CN102323516A - 一种基于无源磁光玻璃电流互感器原理的行波测距装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于无源磁光玻璃电流互感器原理的行波测距装置。该装置采用无源磁光玻璃电子式电流互感器获得反映输电线路的一次侧电流幅值的小电压信号，通过CPLD控制的高速采集电路对该小电压信号分别实现625KHz的行波数据记录采样和20KHz的启动判据数据采样。当输电线路发生故障的时候，装置通过20KHz的采样数据判断输电线路发生故障，并控制625KHz高速采样部分将包含行波信号的高速采样数据完整记录，通过通信将数据发送至后台计算机，后台计算机在获得双端线路数据后通过小波算法自动计算识别故障行波波头，并据波头到达双端母线的不同时刻实现输电线路故障定位。
Description
技术领域
本发明属于电力系统自动化领域，具体涉及输电线路故障定位技术，提出了一种基于无源磁光玻璃电流互感器原理的行波测距装置。
背景技术
输电线路发生故障后，即使重合成功，也需要巡线人员查找故障点，根据故障造成的损坏程度判断线路能否继续运行还是须停电检修，以消除隐患。因此，线路故障后快速寻找故障点就成为保证电网安全稳定运行的一项关键技术。
当前，数字化变电站技术成为未来发展方向。数字化变电站采用低功率、数字化的新型互感器代替常规的铁磁式互感器。这种巨大的变革使得基于铁磁式互感器的输电线路精确故障测距装置不再适用于数字化变电站。因此迫切需要对基于数字式互感器的精确故障测距技术进行研究，综合考虑数字化变电站的特点，采用最优的方案研发适于数字式互感器的输电线路精确故障测距装置，以适应数字化变电站和数字化电网未来发展对精确故障测距的需求，来缩短线路停电时间，节省巡线的人力、物力、财力，提高电网的安全稳定运行水平，为社会创造更大的价值。
上述现有技术将一次电流采样后转换为数字信号，采样频率由互感器自主控制，通过光纤将数字信号传输至测距装置。由于采用了串行传输机制，使得采样时间间隔不能大于串行一次采样值传输完成时间，这使得目前这种模式的采样频率基本为500kHz；另外，数字信号在高速串行传输过程中容易发生错码，使得整个采样值数据无效，如果在故障的时刻发生采样值传输错误，可能导致不能测距或测距结果不正确。采样频率由互感器自主控制，使得测距装置不能调整自己采样频率，限制了测距装置的灵活性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种基于无源磁光玻璃电流互感器原理的行波测距装置，所述装置通过基于磁光玻璃电流互感器原理获得正比于一次电流的小电压信号，通过运算放大器将该小电压信号调制后分为两路，一路用于高速AD采样，其采样数据用于实时刷新静态存储器SRAM中的数据，另一路用于低速AD采样，其数据用于故障启动条件判断，当判断输电线路发生故障后，启动高速采样部分进行采样数据存储与转发；转发的高速采样数据用于双端故障测距，从而使得定位误差与输电线路长度无关，且定位误差小于500米。
其中，采用磁光玻璃电流互感器将反映一次侧电流的光信号，采用硬件运算电路直接输出成小电压信号，对该小电压信号的采集处理方式采用硬件采样原理设计，由可编程逻辑器件CPLD控制对同一信号进行采集，一部分为高速采集，其原理为硬件实时采样、实时存储，存储器件为大容量RAM；另一部分为低速采样，用于启动判断，实时采样、实时存储，存储器件为FIFO。
其中，采用GPS的秒脉冲信号作为双端测距装置同步信号，采用GPS的秒脉冲信号每秒同步一次高速采样脉冲，使得双端高速采样脉冲信号的最大时差小于0.8微妙。
其中，采用脉冲电流驱动GaAs双异质结构的发光二极管作光源，光源发出的光耦合入长距离多模光纤，脉冲电流从20～100mA自动可调，通过控制器把光电电流传感器MOCT的直流输出信号反馈给发光二极管的驱动源，自动调节光源的电流达到光电电流传感器MOCT直流信号的稳定输出；采用方形块状SF-6玻璃，具有全反射相位补偿的双层光路结构，通过载流导线，通过起偏器把光纤传输出来的光变成线偏振光，入射到传感头，经6次全反射后，线偏振光绕载流导体一周，完成法拉第效应环路积分；
检偏器把入射光分为两个正交光，把线偏振调制光转换为振幅调制光后，通过两路多模光纤传输至地面的光电转换部分，光电转换部分将振幅调制光转换为小电压信号；由于电流信号通过光学系统和检测仪器会产生一个位相延迟，从而该小电压信号与一次交流电流存在一个相位差，需要通过硬件运算电路来补偿该相位差，使得小电压信号与一次交流电流的相位同步；最后通过放大调制电路整形后输出至信号采样部分；
信号采样部分包括三大部分：模拟信号调理电路、高速采集部分、和低速采样启动部分；
模拟信号调理电路包括多级运放，将电流互感器的输出电流调整为适合AD采样的0～5V电压波形，提供给高速采样与低速采样的AD；
高速采样部分包括CPLD和单片机，CPLD控制根据外部提供的采样脉冲控制AD进行采样，并实时刷新RAM1中的数据，当收到低速采样启动信号后，继续采样一定点后将RAM1的数据总线交给单片机，在单片机的控制下将存储的数据拷贝至数据缓存区RAM2，拷贝完成后CPLD继续用高速采样数据刷新RAM1中的数据；
低速采样启动部分通过读取采样数据判读是否启动，启动判据有正序、负序和零序的突变量启动和稳态值越限启动；
GPS同步部分通过CPLD将10M的晶振分频后输出625K的采样频率，提供给AD板采样用，同时实现10M的计数器，GPS秒脉负责清零该计数器，当接收AD板的启动信号，锁存10M计数器以及启动的AD板通道号，存入双口RAM中；单片机在收到AD板的启动信号，将上述数据标定为高速采样数据的启动点时刻。
本发明的有益效果是：
1、适用于行波测距装置的基于无源磁光玻璃的电子式电流互感器部分，该部分功能为通过无源磁光玻璃电子式电流互感器输出反映一次电流的小电压信号，该部分与普通的无源磁光玻璃电子式互感器相比较，具有输出信号带宽较大，实现不同的区别。其输出的小电压信号截止频率高于50KHz，实现方式为直接硬件运算处理。
2.适用于行波测距装置的信号采样处理部分，该部分实现对小电压信号的采集处理，方式采用硬件采样原理设计，在CPLD的控制下，对同一信号分为两部分采集。一部分为可控高速采集，采用大容量实时存储技术采样速率达到625KHz，存储数据分为触发前数据和触发后数据，且故障前数据和故障后数据长度可方便调整；一部分采用实时采样、先入先出技术，实现启动判断需要的低速采样数据，采样频率可调。
3.适用于行波测距装置的双端GPS采样脉冲同步部分，该部分采用GPS秒脉冲信号每秒同步一次双端高速采样脉冲，使得双端高速采样脉冲信号时差最大小于0.8微妙，保证测距要求的时间精度。
本发明直接接收无源磁光玻璃的光信号，经过解调调理后形成小电压信号直接供给测距装置AD采集，采样频率不再受互感器本身控制，由测距装置的AD采样频率控制；光纤传输反映一次电流的模拟光信号，不会发生误码现象。提高了测距装置的可靠性合灵活性。
附图说明
图1是法拉第磁光效应原理示意图。
图2是无源磁光玻璃电子式电流互感器原理示意图。
图3是无源磁光玻璃的电子式电流互感器工作示意图。
图4是依据本发明的信号采样处理部分设计图。
图5是依据本发明的GPS同步部分设计图。
图6是依据本发明的系统工作原理图。
具体实施方式
如图1所示，光学玻璃电流互感器是基于Faraday效应，当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时.线偏振光的偏振面就会线性随着平行于光线方向的磁场的大小发生旋转。如图2所示，通过测量载流导体周围线性偏振光偏振面的旋转角度，就可间接地测量出导体中的电流值。
实现方法：如图3所示，我们采用脉冲电流驱动GaAs双异质结构的发光二极管(LED)作光源，其发出的光耦合入长距离多模光纤，脉冲电流从20～100mA自动可调，通过控制器把MOCT的直流输出信号反馈给LED驱动源，自动调节它的电流达到MOCT直流信号的稳定输出。采用方形块状SF-6玻璃，具有全反射相位补偿的双层光路结构，通过载流导线的中心孔径为100mm，通过起偏器把光纤传输出来的光变成线偏振光，入射到传感头，经6次全反射线偏振光绕载流导体一周，完成法拉第效应环路积分。
检偏器把入射光分为两个正交光，把线偏振调制光转换为振幅调制光后，通过两路多模光纤传输至地面的光电转换部分，光电转换部分将振幅调制光转换为小电压信号。由于电流信号通过光学系统和检测仪器往往会产生一个位相延迟，因此该小电压信号与一次交流电流存在一个相位差，因此需要通过硬件运算电路来补偿该相位差，使得小电压信号与一次交流电流的相位同步。最后通过放大调制电路整形后输出至信号采样部分。
信号采样部分主要划分为三大部分，如图4所示，一部分是模拟信号调理电路。一部分是高速采集部分，还有一部分是低速采样启动部分。
模拟信号调理电路主要是由多级运放组成，将电流互感器的输出电流调整为适合AD采样的0～5V电压波形，提供给高速采样与低速采样的AD。
高速采样部分主要由CPLD和单片机协调工作，正常情况下，CPLD控制根据外部提供的采样脉冲控制AD进行采样，并实时刷新RAM1中的数据，当收到低速采样启动信号后，继续采样一定点后将RAM1的数据总线交给单片机，在单片机的控制下将存储的数据拷贝至数据缓存区RAM2，拷贝完成后CPLD继续用高速采样数据刷新RAM1中的数据。
低速采样启动部分通过读取采样数据判读是否启动，启动判据有正序、负序和零序的突变量启动和稳态值越限启动。
GPS同步部分如图5所示，通过CPLD将10M的晶振分频后输出625K的采样频率，冲提供给AD板采样用，同时实现10M的计数器，GPS秒脉负责清零该计数器，当接收AD板的启动信号，锁存10M计数器以及启动的AD板通道号，存入双口RAM中；单片机在收到AD板的启动信号，将上述数据标定为高速采样数据的启动点时刻。图6是依据本发明的本发明的系统工作原理图。
Claims (4)
1.一种基于无源磁光玻璃电流互感器原理的行波测距装置，其特征在于所述装置通过基于磁光玻璃电流互感器原理获得正比于一次电流的小电压信号，通过运算放大器将该小电压信号调制后分为两路，一路用于高速AD采样，其采样数据用于实时刷新静态存储器SRAM中的数据，另一路用于低速AD采样，其数据用于故障启动条件判断，当判断输电线路发生故障后，启动高速采样部分进行采样数据存储与转发；转发的高速采样数据用于双端故障测距，从而使得定位误差与输电线路长度无关，且定位误差小于500米。
2.如权利要求1所述的行波测距装置，其特征在于采用磁光玻璃电流互感器将反映一次侧电流的光信号，采用硬件运算电路直接输出成小电压信号，对该小电压信号的采集处理方式采用硬件采样原理设计，由可编程逻辑器件CPLD控制对同一信号进行采集，一部分为高速采集，其原理为硬件实时采样、实时存储，存储器件为大容量RAM；另一部分为低速采样，用于启动判断，实时采样、实时存储，存储器件为FIFO。
3.如权利要求2所述的行波测距装置，其特征在于采用GPS的秒脉冲信号作为双端测距装置同步信号，采用GPS的秒脉冲信号每秒同步一次高速采样脉冲，使得双端高速采样脉冲信号的最大时差小于0.8微妙。
4.如权利要求1-3任一所述的行波测距装置，其特征在于采用脉冲电流驱动GaAs双异质结构的发光二极管作光源，光源发出的光耦合入长距离多模光纤，脉冲电流从20～100mA自动可调，通过控制器把光电电流传感器MOCT的直流输出信号反馈给发光二极管的驱动源，自动调节光源的电流达到光电电流传感器MOCT直流信号的稳定输出；采用方形块状SF-6玻璃，具有全反射相位补偿的双层光路结构，通过载流导线，通过起偏器把光纤传输出来的光变成线偏振光，入射到传感头，经6次全反射后，线偏振光绕载流导体一周，完成法拉第效应环路积分；
检偏器把入射光分为两个正交光，把线偏振调制光转换为振幅调制光后，通过两路多模光纤传输至地面的光电转换部分，光电转换部分将振幅调制光转换为小电压信号；由于电流信号通过光学系统和检测仪器会产生一个位相延迟，从而该小电压信号与一次交流电流存在一个相位差，需要通过硬件运算电路来补偿该相位差，使得小电压信号与一次交流电流的相位同步；最后通过放大调制电路整形后输出至信号采样部分；
信号采样部分包括三大部分：模拟信号调理电路、高速采集部分、和低速采样启动部分；
模拟信号调理电路包括多级运放，将电流互感器的输出电流调整为适合AD采样的0～5V电压波形，提供给高速采样与低速采样的AD；
高速采样部分包括CPLD和单片机，CPLD控制根据外部提供的采样脉冲控制AD进行采样，并实时刷新RAM1中的数据，当收到低速采样启动信号后，继续采样一定点后将RAM1的数据总线交给单片机，在单片机的控制下将存储的数据拷贝至数据缓存区RAM2，拷贝完成后CPLD继续用高速采样数据刷新RAM1中的数据；
低速采样启动部分通过读取采样数据判读是否启动，启动判据有正序、负序和零序的突变量启动和稳态值越限启动；
GPS同步部分通过CPLD将10M的晶振分频后输出625K的采样频率，提供给AD板采样用，同时实现10M的计数器，GPS秒脉负责清零该计数器，当接收AD板的启动信号，锁存10M计数器以及启动的AD板通道号，存入双口RAM中；单片机在收到AD板的启动信号，将上述数据标定为高速采样数据的启动点时刻。
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