模式；

(d)设置采样频率控制字；

(e)设置预触发长度；

(f)设置变频采样长度；

(g)设置变频采样频率控制字；

步骤二、启动A/D转换；

步骤三、循环采样，循环采样过程中采集卡按照设定的高频采样频率F1进行数据采集和数据的循环存储：

当完成初始化且采集卡接收到A/D转换命令后，采集卡提供A/D采样时钟信号，同时启动内部计数器0作为存储器的地址发生器，地址发生器的时钟与A/D采样时钟信号同步；在进行每点采样的同时，可编程逻辑器件CPLD同步提供静态存储器RAM地址信号和写信号，把每次采集到的数据存到对应的RAM中，并且自动增加地址；如果采样点数超过存储器的最大容量，新数据覆盖旧数据；

步骤四、判断是否有触发信号：

如果有，转向步骤五进行预触发变频采样，如果没有，则转向步骤三进行循环采样；

步骤五、预触发变频采样，具体步骤如下：

当触发信号到来后，CPLD启动其内部的计数器1和计数器2分别从零开始计数，同时以高频采样频率F1进行数据采集和保存；当计数器2计数到一定长度(存储器长度L-预触发长度L₁-变频长度L₂)后，将A/D采样和地址发生器的时钟频率切换为设定的频率F₂；当计数器1计数到长度(存储器长度L-预触发长度L₁)时停止采样，发出采样完成信号，通知上位机读取数据；

步骤六：上位机接收到采样完成信号，开始读取采集卡缓存中的数据，数据读完后，转向步骤一，循环执行步骤一至步骤六，直到关机。

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