CN105093022A - 一种无线同步数据采集的控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线同步数据采集的控制方法和系统，该方法包括：两个以上的采集终端和一采集控制主站计算机进行初始化；所述采集终端检测到PPS脉冲信号下降沿发出，通过无线通信向所述采集控制主站计算机发送“准备”状态指令；所述采集终端接收到“开始”+“sn”指令后，由PPS脉冲信号作为硬件控制信号；当PPS脉冲信号由“0”变为“1”时，以采样率fs进行模数变换，接收顺序的波形采样数据；按照预先设定的采样长度接收完所述采样数据后,所述采集控制主站计算机向各个采集终端通过无线通信查询、读取数据。本发明采用由无线传感器网络传输技术和GPS同步采集技术分布式传感器网络构成的高精度多路测试系统，提高了系统的测试效率。

Description

一种无线同步数据采集的控制方法和系统

技术领域

本发明涉及一种区域内分布式数据采集的精确同步控制方法和系统，具体涉及一种无线同步数据采集的控制方法和系统。

背景技术

容性设备及避雷器的在线和带电监测技术，可以弥补停电预防性试验的不足。容性设备的在线监测、带电检测的技术已有20多年的研究历史，一直是国内外研究的重点课题，目前其检测量容性设备的介损、电容量、避雷器的全电流、阻性电流能够真实反映设备的运行状况。

但是从技术发展来看，目前容性设备、避雷器的绝缘在线/带电检测技术应用尚不普遍，主要经历了有线绝缘带电检测、分布式绝缘在线监测的发展，虽然取得了一些效果，由于其技术本身存在一些局限性，从而没有大范围应用。例如，分布式在线监测设备的投入较大、故障率高、维护量大；有线带电测试虽然投入少，性价比高，但存在测试时需要连接接线，打开末屏回路存在安全隐患、操作复杂、电缆长度影响数据准确性等。

容性设备的在线和带电监测技术，可以弥补停电预防性试验的不足。电容型设备的在线监测、带电检测的技术已有20多年的研究历史，一直是国内外研究的重点课题，目前其监测技术已比较成熟，能够真实反映设备的运行状况。

目前，针对电容型设备开展的带电检测、在线监测包括以下手段：

电容量、介损在线监测

电容量、介损带电检测

红外测温

(1)集中式在线监测系统

在电容型设备附近就近安装传感器或取样装置，将变换后的模拟信号进行传输，在位于主控室采样终端处对所有的信号进行采样运算。

集中式为了提高长距离传输的信噪比，往往采用直接耦合方式，即在末屏接地线回路串接电容及保护电路，产生40VAC左右的电压信号进行传输。由于要在末屏接地线回路串电容，改变了接地方式，因此该类系统逐步被采用穿芯式小电流传感器的分布式在线监测系统所取代。

(2)现场总线分布式在线监测系统

该系统在电流互感器或套管附近就近安装传感器及采样装置，就地完成模拟量到数字量的变换，通过RS485、CAN等现场总线将各监测单元连接，将数字通讯方式进行传输。多家制造商掌握了高精度小电流传感器的关键技术，并通过了电磁干扰、环境影响等试验，设备的可靠性也有了很大的提高。该方式在变电站现场需要大量的穿管和敷设通讯电力、电源电缆，采用提供有线模拟参考信号法的方式解决分布式采集的同步问题。

(3)电容型设备的电容量、介损有线带电检测

带电检测系统通常是将各类接线端子箱或传感器安装于所监测的设备上，将电容型设备的末屏引下线引出，而将采样电路、CPU等置于便携式仪器中，用于对所有设备进行不停电的巡检，以判断设备的状态。

采用这种方式，投资少，性价比高。但不能连续监测，不能集成所有的设备和项目，无法实现远程监测和集中管理。需要由专业技术人员操作，按照周期进行巡检，特别对一些偏远的变电站，工作量相对较大。

需要事先加装带电检测的端子箱，将电流互感器、套管的末屏引下线引出。测量时需要通过测量电缆将末屏电容电流引入仪器。采用相对比较法，带电检测仪测量一组设备相对于另外一组设备的相对介损变化与电容比的变化。

该系统必须由经过培训的专业人员进行操作，测量系统必须带防末屏开路的保护装置，严格按照操作规程进行操作。连接电缆的影响不可忽略，使用前需要进行校正。

随着全球定位系统(GPS)的出现和应用水平的提高，微妙级精度的计时装置已经商品化。如今的GPS能提供精度为1us的同步时钟，使得带电测试系统实现高精度同步时钟成为可能。因此开展基于高精度GPS同步的变电设备绝缘带电检测技术可提供带电测试精度，提供精确的变电站设备实时状况，为完善变电站设备不停电检测提供可靠基础。

容性设备或避雷器的带电测试，需要选定基准设备，多个分布式的AD同时测量多路信号，计算两路信号的相位差(时间差)，测量的误差<2‘(对50Hz频率的信号来说，采样的时间误差<2us)。利用一个集中式采样装置(如集中式带电测试仪，对所有信号采样利用一个ADC)，可以很容易的达到该测量精度。对分布式的测量系统，每个测量系统有一个独立的ADC(模拟量-数字量变换器)，不同采集终端采用相同的采样率，启动采集的时刻必须保证不大于2us，否则不同采样终端获得的“相位”无法进行比较。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种无线同步数据采集的控制方法和系统，本发明采用由无线传感器网络传输技术和GPS同步采集技术的分布式传感器网络构成的高精度的多路测试系统，提高了系统的测试效率。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种无线同步数据采集的控制方法，所述方法包括如下步骤：

(1)两个以上的采集终端和一采集控制主站计算机进行初始化；

(2)所述采集终端检测到PPS脉冲信号下降沿发出，通过无线通信向所述采集控制主站计算机发送“GPS/BD-READY”状态指令；

(3)所述采集终端接收到“AD-START”+“sn”指令后，由PPS脉冲信号作为硬件控制信号；

(4)当PPS脉冲信号由“0”变为“1”时，以采样率fs进行模数变换，接收顺序的波形采样数据；

(5)按照预先设定的采样长度接收完所述采样数据后,所述采集控制主站计算机向各个采集终端通过无线通信查询、读取数据。

优选的，所述步骤(1)中，所述采集控制主站计算机若为第一次准备启动采集，则通过无线通信向各个所述采集终端下发初始化命令，使所有所述采集终端及所述采集控制主站计算机的sn＝0，所述sn为采集控制序号，每完成1次采集则加1，sn相同则为同一次采集的结果，所述sn取值为0到65535。

优选的，所述步骤(2)中，所述采集终端根据信号覆盖情况进行选择接收GPS信号或BD北斗信号后，输出所述PPS脉冲信号。

优选的，所述步骤(3)中，所述“AD-START”+“sn”指令为所述采集控制主站计算机接收到所述“GPS/BD-READY”状态指令后，以无线广播的形式发送给各个所述采集终端的指令。

优选的，所述步骤(4)中，所述PPS脉冲信号由“0”变为“1”时，采集终端由石英晶振时钟驱动，所述石英晶振时钟的采样时刻的绝对误差小于2us,即1/fo<2us,fo为石英晶振时钟频率，所述采样率fs≤fo。

优选的，所述步骤(5)中，所述设定的采样长度小于0.5s。

优选的，一种无线同步数据采集的控制系统，所述系统包括：至少两个采集终端和一个采集控制主站计算机，所述采集终端用于完成数据AD变换、数据处理和通信管理；所述采集控制主站计算机用于对所述采集终端的控制和对采集同步过程的自动控制。

优选的，所述采集终端包括：

CPU及存储模块，用于完成对采集终端的控制、模数转换的控制、数据的采集与处理，接收和执行控制计算机通过无线通信发送过来的指令；

AD模数转换模块：用于完成模数转换功能；采用Σ-Δ型AD转换器件，其转换过程完全由石英晶振时钟驱动；

GPS/BD双接收硬件模块：用于根据信号覆盖情况进行选择接收GPS信号或BD北斗信号，其输出的PPS脉冲信号作为硬件控制信号，控制所述AD模数转换模块的采集时刻同步启动；

CPLD可编程模块：用于存储有用于同步采集控制的逻辑电路设计；

无线通信模块：用于接收和发送无线通信指令、数据；

电池模块：为整个采集终端供电，使采集终端在无任何外接电源的情况下，可以独立工作；

石英晶振时钟：为所述AD模数转换模块提供工作时钟。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用无线技术，实现在较大地理区域范围内，对分布距离较远的电网设备的相关电压或电流等实时波形数据同步采集的要求，采集终端之间无直接的电气连接；通过软硬件的协同配合，使得采样的时间误差<2us,满足特殊测量中对不同采集通道时间误差的要求，应用于高压设备的绝缘性能的带电测试中，提高测量的准确性、便捷性和快速性。

附图说明

图1是本发明提供的一种无线同步数据采集的控制方法的流程图

图2是本发明提供的一种无线同步数据采集终端的结构图

图3是本发明提供的一种无线同步数据采集的控制系统示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图3所示，一种无线同步数据采集的控制系统，整个系统包括至少2个以上采集终端，每个终端可采集至少1个通道的电压、电流的波形数据，具有独立电池供电，无线通信天线、GPS/BD双模块天线。采集终端具有CPU、AD等硬件，可以独立完成数据AD变换、数据处理、通信管理等功能。

便携式的采集控制主站计算机：在整个测量地理区域内，仅有1台，用于通过无线通信，实现对采集终端的控制，实现对采集同步过程的自动控制，数据的收集处理与应用。由操作人员进行操作。

另外，该套系统需要GPS/BD卫星信号的覆盖，才能成功的完成整个采集过程。

如图2所示，采集终端包括以下部分：

CPU及存储模块、AD模数转换模块、GPS/BD双接收硬件模块、CPLD可编程模块、无线通信模块、电池模块，石英晶振时钟模块几部分组成。

CPU及存储模块：用于完成对采集终端的控制、模数转换的控制、数据的采集与处理，接收和执行控制计算机通过无线通信发送过来的指令。

AD模数转换模块：用于完成模数转换功能；采用Σ-Δ型AD转换器件，其转换过程完全由其时钟驱动，因此要求1/fo<<2us。

GPS/BD双接收硬件模块：用于接收GPS信号或BD北斗信号，根据信号覆盖情况进行选择，其输出的PPS脉冲作为硬件控制信号，用于控制AD模块的采集时刻同步启动。

CPLD可编程模块：存储有用于同步采集控制的逻辑电路设计。

无线通信模块：用于接收、发送无线通信指令、数据。

电池模块：为整个采集终端供电，使采集终端在无任何外接电源的情况下，可以独立工作。

石英晶振时钟：为模数转换器件提供工作时钟。

一种无线同步数据采集的控制方法，该方法主要用于分布式介损的测量，测量时需要至少同时启动2路以上的信号，以相同的采样率fs波形采样，其要求两路测量启动的时间、及对应的每个采样点的采样时刻的绝对误差<2us。如果两路信号的采样是在同一块电路板，或由同一个AD执行，或两路采样板距离很近，有直接连接的硬件同步信号和时钟，该误差要求是很容易实现的。但是在两个完全独立的，没有直接电气连接的采样终端上，是很难实现的。如果采用无线通信(包括2.4GHz的Zigbee，WIFI)的方式，以下发命令的方式同时启动2路终端的采集，由于软件处理时间的不确定性，无线传输过程的不确定性，其启动时间误差也达不到要求。

因此，本发明采用了GPS/BD的PPS脉冲，作为每个采样终端的硬启动的同步信号，由于GPS/BD的PPS脉冲在模块锁定卫星后，其每个模块发出的PPS脉冲边沿的时刻绝对误差t0<1us(与地理位置无关)，可以保证启动采用的时刻要求满足误差要求。后续每个采样点的采样时刻误差，由各个采样终端的内部时钟保证。一般都采用石英晶振，其频率fo的精度是容易达到的，但要求1/fo<1us，使得2通道间的采样时刻误差最大为±1/fo。一般fo≥fs。

AD模数变换的数据输出时序完全由其石英晶振驱动，因此其采样点时刻的误差取决于石英晶振的稳定度和启动时刻的误差。本发明中采用流水线架构的Σ-Δ型AD转换器件。

为了达到要求的时间误差，除了硬件以外，还需要无线通信和软件顺序上的控制，才能到达相关性能要求。

如图1所示，具体步骤如下：

步骤1、两个以上的采集终端和一采集控制主站计算机进行初始化；

由各个采集终端自由运行，完成初始化，自行控制启动AD模数转换模块采集，档位调节的工作。采集控制主站计算机如果是第一次准备启动采集，则通过无线通信模块，向各个采集终端下发初始化命令，使所有采集终端及采集控制主站计算机的sn＝0。

步骤2、所述采集终端检测到PPS脉冲信号下降沿发出，通过无线通信向所述采集控制主站计算机发送“GPS/BD-READY”状态指令；

采集终端的CPU及存储模块通过通信接口查询GPS/BD双硬件模块的卫星锁定状态，如果检测到GPS/BD双接收硬件模块已经锁定卫星，具备测量条件并且能够启动测量时，检测GPS/BD双接收硬件模块的PPS脉冲信号的下降沿是否发出；当CPU检测到GPS/BD双接收硬件模块的PPS脉冲信号下降沿发出，则通过无线通信模块向采集控制主站计算机发送“GPS/BD-READY”状态指令。

步骤3、所述采集终端接收到“AD-START”+“sn”指令后，由PPS脉冲信号作为硬件控制信号；

采集控制计算机收到任一采集终端发送的“GPS/BD-READY”状态指令，则立即向所有采集终端以无线广播的方式发送“AD-START”+“sn”指令，(sn＝0～65525)；采集终端收到指令后，将AD模数转换模块的控制权切换为PPS脉冲信号控制；该过程不超过0.5s完成，此时PPS脉冲信号为“0”，因此并未实际启动AD模数转换模块的采集。

步骤4、当PPS脉冲信号由“0”变为“1”时，以采样率fs进行模数变换，接收顺序的波形采样数据；

等待PPS脉冲信号变化。当PPS脉冲信号由“0”变为“1”时，由CPLD可编程模块控制石英晶振时钟模块的输出加到AD模数转换模块，AD模数转换模块开始按照时序工作，以采样率fs进行模数变换，CPU接收顺序的波形采样数据。(fs为AD模数转换模块的采样速率)。

步骤5、按照预先设定的采样长度接收完所述采样数据后，所述采集控制主站计算机向各个采集终端通过无线通信查询、读取数据。

CPU向CPLD可编程模块写入指令，停止AD模数转换模块的数据采集，切换为CPU主动控制，并进行数据处理，等待采集控制主站计算机读取数据结果。采集控制主站计算机向各个采集终端通过无线通信查询、读取数据，并检测读取的各个采集终端的sn与采样控制计算机的sn是否相等，相等则为有效数据；使sn＝sn+1。准备下一轮采集。(sn(0-65535)为采集控制序号，每完成1次采集则加1，sn相同则为同一次采集的结果)。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种无线同步数据采集的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)两个以上的采集终端和一个采集控制主站计算机进行初始化；

(2)所述采集终端检测到PPS脉冲信号下降沿发出，通过无线通信向所述采集控制主站计算机发送“GPS/BD-READY”状态指令；

(3)所述采集终端接收到“AD-START”+“sn”指令后，由PPS脉冲信号作为硬件控制信号；

(4)当PPS脉冲信号由“0”变为“1”时，以采样率fs进行模数变换，接收顺序的波形采样数据；

(5)按照预先设定的采样长度接收完所述采样数据后,所述采集控制主站计算机向各个采集终端通过无线通信查询、读取数据。

2.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述采集控制主站计算机若为第一次准备启动采集，则通过无线通信向各个所述采集终端下发初始化命令，使所有所述采集终端及所述采集控制主站计算机的sn＝0，所述sn为采集控制序号，每完成1次采集则加1，sn相同则为同一次采集的结果，所述sn取值为0到65535。

3.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述采集终端根据信号覆盖情况进行选择接收GPS信号或BD北斗信号后，输出所述PPS脉冲信号。

4.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述“AD-START”+“sn”指令为所述采集控制主站计算机接收到所述“GPS/BD-READY”状态指令后，以无线广播的形式发送给各个所述采集终端的指令。

5.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述PPS脉冲信号由“0”变为“1”时，采集终端由石英晶振时钟驱动，所述石英晶振时钟的采样时刻的绝对误差小于2us,即1/fo<2us,fo为石英晶振时钟频率，所述采样率fs≤fo。

6.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述设定的采样长度小于0.5s。

7.一种无线同步数据采集的控制系统，其特征在于，所述系统包括：至少两个采集终端和一个采集控制主站计算机，所述采集终端用于完成数据AD变换、数据处理和通信管理；所述采集控制主站计算机用于对所述采集终端的控制和对采集同步过程的自动控制。

8.根据权利要求7所述控制系统，其特征在于，所述采集终端包括：

CPU及存储模块，用于完成对采集终端的控制、模数转换的控制、数据的采集与处理，接收和执行控制计算机通过无线通信发送过来的指令；

AD模数转换模块：用于完成模数转换功能；采用Σ-Δ型AD转换器件，其转换过程完全由石英晶振时钟驱动；

GPS/BD双接收硬件模块：用于根据信号覆盖情况进行选择接收GPS信号或BD北斗信号，其输出的PPS脉冲信号作为硬件控制信号，控制所述AD模数转换模块的采集时刻同步启动；

CPLD可编程模块：用于存储有用于同步采集控制的逻辑电路设计；

无线通信模块：用于接收和发送无线通信指令、数据；

电池模块：为整个采集终端供电，使采集终端在无任何外接电源的情况下，可以独立工作；

石英晶振时钟：为所述AD模数转换模块提供工作时钟。