CN107134850A - 一种船舶电力系统故障录波主机 - Google Patents

Abstract

一种船舶电力系统故障录波主机，包括通信处理器、复杂可编程逻辑器、存储控制器、FLASH闪存、固态硬盘、可编程门阵列芯片、以太网收发器、光电耦合器、通用异步收发器FT232、DEBUG调试卡、一号千兆位以太网收发器及二号千兆位以太网收发器；采用拉格朗日一次插值重采样的方式实现录波数据的同步，摆脱了对外部时钟源的依赖；外形结构简单、尺寸小、重量轻，非常适合船舶狭小的舱室空间进行安装多路并行高速直采模式，提高了网络的实时传输能力，录波精度高。

Description

一种船舶电力系统故障录波主机

技术领域

本发明涉及一种录波主机，具体地说是一种船舶电力系统故障录波主机。

背景技术

故障录波主机是一种在国家电网中普遍使用的智能设备，当电力系统正常运行时，装置只进行数据的采集和实时监测，一旦系统出现短路或振荡等扰动时便会触发录波过程，完整记录下故障前后全过程的电压、电流等模拟量的变化情况和继电保护、断路器等开关量的动作情况，技术人员可以从保存的录波文件中获取想要的故障信息，不但可以实现电气故障的快速定位和准确判断，而且有利于发现继电保护和自动装置的缺陷，便于日后进一步改进和完善。如果将其纳入船舶电力监控系统之中，无疑会大大提高管理人员的工作效率，为船舶电力系统的安全稳定运行保驾护航。

目前，国内外的故障录波主机主要有以下几个特点：

(1)目前，国内外陆用故障录波主机普遍采用基于外部时钟的组网同步，该方式通常以GPS、BDS等卫星授时信号为基准时间源，通过时钟服务器向需要同步的智能设备发布秒脉冲，采集单元与录波主机在接收到对时信号后，校准内部的从时钟来实现同步采样。

虽然外部时钟同步法在国家电网得到了广泛应用，但并不适用于船舶故障录波主机。首先，船舶上安装的卫星系统通常是为导航定位服务，尚未发挥时间同步的功能，同时由于船体结构复杂，位于舱底的录波主机很难取得甲板上层的对时信号。其次，受海上恶劣气候条件和船舶复杂电力环境的影响，卫星授时信号有时会受到严重干扰甚至中断，一旦时钟源发生问题，将导致整个系统的时间信息发生紊乱。再次，时钟服务器的引入增加了系统的复杂程度，一旦其发生故障将导致整个同步网络瘫痪，并且对时设备需要配置额外的时钟输入接口，增加了装置的设计难度和硬件成本。最后，卫星授时系统关系到一个国家的战略安全，一味依赖美国的GPS信号并不可取，而国内的BDS尚不能覆盖全球，无法为远洋航行提供对时。

(2)陆用故障录波主机通常会在采集单元和录波主机之间添加一至多台交换机，这样做主要有三个原因：一是交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵，每个端口都可视为独立的网段，各自享有全部网络带宽，有利于通信容量的提高；二是陆用电网规模庞大，采样点可以达到几百个，需要的采集单元数量比较多，通过交换机向录波主机传输底层数据可减少录波主机的采集端口数量，简化结构设计；三是由于陆用故障录波主机采用的是外部时钟同步方式，采集单元与录波主机内部的从时钟与授时网络的主时钟保持严格同步，因此不必考虑由交换机引起的存储转发延时，采集单元上传的报文中即包含准确的同步采样时刻。

上述方式虽然有诸多好处，但应用到船舶故障录波当中却存在一定的问题。首先，在将拉格朗日一次插值算法引入到船舶故障录波主机之后，采集单元便省去了对时接口，因此其上传的报文中不包含采样时刻。录波主机的时间信息从集控台发送的NTP报文中获取，当其接收到各间隔上传的报文后会打上绝对时间戳，在此基础上减去采集单元到录波主机的额定时延即可还原真实的采样时刻。如果依然采用交换模式传输采样数据的话，受录波主机一侧带宽承载能力的限制，所有采集单元发送的数据在经过交换机时会有一个存储转发的过程，延时较大且不固定，使得在插值同步的过程中无法推算出准确的采样时刻。其次，一旦交换机发生故障，则与之相连的多台采集单元将无法正常传输数据至录波主机，导致某些电力监控点即使发生异常也无法启动故障录波等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前船舶电力监控系统缺乏适应船舶工作环境的故障录波主机的问题。

本发明采用的技术方案是：一种船舶电力系统故障录波主机，包括通信处理器、复杂可编程逻辑器、存储控制器、FLASH闪存、用于贮存录波数据的固态硬盘、可编程门阵列芯片、以太网收发器、光电耦合器、用于实现USB端口的调试功能的通用异步收发器FT232、DEBUG调试卡、用于数据传输的一号千兆位以太网收发器及二号千兆位以太网收发器；其特征在于：

所述通信处理器通过SATA总线与固态硬盘相连、通过一号SPI总线与FLASH闪存相连、通过二号SPI总线与存储控制器相连、通过一号本地总线LBC与复杂可编程逻辑器相连、通过UART接口与光电耦合器相连、通过一号串行吉比特媒体独立接口SGMII与一号千兆位以太网收发器、通过二号串行吉比特媒体独立接口SGMII与二号千兆位以太网收发器、通过管理数据输入输出接口MDIO同时与一号千兆位以太网收发器和二号千兆位以太网收发器相连、通过PCIe接口和二号本地总线LBC与可编程门阵列芯片相连；

所述可编程门阵列芯片通过RMII接口与以太网收发器相连，所述以太网收发器上设有数量不少于两个的用于接受来自不同采集单元的采样数据SFP采集端口，每个SFP采集端口上均连有外部采集单元；所述光电耦合器上还连有通用异步收发器FT232，所述通用异步收发器FT232上还连有DEBUG调试卡；所述一号千兆位以太网收发器通过一号网线与一号M12通信端口相连，所述二号千兆位以太网收发器通过二号网线与二号M12通信端口相连。

进一步的，所述SFP采集端口有两个，分别为一号SFP采集端口、二号SFP采集端口；

进一步的，所述通信处理器采用Freescale公司的P1010通信处理器。

进一步的，该船舶电力系统故障录波主机还包括温度传感器，所述通信处理器通过IIC总线与温度传感器相连。

进一步的，所述不同采集单元的采样数据的采样时段的控制参数如下表：

上表中，A、B时段记录的是电力系统发生异常的过程，采样时间短，采样频率高，C时段记录的是系统恢复稳态的过程，采样时间长，采样频率低。

进一步的，所述A、B、C时段均采用有效值记录。

进一步的，所述SFP采集端口以光纤直连的方式与外部采集单元之间进行数据报的传输。

进一步的，所述可编程门阵列芯片(6)采用拉格朗日一次插值算法计算同步时刻t所对应的电流值L₁(t)，具体计算公式如下：

上式中，[tk,i(tk)]和[tk+1,i(tk+1)]为可编程门阵列芯片收到同一个外部采集单元发送的两个相邻采样间隔的报文数据，并通过解码提取和时间修正获得的某个电流通道的两个离散点。

本发明的有益效果和特点是：①采用拉格朗日一次插值重采样的方式实现录波数据的同步，摆脱了对外部时钟源的依赖；②外形结构简单、尺寸小、重量轻，非常适合船舶狭小的舱室空间进行安装；③多路并行高速直采模式，提高了网络的实时传输能力，录波精度高。

附图说明

图1是本发明较佳的实施例的内部接线图；

图2是图1实施例的单板分布式结构图；

图3是录波主机SFP采集端口电路图。

图4是录波主机M12通信端口电路图。

图5是录波主机物理层RMII接口电路图。

图6是录波主机与采集单元直连示意图。

图7是拉格朗日一次插值同步的重采样过程。

图8是直采模式下的时延。

图9是外部时钟同步法。

图10是常规交换式以太网录波数据采集示意图。

图中标号分别表示：1-通信处理器、2-复杂可编程逻辑器、3-存储控制器、4-FLASH闪存、5-固态硬盘、6-可编程门阵列芯片、7-以太网收发器、8-一号SFP采集端口、9-二号SFP采集端口、10-光电耦合器、11-通用异步收发器FT232、12-DEBUG调试卡、13-温度传感器、14-一号千兆位以太网收发器、15-一号M12通信端口、16-二号千兆位以太网收发器、17-二号M12通信端口、18-一号外部采集单元、19-二号外部采集单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

如图1所示，一种船舶电力系统故障录波主机，包括通信处理器1、复杂可编程逻辑器2、存储控制器3、FLASH闪存4、用于贮存录波数据的固态硬盘5、可编程门阵列芯片6、以太网收发器7、光电耦合器10、用于实现USB端口的调试功能的通用异步收发器FT23211、DEBUG调试卡12、用于数据传输的一号千兆位以太网收发器14及二号千兆位以太网收发器16；其中：

所述通信处理器1通过SATA总线与固态硬盘5相连、通过一号SPI总线与FLASH闪存4相连、通过二号SPI总线与存储控制器3相连、通过一号本地总线LBC与复杂可编程逻辑器2相连、通过UART接口与光电耦合器10相连、通过一号串行吉比特媒体独立接口SGMII与一号千兆位以太网收发器14、通过二号串行吉比特媒体独立接口SGMII与二号千兆位以太网收发器16、通过管理数据输入输出接口MDIO同时与一号千兆位以太网收发器14和二号千兆位以太网收发器16相连、通过PCIe接口和二号本地总线LBC与可编程门阵列芯片6相连；

所述可编程门阵列芯片6通过RMII接口与以太网收发器7相连，所述以太网收发器7上设有数量不少于两个的用于接受来自不同采集单元的采样数据SFP采集端口，每个SFP采集端口上均连有外部采集单元；所述光电耦合器10上还连有通用异步收发器FT23211，所述通用异步收发器FT23211上还连有DEBUG调试卡12；所述一号千兆位以太网收发器14通过一号网线与一号M12通信端口15相连，所述二号千兆位以太网收发器16通过二号网线与二号M12通信端口17相连。

实际中，所述SFP采集端口可设两个，分别为一号SFP采集端口8、二号SFP采集端口9；

所述通信处理器1采用Freescale公司的P1010通信处理器，该处理器在45nm的低功耗平台上，可实现1.2GHz的双核频率，具有极高的性能功耗比

录波主机还包括温度传感器13，所述通信处理器1通过IIC总线与温度传感器13相连，可实现对环境温度的检测。

本发明根据船舶电力系统的的自身特点和现实需求，对录波主机进行了设计，下面，主要从硬件设计、电路设计和性能指标几个方面进行介绍。一.硬件设计

(1)外观

尺寸：长*宽*高约为223mm*300mm*177mm

重量：小于6kg

外壳采用金属外壳，采用封闭防尘设计，无风扇，自然散热，IP23防护等级。

每个接口板按照行业规范进行标识，包括接口板名字，线号等。

安装方式采用导轨，利用导轨槽架，前面板固定。

(2)结构

如图2所示，录波主机采用单板分布式设计，包括由主控板、固态硬盘板以及电源板。各个子板之间独立安装，为检修、更换和升级提供了方便。

录波主机主控板主要由CPU、FPGA等组成硬件平台。CPU选用Freescale公司的P1010通信处理器，在45nm的低功耗平台上，可实现1.2GHz的双核频率，具有极高的性能功耗比。32位DDR3存储控制器支持误差校正码，保证了系统的高可靠性。SPI总线、SATA总线、IIC总线等还提供了对FLASH闪存、SSD固态硬盘、EEPROM存储器、温度传感器等外设的支持，UART接口则与通用异步收发器FT232配合实现USB端口的调试功能。此外，P1010通信处理器上集成了包括16位本地总线LBC、PCIe总线等在内的一整套接口，实现管理控制层面的大数据交换。FPGA采用的同样是Altera公司的EP4CGX50器件，在此不再赘述。当录波主机发生异常时，可通过5M570复杂可编程逻辑器件进行系统还原。

如图3所示，单台录波主机配置有SFP采集端口，通信速率可以达到百兆，主要负责接受来自不同采集单元的采样数据，内部则通过物理层芯片88E3082与FPGA交互数据，采集单元发送的光波信号传送至SFP光接收模块后，转换为差分逻辑电平PHY0_SIP/N，经还原电路的适当校正后接入88E3082的P0_RXP/N引脚。PHY0_SCL和PHY0_SDA分别为FPGA发送的的时钟信号和指令信号，主要用来控制读取SFP芯片中的相关信息。

如图4所示，为了实现与集控台的数据传输，每台录波主机配有两个M12通信端口，一个在线，一个备用。物理层选用千兆位以太网收发器88E1512，支持1000BASE-T、100BASE-TX、100BASE-FX和10BASE-T等以太网类型，并提供了RGMII、SGMII、SERDES多种高速收发接口。为了满足录波主机与集控台之间的通信带宽要求，本发明采用串行吉比特媒体独立接口SGMII来实现收发器88E1512与处理器P1010之间的数据交互，传输速率可以达到1.25G。88E1512芯片与M12端口通过网络隔离变压器11FB-05NL相连，在利用电磁耦合实现差分信号传输的同时，可有效抑制杂波信号，并隔离录波主机与交换机之间的不同电平，防止高电压引起的设备损坏。

由于录波数据需要的存储容量大，所以录波主机配置了两块硬盘板，每块硬盘板安装有两个512G的固态硬盘，最大存储容量可以达到2T。此外，面板上还配有多个LED指示灯，分别为“电源”、“运行”、“故障”、“存储”、“对时”和“备用”。

电源板将输入的100～250V的交流或直流电压转换为可供子板使用的5V直流量输出，线性调整率不超过0.5％。内部采用过电压、过电流和短路保护机制，当出现负载异常或电压异常时可及时切断电源，待故障移除后可自行恢复。

二、电路设计

安装于集控台的录波分析电路分为在线监测分析和离线分析两部分。在线监测分析模块可以将录波主机上传的实时数据通过图形化的方式显示出来，电力系统的幅值、相位、频率、功率、谐波等信息均可以做到跟踪监测，一旦发现异常立即发出告警信号。同时，还可对录波主机的相关参数进行配置，包括增减录波单元、修改配线参数、提取采样通道、调整录波时段、启动判据整定、遥信遥测控制、修改用户权限等。离线分析模块可以将存储在录波主机中的文件提取出来，将其转换为标准的COMTRADE格式，对电力系统进行相量分析、序分量分析、谐波分析等，并可以按照采样通道或时间段等要求打印故障波形。

三、性能指标

(1)记录电量种类

可记录故障前后全过程的电压、电流等模拟量的变化情况和继电保护、断路器等开关量的动作情况。

(2)启动方式

交流电压：相电压突变启动、相电压越限启动、正序电压越限启动、负序电压越限

启动、谐波电压越限启动

交流电流：相电流突变启动、相电流越限启动、负序电流越限启动

频率：频率高越限启动、频率低越限启动

直流：突变量启动、高越限启动和低越限启动

开关量：ON→OFF启动、OFF→ON启动

(3)报文记录

采用原始报文加实时分析标记方式记录，实时分析标记包括装置接收到报文的微秒级时标和对报文实时分析的结果。录波主机中生成的报文可通过录波分析电路转换成Excel可读的csv格式或GB/T 22386-2008国家最新标准COMTRADE格式。

(4)暂态录波数据记录方式

早期的故障录波不分时段，从启动到录波终止采样率保持不变，缺点是如果采样率偏低则不足以准确再现扰动时刻的暂态过程，如果采样率过高又会增加故障发生前和稳定后记录的数据量。因此，《220～500kV电力系统故障动态记录技术准则》将录波的各个时段分为A、B、C、D、E五个时段。

A时段记录的是系统发生故障之前的数据，长度在2个周波以上即可(≥0.04s)。B时段则过渡到异常状态，记录的是故障发生初期的暂态数据，要求长度在10个周波以上(≥0.1s)。由Nyquist定理可知，采样频率不能低于原始信号最高频率分量的2倍，否则模数转换后会产生频率混叠的现象。但这只是最低要求，要想对谐波成分进行分析，采样频率一般要达到信号最高频率的5～10倍。因此AB时段的采样速率较高，并且输出的为原始记录波形。C时段为故障发生中期，录波时间在1.0s以上，改为有效值存储。D时段为故障发生后期的动态过程，持续时间稍长(≥20s)，每0.1s输出一个工频有效值。E时段记录的是系统长过程动态数据，时间最长(≥10min)，每隔1s输出一个工频有效值。C、D、E为系统逐渐恢复稳态的过程，采样率从高到低，持续时间延长。

表1 调整录波时段

在上述标准的基础上，结合实际使用需求，本发明对录波时段的控制参数做了一定的调整，见表1。A、B时段记录的是电力系统发生异常的过程，采样时间短，采样频率高，C时段记录的是系统恢复稳态的过程，采样时间长，采样频率低。如此设置既能保证详细记录故障发生前后的暂态过程，又可以节省录波文件占用的存储空间，并提高实时数据的上传速度。同时，A、B、C段均采用有效值记录，提高了后期数据的可分析性。

(5)参数整定方式

在线修改：装置在线运行时，可直接修改运行定值及参数。

远传修改：上级管理部门可通过远传修改。

(6)接口

采集接口：采用SFP光纤以太网接口，与常规故障录波主机所采用的RG45接口相比，SFP模块与介质的连接更加可靠，可有效避免船体振动造成的端口脱落现象的发生。此外，SFP还具有结构紧凑、功耗较低、支持热插拔等优点，可以有效地节省机柜空间、减少散热、方便替换。通信介质选用柔性金属铠装多模光纤线，在光纤外围裹覆一层螺旋状不锈钢材料，在不影响光学性能的前提下，解决了常规光纤抗侧压、抗冲击以及防鼠咬的保护问题，以保证通信网络的畅通。

上传接口：采用M12转RJ45连接器作为录波主机与上层交换机之间的通讯接口，其螺丝旋紧式的锁定机制可以保证插头与插座之间可靠连接，接插处防水等级IP＞67，正常工作的温度范围在-25℃至85℃之间，选用屏蔽电缆可有效降低电磁辐射和干扰，传输速率可以达到100Mbit/s。

电源接口：输入接线端子采用航空插头。

(7)支持的通信协议

PTP协议、NTP协议

IEC 61850-9-2标准

IEEE802.1p协议、TCP/IP协议

私有协议

(8)工作环境温度

工作环境温度：-20℃～+70℃。

储运环境温度：-20℃～+70℃，在极限值下不加激励量，装置不出现不可逆变化，温度恢复后装置应能正常工作。

相对湿度：5％～95％(无凝露)。

大气压力：80kPa～110kPa。

如图5所示，本发明选用简化媒体独立接口RMII传输以太网包。通过MII接口可实现多路并行快速输入输出，各台采集单元上传的数据无需排队等候，直接传输至FPGA，并由FPGA控制MII接口的接收和发送时序，大大提高了数据的传输速率，从而保证了插值同步条件下录波文件记录的时间信息的准确性。

如图6～图9所示，插值同步的核心思想是利用原函数f(t)在某个时间间隔内采样得到的若干个相邻的函数值，通过选择适当的拟合函数来估计该区间内其他任意时刻的采样值。对于单台采集单元来说，各通道的电流、电压信号是按照相同的采样时刻进行A/D转换的，从而实现了间隔内的数据同步。但是对于不同的采集单元来说，虽然采样频率可以保持一致，但对应的时间基准可能产生错位，这就需要录波主机对跨间隔的采样数据进行重采样，其中就涉及到插值同步的处理。录波主机在收到采集单元上传的报文后，从中解析出采样序号、采样值、延迟时间等信息，利用接收时刻减去额定延时即可还原实际的采样时刻。然后，录波主机的内部时钟分频产生重采样脉冲信号，根据重采样时刻与前后几个参考时刻之间的函数关系，进行插值运算就可以得到一个“同步采样值”。按照固定的时间间隔重采样点不断后移，最终得到一个新的采样序列。

采集单元与录波主机之间不经过以太网交换机，而是以光纤直连的方式进行数据报的传输，每对光纤只负责该采样间隔的运行状态监控，降低了对中间环节的依赖性，冲突域的有效隔离和网络带宽的增加也提高了网络的实时传输能力和信号同步精度。

由于插值算法需要用到几个相邻时间点的采样值，所以要求采集单元按照相同的时间间隔上传数据，否则会导致插值结果与实际值的误差过大。为了减少传输延时对数据同步的影响，本发明采用多路并行高速直采的传输方案：①采集单元与录波主机都不需要接入外部时钟同步网络；②不同的采集单元按照各自的内部时钟，以固定的采样频率(可设置)发送采样值数据；③采集单元通过光纤与录波主机直接相连，采样值不再经过交换设备传输。

在该方案中，为了保证在插值同步之前不同间隔的采样数据均已到达录波主机，同步时刻需要滞后一定的时间，该延迟时间包括模拟信号接入采集单元以后的低通滤波延迟、A/D转换过程中的采样延迟、采样数据在光纤通道中的传输延迟以及录波主机提取报文的解码延迟。由于光信号具有极高的传输速率，并且采集单元与录波主机之间的传输距离有限(最长100米左右)，因此采样数据在光纤通道中的传输延迟几乎为零，可忽略不计。总时延的大小可以通过测量得到，并添加到采样值报文中传输给录波主机，录波主机根据报文的接收时间和延时信息便可推算出实际的采样时间。

假设录波主机接收到同一个外部采集单元发送的两个相邻采样间隔的报文数据，并通过解码提取和时间修正获得了某个电流通道的两个离散点[tk,i(tk)]和[tk+1,i(tk+1)]。利用拉格朗日一次插值算法可以获得同步时刻t所对应的电流值计算如下：

作为实际值i(t)的近似，拉格朗日一次插值的误差为

式中，i″(ξ)为i(t)的二阶导数，ξ为区间[t_k,t_k+1]中的某个时刻。

由于船舶电力系统的电流值可以表示为直流分量、基波和各次谐波的叠加，如式3所示

其中，I₀为直流分量，n为谐波次数(n＝1时表示基波)，I_n、分别表示基波和各次谐波的幅值与初相角，ω为基频角频率。将i(t)的表达式带入式2中可得

假设电力系统的工作频率为50Hz，则基频角频率ω＝2πf＝100π，且采样间隔t_k+1-t_k＝0.02/N，N为每周波的采样点数。由于式4中的绝对值在t＝(t_k+1+t_k)/2处取得最大值，所以拉格朗日一次插值的最大误差为

通过观察R_max的表达式能够得出如下结论：

①R_max的大小不受源电流中的直流分量的影响，也就是说对稳恒直流做拉格朗日一次插值不会带来测量误差。

②虽然录波主机会对来自不同间隔的报文数据进行一个重采样的过程，但是重采样频率f_s不会引起R_max的变化。

③R_max可以表示为基波与各次谐波的线性叠加，在N值不变的情况下，谐波次数越高，对误差的贡献率越大。

④采集单元每周波的采样点数越多，即N值越大，R_max越小，因此可以通过增加采样频率的方式来降低拉格朗日一次插值的误差。

录波主机根据相应的判据来决定是否启动录波行为，涉及到的启动算法主要包括突变量启动算法、谐波启动算法、序量启动算法、频率启动算法等。一旦超过整定的限值，录波主机便按照上文中提到的录波时序进行故障信息的存储。

由于本发明利用插值算法进行同步，采样时刻由录波主机推算得到，因此应尽可能减少中间环节带来的不确定延时。除了采集单元与录波主机之间省去了交换机之外，本发明对录波主机的底层数据接入端也进行了改进。陆用故障录波主机通常采用常规交换芯片处理来自不同采集单元上传的采样数据，即多个输入通道对应一个输出通道，因而存在通信延时。针对上述情况，本发明装置的物理层(PHY)选用了Marvell公司生产的第三代基于DSP的8端口快速以太网收发器88E3082芯片，该芯片支持IEEE802标准下的10BASE-T、100BASE-T双绞线传输模式和100BASE-FX光纤传输模式，可实现全双工和半双工通信。同时，88E3082芯片集成了多种介质无关接口，为了减少88E3082与EP4CGX50的I/O引脚数量，

如图10所示(图10中底部的多个白色框为外部采集单元，黑色框为录波主机)，陆用故障录波主机通常会在采集单元和录波主机之间添加一至多台交换机，这样做主要有三个原因：一是交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵，每个端口都可视为独立的网段，各自享有全部网络带宽，有利于通信容量的提高；二是陆用电网规模庞大，采样点可以达到几百个，需要的采集单元数量比较多，通过交换机向录波主机传输底层数据可减少录波主机的采集端口数量，简化结构设计；三是由于陆用故障录波主机采用的是外部时钟同步方式，采集单元与录波主机内部的从时钟与授时网络的主时钟保持严格同步，因此不必考虑由交换机引起的存储转发延时，采集单元上传的报文中即包含准确的同步采样时刻。

其技术优势为：

(1)拉格朗日一次插值同步。外部时钟同步法是目前陆用故障录波主机普遍采用的时间同步方法，由于该方式在船用条件下存在对时信号难以获得、对时信号易受干扰、同步网络结构复杂、具有潜在安全隐患等问题，因此本发明采用拉格朗日一次插值重采样的方式实现录波数据的同步。该方式通过电路即可实现录波数据同步，摆脱了对外部时钟源的依赖，并且不需要时钟服务器、对时接口和高精度守时晶振，简化了网络结构，节约了成本，适应了海上恶劣的工作环境。

(2)多路并行高速直采模式(如图6)，采集单元与录波主机之间不经过交换机，而是以光纤直连的方式进行数据报的传输，每对光纤只负责该采样间隔的运行状态监控，从而避免了不同间隔的报文数据发生碰撞的可能以及交换机引起的存储转发延时问题，提高了网络的实时传输能力。同时，每根光纤只进行单向数据传输，不存在发送方与接收方同时争抢同一信道的问题。录波主机物理层采用RMII接口设计，从内部将每个SFP端口隔离开来，使得不同采集单元向录波主机发送的数据互不干扰，可实现多路并行快速输入输出，为插值算法的应用创造了条件。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种船舶电力系统故障录波主机，包括通信处理器(1)、复杂可编程逻辑器(2)、存储控制器(3)、FLASH闪存(4)、用于贮存录波数据的固态硬盘(5)、可编程门阵列芯片(6)、以太网收发器(7)、光电耦合器(10)、用于实现USB端口的调试功能的通用异步收发器FT232(11)、DEBUG调试卡(12)、用于数据传输的一号千兆位以太网收发器(14)及二号千兆位以太网收发器(16)；其特征在于：

所述通信处理器(1)通过SATA总线与固态硬盘(5)相连、通过一号SPI总线与FLASH闪存(4)相连、通过二号SPI总线与存储控制器(3)相连、通过一号本地总线LBC与复杂可编程逻辑器(2)相连、通过UART接口与光电耦合器(10)相连、通过一号串行吉比特媒体独立接口SGMII与一号千兆位以太网收发器(14)、通过二号串行吉比特媒体独立接口SGMII与二号千兆位以太网收发器(16)、通过管理数据输入输出接口MDIO同时与一号千兆位以太网收发器(14)和二号千兆位以太网收发器(16)相连、通过PCIe接口和二号本地总线LBC与可编程门阵列芯片(6)相连；

所述可编程门阵列芯片(6)通过RMII接口与以太网收发器(7)相连，所述以太网收发器(7)上设有数量不少于两个的用于接受来自不同采集单元的采样数据SFP采集端口，每个SFP采集端口上均连有外部采集单元；所述光电耦合器(10)上还连有通用异步收发器FT232(11)，所述通用异步收发器FT232(11)上还连有DEBUG调试卡(12)；所述一号千兆位以太网收发器(14)通过一号网线与一号M12通信端口(15)相连，所述二号千兆位以太网收发器(16)通过二号网线与二号M12通信端口(17)相连。

2.根据权利要求1所述的船舶电力系统故障录波主机，其特征在于：所述SFP采集端口有两个，分别为一号SFP采集端口(8)、二号SFP采集端口(9)。

3.根据权利要求1所述的船舶电力系统故障录波主机，其特征在于：所述通信处理器(1)采用Freescale公司的P1010通信处理器。

4.根据权利要求1所述的船舶电力系统故障录波主机，其特征在于：还包括温度传感器(13)，所述通信处理器(1)通过IIC总线与温度传感器(13)相连。

5.根据权利要求1所述的船舶电力系统故障录波主机，其特征在于：所述不同采集单元的采样数据的采样时段的控制参数如下表：

上表中，A、B时段记录的是电力系统发生异常的过程，采样时间短，采样频率高，C时段记录的是系统恢复稳态的过程，采样时间长，采样频率低。

6.根据权利要求5所述的船舶电力系统故障录波主机，其特征在于：所述A、B、C时段均采用有效值记录。

7.根据权利要求1～6任一权利要求所述的船舶电力系统故障录波主机，其特征在于：所述SFP采集端口以光纤直连的方式与外部采集单元之间进行数据报的传输。

8.根据权利要求1～6任一权利要求所述的船舶电力系统故障录波主机，其特征在于：所述可编程门阵列芯片(6)采用拉格朗日一次插值算法计算同步时刻t所对应的电流值L₁(t)，具体计算公式如下：

<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mi>i</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mi>i</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

上式中，[tk,i(tk)]和[tk+1,i(tk+1)]为可编程门阵列芯片(6)收到同一个外部采集单元发送的两个相邻采样间隔的报文数据，并通过解码提取和时间修正获得的某个电流通道的两个离散点。