CN105807126A - 基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端及方法，包括设置在三相线路上的电流采样终端、连接在三相线路上的电压互感器及数据接收器，电压互感器与数据接收器相连接，电流采样终端通过无线信号与数据接收器相连接；包括以下具体步骤：对数据接收器和电流采样终端进行握手通讯；对数据接收器和电流采样终端进行时钟同步；电流采样终端进行相电流采样处理，并上传至数据接收器；数据接收器接收电流采样终端所采集的电流数据并进行是否存在过流或短路故障的判断，根据判断结果进行相应处理；能够低成本完成架空线路的零序电流高速采样，为配网自动化系统提供最准确的接地电流信号，小电流接地系统发生单相接地的时候能快速故障定位。

Description

基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端及方法

技术领域

本发明涉及电力系统智能化技术领域，具体的说，是基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端及方法。

背景技术

出于成本原因及维护工作量的缘故，世界上大部分国家的配电网络都采用小电流接地系统。即：中心变电站的变压器中性点不接地或者通过消弧线圈接地。当发生线路单相接地的时候，接地电流非常小，不会造成设备由于大电流流过而损坏；发生单相接地的时候配网依然可以带病坚持工作2~24小时。

单相接地时，由于故障电流小，使得故障选线较困难，常规变电所是靠绝缘监视装置发出信号，告知运行人员，然后由运行人员通过接在电压互感器二次相电压中表的量值来判断故障点。由于绝缘监视装置只能判断某一电压等级系统有无接地，而不能指出故障点所在的线路，所以为了找出故障点，必须依次短时断开各条线路开关，确认是非故障线路后再恢复供电，这样，将严重影响供电的可靠性。目前配网是按顺序来试拉的，重要的负荷后拉，不重要的负荷先拉，因此有时故障消除的时间就比较长，在这个过程中，可能会引发弧光接地过电压或短路等后果，影响整个装置的安全生产。

随着城市的快速发展，大、中城市的配网线路的架空线路逐步被电缆线路取代，电缆对接地电流是非常容易取样的。因为：

3I₀=I_A+I_B+I_C；

只要将三相电缆同时穿过一个零序互感器，零序互感器二次侧即可获取零序电流，只要判断零序电路大小即可判断出单相接地故障。

目前我国大部分城市配网还有30%~40%的架空配网线路，县城及农村电网80%~100%是架空线路，架空线路没有绝缘材料填充到线路的三相导体中间，所以每相导线之间以及导线和大地之间均有绝缘距离要求，一般不小11cm。这样架空线路就无法通过零序互感器而获得零序电流，这也造成架空线路配网自动化很难准确判断接地故障。

目前国内也有部分厂家在架空线路断路器上加装零序互感器的方式来采集零序电流，这样的方法和电缆测试零序电流非常类似。

由于架空线没有绝缘材料保护很难通过三相电流相加的方式获取零序电流，造成配网的接地故障取样无法准确获取，当发生接地故障的时候只有通过人工拉合开关核实故障区域，即费时又影响供电可靠率。

通过架空线柱上开关（断路器）加装零序互感器的方式，虽然能准确获取零序电流，但由于造价高、安装困难，无法大面积推广，依然无法有效解决零序电流取样问题。

配网架空线路由于绝缘距离、安装方式、成本等因素限制，无法准确获取线路中的零序电流，造成发生单相接地的时候无法快速故障定位。

发明内容

本发明的目的在于设计出基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端及方法，架构一种架空配电线路零序电流采集终端能够低成本完成架空线路（架空配电线路）的零序电流高速采样，为配网自动化系统提供最准确的接地电流信号，使得小电流接地系统发生单相接地的时候能快速故障定位；并设计出采用时钟同步技术进行架空配电线路零序电流采集的方法，用于实现架空配电线路的零序电流的采集。

本发明通过下述技术方案实现：基于时钟同步技术的架空配电线路零序电流采集终端，包括设置在三相线路上的电流采样终端、连接在三相线路上的电压互感器及数据接收器，所述电压互感器与数据接收器相连接，所述电流采样终端通过无线信号与数据接收器相连接。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置方式：所述电流采样终端内设置有取能CT、电能获取模块、MCU处理器、测量CT、A/D转换电路、指示器无线通讯模块，所述MCU处理器分别与电能获取模块、A/D转换电路及指示器无线通讯模块相连接，所述取能CT连接电能获取模块，所述测量CT连接A/D转换电路；所述电能获取模块内设置有整流滤波模块、过压保护模块、电压处理模块、储能模块、升压模块、升压降压转换器，所述取能CT连接整流滤波模块，所述整流滤波模块连接过压保护模块，所述过压保护模块连接电压处理模块，所述电压处理模块连接储能模块，所述储能模块分别连接升压模块和升压降压转换器，所述升压模块连接A/D转换电路，所述升压降压转换器分别与MCU处理器、A/D转换电路及指示器无线通讯模块相连接。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置方式：所述A/D转换电路内设置有取样比较电路、常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块，所述测量CT连接取样比较电路，所述取样比较电路分别连接常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块，所述常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块皆与MCU处理器相连接，所述升压降压转换器的输出端与取样比较电路相连接，所述升压模块的输出端分别与常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块相连接。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置方式：所述数据接收器内设置有嵌入式处理器、GPRS模块、GPS模块、存储器电路及采集ZigBee模块，所述嵌入式处理器分别与GPRS模块、电压互感器的电压采样前端处理电路、存储器电路、GPS模块及采集ZigBee模块相连接，所述采集ZigBee模块通过无线信号与电流采样终端相连接，所述电压采样前端处理电路的输入端与相线相连接。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置方式：所述数据接收器内还设置有外围电路，所述外围电路内设置有分别与嵌入式处理器相连接的通信接口电路、JTAG下载口、指示灯、按键模块、看门狗电路及调试接口。

基于时钟同步技术的架空配电线路零序电流采集方法，包括以下具体步骤：

1）对数据接收器和电流采样终端进行握手通讯；

2）对数据接收器和电流采样终端进行时钟同步；

3）电流采样终端进行相电流采样处理，并上传至数据接收器；

4）数据接收器接收电流采样终端所采集的电流数据并进行是否存在过流或短路故障的判断，根据判断结果进行相应处理。

进一步的为更好的实现本发明所述基于时钟同步技术的架空配电线路零序电流采集方法，特别采用下述设置方式：所述步骤1）包括以下具体步骤：

1-1）数据接收器通过电压互感器供电，启动工作；

1-2）数据接收器启动GPS模块，获取时钟信号；

1-3）启动采集ZigBee模块，发送握手信号，等待电流采样终端内指示器无线通讯模块回复的信息；

1-4）配置电流采样终端，将取能CT进行取能参数配置，测量CT进行测量参数配置；

1-5）取能CT配合电能获取模块形成3.3V和6.6V工作电压，分别为取样比较电路提供3.3V基准比较电压，MCU处理器及指示器无线通讯模块提供3.3V工作电压，常规电流检测放大模块和大电流检测放大模块提供6.6V工作电压；

1-6）MCU处理器启动指示器无线通讯模块实现与采集ZigBee模块通讯握手。

进一步的为更好的实现本发明所述基于时钟同步技术的架空配电线路零序电流采集方法，特别采用下述设置方式：所述步骤2）包括以下具体步骤：

2-1）数据接收器接收到电流采样终端内指示器无线通讯模块回复的信息，确认通讯连接成功；

2-2）数据接收器发送时钟数据至电流采样终端内指示器无线通讯模块；

2-3）电流采样终端确认通讯信道正常后，接收数据接收器传送的时钟数据；

2-4）经步骤2-3）后，电流采样终端根据此时钟数据，调整自身时钟，确保和GPS模块的时钟一致。

进一步的为更好的实现本发明所述基于时钟同步技术的架空配电线路零序电流采集方法，特别采用下述设置方式：所述步骤3）包括以下具体步骤：

3-1）测量CT进行线路电流采样，并进行数据压缩和存储；

3-2）每隔4个周波，电流采样终端通过指示器无线通讯模块向数据接收器（5）发送采集数据；所述采集数据采用二维格式，含线路电流值和采集时刻；所述周波的周期为80ms；

3-3）每隔4个周波数据接收器等待电流采样终端发送的采集数据；所述周波的周期为80ms。

进一步的为更好的实现本发明所述基于时钟同步技术的架空配电线路零序电流采集方法，特别采用下述设置方式：所述步骤4）包括以下具体步骤：

4-1）数据接收器获取到电流采样终端所采集的电流数据后，进行平均值计算，然后和短路、过流设定值进行对比分析，进行速断值或过流值判断，确定是否发生过流及短路故障；

4-2）经步骤4-1）后，若发生有短路或过流故障，数据接收器通过GPRS或串口发出故障信息；当发生短路或过流故障时，数据接收器（5）启动灯光报警并通过GPRS或者串口向后台管理平台发送故障信息，其故障信息包括故障类型、故障发生时刻；

4-3）经步骤4-1）后，若没有发生短路或过流故障，数据接收器判断是否成功接收到三个电流采样终端所传输的电流数据，若都成功接收则通过嵌入式处理器进行数据过滤及相关数学运算，所述相关数学运算包括零序电流合成、零序电流相角计算、零序电流变化率、零序电流幅值判断运算；

4-4）经步骤4-3）后，若零序电流幅值超过设定值或者零序电流变化率超过设定值，数据接收器通过GPRS或串口发出故障信息；当零序电流幅值超过设定值或者零序电流变化率超过设定值时，启动接地故障灯光提示，并可通过GPRS或者串口向后台管理平台发送故障信息；所述故障信息包括故障类型、故障发生时刻。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明架构一种架空配电线路零序电流采集终端能够低成本完成架空线路（架空配电线路）的零序电流高速采样，为配网自动化系统提供最准确的接地电流信号，使得小电流接地系统发生单相接地的时候能快速故障定位；并设计出采用时钟同步技术进行架空配电线路零序电流采集的方法，用于实现架空配电线路的零序电流的采集。

（2）本发明所述电流采样终端不需要额外能源供电，具有安装方便，信号可靠稳定的特点。

（3）本发明应用低成本的时钟同步技术进行电流采样终端和数据接收器的时钟同步；并且在全配网线路中，所有的数据接收器的时钟同步；利用指示器无线通讯模块和采集ZigBee模块完成数据接收器和电流采样终端的时钟同步功能。

（4）本发明利用电压互感器获取能量，数据接收器来完成三相电流的矢量运算，以三相电流矢量值为原始数据，通过算法计算出零序电流波形、零序电流占空比、零序电流单位时间变化率等值。

（5）本发明采用ZiGbee通讯模式完成数据接收器和线路故障指示器（电流采样终端）的数据交互与通讯。

（6）本发明可以低成本的采集架空线路零序电路。

（7）本发明能够低成本实现架空线的零序电流采样，其成本是柱上断路器采集零序电流成本的20%，使得农村配网自动化成为可能，有着重大经济意义和推广价值。

（8）本发明可提高零序电流测量精度，通过一次电流采样后计算得到零序电流，可以实现微弱零序电流的采样，根据实验本发明所述采集终端采集的最小零序电流可以达到30mA。

（9）本发明按照每个周波64-1024次高速采样，并进行数据处理和保存，可以轻松实现零序电流暂态波形的采集、录制工作，相关数据均在数据接收器当中，若后台软件需要暂态分析，就可以实时召测零序暂态波形至后台软件，后台软件依据时钟数据，电流值等准确分析出接地故障发生的区域。

（10）本发明所述数据接收器可以完成配网的三相电流采集、零序电路采集、相电压的采集以及短路、过流故障的分析、判断，进而完成配网架空线路的实时状态采集工作，若后台软件需要数据，通过GPRS或者通讯串口即可召测至后台侧，进行高级应用分析。

附图说明

图1为正序、负序、零序向量图。

图2为本发明所述架空配电线路零序电流采集终端结构图。

图3为本发明所述电流采样终端逻辑架构图。

图4为本发明所述电能获取模块电路原理框图。

图5为本发明所述A/D转换电路原理框图。

图6为本发明所述数据接收器逻辑架构图。

图7为本发明所述的大电流检测放大模块实际电路图。

图8本发明所述电流采样终端工作流程图。

图9为本发明所述数据接收器工作流程图。

图10为零序电流计算流程图。

其中，1-A相电流采样终端，2-B相电流采样终端，3-C相电流采样终端，4-电压互感器，5-电流采样终端。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

架空线路要获取零序电流依然可以采用三相电流矢量和的方式获取，需要三相导线上的传感器按照统一的时间进行采集，并实时将采集的值以及采集时间传送到数据接收器上。数据接收器根据同一采集时间将三相电流进行矢量运算，即可获得零序电流值。

零序电流是一个计算概念，基于相量分析的数学理论。对称分量法是分析不对称故障的常用方法，根据对称分量法，在三相电路中，任意一组不对称的三相相量（如电流）都可以分解为正序、负序、零序三组相量（如图1所示）：图中，（a）为一组3个对称的正序分量（分量即分解后的相量）；（b）为一组3个对称的负序分量；（c）为一组3个大小相等、相位相同的零序分量。所谓正序分量是指3个相量的相位顺序满足右手坐标系法则顺序的分量；所谓负序分量是指3个相量的相位顺序满足左手坐标系顺序的分量；所谓零序分量是3个相量的相位角相同，不存在相位旋转顺序关系的相量。相量作为研究物理现象的重要手段，其运算规则依据物理现象规则做了相当多的修正和认定，相量运算规则又称相量运算定则，相量运算规则都是人为确立的规则。

在图1中，I是同平面内任意的一组三相电流相量，三个相量的和的平均值为：(+)/3，将Ia/3、Ib/3、Ic/3相量，分别按120°旋转得三组对称相量：

（a1+a0+a2）/3＝0；

（b1+b0+b2）/3＝0；

（c1+c0+c2）/3＝0；

将（a1+a0+a2）/3、（b1+b0+b2）/3、（c1+c0+c2）/3相量，分别按-120°旋转得三组对称相量。

根据矢量运算法则若获取到三相电流、三相电流采集的时间即可通过以下计算出零序电流。

I₀=Ia+Ib*（cos(120+φ)+jsin(120+φ)）)+Ic*（cos(240+φ)+jsin(240+φ)）。

实施例1：

本发明提出了基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端，结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，包括设置在三相线路上的电流采样终端、连接在三相线路上的电压互感器4及数据接收器5，所述电压互感器4与数据接收器5相连接，所述电流采样终端通过无线信号与数据接收器5相连接；所述数据接收器5通过通信网络与后台连接。

所述电流采样终端包括A相电流采样终端1、B相电流采样终端2和C相电流采样终端3，3个电流采样终端皆具备两套电流采样电路，一套用于正常电流期间的测量采样；另一套用于大电流数据采样，主要防止短路瞬间出现的大电流烧毁正常的测量回路。在实际设计应用时，电流采样终端二次侧上串有一个1欧姆的电阻，当大电流发生的时候测量电阻值上的电压升高，驱动场效应管导通，同时通过倍压直流电路，提升电压确保运放芯片可靠工作，此时两个运放芯片分别放大上半波和下半波，正常电流时电阻上的电压不足以驱动场效应管，电流走普通运放电路，不和大电流运放回路一致。

所述电流采样终端接收数据接收器5发送的时钟同步信号，根据此时钟数据调整本身的时钟；定时采集线路中的电流值；定时和数据接收器5进行通讯将采集的电流值及采集时刻同步发送给数据接收器5。

所述数据接收器5，接收GPS模块提供的时钟信号；通过采集Zigbee模块和电流采样终端（电流传感器）进行通讯，将时钟信号发送给电流采样终端（电流传感器）；通过采集Zigbee模块接收电流采样终端（电流传感器）采集的电流值和采集时刻；利用嵌入式处理器（DSP芯片），结合矢量法计算零序电流波形，并存储在本机；并可根据后台软件的设定值，进行故障判断，是否发生短路、接地等故障判断，若发生故障，主动向后台传送数据；通过GPRS模块和后台主站系统进行通讯，若后台召测数据，将采集数据及计算后的数据同步传送至后台软件，进行高级分析与应用；利用电压互感器（PT）4二次线圈提供的电压进行电源管理及储备；完成蓄电池的能量管理，做到电池不过充、欠充、定时深充放、过负荷保护；监测PT的电压，根据后台软件需要，将监测数据传送至后台；

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，特别采用下述设置方式：所述电流采样终端内设置有取能CT、电能获取模块、MCU处理器、测量CT、A/D转换电路、指示器无线通讯模块，所述MCU处理器分别与电能获取模块、A/D转换电路及指示器无线通讯模块相连接，所述取能CT连接电能获取模块，所述测量CT连接A/D转换电路；所述电能获取模块内设置有整流滤波模块、过压保护模块、电压处理模块、储能模块、升压模块、升压降压转换器，所述取能CT连接整流滤波模块，所述整流滤波模块连接过压保护模块，所述过压保护模块连接电压处理模块，所述电压处理模块连接储能模块，所述储能模块分别连接升压模块和升压降压转换器，所述升压模块连接A/D转换电路，所述升压降压转换器分别与MCU处理器、A/D转换电路及指示器无线通讯模块相连接。

所述取能CT连接在相线上进行取能，并利用取能CT上的CT1_1和CT1_2脚接入到整流滤波模块内进行整流和滤波操作，而后通过过压保护模块得到小于43V的直流电压并传输至电压处理模块内进行电压处理，优选的电压处理模块内的芯片U2采用LM2576芯片，所述电压处理模块将输出5.4V直流电压至蓄能模块内进行蓄能，蓄能模块蓄能输出DC2.7~5.4V分别至升压模块和升压降压转换器内，在升压模块内经过升压后输出DC6.6V，而在升压降压转换器内将经过升压或降压，最终输出DC3.3V，DC6.6V将接入A/D转换电路，而DC3.3V将接入MCU处理器、A/D转换电路及指示器无线通讯模块。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，特别采用下述设置方式：所述A/D转换电路内设置有取样比较电路、常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块，所述测量CT连接取样比较电路，所述取样比较电路分别连接常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块，所述常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块皆与MCU处理器相连接，所述升压降压转换器的输出端与取样比较电路相连接，所述升压模块的输出端分别与常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块相连接。

所述大电流检测放大模块主要作用是在线路发生短路故障的时候，由大电流检测模块进行工作，同时为了保护电路安全，将采样电路中的大电流进行泄流，确保后面的电路不会因为大电流的产生而烧毁。

电流通过L1、L2输入后，经过采样电阻R9，会在采样电阻R9上产生一个电压，电流小的时候，采样电阻R9上的电压很小，Q2不导通，R6下端为高电平，此时MCU处理器（CPU）的I/O口检测，确定为正常电流，MCU处理器（CPU）采集常规电流检测放大模块的电压。

若发生短路故障后，采样电阻R9电压迅速升高，造成Q2导通，R6的下端变成低电平，MCU处理器（CPU）检测到大电流产生。MCU处理器（CPU）此时选择大电流检测放大模块的电压。大电流产生的时候为了保护后续电路，此时应当泄流。R2平常电压较低，当大电流出现的时候，R2电压足够高以触发CMOS管Q1导通，导通后大电流结果CMOS管Q1短路，不会对后面的电路造成危害。

本发明电流采样终端（电流传感器）将一般电流采样和短路采样电路进行分离。一般的电流采样电路核心是测量的精度要高，避免测量误差给后面的事故分析运算带来不可避免的误差。而短路采样电路不但要完成测量功能，还要避免大电流对传感器的损坏。如图7所示，电阻R9用于短路故障时大电流的取样，当大电流出现后R9上的电压升高促使Q1导通，R1电阻下侧低电位，触发MCU处理器中断，同时R9的电压也促使Q2导通，将大电流泄流，避免电路其他元件损坏。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，特别采用下述设置方式：所述数据接收器5内设置有嵌入式处理器、GPRS模块、GPS模块、存储器电路及采集ZigBee模块，所述嵌入式处理器分别与GPRS模块、电压互感器4的电压采样前端处理电路、存储器电路、GPS模块及采集ZigBee模块相连接，所述采集ZigBee模块通过无线信号与电流采样终端相连接，所述电压采样前端处理电路的输入端与相线相连接。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，特别采用下述设置方式：所述数据接收器5内还设置有外围电路，所述外围电路内设置有分别与嵌入式处理器相连接的通信接口电路、JTAG下载口、指示灯、按键模块、看门狗电路及调试接口。

实施例6：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，基于时钟同步技术的架空配电线路零序电流采集方法，结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，利用时钟同步技术将电流采样终端和数据接收器5的时钟同步，并同时采集三相电流值，利用矢量算法计算零序电流，包括以下具体步骤：

1）对数据接收器5和电流采样终端进行握手通讯；

2）对数据接收器5和电流采样终端进行时钟同步；

3）电流采样终端进行相电流采样处理，并上传至数据接收器5；

4）数据接收器5接收电流采样终端所采集的电流数据并进行是否存在过流或短路故障的判断，根据判断结果进行相应处理。

实施例7：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明所述基于时钟同步技术的架空配电线路零序电流采集方法，结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，特别采用下述设置方式：所述步骤1）包括以下具体步骤：

1-1）数据接收器5通过电压互感器供电，启动工作；

1-2）数据接收器5启动GPS模块，获取时钟信号，时钟信号的时钟格式为：XXXXXXXX：XXXXXXXX，且精度为微秒；

1-3）启动采集ZigBee模块，发送握手信号，等待电流采样终端内指示器无线通讯模块回复的信息；

1-4）配置电流采样终端，将取能CT进行取能参数配置，测量CT进行测量参数配置；将电流采样终端的一个磁芯线圈用于取能为电流采样终端供电，另外一个磁芯线圈用于测量相线的电流；

1-5）取能CT配合电能获取模块形成3.3V和6.6V工作电压，分别为取样比较电路提供3.3V基准比较电压，MCU处理器及指示器无线通讯模块提供3.3V工作电压，常规电流检测放大模块和大电流检测放大模块提供6.6V工作电压；

1-6）MCU处理器启动指示器无线通讯模块实现与采集ZigBee模块通讯握手。

实施例8：

本实施例是在实施例6或7的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明所述基于时钟同步技术的架空配电线路零序电流采集方法，结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，特别采用下述设置方式：所述步骤2）包括以下具体步骤：

2-1）数据接收器5接收到电流采样终端内指示器无线通讯模块回复的信息，确认通讯连接成功；

2-2）数据接收器5发送时钟数据至电流采样终端内指示器无线通讯模块；

2-3）电流采样终端确认通讯信道正常后，接收数据接收器5传送的时钟数据；

2-4）经步骤2-3）后，电流采样终端根据此时钟数据，调整自身时钟，确保和GPS模块的时钟一致。

实施例9：

本实施例是在实施例6或7或8的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明所述基于时钟同步技术的架空配电线路零序电流采集方法，结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，特别采用下述设置方式：所述步骤3）包括以下具体步骤：

3-1）测量CT进行线路电流采样，并进行数据压缩和存储；

3-2）每隔4个周波，电流采样终端通过指示器无线通讯模块向数据接收器5发送采集数据；所述采集数据采用二维格式，含线路电流值和采集时刻；所述周波的周期为80ms；

3-3）每隔4个周波数据接收器5等待电流采样终端发送的采集数据；所述周波的周期为80ms。

实施例10：

本实施例是在实施例6或7或8或9的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明所述基于时钟同步技术的架空配电线路零序电流采集方法，结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，特别采用下述设置方式：所述步骤4）包括以下具体步骤：

4-1）数据接收器5获取到电流采样终端所采集的电流数据后，进行平均值计算，然后和短路、过流设定值进行对比分析，进行速断值或过流值判断，确定是否发生过流及短路故障；

4-2）经步骤4-1）后，若发生有短路或过流故障，数据接收器5通过GPRS或串口发出故障信息；当出现短路或过流故障时，数据接收器5启动灯光报警并通过GPRS或者串口向后台管理平台发送故障信息，其故障信息包括故障类型、故障发生时刻；

4-3）经步骤4-1）后，若没有发生短路或过流故障，数据接收器（5）判断是否成功接收到三个电流采样终端所传输的电流数据，若都成功接收则通过嵌入式处理器进行数据过滤及相关数学运算，所述相关数学运算包括零序电流合成、零序电流相角计算、零序电流变化率、零序电流幅值判断运算；

4-4）经步骤4-3）后，若零序电流幅值超过设定值或者零序电流变化率超过设定值，数据接收器5通过GPRS或串口发出故障信息；当出现零序电流幅值超过设定值或者零序电流变化率超过设定值时，启动接地故障灯光提示，并可通过GPRS或者串口向后台管理平台发送故障信息；所述故障信息包括故障类型、故障发生时刻。

还包括下述步骤：

4-5）当电流采样终端接收到数据接收器5主动召测命令后，将采集间隔调整为每个周波64个采集点，并进行数据传送。

线路当发生短路或者过流故障后，采用特殊的电路避免测量芯片损坏，即在电路中增加大电流泄流通道（图7中的泄流部分）。

实施例11：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，结合图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集方法，涵盖数据接收器处理流程及电流采样终端处理流程；

所述数据接收器处理流程包括以下步骤：

a1、自检；

a2、ZigBee通讯模块自检；

a3、获取GPS时钟信号，驱动GPS模块，获取GPS时钟信号，其GPS时钟信号的格式为：XXXXXXXX：XXXXXXXX，精度为微秒；

a4、和传感器进行通讯握手；

a4-1、启动采集ZigBee模块，发送握手信号，等待电流采样终端内指示器无线通讯模块回复的信息；

a4-2、配置电流采样终端，将取能CT进行取能参数配置，测量CT进行测量参数配置；即将电流采样终端的一个磁芯线圈用于取能为电流采样终端供电，另外一个磁芯线圈用于测量相线的电流；

a4-3、取能CT配合电能获取模块形成3.3V和6.6V工作电压，分别为取样比较电路提供3.3V基准比较电压，MCU处理器及指示器无线通讯模块提供3.3V工作电压，常规电流检测放大模块和大电流检测放大模块提供6.6V工作电压；

a4-4、MCU处理器启动指示器无线通讯模块实现与采集ZigBee模块通讯握手；

a5、握手是否成功？进行数据接收器5与电流采样终端通讯握手是否成功的判断，若成功（Y）执行步骤a6，若不成功（N）则执行步骤a4；

a6、将时钟信号传送给传感器；

a7、是否接收到传感器的采集数据？若未能（N）接收到传感器的采集数据则执行步骤a12，若接收到传感器的采集数据则执行步骤a8；

a8、是否三个传感器的数据都接收到？若三个传感器中有一个或多个都没有（N）接收到采集数据则返回执行步骤a7，若都接收到（Y）则执行步骤a9；

a9、计算零序电流值，包括以下步骤：

a9-1、零序电流计算触发条件；

a9-2、根据时间戳对齐A、B、C相电流数据；

a9-3、存在一相及以上数据缺失；若存在（Y），则执行步骤a9-8；若不存在（N），则执行步骤a9-4；

a9-4、ADC数据转换为电流值，相位调整；

a9-5、对齐的相电流逐点相加计算零序电流；

a9-6、对零序电流进行FFT计算；

a9-7、计算基波及各次谐波的幅值及相角；

a9-8、计算流程结束；

a10、是否超过速断值；若为是（Y），则执行步骤a16；若为不是（N），则执行步骤a11；

a11、是否超过过流值；若为是（Y），则执行步骤a16；若为不是（N），则执行步骤a12；

a12、采集PT电压，对电压互感器（1）进行电压采集并执行步骤a13；

a13、PT电压正常否，若为是（Y），则执行步骤a14；若为不是（N），则执行步骤a17；

a14、是否有后台召测请求？若为是（Y），则执行步骤a18；若为不是（N），则执行步骤a15；

a15、在显示屏显示数据，而后执行步骤a19；

a16、和后台软件握手，执行步骤a17；

a17、发送故障状态值及时刻，执行步骤a18；

a18、将零序电流、相电流、电压主动上报，并执行步骤a12；

a19、结束。

其中，步骤a1中的ZigBee通讯模块为采集ZigBee模块，传感器为电流采样终端。

所述电流采样终端处理流程包括以下步骤：

b1、自检；

b2、ZigBee通讯模块自检；

b3、和数据接收器通讯握手；

b4、握手是否成功？若不成功（N）则返回执行步骤b3；反之执行步骤b5；

b5、接收时钟数据；

b6、根据GPS数据重置时钟；

b7、采集线路电流；

b8、是否接收到接收器的召测命令？若有（Y），则执行步骤b9，若无（N），则执行步骤b10；其中，接收器为数据接收器5；

b9、传送电流及时间值；

b10、结束。

其中，步骤b2中的ZigBee通讯模块为指示器无线通讯模块。

本发明采用高速DSP运算算法：

传统的线路故障指示器由于受到功耗及成本限制，无法使用DSP芯片进行高速采样。本发明利用电压互感器获取能量，数据接收器来完成三相电流的矢量运算。DSP芯片（嵌入式处理器）支持傅里叶函数运算等高级运算与分析。另外随着电子技术的迅猛发展，原来高不可及的DSP芯片价格也越来越低，甚至一些核心芯片厂家，将DSP芯片和CPU芯片进行了集成。这样也使得低成本应用DSP成为可能。本发明以三相电流矢量值为原始数据，通过算法计算出零序电流波形、零序电流占空比、零序电流单位时间变化率等值。

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：

在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；

程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；

片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；

具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；

快速的中断处理和硬件I/O支持；

具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；

可以并行执行多个操作；

支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

本发明采用ZiGbee通讯模式完成数据接收器5和线路故障指示器（电流采集传感器/电流采样终端）的数据交互与通讯。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。

ZigBee通讯方式最大的优点就是功耗非常低。一个2000mAh的锂电池，可以支持ZigBee模块工作8~10年。

本发明在现有的Zigbee通讯协议框架下，完善通讯协议和通讯窗口期，避免通讯冲突造成时钟同步失败。利用ZigBee通讯模块（指示器无线通讯模块和采集ZigBee模块），快速完成分布在三相导线上的电流采样终端（电流传感器）的通讯，并实时更新自身的时钟，确保时钟一致性。电流采样终端（电流传感器）收到数据接收器5的命令后，进行快速响应，能够确保时钟信号误差小于微秒级别。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端，其特征在于：包括设置在三相线路上的电流采样终端、连接在三相线路上的电压互感器（4）及数据接收器（5），所述电压互感器（4）与数据接收器（5）相连接，所述电流采样终端通过无线信号与数据接收器（5）相连接。

2.根据权利要求1所述的基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端，其特征在于：所述电流采样终端内设置有取能CT、电能获取模块、MCU处理器、测量CT、A/D转换电路、指示器无线通讯模块，所述MCU处理器分别与电能获取模块、A/D转换电路及指示器无线通讯模块相连接，所述取能CT连接电能获取模块，所述测量CT连接A/D转换电路；所述电能获取模块内设置有整流滤波模块、过压保护模块、电压处理模块、储能模块、升压模块、升压降压转换器，所述取能CT连接整流滤波模块，所述整流滤波模块连接过压保护模块，所述过压保护模块连接电压处理模块，所述电压处理模块连接储能模块，所述储能模块分别连接升压模块和升压降压转换器，所述升压模块连接A/D转换电路，所述升压降压转换器分别与MCU处理器、A/D转换电路及指示器无线通讯模块相连接。

3.根据权利要求2所述的基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端，其特征在于：所述A/D转换电路内设置有取样比较电路、常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块，所述测量CT连接取样比较电路，所述取样比较电路分别连接常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块，所述常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块皆与MCU处理器相连接，所述升压降压转换器的输出端与取样比较电路相连接，所述升压模块的输出端分别与常规电流检测放大模块、大电流检测放大模块相连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端，其特征在于：所述数据接收器（5）内设置有嵌入式处理器、GPRS模块、GPS模块、存储器电路及采集ZigBee模块，所述嵌入式处理器分别与GPRS模块、电压互感器（4）的电压采样前端处理电路、存储器电路、GPS模块及采集ZigBee模块相连接，所述采集ZigBee模块通过无线信号与电流采样终端相连接，所述电压采样前端处理电路的输入端与相线相连接。

5.根据权利要求4所述的基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端，其特征在于：所述数据接收器（5）内还设置有外围电路，所述外围电路内设置有分别与嵌入式处理器相连接的通信接口电路、JTAG下载口、指示灯、按键模块、看门狗电路及调试接口。

6.应用权利要求1-5任一项所述的基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端进行基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集方法，其特征在于：包括以下具体步骤：

1）对数据接收器（5）和电流采样终端进行握手通讯；

2）对数据接收器（5）和电流采样终端进行时钟同步；

3）电流采样终端进行相电流采样处理，并上传至数据接收器（5）；

4）数据接收器（5）接收电流采样终端所采集的电流数据并进行是否存在过流或短路故障的判断，根据判断结果进行相应处理。

7.根据权利要求6所述的基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集方法，其特征在于：所述步骤1）包括以下具体步骤：

1-1）数据接收器（5）通过电压互感器供电，启动工作；

1-2）数据接收器（5）启动GPS模块，获取时钟信号；

1-3）启动采集ZigBee模块，发送握手信号，等待电流采样终端内指示器无线通讯模块回复的信息；

1-4）配置电流采样终端，将取能CT进行取能参数配置，测量CT进行测量参数配置；

1-5）取能CT配合电能获取模块形成3.3V和6.6V工作电压，分别为取样比较电路提供3.3V基准比较电压，MCU处理器及指示器无线通讯模块提供3.3V工作电压，常规电流检测放大模块和大电流检测放大模块提供6.6V工作电压；

1-6）MCU处理器启动指示器无线通讯模块实现与采集ZigBee模块通讯握手。

8.根据权利要求6所述的基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端，其特征在于：所述步骤2）包括以下具体步骤：

2-1）数据接收器（5）接收到电流采样终端内指示器无线通讯模块回复的信息，确认通讯连接成功；

2-2）数据接收器（5）发送时钟数据至电流采样终端内指示器无线通讯模块；

2-3）电流采样终端确认通讯信道正常后，接收数据接收器（5）传送的时钟数据；

2-4）经步骤2-3）后，电流采样终端根据此时钟数据，调整自身时钟，确保和GPS模块的时钟一致。

9.根据权利要求6所述的基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端，其特征在于：所述步骤3）包括以下具体步骤：

3-1）测量CT进行线路电流采样，并进行数据压缩和存储；

3-2）每隔4个周波，电流采样终端通过指示器无线通讯模块向数据接收器（5）发送采集数据；所述采集数据采用二维格式，含线路电流值和采集时刻；

3-3）每隔4个周波数据接收器（5）等待电流采样终端发送的采集数据。

10.根据权利要求6所述的基于时钟同步的架空配电线路零序电流采集终端，其特征在于：所述步骤4）包括以下具体步骤：

4-1）数据接收器（5）获取到电流采样终端所采集的电流数据后，进行平均值计算，然后和短路、过流设定值进行对比分析，进行速断值或过流值判断，确定是否发生过流及短路故障；

4-2）经步骤4-1）后，若发生有短路或过流故障，数据接收器（5）通过GPRS或串口发出故障信息；

4-3）经步骤4-1）后，若没有发生短路或过流故障，数据接收器（5）判断是否成功接收到三个电流采样终端所传输的电流数据，若都成功接收则通过嵌入式处理器进行数据过滤及相关数学运算，所述相关数学运算包括零序电流合成、零序电流相角计算、零序电流变化率、零序电流幅值判断运算；

4-4）经步骤4-3）后，若零序电流幅值超过设定值或者零序电流变化率超过设定值，数据接收器（5）通过GPRS或串口发出故障信息。