CN102157981B - 高速数据采集与数字信号处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速数据采集与数字信号处理装置，包括：行波数据采集模块、行波数据处理模块和信息输入输出模块。其中，行波数据采集模块，可以包括：核心控制模块、二阶有源低通滤波模块、二阶无源带通滤波模块、保护硬件启动模块、多路转换开关模块、A/D转换模块、双口RAM模块，信息输入输出模块，可以包括：信息处理模块、以太网控制模块、开关量输入模块、开关量输出模块。根据本发明的技术方案能够对电流行波和电压行波进行同步、高速的数据采集，同时对大量的行波数据进行实时、高速数字信号处理，提取行波数据特征和实现小波变换算法，为行波保护技术的实现提供硬件平台和软件平台。

Description

高速数据采集与数字信号处理装置

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体而言，涉及一种高速数据采集与数字信号处理装置。

背景技术

高压输电线路故障后的电流行波和电压行波中包含了丰富的故障信息可以作为故障检测的依据。行波保护不受电流互感器饱和影响，不受电力系统振荡的影响，不受输电线路充电电容电流的影响，不受输电线路串联电容器及并联电抗器的影响，不受过渡电阻的影响，是继电保护技术发展的重要方向之一。而故障后的电压行波和电流行波信号是一个频谱范围很宽的信号，为了对电压行波和电流行波进行准确的采集，保护装置必须有足够高的数据采样率(1MHz左右)，且需要处理的数据量大，同时继电保护对数据处理的速度又有很高的要求，传统的基于工频电气量的微机保护平台已经不能满足行波保护的高速数据采集及大数据量的高速数字信号处理的要求，这是开发行波保护必须要解决的重要问题之一。

因此，为实现行波保护技术，现有的数据采集和数据处理技术不能直接套用，需要一种行波数据采集和行波数据处理技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种行波数据采集和行波数据处理的技术，实现行波数据采集，为基于行波的故障检测和继电保护提供数据，为行波保护系统提供准确、可靠的故障诊断依据。

有鉴于此，本发明提供了一种高速数据采集与数字信号处理装置，包括：行波数据采集模块、行波数据处理模块和信息输入输出模块。

其中，所述行波数据采集模块，可以包括：核心控制模块、二阶有源低通滤波模块、二阶无源带通滤波模块、保护硬件启动模块、多路转换开关模块、A/D转换模块、双口RAM模块。

所述二阶有源低通滤波模块，接收来自线路的行波模拟信号，对所述行波模拟信号进行滤波，所述行波模拟信号包括电压行波模拟信号和电流行波模拟信号。

所述二阶无源带通滤波模块，连接到所述二阶有源低通滤波模块，用于从所述二阶有源低通滤波模块的输出的信号中提取行波中的高频信号。

所述保护硬件启动模块，接收来自所述二阶无源带通滤波模块的所述高频信号，并确定所述高频信号是否满足预定条件，在所述高频信号满足所述预定条件后，发送启动信号至所述核心控制模块。

所述多路转换开关模块，连接至所述二阶有源低通滤波模块，用于在接收到来自所述核心控制模块的控制信号后将所述行波模拟信号依次输出至A/D转换模块。

所述A/D转换模块，连接至所述多路转换开关模块，根据来自所述核心控制模块的控制信号，对所述行波模拟信号进行A/D转换，并将转换结果输出至双口RAM模块。

所述双口RAM模块，具有两组数据总线和两组地址总线，用于在所述核心控制模块的控制下存储来自所述A/D转换模块的所述转换结果，以及被所述行波数据处理模块读取所述转换结果。

所述核心控制模块，接收来自所述保护硬件启动模块的所述启动信号，控制所述多路转换开关模块、所述A/D转换模块、和所述双口RAM模块，以及实现对所述地址总线和所述数据总线的译码，并且向所述行波数据处理模块发送中断信号。

所述行波数据处理模块，接收来自所述核心控制模块的中断信号，从所述双口RAM模块读取所述转换结果，对所述转换结果进行处理以取得故障信息，其中，所述故障信息包括所述线路的故障方向、故障相别。

所述信息输入输出模块，可以包括：信息处理模块、以太网控制模块、开关量输入模块、开关量输出模块。

所述信息处理模块，接收来自所述行波数据处理模块的故障信息，通过所述以太网控制模块接收来自外部的其他故障信息，以及接收来自所述开关量输入模块的开关量信息，根据来自所述行波数据处理模块的故障信息、来自外部的所述其他故障信息以及所述开关量信息确定是否跳闸及跳闸相别。

所述以太网控制模块，将来自所述信息处理模块的所述故障信息，发送到外部，以及从外部接收所述其他故障信息，将所述其他故障信息发送到所述信息处理模块。

所述开关量输入模块，接收外部输入的开关量信息，并输入至所述信息处理模块。

所述开关量输出模块，接收来自所述信息处理模块的进行跳闸的命令和跳闸相别并发送到外部。

在上述技术方案中，优选地，所述行波数据处理模块包括：相模变换模块、小波变换模块、故障启动判别模块、行波故障选相模块、极性比较式行波方向继电器模块。

所述相模变换模块，对来自所述双口RAM模块的所述转换结果进行凯伦贝尔变换得到模量行波数据。

所述小波变换模块，接收来自所述相模变换模块的所述模量行波数据，并对所述模量行波数据进行小波变换得到小波变换的模极大值和所述模极大值的极性，并根据所述模极大值的极性得到故障初始行波的波头极性。

所述故障启动判别模块，接收来自所述小波变换模块的所述模极大值，根据利普希茨(Lipschitz)信号的奇异性检测理论确定是否为线路故障导致所述保护硬件启动模块的所述启动，并仅在确定为所述线路故障导致所述保护硬件启动模块的所述启动时，启动所述行波故障选相模块和所述极性比较式行波方向继电器模块。

所述行波故障选相模块，接收来自所述小波变换模块的所述模极大值，并根据所述模极大值确认所述线路的故障类型和故障相别。

所述极性比较式行波方向继电器模块，接收来自所述小波变换模块的故障初始行波的波头极性，并根据所述故障初始行波的波头极性确认所述线路的故障方向，并根据所述线路上的故障方向确认是否发送所述故障方向和所述故障相别至所述信息输入输出模块。

在上述技术方案中，优选地，所述行波数据处理模块还可以包括：SDRAM存储器，用于存储所述行波数据处理模块进行处理所需的数据；FLASH存储器，用于存储所述行波数据处理模块所采用的算法程序；以及SPI通讯控制模块，使所述行波数据处理模块与所述信息输入输出模块进行SPI通讯，将所述故障信息发送给所述信息输入输出模块。

在上述技术方案中，优选地，所述信息输入输出模块还包括：CAN通讯模块，接收来自所述信息处理模块的故障报告信息发送到外部；以及232通讯模块，接收来自外部的对所述高速数据采集与数字信号处理装置进行调试的调试信号。

在上述技术方案中，优选地，所述信息处理模块还包括：SPI通讯模块，所述信息输入输出模块与所述行波数据处理模块进行SPI通讯，接收来自所述行波处理模块的故障信息。

在上述技术方案中，优选地，所述信息处理模块为MCF5282微处理器。

在上述技术方案中，优选地，所述行波数据处理模块为TMS320C6713处理芯片。

在上述技术方案中，优选地，所述保护硬件启动模块包括：电平比较电路，将所述高频信号转换为电平信号，然后将所述电平信号与预设启动电平信号进行比较，在所述电平信号高于所述预定启动电平信号时，发出启动信号至所述核心控制模块。

在上述技术方案中，优选地，所述双口RAM模块为两个，用于分别存储线路的电流采样信号和电压采样信号。

通过本发明提供的高速数据采集与数字信号处理装置，实现了对行波数据的采集和处理，为继电保护系统提供准确、可靠的故障诊断依据。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的高速数据采集与数字信号处理装置的框图；

图2是根据本发明的一个实施例的高速数据采集与数字信号处理装置的硬件构成示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的高速数据采集与数字信号处理装置进行小波变换的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的高速数据采集与数字信号处理装置进行行波故障选相的示意图；

图5A和图5B是根据本发明的一个实施例的高速数据采集与数字信号处理装置进行故障方向判定的示意图；

图6是线路上发生故障后的电压行波的示意图；

图7是线路上发生故障后的电流行波的示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的高速数据采集与数字信号处理装置中的TMS320C6713高速数字信号处理器的工作流程图；以及

图9是根据本发明的一个实施例的高速数据采集与数字信号处理装置中的MCF5282微处理器的工作流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

图1是根据本发明的一个实施例的高速数据采集与数字信号处理装置的框图。

如图1所示，本发明提供了一种高速数据采集与数字信号处理装置100，包括：行波数据采集模块102、行波数据处理模块104和信息输入输出模块106。

其中，所述行波数据采集模块102，可以包括：核心控制模块1022、二阶有源低通滤波模块1024、二阶无源带通滤波模块1026、保护硬件启动模块1028、多路转换开关模块10210、A/D转换模块10212、双口RAM模块10214。

所述二阶有源低通滤波模块1024，接收来自线路的行波模拟信号，对所述行波模拟信号进行滤波，所述行波模拟信号包括电压行波模拟信号和电流行波模拟信号。

所述二阶无源带通滤波模块1026，连接到所述二阶有源低通滤波模块1024，用于从所述二阶有源低通滤波模块1024的输出的信号中提取行波中的高频信号。

所述保护硬件启动模块1028，接收来自所述二阶无源带通滤波模块1026的所述高频信号，并确定所述高频信号是否满足预定条件，在所述高频信号满足所述预定条件后，发送启动信号至所述核心控制模块1022。

所述多路转换开关模块10210，连接至所述二阶有源低通滤波模块1026，用于在接收到来自所述核心控制模块1022的控制信号后将所述行波模拟信号依次输出至A/D转换模块10212。

所述A/D转换模块10212，连接至所述多路转换开关模块10210，根据来自所述核心控制模块1022的控制信号，对所述行波模拟信号进行A/D转换，并将转换结果输出至双口RAM模块10214。

所述双口RAM模块10214，具有两组数据总线和两组地址总线，用于在所述核心控制模块1022的控制下存储来自所述A/D转换模块10212的所述转换结果，以及被所述行波数据处理模块104读取所述转换结果。

所述核心控制模块1022，接收来自所述保护硬件启动模块1028的所述启动信号，控制所述多路转换开关模块10210、所述A/D转换模块10212、和所述双口RAM模块10214，以及实现对所述地址总线和所述数据总线的译码，并且向所述行波数据处理模块104发送中断信号。

所述行波数据处理模块104，接收来自所述核心控制模块1022的中断信号，从所述双口RAM模块10214读取所述转换结果，对所述转换结果进行处理以取得故障信息，其中，所述故障信息包括所述线路的故障方向、故障相别。

所述信息输入输出模块106，可以包括：信息处理模块1062、以太网控制模块1064、开关量输入模块1066、开关量输出模块1068。

所述信息处理模块1062，接收来自所述行波数据处理模块104的故障信息，通过所述以太网控制模块1064接收来自外部的其他故障信息，以及接收来自所述开关量输入模块1066的开关量信息，根据来自所述行波数据处理模块104的故障信息、来自外部的所述其他故障信息以及所述开关量信息确定是否跳闸及跳闸相别。

所述以太网控制模块1064，将来自所述信息处理模块1062的所述故障信息，发送到外部，以及从外部接收所述其他故障信息，将所述其他故障信息发送到所述信息处理模块1062。

所述开关量输入模块1066，接收外部输入的开关量信息1066，并输入至所述信息处理模块1062。

所述开关量输出模块1068，接收来自所述信息处理模块1062的进行跳闸的命令和跳闸相别并发送到外部。

在上述技术方案中，所述行波数据处理模块104包括：相模变换模块1042、小波变换模块1044、故障启动判别模块1046、行波故障选相模块1048、极性比较式行波方向继电器模块10410。

所述相模变换模块1042，对来自所述双口RAM模块10214的所述转换结果进行凯伦贝尔变换得到模量行波数据。

所述小波变换模块1044，接收来自所述相模变换模块1042的所述模量行波数据，并对所述模量行波数据进行小波变换得到小波变换的模极大值和所述模极大值的极性，并根据所述模极大值的极性得到故障初始行波的波头极性。

所述故障启动判别模块1046，接收来自所述小波变换模块1044的所述模极大值，根据Lipschitz信号的奇异性检测理论确定是否为线路故障导致所述保护硬件启动模块1028的所述启动，并仅在确定为所述线路故障导致所述保护硬件启动模块1028的所述启动时，启动所述行波故障选相模块1048和所述极性比较式行波方向继电器模块10410。

所述行波故障选相模块1048，接收来自所述小波变换模块1044的所述模极大值，并根据所述模极大值确认所述线路的故障类型和故障相别。

所述极性比较式行波方向继电器模块10410，接收来自所述小波变换模块1044的故障初始行波的波头极性，并根据所述故障初始行波的波头极性确认所述线路的故障方向，并根据所述线路上的故障方向确认是否发送所述故障方向和所述故障相别至所述信息输入输出模块106。

在上述技术方案中，所述行波数据处理模块104还可以包括：SDRAM存储器10412，用于存储所述行波数据处理模块104进行处理所需的数据；FLASH存储器10414，用于存储所述行波数据处理模块104所采用的算法程序；以及SPI通讯控制模块10416，使所述行波数据处理模块104与所述信息输入输出模块106进行SPI通讯，将所述故障信息发送给所述信息输入输出模块106。

在上述技术方案中，所述信息输入输出模块106还包括：CAN通讯模块10610，接收来自所述信息处理模块1062的故障报告信息发送到外部；以及232通讯模块10612，接收来自外部的对所述高速数据采集与数字信号处理装置100进行调试的调试信号。

在上述技术方案中，所述信息处理模块1062还包括：SPI通讯模块，所述信息输入输出模块106与所述行波数据处理模块104进行SPI通讯，接收来自所述行波处理模块104的故障信息。

在上述技术方案中，所述信息处理模块1062为MCF5282微处理器。

在上述技术方案中，所述行波数据处理模块104为TMS320C6713处理芯片。

在上述技术方案中，所述保护硬件启动模块1028包括：电平比较电路，将所述高频信号转换为电平信号，然后将所述电平信号与预设启动电平信号进行比较，在所述电平信号高于所述预定启动电平信号时，发出启动信号至所述核心控制模块1022。

在上述技术方案中，所述双口RAM模块10214为两个，用于分别存储线路的电流采样信号和电压采样信号。

图2是根据本发明的一个实施例的高速数据采集与数字信号处理装置的硬件构成示意图。

如图2所示，本实施例中的行波数据采集和行波数据处理装置由高速数据采集电路I、高速数字信号处理电路II、保护逻辑判断及输入输出接口电路III三部分组成，各部分的组成及功能说明如下：

高速数据采集电路I：包括二阶有源低通滤波模块202；二阶无源带通滤波模块204；保护硬件启动模块206；多路转换开关模块208，A/D模块210A和210B，双口RAM模块212A和212B，EMP7128控制译码模块214。其中：

1)二阶有源低通滤波模块202：

8路模拟信号输入至行波数据采集与处理装置后，进入二阶有源低通滤波模块204，其截止频率为500kHz，满足香农采样定理和滤除高频干扰。二阶有源低通滤波模块202的截止频率可根据采样率而调整。

2)二阶无源带通滤波模块204：

二阶无源带通滤波模块204的带通频率为3kHz～30kHz，提取电流故障行波中的高频信号，作为行波保护硬件模块206的启动信号。

3)保护硬件启动模块206：

该模块206通过运算放大器构成电平比较回路，当经过二阶无源带通滤波模块204后的电流故障行波中的高频部分(3kHz～30kHz)电平超过预设的硬件启动电平后，保护硬件启动模块206发出启动信号至EMP7128控制译码模块214，EMP7128控制译码模块214触发TMS320C6713高速数字信号处理器216中断，进入故障处理。

4)多路转换开关模块208：

多路转换开关208MAX4639是四选一的高速切换开关，将四路模拟信号依次输出至A/D模块。

5)A/D模块210A和212B：

A/D模块210A和212B中采用2块AD9240高速模/数转换开关，实现对模拟信号的高速模/数转换，对每一路模拟信号的数据采样率达到1MHz。

6)双口RAM模块212A和212B：

2块双口RAM模块212A和212B用于存储A/D模块210A和210B转换后的8路数字信号，存储空间为128Kbyte。一块双口RAM存放4路电流采集信号，另一块双口RAM存放4路电压采集信号，双口RAM模块212A和212B采用循环存放方式，若行波保护处理的数据窗是2ms，那么对于1MHz的采样率，双口RAM模块212A和212B可以有效存放8组故障数据，可实现故障行波数据的有效存储。双口RAM模块212A和212B具有两组地址总线和数据总线，由EMP7128控制译码模块214负责将模/数转换后的数据写入双口RAM模块212A和212B，而由TMS320C6713高速数字信号处理器216负责读取双口RAM模块212A和212B中的故障数据，并实时进行行波保护的处理，因此可以实现故障数据的高速采集和高速数据处理的同步执行，极大的提高了行波保护板的实时数据处理能力。

7)EMP7128控制译码模块214：

复杂可编程逻辑器件EPM7128控制译码模块214是高速数据采集电路I的核心控制部分，它实现对多路转换开关模块208、A/D模块210A和210B和双口RAM模块212A和212B的协调控制和地址/数据总线信号的译码，实现8路模拟信号转换成数字信号并存储于双口RAM模块210A和210B中，同时EMP7128控制译码模块214在保护硬件启动模块206后触发TMS320C6713高速数字信号处理器216进入故障处理。

高速数字信号处理电路II：

高速数字信号处理电路II以高速数字信号处理器TMS320C6713为核心，包括：TMS320C6713高速数字信号处理器(DSP)216、SPI通讯模块218、SDRAM存储器220、FLASH存储器222、集成在TMS320C6713内的相模变换算法模块、小波变换算法模块、故障启动的软件判别算法模块、行波故障选相算法模块、极性比较式行波方向继电器算法模块。各部分功能如下：

1)TMS320C6713高速数字信号处理器216：

这是一款高速数字信号处理芯片，数据总线32位，可进行浮点运算，精度高，芯片内部有8个运算单元，每秒可执行16亿条指令，能同时满足超高速行波保护对数据处理速度和精度的要求。在TMS320C6713中集成了超高速行波保护的核心算法程序。

2)SPI通讯控制模块218：

TMS320C6713高速数字信号处理器216通过与MCF5282处理器进行SPI串行通信，将故障方向，故障录波等数据传送给MCF5282处理器，以便MCF5282处理器进行后续的保护逻辑判断和通讯等操作，SPI通讯速率达到5Mbtye/s。

3)SDRAM存储器220：

采用2块型号为HY57V641620的SDRAM存储器，构成32位2Mbyte字节的随机存取存储器，用于存放算法所需数据及故障录波数据。

4)FLASH存储器222：

512K字节的FLASH程序存储器SST39LF，用于存放算法的程序。TMS320C6713上电后自动将FLASH中的程序读入TMS320C6713内部的RAM中运行。

5)相模变换算法模块：将三相电流行波和电压行波数据按以下公式(1)和公式(2)进行凯伦贝尔变换，变换成三个线模分量和一个零模分量。

$\left[\begin{array}{c}{u}_0\\ u_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\\ u_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ -1& 0& 1\\ 0& 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{i}_0\\ i_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ -1& 0& 1\\ 0& 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(2\right)$

6)小波变换算法模块：

小波变换的多分辨率分解示意图如图3所示。二进离散小波变换的分解公式如式(3)

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{2^j}f\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{h}_k{V}_{2^{j-1}}f(n-2^{j-1}k)\\ W_{2^j}f\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_k{V}_{2^{j-1}}f(n-2^{j-1}k)\end{array}\right.---\left(3\right)$

上式中f(n)是电流行波或电压行波的离散采样值点，h_k和g_k是二进离散小波变换分解算法中的滤波器组系数，

$\left\{\begin{array}{c}{h}_k=\left(\mathrm{0.125,0.375,0.375,0.125}\right)(k=-\mathrm{1,0,1,2})\\ g_k=(-\mathrm{2,2})(k=\mathrm{0,1})\end{array}\right\}---\left(4\right)$

对电流行波信号进行小波变换多分辨率分解求取子频率空间W₂{125，250kHz}、W₃{62.5，125kHz}、W₄{31.25，62.5kHz}中的模极大值及模极大值的极性，从而得到电流故障初始行波的波头极性SI_α、SI_β、SI_γ。对电压行波进行同样的算法处理获得电压故障初始行波的波头极性SIU_α、SU_β、SU_γ。

7)故障启动的软件判别算法模块：根据lipschitz信号的奇异性检测理论，若是输电线路故障启动，则电流行波的小波变换在W₂、W₃和W₄空间中的模极大值依次增大。若是高频干扰信号导致行波保护硬件启动，则其小波变换的模极大值在W₂、W₃和W₄空间中的模极大值不是依次增大，此时立即退出故障处理中断。

8)行波故障选相模块：根据电流行波的小波变换模极大值构成行波故障选相模块。行波故障选相算法的流程如图4所示。基本工作流程为：

首先判定故障类型：

步骤402，若故障后电流行波的零模分量不为0，则判定为接地故障，否则为相间短路。

步骤404，若是接地故障，再判定三个电流线模小波变换模极大值MMI_α，MMI_β，MMI_γ中是否有一个小波变换模极大值为0，若有一个小波变换模极大值为0，则为单相接地短路，否则为两相接地短路。

步骤406，对于相间短路，进一步求取三个电流线模小波变换模极大值中的绝对值最大值MMI_max和绝对值最小值MMI_min。

步骤408，判断MMI_max＝2MMI_min是否成立，如果成立，则判定为两相短路，否则为三相短路。

根据故障类型进一步判定故障相别：

两相短路故障相别判定：

步骤410，若MMI_α＝MMI_γ，则故障相别：CA，否则为AB和BC；

步骤412，若MMI_β＝MMI_γ，则故障相别：AB，否则故障相别：BC。

三相短路故障相别判定：故障相别：ABC。

单相接地短路相别判定：

步骤414，若MMI_γ＝0，则故障相别：A，否则故障相别：B或C；

步骤416，若MMI_β＝0，则故障相别：B，否则故障相别：C。

两相接地短路故障相别判定：

步骤418，进行凯伦贝尔逆变换，由MMI_α，MMI_β，MMI_γ求取MMI_a，MMI_b，MMI_c。

步骤420，并求取MMI_a，MMI_b，MMI_c中绝对值最小值：

MMI_min＝min(abs(MMI_a)，abs(MMI_b)，abs(MMI_c))

步骤422，若MMI_min＝abs(MMI_a)，则故障相别：BC，否则故障相别：CA或AB；

步骤424，若MMI_min＝abs(MMI_b)，则故障相别：CA，否则故障相别：AB。

9)极性比较式行波方向继电器模块：

根据电流故障初始行波的波头极性SI_α、SI_β、SI_γ和电压故障初始行波的波头极性SU_α、SU_β、SU_γ判定故障方向。极性比较式行波方向继电器的正向判据和反向判据如图5A和图5B所示。

如图5A所示，正方向故障：任一线模量电压故障初始行波头极性和电流故障初始行波波头极性相反。

如图5B所示，反方向故障：三个线模量电压故障初始行波头极性和电流故障初始行波波头极性相同。

(3)行波保护逻辑判断及输入输出接口电路III：

该电路以MCF5282微处理器224为核心，同时包含：以太网控制模块226、开关量输入模块228、开关量输出模块230、CAN通讯模块232、232通讯模块234、集成在微处理器MCF5282内部的行波保护逻辑判断算法模块、SPI通讯模块。各模块功能如下：

1)MCF5282微处理器224：

MCF5282微处理器224是飞思卡尔(Freescale)公司生产的一款32位高性能工业控制芯片，该芯片中集成了丰富的常用外设功能模块，如集成了3个定时器，2个SPI通讯口，1个CAN通讯控制器，1个以太网控制器，大量的通用输入输出接口(GPIO)等，同时芯片内部集成了256Kbyte的FALSH和64Kbyte的SRAM，运行性能稳定可靠。

2)SPI通讯模块：

MCF5282与TMS320C6713进行SPI通讯，获取故障方向，故障相别，故障录波等结果。

3)以太网控制模块226：

将线路本侧的故障方向和故障相别等故障信息通过以太网通讯传输至输电线路对侧行波方向纵联保护装置；同时接收对侧行波方向纵联保护装置通过以太网传输至本侧行波方向纵联保护装置的故障信息。本实施例中的行数采集和处理装置位于行波方向保护装置中。

4)开关量输入模块228：

将本侧行波方向保护装置用的相关开关量信息传送给MCF5282微处理器224，以进行后续的保护逻辑判断。

5)开关量输出模块230：

根据行波方向纵联保护的判定结果，在区内故障时发出开关跳闸命令及相关告警信息。

6)CAN通讯模块232：

将行波方向纵联保护的故障处理相关故障报告信息传输给监控板，以实现对故障报告的存储与显示。

7)232通讯模块234：

实现高速数据采集与数字信号处理装置的在线调试。

8)行波保护逻辑判断算法模块：

当MCF5282微处理器224接收到TMS320C6713高速数字信号处理器216传送的故障信息后，通过以太网控制模块226，将故障信息通过以太网传输至其它行波保护装置，同时通过以太网控制模块226接收其它行波方向保护装置的故障信息，行波方向保护装置将结合本侧开入量信息判定是否跳闸及跳闸相别。

本实施例以高速数据采集与数字信号处理板构成输电线路行波方向保护算法为例，其工作过程结合附图说明如下：

1)设被保护线路发生故障，故障后的电压行波和电流行波分别如图6和图7所示；

2)高压输电线路的电压行波和电流行波经过电压互感器和电流互感器变换成额定值为57.7伏特低电压和1安培的小电流。

3)电压互感器二次侧的电压和电流互感器二次侧的电流再次经过保护装置精密电压变换器和精密电流变换器变换成正负2.5伏特的弱电模拟信号。

4)正负2.5伏特的弱电压信号经保护装置母板传送至高速数据采集与数字信号处理板，经二阶有源低通滤波回路后，经多路转换开关和A/D高速数字转换后，变成数字信号保存在双口RAM中；同时二阶有源低通滤波回路输出信号传送至行波保护硬件启动回路，产生故障启动信号，启动TMS320C6713进入故障处理程序。

5)TMS320C6713进入故障处理程序后，处理过程如图2所示，首先从双口RAM中读取故障数据(802)，对电压行波和电流行波故障数据进行相模变换(804)，然后进行小波变换并求取模极大值(806)。

6)根据Lipschitz信号的奇异性检测理论，进行故障启动的软件判别(808)，若是干扰信号导致的行波保护启动，则行波方向保护立即退出故障处理程序(816)；若是线路故障导致的行波保护启动，则保护装置进入行波故障选相算法程序和极性比较式行波方向继电器算法程序。判断线路故障是否为正向故障(812)，若是反向故障，则行波方向保护立即退出故障处理程序(816)；若是正向故障，则TMS320C6713启动与MCF5282的SPI通讯，将相关故障信息传送给MCF5282(814)，以便进行后续故障处理程序。

7)如图9所示，MCF5282微处理器将TMS320C6713高速数字信号处理器传送的故障信息立刻通过以太网光纤通讯网络(902)，将故障信息传送至对侧保护装置(904)，同时检测是否接收到对侧行波保护装置通过以太网传输的故障信息(906)，检测设定的等待延时是否到达整定值(908)，若在设定的等待延时中没有接收到对侧行波保护装置传来的故障信息，则判定为区外故障(910)；若在设定的等待延时中接收到对侧行波保护装置传来的故障信息，判断为区内故障(912)，则行波方向保护结合本侧的开入量信息进行逻辑判断，判定是否跳闸及跳闸的相别，并通过开关量输出发出跳闸及告警信息(914)。MCF5282最后将故障报告及故障录波信息通过CAN通讯传送至监控板(916)。

从电压/电流故障行波到达高速数据采集与数字信号处理装置时刻开始，整个数据采集和处理直至判断出故障方向的时间小于5ms。

综上所述，本发明提供的高速数据采集与数字信号处理装置，能够对电流行波和电压行波进行同步、高速的数据采集，同时对大量的故障数据进行实时、高速数字信号处理构成超高速行波保护算法，同时可接收开关量输入信息，利用以太网通讯实时发出、获取故障信息，发出开关量开出信息功能，为行波保护技术的应用提供硬件平台基础。

本发明的高速数据采集与数字信号处理装置可用于电力系统以下领域：

1、高压输电线路、变压器、发电机、电动机等电气设备的继电保护装置；

2、电力系统高精度故障录波装置；

3、电力系统故障测距装置；

4、其它需要同步、高速数据采集和快速实时处理的场合。

本发明的高速数据采集与数字信号处理装置可达到如下性能指标：

1、采样频率0～1MHz可选。

2、同步数据采集路数：8路(4路电流和4路电压)。

3、A/D转换精度：14位。

4、可存放数据长度128Kbyte。

5、核心处理器的关键性能指标：32位浮点运算，每秒可执行16亿条指令。

6、高速数据采集与数字信号处理板从故障启动到判别出故障方向时间小于5ms(包括2ms的数据窗时间)

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高速数据采集与数字信号处理装置，其特征在于，包括：行波数据采集模块、行波数据处理模块和信息输入输出模块，其中，

所述行波数据采集模块，包括：核心控制模块、二阶有源低通滤波模块、二阶无源带通滤波模块、保护硬件启动模块、多路转换开关模块、A/D转换模块、双口RAM模块，其中

所述二阶有源低通滤波模块，接收来自线路的行波模拟信号，对所述行波模拟信号进行滤波，所述行波模拟信号包括电压行波模拟信号和电流行波模拟信号；

所述二阶无源带通滤波模块，连接到所述二阶有源低通滤波模块，用于从所述二阶有源低通滤波模块的输出的信号中提取行波中的高频信号；

所述保护硬件启动模块，接收来自所述二阶无源带通滤波模块的所述高频信号，并确定所述高频信号是否满足预定条件，在所述高频信号满足所述预定条件后，发送启动信号至所述核心控制模块；

所述多路转换开关模块，连接至所述二阶有源低通滤波模块，用于在接收到来自所述核心控制模块的控制信号后将所述行波模拟信号依次输出至A/D转换模块；

所述A/D转换模块，连接至所述多路转换开关模块，根据来自所述核心控制模块的控制信号，对所述行波模拟信号进行A/D转换，并将转换结果输出至双口RAM模块；

所述双口RAM模块，具有两组数据总线和两组地址总线，用于在所述核心控制模块的控制下存储来自所述A/D转换模块的所述转换结果，以及被所述行波数据处理模块读取所述转换结果；以及

所述核心控制模块，接收来自所述保护硬件启动模块的所述启动信号，控制所述多路转换开关模块、所述A/D转换模块、和所述双口RAM模块，以及实现对所述地址总线和所述数据总线的译码，并且向所述行波数据处理模块发送中断信号；

所述行波数据处理模块，接收来自所述核心控制模块的中断信号，从所述双口RAM模块读取所述转换结果，对所述转换结果进行处理以取得故障信息，其中，所述故障信息包括所述线路的故障方向、故障相别；

所述信息输入输出模块，包括：信息处理模块、以太网控制模块、开关量输入模块、开关量输出模块，其中，

所述信息处理模块，接收来自所述行波数据处理模块的故障信息，通过所述以太网控制模块接收来自外部的其他故障信息，以及接收来自所述开关量输入模块的开关量信息，根据来自所述行波数据处理模块的故障信息、来自外部的所述其他故障信息以及所述开关量信息确定是否跳闸及跳闸相别；

所述以太网控制模块，将所述信息处理模块接收到的来自所述行波数据处理模块的所述故障信息，发送到外部，以及从外部接收所述其他故障信息，将所述其他故障信息发送到所述信息处理模块；

所述开关量输入模块，接收外部输入的开关量信息，并输入至所述信息处理模块；以及

所述开关量输出模块，接收来自所述信息处理模块的进行跳闸的命令和跳闸相别并发送到外部。

2.根据权利要求1所述的高速数据采集与数字信号处理装置，其特征在于，所述行波数据处理模块包括：相模变换模块、小波变换模块、故障启动判别模块、行波故障选相模块、极性比较式行波方向继电器模块，其中

所述相模变换模块，对来自所述双口RAM模块的所述转换结果进行凯伦贝尔变换得到模量行波数据；

所述小波变换模块，接收来自所述相模变换模块的所述模量行波数据，并对所述模量行波数据进行小波变换得到小波变换的模极大值和所述模极大值的极性，并根据所述模极大值的极性得到故障初始行波的波头极性；

所述故障启动判别模块，接收来自所述小波变换模块的所述模极大值，根据利普希茨信号的奇异性检测理论确定是否为线路故障导致所述保护硬件启动模块的启动，并仅在确定为所述线路故障导致所述保护硬件启动模块的所述启动时，启动所述行波故障选相模块和所述极性比较式行波方向继电器模块；

所述行波故障选相模块，接收来自所述小波变换模块的所述模极大值，并根据所述模极大值确认所述线路的故障类型和故障相别；

所述极性比较式行波方向继电器模块，接收来自所述小波变换模块的故障初始行波的波头极性，并根据所述故障初始行波的波头极性确认所述线路的故障方向，并根据所述线路上的故障方向确认是否发送所述故障方向和所述故障相别至所述信息输入输出模块。

3.根据权利要求1所述的高速数据采集与数字信号处理装置，其特征在于，所述行波数据处理模块还包括：

SDRAM存储器，用于存储所述行波数据处理模块进行处理所需的数据；

FLASH存储器，用于存储所述行波数据处理模块所采用的算法程序；以及

SPI通讯控制模块，使所述行波数据处理模块与所述信息输入输出模块进行SPI通讯，将所述行波数据处理模块的所述故障信息发送给所述信息输入输出模块。

4.根据权利要求1所述的高速数据采集与数字信号处理装置，其特征在于，所述信息输入输出模块还包括：

CAN通讯模块，接收来自所述信息处理模块的故障报告信息发送到外部；以及

232通讯模块，接收来自外部的对所述高速数据采集与数字信号处理装置进行调试的调试信号。

5.根据权利要求3所述的高速数据采集与数字信号处理装置，其特征在于，所述信息处理模块还包括：

SPI通讯模块，所述信息输入输出模块与所述行波数据处理模块进行SPI通讯，接收来自所述行波数据处理模块的故障信息。

6.根据权利要求1所述的高速数据采集与数字信号处理装置，其特征在于，所述信息处理模块为MCF5282微处理器。

7.根据权利要求1所述的高速数据采集与数字信号处理装置，其特征在于，所述行波数据处理模块为TMS320C6713处理芯片。

8.根据权利要求1所述的高速数据采集与数字信号处理装置，其特征在于，所述保护硬件启动模块包括：电平比较电路，将所述高频信号转换为电平信号，然后将所述电平信号与预设启动电平信号进行比较，在所述电平信号高于所述预设启动电平信号时，发出启动信号至所述核心控制模块。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的高速数据采集与数字信号处理装置，其特征在于，所述双口RAM模块为两个，用于分别存储线路的电流采样信号和电压采样信号。

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