CN103969537A - 模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统，包括模拟量输入接口单元、前端采集设备、主控CPU模块和上位机；前端采集设备包括内置多通道分压模块、前置采样模块和电源模块，前置采样模块和电源模块相连接；主控CPU模块包括FPGA、微处理器和光纤接口单元；模拟量输入接口单元、内置多通道分压模块、前置采样模块、FPGA依次顺序连接，FPGA、微处理器和上位机依次顺序连接，光纤接口单元与FPGA相连接。本发明为多采样系统，同时采集电子式互感器的原始模拟信号以及对地的分布参数以及采集器和合并单元的输出数字量信号，采用实时以太网采集合并单元发出的采样值数据，将最终数据与原始数据进行比对以消除系统中电容电流的影响。

Description

模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统及方法

技术领域

本发明属于的是电力系统智能变电站电子式互感器检测领域，涉及的是一种智能变电站GIS内用电子式互感器现场抗干扰测试系统。

背景技术

目前电网建设都是以智能变电站或数字化变电站为主，智能变电站或数字化变电站主要的技术特点就是一次设备智能化，所以电子式互感器必将是未来智能变电站建设的主要智能一次设备。但目前电子式互感器普遍存在GIS内应用时，在拉合刀闸过程中由于VFTO原因，在电子式互感器信号端以及电源端产生强烈的干扰信号，从而导致采集器无法正常工作，或产生异常数据都会影响到智能变电站的整体安全运行。这些问题产生的根源目前一直没有一种定量的参数，而这些干扰信号的频率分布也是影响电子式互感器安全运行重要参数，而这些问题已经成了智能变电站电子式互感器应用的瓶颈问题了。目前这种干扰信号都是通过合并单元最后的结果来进行表象分析，所以各厂家在解决抗干扰问题时也是根据其表象进行对于问题的解决。但干扰一直是一个复杂的过程，不仅仅是某一个环节的问题，极有可能是在多个环节共同作用所导致的最终现象。目前还没有任何机构或厂家针对这一问题提出最终的原因以及解决方案，大家都是摸索的过程当中。

现有GIS电子式互感器的测试系统都是基于对电子式互感器本身的精度、性能进行测试，例如C N103487780A公开了一种基于隔离开关分合容性小电流的GIS 电子式互感器的测试系统，通过该测试系统，可以模拟110KV、220KV、500KV 电压等级在送电和断电过程中的电磁环境，模拟现场隔离开关开合空导线及容性小电流负荷过程，产生类似现场暂态强干扰，考核在该条件下电子式互感器的电磁防护性能，但是仍旧停留于电子式互感器本身的精度、性能进行测试，不涉及到GIS内电子式互感器在拉合刀闸过程中的电子式互感器所受的干扰源信号及其对电子式互感器特性的影响。

所以从目前现状来看，迫切需要一种装置来定量精确测试GIS内电子式互感器在拉合刀闸过程中由于VFTO的影响在信号端以及地网产生的干扰信号来分析电子式互感器干扰产生的机理及量化指标，结合采集器的输出数据分析采样回路的影响结合合并单元的最终输出采样值报文综合分析GIS内电子式互感器干扰源对电子式互感器的影响。

发明内容

发明目的：本发明是为了解决智能变电站以及数字化变电站对于GIS电子式互感器的抗干扰能力的测试要求，并针对目前现有GIS内电子式互感器的技术现状，开发出基于实时以太网的GIS内电子式互感器现场抗干扰测试系统，以满足电力系统用户对于智能变电站GIS内电子式互感器抗干扰能力测试的要求，通过测试GIS内电子式互感器在拉合刀闸过程中的电子式互感器所受的干扰源信号及其对电子式互感器特性的影响，用以提高GIS内应用时电子式互感器可靠性。

本发明技术方案如下：

模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统，包括模拟量输入接口单元、前端采集设备、主控CPU模块和上位机。

前端采集设备包括内置多通道分压模块、前置采样模块和电源模块，前置采样模块和电源模块相连接；电源模块为电池供电模块，采用电池供电避免了采样系统自身受干扰。

主控CPU模块包括FPGA、微处理器和光纤接口单元，采用光纤串口将数据发送至FPGA，发送速度快。主控CPU模块采用FPGA作为数据处理，采集前置采样模块以及采集器的串行数据，同时采集多个合并单元的IEC61850-9数据并进行同步处理后送至微处理器，由微处理器完成与上位机的连接。

模拟量输入接口单元、内置多通道分压模块、前置采样模块、FPGA依次顺序连接，FPGA、微处理器和上位机依次顺序连接，光纤接口单元与FPGA相连接。微处理器对接收到的数据进行打包后发送给上位机。

内置多通道分压模块采用电阻分压将原始电压信号分为5V、20V、50V、200V采样范围的信号，将原始电压信号分成4档用以确保信号的精度。

光纤接口单元包括串行光纤接口和以太网光纤接口，串行光纤接口连接被测GIS内电子式互感器的采集器的输出端；以太网光纤接口连接被测GIS内电子式互感器的合并单元的输出端。

模拟量输入接口单元连接外置的罗氏线圈的正压端、负压端和地网。

前置采样模块基于分压技术多通道宽范围采集（0.1V~200V的宽范围），包括模数转换器和录波单元，模数转换器将从内置多通道分压模块输出的模拟信号转换为数字信号，录波单元根据多通道分压模块的通道数据进行选择性录波。

FPGA包括同步单元和数据转换单元，FPGA接收来自前置采样模块的输出信号、被测GIS内电子式互感器的采集器的输出信号和被测GIS内电子式互感器的合并单元的输出信号，经过同步单元同步后，发送给数据转换单元进行数据格式转换，转换为格式一致的数据信号。

模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试方法，包括以下步骤，

S01，内置多通道分压模块连接罗氏线圈的正压端、负压端和地网，GIS拉合刀闸的过程中内置多通道分压模块采集GIS线圈的差分信号、线圈两端分别对地的信号；

S02，串行光纤接口连接被测电子式互感器的采集器的输出端；以太网光纤接口连接被测电子式互感器的合并单元的输出端，串行光纤接口采集GIS内电子式互感器采集器发送原始信号，以太网光纤接口采集经过合并单元处理后的采样值数据；

S03，内置多通道分压模块采用电阻分压将原始电压信号分为5V、20V、50V、200V采样范围的信号，通过前置采样模块的模数转换器转换为数字信号，录波单元根据多通道分压模块的通道数据进行选择性录波，前置采样模块输出的数据为罗氏线圈正负端和地线的实际信号的采样值；前置采样模块采样速率为1M，采用5M的波特率进行串行传输。

S04，FPGA接收来自前置采样模块转换后的数字信号、采集器输出的信号、合并单元输出的信号，经过同步单元同步后，发送给数据转换单元进行数据格式转换，转换为格式一致的数据信号，实现多种数据源的同步后发送给微处理器；采集器和合并单元输出的信号分别为被测GIS内电子式互感器的经过采集器硬件积分和经过合并单元软件积分的采样信号；

S05，微处理器对接收到的数据进行打包后发送给上位机；微处理器与上位机之间的传输速率采用10K，每包发送10点采样数据，按照触发采集模式，分时发送10秒时间内数据发送至上位机并打上数据触发时刻；

S06，上位机根据多通道分压模块的各点模拟信号确定干扰源，根据采集器的输出测出罗氏线圈原始微分信号与模拟信号的差异，计算采集器受干扰的实际影响，通过对合并单元输出的IEC61850-9数据进行分析获得最终电子式互感器输出的信号与干扰信号处理之间的关联性。

本发明的技术方案有益效果包括：

1、多采样系统，同时采集电子式互感器的原始模拟信号以及对地的分布参数以及采集器和合并单元的输出数字量信号，采用实时以太网采集合并单元发出的采样值数据，将最终数据与原始数据进行比对以消除系统中电容电流的影响。

2. 采用内部电池供电以消除本身模拟装置采集的信号受电源干扰的可能性。

3. 高采样速率，采用高速采样AD采样速率达到50M。可以采集VFTO整个过程中干扰信号中频谱分布。

4. 采用就地高速录波技术，实现干扰数据的实时采集、记录与分时发送。

5. 接收电子式互感器厂家采集器的私有数据，以验证合并单元的软件积分环节对干扰信号的影响。

6. 采用分压多通道的方式采集模拟信号，以实现干扰信号的宽范围采集。

附图说明

图1是本发明模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统结构示意图；

图2是本发明模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统，包括模拟量输入接口单元、前端采集设备、主控CPU模块和上位机。

所述前端采集设备包括内置多通道分压模块、前置采样模块和电源模块，所述前置采样模块和电源模块相连接；所述电源模块为电池供电模块，采用电池供电避免了采样系统自身受干扰。

所述主控CPU模块包括FPGA、微处理器和光纤接口单元，采用光纤串口将数据发送至FPGA，发送速度快。主控CPU模块采用FPGA作为数据处理，采集前端采样模块以及采集器的串行数据，同时采集多个合并单元的IEC61850-9数据并进行同步处理后送至微处理器，由微处理器完成与上位机的连接。

所述模拟量输入接口单元、内置多通道分压模块、前置采样模块、FPGA依次顺序连接，所述FPGA、微处理器和上位机依次顺序连接，所述光纤接口单元与FPGA相连接。微处理器对接收到的数据进行打包后发送给上位机。

内置多通道分压模块采用电阻分压将原始电压信号分为5V、20V、50V、200V采样范围的信号。

光纤接口单元包括串行光纤接口和以太网光纤接口，所述串行光纤接口连接被测GIS内电子式互感器的采集器的输出端；所述以太网光纤接口连接被测GIS内电子式互感器的合并单元的输出端。光纤接口单元的光接收器件采用Agilent(安捷伦)公司的光接收器件，接口采用ST，串行光纤波长为850 nm，以太网光纤波长采用1310nm。

模拟量输入接口单元连接外置的罗氏线圈的正压端、负压端和地网。

前置采样模块基于分压技术多通道宽范围采集（0.1V~200V），包括模数转换器和录波单元，模数转换器AD公司AD7671芯片高速采集模拟量数据，采样速率为1M。所述模数转换器将从内置多通道分压模块输出的模拟信号转换为数字信号，所述录波单元根据多通道分压模块的通道数据进行选择性录波。

FPGA包括同步单元和数据转换单元，所述FPGA接收来自前置采样模块的输出信号、被测GIS内电子式互感器的采集器的输出信号和被测GIS内电子式互感器的合并单元的输出信号，经过同步单元同步后，发送给数据转换单元进行数据格式转换，转换为格式一致的数据信号。

如图2所示，模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试方法，包括以下步骤，

S01，内置多通道分压模块连接罗氏线圈的正压端、负压端和地网，GIS拉合刀闸的过程中内置多通道分压模块采集GIS线圈的差分信号、线圈两端分别对地的信号；

S02，串行光纤接口连接被测电子式互感器的采集器的输出端；以太网光纤接口连接被测电子式互感器的合并单元的输出端，串行光纤接口采集GIS内电子式互感器采集器发送原始信号，以太网光纤接口采集经过合并单元处理后的采样值数据；

S03，内置多通道分压模块采用电阻分压将原始电压信号分为5V、20V、50V、200V采样范围的信号，通过前置采样模块的模数转换器转换为数字信号，录波单元根据多通道分压模块的通道数据进行选择性录波，前置采样模块输出的数据为罗氏线圈正负端和地线的实际信号的采样值；前置采样模块采样速率为1M，采用5M的波特率进行串行传输。

S04，FPGA接收来自前置采样模块转换后的数字信号、采集器输出的信号、合并单元输出的信号，经过同步单元同步后，发送给数据转换单元进行数据格式转换，转换为格式一致的数据信号，实现多种数据源的同步后发送给微处理器；采集器和合并单元输出的信号分别为被测GIS内电子式互感器的经过采集器硬件积分和经过合并单元软件积分的采样信号；

S05，微处理器对接收到的数据进行打包后发送给上位机；微处理器与上位机之间的传输速率采用10K，每包发送10点采样数据，按照触发采集模式，分时发送10秒时间内数据发送至上位机并打上数据触发时刻；

S06，上位机根据多通道分压模块的各点模拟信号确定干扰源，根据采集器的输出测出罗氏线圈原始微分信号与模拟信号的差异，计算采集器受干扰的实际影响，通过对合并单元输出的IEC61850-9数据进行分析获得最终电子式互感器输出的信号与干扰信号处理之间的关联性；通过光纤以太网口接收来自多个合并单元的光纤以太网IEC61850-9协议传送的模拟量数据，通过后台控制后分析拉合过程中采样值数据的准确性，然后通过计算合并单元采样值的变化、发送时间离散值变化、报文是否存在异常、是否存在丢包等现象，作为判别条件同时综合来自电子式互感器各点的高速模拟采样信号，以及采集器输出电子式互感器微分信号，对这些微分信号进行理想积分。综合判断GIS内电子式互感器的干扰信号源以及这些干扰信号对电子式互感器的模拟采集、微分积分环节等方面综合影响。对这些信号进行比对测试GIS内电子式互感器的主要受干扰因数以及电子式互感器的处理机制可能存在的缺陷。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统， 其特征在于，包括模拟量输入接口单元、前端采集设备、主控CPU模块和上位机；

所述前端采集设备包括内置多通道分压模块、前置采样模块和电源模块，所述前置采样模块和电源模块相连接；

所述主控CPU模块包括FPGA、微处理器和光纤接口单元；

所述模拟量输入接口单元、内置多通道分压模块、前置采样模块、FPGA依次顺序连接，所述FPGA、微处理器和上位机依次顺序连接，所述光纤接口单元与FPGA相连接。

2.根据权利要求1所述的模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统， 其特征在于，所述内置多通道分压模块采用电阻分压将原始电压信号分为5V、20V、50V、200V采样范围的信号。

3.根据权利要求1所述的模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统， 其特征在于，所述光纤接口单元包括串行光纤接口和以太网光纤接口，所述串行光纤接口连接被测GIS内电子式互感器的采集器的输出端；所述以太网光纤接口连接被测GIS内电子式互感器的合并单元的输出端。

4.根据权利要求1所述的模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统， 其特征在于，所述模拟量输入接口单元连接外置的罗氏线圈的正压端、负压端和地网。

5.根据权利要求1所述的模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统， 其特征在于，所述前置采样模块基于分压技术多通道宽范围采集，所述采集范围为0.1V~200V。

6.根据权利要求1所述的模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统， 其特征在于，所述前置采样模块包括模数转换器和录波单元，所述模数转换器将从内置多通道分压模块输出的模拟信号转换为数字信号，所述录波单元根据多通道分压模块的通道数据进行选择性录波。

7.根据权利要求1所述的模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统， 其特征在于，所述FPGA包括同步单元和数据转换单元，所述FPGA接收来自前置采样模块的输出信号、被测GIS内电子式互感器的采集器的输出信号和被测GIS内电子式互感器的合并单元的输出信号，经过同步单元同步后，发送给数据转换单元进行数据格式转换，转换为格式一致的数据信号。

8.根据权利要求1所述的模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统， 其特征在于，所述微处理器对接收到的数据进行打包后发送给上位机。

9.根据权利要求1所述的模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试系统， 其特征在于，所述电源模块为电池供电模块。

10.根据权利要求1所述的模拟量、数字量混合采集的互感器干扰源测试方法， 其特征在于，包括以下步骤，

S01，内置多通道分压模块连接罗氏线圈的正压端、负压端和地网，GIS拉合刀闸的过程中内置多通道分压模块采集GIS线圈的差分信号、线圈两端分别对地的信号；

S02，串行光纤接口连接被测电子式互感器的采集器的输出端；以太网光纤接口连接被测电子式互感器的合并单元的输出端，串行光纤接口采集GIS内电子式互感器采集器发送原始信号，以太网光纤接口采集经过合并单元处理后的采样值数据；

S03，内置多通道分压模块采用电阻分压将原始电压信号分为5V、20V、50V、200V采样范围的信号，通过前置采样模块的模数转换器转换为数字信号，录波单元根据多通道分压模块的通道数据进行选择性录波，前置采样模块输出的数据为罗氏线圈正负端和地线的实际信号的采样值；

S04，FPGA接收来自前置采样模块转换后的数字信号、采集器输出的信号、合并单元输出的信号，经过同步单元同步后，发送给数据转换单元进行数据格式转换，转换为格式一致的数据信号，实现多种数据源的同步后发送给微处理器；采集器和合并单元输出的信号分别为被测GIS内电子式互感器的经过采集器硬件积分和经过合并单元软件积分的采样信号；

S05，微处理器对接收到的数据进行打包后发送给上位机；

S06，上位机根据多通道分压模块的各点模拟信号确定干扰源，根据采集器的输出测出罗氏线圈原始微分信号与模拟信号的差异，计算采集器受干扰的实际影响，通过对合并单元输出的IEC61850-9数据进行分析获得最终电子式互感器输出的信号与干扰信号处理之间的关联性。