CN108957199A - 一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置及触发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置及触发方法，包括：屏蔽壳体、运放模块、电源模块、高速比较器和光脉冲发生器；运放模块、电源模块、高速比较器和光脉冲发生器均设置在屏蔽壳体内；运放模块的信号输出端与高速比较器的信号接收端相连接，高速比较器的信号输出端与光脉冲发生器的信号接收端相连接，光脉冲发生器的信号输出端用于发出同步触发信号；电源模块分别与运放模块和光脉冲发生器相连接。本发明的同步触发装置能够工作在强暂态电磁干扰环境下；同步触发装置及触发方法可实现高灵敏度纳秒级可靠同步触发。

Description

一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置及触发方法

技术领域

本发明属于电磁兼容通信技术领域，特别涉及一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置及触发方法。

背景技术

随着电力工业迅速发展以及智能电网和特高压技术发展规划的提出，变电站电压等级不断提高，电网中智能化设备越来越多，基于通信技术、微电子检测技术和计算机控制技术等的弱电设备被越来越广泛地应用于变电站。电磁兼容不再仅仅是一个与电气利用相关的技术问题，而已成为一个与社会安全稳定及生存环境的质量保障等相关且具有重要意义的社会问题及经济问题。

中国的智能电网被定义为“坚强智能电网”，其目标就是建设以特高压电网为骨干网架，其它各等级电网协调稳定发展的坚强电网，它能够实现资源和能源在较大范围内的优化配置，能保障安全可靠的电力供应，并且要在坚强电网的基础上实现电网的信息化、自动化和互动化，这就是坚强智能电网“智能”的含义。智能电网的“三化”特征，基础就是电子技术。这就要求应用在电力系统中的弱电设备能够适应智能电网的需求。

电子式互感器测量精度高、暂态响应范围广、绝缘结构简单、体积小、质量轻、无饱和现象，以及输出信号可以直接输入微机数字化计量设备和保护设备的接口等优势，作为传统互感器的替代品已经广泛应用在智能变电站中。但在应用的过程中，暴露出可靠性方面的严重问题，其中最为突出的就是现场电磁环境的适应问题，例如多次出现断路器或隔离开关操作引起继电保护误动作的情况，且在GIS变电站中更为突出，阻碍了电子式互感器在电力系统中进一步的推广应用。

在电力系统中，产生电磁骚扰，并导致作为检测设备的电子式互感器发出错误信号，进而引起保护误动作的事故，甚至严重时造成设备无法投运的事故，以隔离开关最为典型。隔离开关作为电力系统中最为重要的开关设备，对电力线路和电力设备起着控制、调节和保护的重要作用，它的身影遍布电力系统的各个角落。自2000年投运以来，经统计国网公司系统110kV及以上电子式电压互感器共发生故障多次，其中绝缘和电磁干扰是引起故障率最高的。因此，如何提高电子式互感器的电磁兼容性能将严重影响智能电网的建设和发展速度。为此需要对变电站的实际暂态电磁环境进行测试、分析研究，以掌握电子式互感器应用的真实电磁环境，改进电磁兼容试验方法和标准。

在对变电站的实际暂态电磁环境进行测试、分析研究过程中需要同时对该暂态电磁环境的多方位多个参量同步进行采集，由于同时测量的参量不同，检测的传感器不同，放置位置不同，因此即使各数据采集设备基于同一电磁暂态骚扰各自触发采集，所采集的波形数据相位差别很大，严重影响后期数据分析。电磁暂态具有频率高、持续时间短以及强度高的特点。因此就对多参量数据采集的触发同步、抗电磁冲击以及高触发可靠性等提出了很高的要求，目前尚无满足要求的应用于强暂态电磁环境的同步触发装置及触发方法，亟需一种电磁暂态多参量数据采集同步触发装置及触发方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置及触发方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的电磁暂态数据采集的同步触发装置能够工作在强暂态电磁干扰环境下；同步触发装置及触发方法可实现高灵敏度纳秒级可靠同步触发。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置，包括：屏蔽壳体、运放模块、电源模块、高速比较器和光脉冲发生器；运放模块、电源模块、高速比较器和光脉冲发生器均设置在屏蔽壳体内；运放模块的信号接收端用于接收外部信号，运放模块的信号输出端与高速比较器的信号接收端相连接，高速比较器的信号输出端与光脉冲发生器的信号接收端相连接，光脉冲发生器的信号输出端用于发出同步触发信号；电源模块分别与运放模块和光脉冲发生器相连接，电源模块用于为运放模块和光脉冲发生器供电。

进一步的，还包括信号采集装置；信号采集装置的信号采集端设置在屏蔽壳体外；信号采集装置的信号输出端与运放模块的信号接收端相连接。

进一步的，信号采集装置为鞭型伸缩天线；鞭型伸缩天线用于探测电磁信号暂态变化并触发光脉冲发生器发出光同步触发信号。

进一步的，还包括灵敏度调节装置；所述灵敏度调节装置包括灵敏度调节旋钮和灵敏度表；灵敏度调节旋钮的信号输出端与高速比较器的参考电压信号输入端连接，灵敏度调节旋钮用于调节高速比较器的参考电压阈值；高速比较器的信号输出端通过显示驱动模块与灵敏度表的信号接收端相连接，灵敏度表用于显示设置的高速比较器的参考电压阈值。

进一步的，屏蔽壳体由铝材制成。

进一步的，屏蔽壳体上设置有若干输出集成端口；每个输出集成端口的信号接收端均与光脉冲发生器的信号输出端相连接；输出集成端口的信号输出端用于连接光缆。

进一步的，还包括：光电转换器；光脉冲发生器的同步信号输出端与光电转换器的信号接收端相连接。

进一步的，光电转换器的数量为多个；光脉冲发生器的同步信号输出端通过同步信号光缆分别与每个光电转换器的信号接收端相连接；所有同步信号光缆的长度相同。

一种用于电磁暂态数据采集的同步触发方法，基于本发明的同步触发装置，包括以下步骤：

步骤1，将所述同步触发装置放置在强暂态电磁环境中，调节鞭型伸缩天线角度和长度，使鞭型伸缩天线指向电磁暂态骚扰源；

步骤2，接通电源，使所述同步触发装置处于待机状态；

步骤3，设定高速比较器的参考电压阈值；

步骤4，运放模块接收外部信号电压值，并将外部信号电压值处理后输入高速比较器与参考电压阈值比较；外部信号电压值高于设定的参考电压阈值时，通过光脉冲发生器发出同步触发信号，实现数据采集设备的同步触发。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的用于电磁暂态数据采集的同步触发装置，将运放模块、电源模块、高速比较器和光脉冲发生器设置在屏蔽壳体内，屏蔽壳体具有电磁屏蔽作用，可降低内部各模块受到的电磁冲击，保护各模块不致损坏失效，实现能够工作在强暂态电磁干扰环境下；运放模块用于放大输入的外部信号，外部信号可为探测的暂态电磁场的信号，也可为外部直接输入的信号；高速比较器内设置有阈值，通过将放大后的外部信号与阈值比较，能够使得光脉冲发生器发出同步触发信号；高速比较器处理较快，能够实现高灵敏度纳秒级可靠同步触发。

进一步的，信号采集装置用于探测暂态电磁场的信号变化，将采集的信号输送给运放模块。

进一步的，鞭型伸缩天线用于探测暂态电磁场的变化，具有指向性好的优点；另外，天线伸缩长度可变，还具有适应频带范围宽以及灵敏度高的优点。

进一步的，灵敏度调节装置用于设定高速比较器的阈值，通过设定不同的阈值，可实现同步触发装置的不同灵敏度调节；旋动调节旋钮可调节高速比较器的阈值；灵敏度表用于显示阈值的数值。

进一步的，设置输出集成端口便于与外部同步信号光缆连接，拆装方便，可提高效率。

进一步的，通过光电转换器将光触发信号转换为电触发信号，可与通用数据采集装置的触发接口兼容，可提高通用型和兼容性。

进一步的，所有同步信号光缆的长度相同，使同步光触发信号经过的传输路径等长，可进一步减小同步误差，提高数据采集的同步性和准确性。

本发明的同步触发方法，在高速比较器内设置电压阈值；将外部的输入或采集的电压值与阈值比较，通过同步触发信号可实现可靠的同步触发。

附图说明

图1是本发明的一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置的结构示意框图；

图2是本发明的一种电磁暂态数据采集装置的结构示意框图；

图3是采用本发明的同步触发装置同步触发后，采集的波形图；

图4是无同步触发装置时，采集的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参考图1，本发明的一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置，包括：屏蔽壳体、信号采集装置、运放模块、电源模块、高速比较器、光脉冲发生器、灵敏度调节装置和光电转换器。

屏蔽壳体由铝材制成。信号采集装置的信号采集端设置在屏蔽壳体外；运放模块、电源模块、高速比较器和光脉冲发生器均设置在屏蔽壳体内；运放模块的信号接收端用于接收外部信号，信号采集装置的信号输出端与运放模块的信号接收端相连接，运放模块的信号输出端与高速比较器的信号接收端相连接，高速比较器的信号输出端与光脉冲发生器的信号接收端相连接，光脉冲发生器的信号输出端用于发出同步触发信号；电源模块分别与运放模块和光脉冲发生器相连接，电源模块用于为运放模块和光脉冲发生器供电。信号采集装置为鞭型伸缩天线。灵敏度调节装置包括调节旋钮和灵敏度表；调节旋钮的信号输出端与高速比较器的信号接收端，调节旋钮用于调节高速比较器的阈值；高速比较器的信号输出端通过显示驱动模块与灵敏度表的信号接收端相连接，灵敏度表用于显示设置的高速比较器的阈值。屏蔽壳体上设置有若干输出集成端口；每个输出集成端口的信号接收端均与光脉冲发生器的信号输出端相连接；输出集成端口的信号输出端用于连接光缆。光电转换器单独置于屏蔽壳体外，光脉冲发生器的信号输出端与光电转换器输入端连接，用于发出同步光触发信号，光电转换器用于将光触发信号转换为电信号触发数据采集装置。一种具体结构为：同步触发装置包括：屏蔽壳体，前、后面板，在前面板上布置有电源开关、电源指示灯、灵敏度表显示开关、输出指示灯、灵敏度调节旋钮、灵敏度表、信号输入接口。后面板布置有鞭型伸缩天线、同步光脉冲信号输出接口、充电输入口、电池输出口、内部组成包括电源模块、电池模块、运放模块、高速比较驱动模块、显示驱动模块、光脉冲发生器模块和光电转换器组成。

同步触发装置屏蔽壳体由铝材制作，具有电磁屏蔽作用，可降低内部各模块受到的电磁冲击，保护各模块不致损坏失效。电源开关用于控制同步触发装置总电源的通断，电源指示灯指示电源的通断，灵敏度表显示开关用于开、关灵敏度表的显示，在调节灵敏度完成后，关闭灵敏度表的显示以达到节约电能的作用。灵敏度调节旋钮用于调节触发信号的灵敏度，灵敏度可以通过灵敏度表显示。输出指示灯用于指示同步触发信号的输出指示，在输出一个同步触发脉冲信号时闪动一次。信号输入接口用于外接输入信号，可以连接不同的天线或者传感器作为输入。后面板的鞭型伸缩天线用于探测暂态电磁场的变化，具有指向性好，通过伸缩长度可变，适应频带范围宽，灵敏度高的特点。同步光脉冲信号输出接口用于输出多路光脉冲触发信号。充电输入口用于连接外部电源适配器给内置电池模块充电，电池输出口可以为外部其他设备提供直流电源。

本发明的同步触发装置的工作原理：

同步触发原理是同步触发装置采用内部电池模块供电，作为一个独立的系统可工作在暂态电磁环境中。通过同步触发装置上的鞭型伸缩天线探测空间暂态电磁场变化，也可以通过同步触发装置前面板上的信号输入接口连接的其他类型天线或者传感器输入信号，并将该信号经过放大后送至高速比较驱动模块，在高速比较驱动模块与参考电压进行比较后控制光脉冲发生器输出同步的光脉冲信号，参考电压可通过设置在面板上的调节旋钮调节，以控制触发信号的灵敏度。该电压的大小经过显示驱动模块驱动灵敏度表显示灵敏度。输出的同步光脉冲信号通过光缆输送到与数据采集设备放在一起的光电转换器变为电信号，来同步触发多个数据采集设备采集数据。

本发明的一种用于电磁暂态数据采集的同步触发方法，基于上述的同步触发装置，包括以下步骤：

步骤1，将所述同步触发装置放置在强暂态电磁环境中，调节鞭型伸缩天线角度和长度，使鞭型伸缩天线指向电磁暂态骚扰源；

步骤2，接通电源，使所述同步触发装置处于待机状态；

步骤3，设定高速比较器的参考电压阈值；

步骤4，运放模块接收外部信号电压值，并将外部信号电压值处理后输入高速比较器与参考电压阈值比较；外部信号电压值高于设定的参考电压阈值时，通过光脉冲发生器发出同步触发信号，经过光电转换器转换为电触发信号，实现数据采集设备的同步触发。

本发明的一种用于电磁暂态数据采集的同步触发方法，基于本发明上述的同步触发装置，包括以下步骤：

步骤1，将同步触发装置作为一个独立的系统放置在强暂态电磁环境中，调节好鞭型伸缩天线角度和长度，指向电磁暂态骚扰源。

步骤2，按照需要采集数据的通道数量连接相应数量的光缆到同步触发装置的光脉冲信号输出接口，光缆的另一端连接到放置在强暂态电磁场内的屏蔽装置里的光电转换器输入端，或者是远离强暂态电磁场处的光电转换器的输入端。同步触发装置与其他设备除光缆连接外不要有其他任何电气连接。数据采集设备与光电转换器放在同一处，光电转换器的输出端用同轴电缆连接到数据采集设备的外接触发信号输入端，连接好光电转换器和数据采集设备的电源，连接传感器到数据采集设备的采集通道输入端。

步骤3，所述的同步触发装置采用内部电池供电，打开电源开关，使同步触发装置处于待机状态。

步骤4，打开灵敏度显示开关，灵敏度表显示灵敏度，调节灵敏度调节旋钮至需要的灵敏度，可通过手指轻触同步触发装置天线或是在天线附近轻轻煽动，同时观察输出指示灯闪动来测试灵敏度，调节好灵敏度后，关闭灵敏度表显示开关，关闭灵敏度表的显示以节省电源。

步骤5，当同步触发装置外部的鞭型伸缩天线探测到周围环境的电磁信号暂态变化时输出信号，经运放模块处理后输出该暂态变化的电压值。

步骤6，信号电压值高于设定的灵敏度阈值时，通过光脉冲发生器发出多路同步光触发信号，实现同步触发。

步骤7，同步光触发信号经光缆馈送到光电转换器，经光电转换器转换为电脉冲信号触发数据采集设备同时采集数据。

本发明的电磁暂态多参量数据采集同步触发方法，将同步触发装置作为一个独立的系统放置在强暂态电磁环境中，调节好鞭型伸缩天线角度和长度，指向电磁暂态骚扰源。按照需要输出的同步信号数量连接相应数量的光缆到同步光脉冲信号输出接口，光缆的另一端连接到放置在强暂态电磁场的屏蔽装置内的光电转换器输入端，或者是远离强暂态电磁场处的光电转换器的输入端。数据采集设备与光电转换器放在同一处，光电转换器的输出端用同轴电缆连接到数据采集设备的外接触发信号输入端，连接好光电转换器和数据采集设备的电源，连接传感器到数据采集设备的采集通道输入端。同步触发装置与其他设备除光缆连接外不要有其他任何电气连接，打开同步触发装置的电源开关和灵敏度表显示开关，电源指示灯亮，灵敏度表显示灵敏度，调节灵敏度调节旋钮至需要的灵敏度，可通过手指轻触同步触发装置天线或是在天线附近轻轻煽动，同时观察输出指示灯闪动来测试灵敏度，调节好灵敏度后关闭灵敏度表显示开关以关闭灵敏度表显示。打开光电转换器和数据采集设备电源，当同步触发装置天线探测到信号时即可输出同步触发信号触发数据采集设备采集数据。

本发明的一种电磁暂态数据采集装置，基于本发明上述的同步触发装置，包括：同步触发装置、光电转换器、数据采集存储设备、供电模块和若干数据采集传感器；

同步触发装置的同步信号输出端与光电转换器的信号接收端相连接，光电转换器的信号输出端与数据采集存储设备的触发信号输入端相连接；数据采集存储设备的控制信号输出端与数据采集传感器的控制信号接收端相连接，数据采集传感器的采集数据输出端与数据采集存储设备的采集通道输入端相连接；供电模块分别与光电转换器和数据采集存储设备相连接，供电模块用于为光电转换器和数据采集存储设备供电。光电转换器的数量为多个；同步触发装置的同步信号输出端通过同步信号光缆分别与每个光电转换器的信号接收端相连接；所有同步信号光缆的长度相同。数据采集存储设备的各通道均设置相同的提前量。本发明的电磁暂态数据采集装置，基于本发明的同步触发装置，可完成电磁暂态多参量数据的采集；通过同步触发装置同步触发多个数据采集传感器同步采集，可提高采集数据的准确性。

实施例：

请参考图2，本发明的实施例采用断路器模拟骚扰源切、投330KV电压来模拟实际暂态电磁环境，同时采集暂态电磁环境的电压、电流、电场、磁场共4个参量波形数据。同步触发装置输出2路同步触发光信号。2套光电转换器，2套两通道数据采集存储设备。同步触发装置具有5通道光同步脉冲信号输出。同步触发装置中高速比较驱动参考电压可调。2套光电转换器，2套两通道数据采集存储设备放置在2个屏蔽罐内，放置在暂态电磁环境不同位置，从同步触发装置的触发信号输出端用光缆连接到光电转换器光脉冲信号输入端。从同步触发装置的触发信号输出端到光电转换器的输入端的2段连接光缆长度相同，使同步光触发信号经过的传输路径等长，进一步减小同步误差。由于暂态电磁场需经过同步触发装置发出触发信号才能出发数据采集，故同步触发信号滞后于暂态电磁场，需将数据采集存储设备各通道设置相同的提前量，在本实施例中数据采集提前量设置为100ms。屏蔽罐内置电池模块组为DC12V20AH锂电池模块。同步触发装置选用OPA2810高速放大器，高速可达4.5ns的TLV3502型比较器。

从图3和图4可以看出对于同一个电磁暂态骚扰信号，通过4台数据采集设备同时对电场、电压、电流和磁场信号进行采集，图4为未经过同步触发装置同步触发的波形中的起始时间不同，数据采集设备4的波形起始时间滞后于数据采集设备1的起始时间约0.6μs。图3中经过同步触发装置同步触发后采集到的数据波形中，波形的起始时间较好的重合。

Claims (9)

1.一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置，其特征在于，包括：屏蔽壳体、运放模块、电源模块、高速比较器和光脉冲发生器；

运放模块、电源模块、高速比较器和光脉冲发生器均设置在屏蔽壳体内；

运放模块的信号接收端用于接收外部信号，运放模块的信号输出端与高速比较器的信号接收端相连接，高速比较器的信号输出端与光脉冲发生器的信号接收端相连接，光脉冲发生器的信号输出端用于发出同步光触发信号；

电源模块分别与运放模块和光脉冲发生器相连接，电源模块用于为运放模块和光脉冲发生器供电。

2.根据权利要求1所述的一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置，其特征在于，还包括信号采集装置；

信号采集装置的信号采集端设置在屏蔽壳体外；信号采集装置的信号输出端与运放模块的信号接收端相连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置，其特征在于，信号采集装置为鞭型伸缩天线；鞭型伸缩天线用于探测电磁信号暂态变化并触发光脉冲发生器发出光同步触发信号。

4.根据权利要求1所述的一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置，其特征在于，还包括灵敏度调节装置；

所述灵敏度调节装置包括灵敏度调节旋钮和灵敏度表；灵敏度调节旋钮的信号输出端与高速比较器的参考电压信号输入端连接，灵敏度调节旋钮用于调节高速比较器的参考电压阈值；高速比较器的信号输出端通过显示驱动模块与灵敏度表的信号接收端相连接，灵敏度表用于显示设置的高速比较器的参考电压阈值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置，其特征在于，屏蔽壳体由铝材制成。

6.根据权利要求5所述的一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置，其特征在于，屏蔽壳体上设置有若干输出集成端口；

每个输出集成端口的信号接收端均与光脉冲发生器的信号输出端相连接；输出集成端口的信号输出端用于连接光缆。

7.根据权利要求1所述的一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置，其特征在于，还包括：光电转换器；

光脉冲发生器的同步信号输出端与光电转换器的信号接收端相连接；光电转换器用于将光触发信号转换为电触发信号。

8.根据权利要求7所述的一种用于电磁暂态数据采集的同步触发装置，其特征在于，光电转换器的数量为多个；光脉冲发生器的同步信号输出端通过同步信号光缆分别与每个光电转换器的信号接收端相连接；

所有同步信号光缆的长度相同。

9.一种用于电磁暂态数据采集的同步触发方法，其特征在于，基于权利要求1至8中任一项所述的同步触发装置，包括以下步骤：

步骤1，将所述同步触发装置放置在强暂态电磁环境中，调节鞭型伸缩天线角度和长度，使鞭型伸缩天线指向电磁暂态骚扰源；

步骤2，接通电源，使所述同步触发装置处于待机状态；

步骤3，设定高速比较器的参考电压阈值；

步骤4，运放模块接收外部信号电压值，并将外部信号电压值处理后输入高速比较器与参考电压阈值比较；外部信号电压值高于设定的参考电压阈值时，通过光脉冲发生器发出同步触发信号，实现数据采集的同步触发。