CN107817721A - 电力录波数据同步采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力录波数据同步采集系统。该系统考虑了开关量数据采集模件和模拟量采集箱采集模拟量所需的时长以及脉冲从时间管理板卡传输到开关量数据采集模件和模拟量采集箱所需的时长，并据此确定基准采样脉冲分别发送到开关量数据采集模件和各模拟量采集箱的发送时刻，使开关量数据采集模件和各模拟量采集箱同步进行开关量和模拟量的采集，确保了电气量采集结果的准确性，为准确分析电力系统运行状态、故障等提供了技术保障。

Description

电力录波数据同步采集系统
技术领域
本发明涉及电力数据采集技术，尤其涉及一种电力录波数据同步采集系统。
背景技术
电力录波数据采集系统能够自动记录电力系统各种开关量、模拟量等电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理电力故障、判断保护措施是否正确动作、提高电力系统安全运行水平具有重要作用。然而，现有的电力录波系统在采集电气量的时候，由于信号传输延时等问题，还不能确保各种开关量、模拟量的同步采集，导致电气量采集结果不准确。
发明内容
本发明目的在于，提供一种电力录波数据同步采集系统，以解决现有电力录波数据采集系统无法确保开关量、模拟量的同步采集的问题。本发明是通过如下技术方案实现的：
一种电力录波数据同步采集系统，所述电力录波系统包括至少一台模拟量采集箱和一台系统主控箱；
所述系统主控箱包括时间管理板卡、开关量数据采集模件、数据合并处理模块；
所述时间管理板卡用于生成基准采样脉冲，并将所述基准采样脉冲延时发送到所述开关量数据采集模件和各模拟量采集箱；
所述开关量数据采集模件接收到所述基准采样脉冲时，开始采集开关量，并将采集到的开关量数据发送到所述数据合并处理模块；
所述模拟量采集箱接收到所述基准采样脉冲时，开始采集模拟量，并将采集到的模拟量数据发送到所述数据合并处理模块；
所述数据合并处理模块用于实时解析接收到的开关量数据和各模拟量数据，并将同一时刻解析出的开关量数据和各模拟量数据进行合并；
所述时间管理板卡根据预先统计到的所述开关量数据采集模件采集开关量所需的时长、各模拟量采集箱采集模拟量所需的时长、脉冲从所述时间管理板卡传输到所述开关量数据采集模件所需的时长和所述基准采样脉冲从所述时间管理板卡传输到各模拟量采集箱所需的时长，确定所述基准采样脉冲分别发送到所述开关量数据采集模件和各模拟量采集箱的发送时刻，使所述开关量数据采集模件和各模拟量采集箱同步进行开关量和模拟量的采集。
进一步地，所述模拟量采集箱与所述系统主控箱分离设置。
进一步地，所述模拟量采集箱内设置有第一现场可编程门阵列FPGA芯片和模数转换器；
所述第一现场可编程门阵列FPGA芯片用于接收所述基准采样脉冲，并在接收到所述基准采样脉冲时控制所述模数转换器采集模拟量，将采集的模拟量转换为数字量，并将所述数字量编码后发送到所述数据合并处理模块。
进一步地，所述模数转换器的数量为三个，所述第一现场可编程门阵列FPGA芯片控制这三个模数转换器同步采集模拟量。
进一步地，所述数字量编码后分别通过两个光纤串口发送到所述数据合并处理模块。
进一步地，所述开关量数据采集模件包括第二现场可编程门阵列FPGA芯片，所述第二现场可编程门阵列FPGA芯片用于在接收到所述基准采样脉冲时，开始采集开关量，并将采集到的开关量数据编码后发送到所述数据合并处理模块。
进一步地，开关量数据编码后分别通过两组背板高速串行总线发送到所述数据合并处理模块。
进一步地，所述编码为曼彻斯特编码。
进一步地，所述时间管理板卡包括第三现场可编程门阵列FPGA芯片和ARM芯片；
所述ARM芯片用于初始化配置，所述初始化配置包括初始化系统时间、产生同步标志信号、配置模拟量采样速率；
所述第三现场可编程门阵列FPGA芯片用于根据所述ARM芯片的初始化配置产生并输出所述基准采样脉冲信号。
与现有技术相比，本发明提供的电力录播数据同步采集系统考虑了开关量数据采集模件和模拟量采集箱采集模拟量所需的时长以及脉冲从时间管理板卡传输到开关量数据采集模件和模拟量采集箱所需的时长，并据此确定基准采样脉冲分别发送到开关量数据采集模件和各模拟量采集箱的发送时刻，使开关量数据采集模件和各模拟量采集箱同步进行开关量和模拟量的采集，确保了电气量采集结果的准确性，为准确分析电力系统运行状态、故障等提供了技术保障。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电力录波数据同步采集系统的组成结构示意图；
图2是本发明实施例提供的电力录波数据同步采集系统中基准采样脉冲的延时发送示意图；
图3是本发明实施例提供的电力录波数据同步采集系统中的数据合并示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
结合图1、图2、图3所示，本发明实施例提供的电力录波数据同步采集系统，电力录波系统包括至少一台模拟量采集箱1和一台系统主控箱2，系统主控箱2包括时间管理板卡201、开关量数据采集模件202、数据合并处理模块203。其中：
时间管理板卡201用于生成基准采样脉冲，并将基准采样脉冲延时发送到开关量数据采集模件202和各模拟量采集箱1。开关量数据采集模件202接收到基准采样脉冲时，开始采集开关量，并将采集到的开关量数据发送到数据合并处理模块203。模拟量采集箱1接收到基准采样脉冲时，开始采集模拟量，并将采集到的模拟量数据发送到数据合并处理模块203。数据合并处理模块203用于实时解析接收到的开关量数据和各模拟量数据，并将同一时刻解析出的开关量数据和各模拟量数据进行合并。
时间管理板卡201根据预先统计到的开关量数据采集模件202采集开关量所需的时长、各模拟量采集箱1采集模拟量所需的时长、脉冲从时间管理板卡201传输到开关量数据采集模件202所需的时长和基准采样脉冲从时间管理板卡201传输到各模拟量采集箱1所需的时长，确定基准采样脉冲分别发送到开关量数据采集模件202和各模拟量采集箱1的发送时刻，使开关量数据采集模件202和各模拟量采集箱1同步进行开关量和模拟量的采集。
数据合并处理模块203可将解析并合并后的数据发送到故障判断与记录模块204进行故障分析判断，故障判断与记录模块204将分析判断结果记录后并发送到上位机系统205，可供后续查询。
基准采样脉冲发送到某一模拟量采集箱1(或开关量数据采集模件202)的发送时刻相对于基准采样脉冲的产生时刻的延时时长为该模拟量采集箱1(或开关量数据采集模件202)采集模拟量(或开关量)所需的时长与基准采样脉冲从时间管理板卡201传输到该模拟量采集箱1(或开关量数据采集模件202)所需的时长之和。例如：假设基准采样脉冲的产生时刻是T，某一模拟量采集箱1(或开关量数据采集模件202)×采集模拟量(或开关量)所需的时长为Δt1，基准采样脉冲从时间管理板卡201传输到该模拟量采集箱1(或开关量数据采集模件202)×所需的时长为Δt2，则基准采样脉冲发送到该模拟量采集箱1(或开关量数据采集模件202)的发送时刻为T向后延时Δt1+Δt2的时长，即基准采样脉冲产生Δt1+Δt2时长后向该模拟量采集箱1(或开关量数据采集模件202)发送基准采样脉冲。如图2所示，根据延时控制基准采样脉冲的输出时刻，确保同时进行各模拟量采集箱1的模拟量采样和开关量数据采集模件202的开关量采样。采样数据在各总线上的发送时刻、传输长度、带宽相同，用时相同，数据合并处理模块203解析出的数据基本处于同一时刻。
该系统中，系统主控箱2获取到的数据已经是同步的原始采样数据，不需要通过插值等方式进行数据同步，基于此，故障判断和记录的数据都是原始采样值，不会引入相应的误差，真实记录模拟量和开关量信息。模拟量采集箱1与系统主控箱2分离设置，开关量在系统主控箱2内采集，模拟量在模拟量采集箱1内采集，有效避免了模拟量和开关量的相互干扰，确保了数据采集稳定性和准确性。
模拟量采集箱1内设置有第一现场可编程门阵列FPGA芯片和模数转换器。第一现场可编程门阵列FPGA芯片用于接收基准采样脉冲，并在接收到基准采样脉冲时控制模数转换器采集模拟量，将采集的模拟量转换为数字量，并将数字量编码后发送到数据合并处理模块203。模数转换器的数量可为三个，第一现场可编程门阵列FPGA芯片控制这三个模数转换器同步采集模拟量，一个模拟量采集箱1可第二模拟量采集箱14路16位模拟量数据。同时，数字量编码后可分别通过两个光纤串口发送到数据合并处理模块203，一个用于暂态录波，另一个用于稳态录波。
开关量数据采集模件202包括第二现场可编程门阵列FPGA芯片，第二现场可编程门阵列FPGA芯片用于在接收到基准采样脉冲时，开始采集开关量，并将采集到的开关量数据编码后发送到数据合并处理模块203。开关量数据编码后也可分别通过两组背板高速串行总线发送到数据合并处理模块203，一组用于暂态录波，另一组用于稳态录波。每个开关量占用2bit，系统最多可以支持128路开关量采集，共计第三模拟量采集箱12Byte编码开关量采集状态。
本实施例中，编码为曼彻斯特编码。数字量和开关量数据均通过曼彻斯特编码，高位先传送，编码字节长度相同，多余字节备用，数据帧的速率都为20Mbit/s，即调制后的传输速率为40Mbit/s。曼彻斯特编码是主要应用在数据同步传输的一种编码方式。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作为时钟信号，又作为数据信号；从高到低跳变表示“0”，从低到高跳变表示“1”。编码中不存在直流分量，具有自同步能力和良好的抗干扰性能。采样数据编码帧内容如下表所示：
时间管理板卡201包括第三现场可编程门阵列FPGA芯片和高级精简指令集计算机(Advanced RISC Machine，ARM)ARM芯片。ARM芯片用于初始化配置，初始化配置包括初始化系统时间、产生同步标志信号、配置模拟量采样速率。采样速率最大可配置为12.8K采样速率(50H，一个周期采样256点)。第三现场可编程门阵列FPGA芯片用于根据ARM芯片的初始化配置产生并输出基准采样脉冲信号。
基准采样脉冲信号产生机制是：ARM芯片对时同步后，第三现场可编程门阵列FPGA芯片会统计当前秒间隔作为下一秒内同步采样脉冲产生的基准秒宽度，根据配置的采样速率，等间隔产生基准采样脉冲信号。若由对时同步转为对时失步，以统计的失步前64秒的秒宽度均值产生基准采样脉冲信号。例如，秒间隔为A纳秒，每秒采样N个点，则采样脉冲间隔计算方法是：1)先将秒间隔放大216为M；2)M除以N得C；3)取D为C除以216，即舍去C的低16位，D即为采样脉冲间隔。被舍去的C的低16位进行累加，累加和溢出时产生标志信号F，下一个采样脉冲的间隔调整为D+1进行补偿，无溢出标志时恢复D为采样间隔。
数据合并处理模块203合并数据机制是：如图3所示为例，第一模拟量采集箱1、第二模拟量采集箱1、第三模拟量采集箱1正常工作，第四模拟量采集箱1通讯中断，开关量数据采集模件202正常工作。数据合并处理模块203在a时刻解析出一帧第一模拟量采集箱1的数据，并将标志信号int1置为1，将通讯中断标志lost1_flag置为0，将int1逻辑或lost1_flag产生第一模拟量采集箱1的数据标志信号int_data1置为1；在b时刻解析出一帧第二模拟量采集箱1的数据，并将标志信号int2置为1，将通讯中断标志lost2_flag置为0，将int2逻辑或lost2_flag产生第二模拟量采集箱1的数据标志信号int_data2置为1；在c时刻解析出一帧第三模拟量采集箱1的数据，并将标志信号int3置为1，将通讯中断标志lost3_flag置为0，将int3逻辑或lost3_flag产生第三模拟量采集箱1的数据标志信号int_data3置为1；判断出第四模拟量采集箱1通讯中断，并将int4置为0，将通讯中断标志lost4_flag置为1，将int4逻辑或lost4_flag产生第四模拟量采集箱1的数据标志信号int_data4置为1；在e时刻解析出一帧开关量数据采集模件202采集的数据，并将标志信号int5置为1，将通讯中断标志lost5_flag置为0，将int5逻辑或lost5_flag产生开关量采集模件的数据标志信号int_data5置为1。在t1时刻，4个模拟量采集箱1和开关量采集模件的数据标志信号int_data1&int_data2&int_data3&int_data4&int_data5的结果为1，数据合并处理模块203依次读取第一模拟量采集箱1、第二模拟量采集箱1、第三模拟量采集箱1的解析数据，第四模拟量采集箱1的数据读取值设为0并置异常标志位，同时读取开关量数据采集模件202采集的数据。数据读取结束后将int1、int2、int3、int5同时置为0，等待下一帧数据(t2时刻)的解码读取。若第四模拟量采集箱1通讯恢复，则第四模拟量采集箱1也加入到正常数据解码读取过程。
上述实施例仅为优选实施例，并不用以限制本发明的保护范围，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电力录波数据同步采集系统，其特征在于，所述电力录波系统包括至少一台模拟量采集箱和一台系统主控箱；
所述系统主控箱包括时间管理板卡、开关量数据采集模件、数据合并处理模块；
所述时间管理板卡用于生成基准采样脉冲，并将所述基准采样脉冲延时发送到所述开关量数据采集模件和各模拟量采集箱；
所述开关量数据采集模件接收到所述基准采样脉冲时，开始采集开关量，并将采集到的开关量数据发送到所述数据合并处理模块；
所述模拟量采集箱接收到所述基准采样脉冲时，开始采集模拟量，并将采集到的模拟量数据发送到所述数据合并处理模块；
所述数据合并处理模块用于实时解析接收到的开关量数据和各模拟量数据，并将同一时刻解析出的开关量数据和各模拟量数据进行合并；
所述时间管理板卡根据预先统计到的所述开关量数据采集模件采集开关量所需的时长、各模拟量采集箱采集模拟量所需的时长、脉冲从所述时间管理板卡传输到所述开关量数据采集模件所需的时长和所述基准采样脉冲从所述时间管理板卡传输到各模拟量采集箱所需的时长，确定所述基准采样脉冲分别发送到所述开关量数据采集模件和各模拟量采集箱的发送时刻，使所述开关量数据采集模件和各模拟量采集箱同步进行开关量和模拟量的采集。
2.如权利要求1所述的电力录波数据同步采集系统，其特征在于，所述模拟量采集箱与所述系统主控箱分离设置。
3.如权利要求1所述的电力录波数据同步采集系统，其特征在于，所述模拟量采集箱内设置有第一现场可编程门阵列FPGA芯片和模数转换器；
所述第一现场可编程门阵列FPGA芯片用于接收所述基准采样脉冲，并在接收到所述基准采样脉冲时控制所述模数转换器采集模拟量，将采集的模拟量转换为数字量，并将所述数字量编码后发送到所述数据合并处理模块。
4.如权利要求3所述的电力录波数据同步采集系统，其特征在于，所述模数转换器的数量为三个，所述第一现场可编程门阵列FPGA芯片控制这三个模数转换器同步采集模拟量。
5.如权利要求3所述的电力录波数据同步采集系统，其特征在于，所述数字量编码后分别通过两个光纤串口发送到所述数据合并处理模块。
6.如权利要求1所述的电力录波数据同步采集系统，其特征在于，所述开关量数据采集模件包括第二现场可编程门阵列FPGA芯片，所述第二现场可编程门阵列FPGA芯片用于在接收到所述基准采样脉冲时，开始采集开关量，并将采集到的开关量数据编码后发送到所述数据合并处理模块。
7.如权利要求6所述的电力录波数据同步采集系统，其特征在于，开关量数据编码后分别通过两组背板高速串行总线发送到所述数据合并处理模块。
8.如权利要求3或6所述的电力录波数据同步采集系统，其特征在于，所述编码为曼彻斯特编码。
9.如权利要求1所述的电力录波数据同步采集系统，其特征在于，所述时间管理板卡包括第三现场可编程门阵列FPGA芯片和ARM芯片；
所述ARM芯片用于初始化配置，所述初始化配置包括初始化系统时间、产生同步标志信号、配置模拟量采样速率；
所述第三现场可编程门阵列FPGA芯片用于根据所述ARM芯片的初始化配置产生并输出所述基准采样脉冲信号。
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