CN109581041A - 一种适用于诊断终端的高速采样方法及系统 - Google Patents

一种适用于诊断终端的高速采样方法及系统 Download PDF

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邓庆
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Abstract

本发明公开了一种适用于诊断终端的高速采样方法及系统，采用双罗氏线圈和双ADC采样电路，利用罗氏线圈测量频带宽几千赫兹到几兆赫兹，测量范围广几安～几百千安的电流；罗氏线圈结构轻小，安装方便，不破坏导体而且与被测回路没有直接的电连接，对原边电流信号影响小，不含铁磁性材料，不会发生饱和现象，线性度好。通过FPGA的程序设置在不同的电流范围内启动不同的采样通道，保证采样全范围的精度。

Description

一种适用于诊断终端的高速采样方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种适用于诊断终端的高速采样方法及系统。
背景技术
在电网中的暂态电流包含了大量的故障信息，同时对仪器的测量带宽、速率、测量准确度提出了较高要求；具有合适的灵敏度范围，能够覆盖从工频到兆赫兹高频信号的大带宽检测设备会较完整的复现故障电流，这对电力系统的故障诊断和预防具有重要意义。不仅能有助于及时修复故障线路，而且能大量节省巡线的人力和物力，确保整个电网的安全稳定运行，具有巨大的社会和经济效益。
在电力系统及工业控制等一些应用领域对电流进行采样电流传感器一般采用传统的电磁式CT。然而，传统电磁式CT由于存在大电流饱和等问题，频率特性较差，不利于高频大电流的检测。此外，传统电力系统及工业控制装置多是采用采样速率低于1 MSPS的采样回路,该采样方法无法实时高精度采集高频的电流。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于诊断终端的高速采样方法及系统。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种高速采样方法，其特征在于，包括：
通过罗氏线圈获取线路的采样电流值；
对采样电流值进行积分处理，得到与采样电流值同相位的电流波形信号；
对电流波形信号进行高通滤波处理，得到滤波后的电流波形信号，用于降低低频信号增益；
对滤波后的电流波形信号进行差分转换处理，得到电流差分信号；将采样信号由单端信号变成差分信号；
对电流差分信号进行模数转换处理，得到电流差分数字信号。
一种高速采样方法，包括：获取电流差分数字信号，并基于电流差分数字信号进行故障启动判断，给出启动指令。
进一步的，具体包括：根据电流值大小动态设定暂态电流采集设定阀值及暂态电流特征，当稳态电流大于暂态电流采集设定阀值或符合暂态电流特征时，给出指令控制双高速采样单元中的暂态电流采样单元启动采样，并将暂态电流数据上送、存储。
本发明还提供一种高速采样单元，包括：
采样模块，通过罗氏线圈获取线路的采样电流值；
第一运放模块，对采样电流值进行积分处理，得到与采样电流值同相位的电流波形信号；
第二运放模块，对电流波形信号进行高通滤波处理，得到滤波后的电流波形信号，用于降低低频信号增益；
差分运放模块，对滤波后的电流波形信号进行差分转换处理，得到电流差分信号；将采样信号由单端信号变成差分信号；
模数转换模块，对电流差分信号进行模数转换处理，得到电流差分数字信号。
进一步的，所述的高速采样单元，其特征在于，所述采样模块采用罗氏线圈，所述罗氏线圈采用开口式的柔性线圈。
作为优选方案，所述的高速采样单元，其特征在于，所述模数转换模块采用16位模数转换器。
另一方面，本发明还提供一种高速采样装置，其特征在于，包括两个以上的所述的高速采样单元。
另一方面，本发明还提供一种高速采样系统，其特征在于，包括两个所述的高速采样单元，还包括FPGA控制单元，所述FPGA控制单元用于获取电流差分数字信号，并基于电流差分数字信号进行故障启动判断，给出启动指令。
具体的，所述FPGA控制单元根据电流值大小动态设定暂态电流采集设定阀值及暂态电流特征，当稳态电流大于暂态电流采集设定阀值或符合暂态电流特征时，给出指令控制双高速采样单元中的暂态电流采样单元启动采样，并将暂态电流数据上送、存储。
基于电流差分数字信号进行故障启动判断，可以实现故障出现时立即启动；在电流数据采集过程中，海量数据会造成数据缓存区饱和而导致数据丢失。对此，在FPGA内开辟了大容量存储空间，循环保留采样数据；启动确认后，FPGA主动启动DMA数据传输，将故障判别所需的波形数据即时上送。
FPGA内部设计了采样及启动控制模块，在FPGA的控制下进行2片ADC高速同步采样，采样数据实时缓存在片内存储器——环形缓冲区内，循环覆盖，缓冲区的设置至少为所需记录数据的2倍以上；采样的同时基于电流差分数字信号进行故障启动判断，高、低量程采用不同的判据和启动门槛，启动门槛触发后，FPGA记录数据时戳，并计算录波起始位置，等待录波结束位置所需的采样数据获取后，启动DMA数据传输，将电流录波波形上送到CPU，并产生中断信号通知CPU分析处理。高量程采样对应瞬态电流，采用单点判据，一旦故障波形满足条件就可以立即启动录波；低量程采样对应稳态电流，采用区间多点判据，只有电流波形连续出现在该区间内才会启动录波，避免其他干扰的影响。两个通道的采样数据都能实时上送，确保故障波形的全面、完整，利于事后分析。
柔性双罗氏线圈采用开口式的柔性线圈，具有安装使用方便，测量频带宽、线性度好、结构简单、抗干扰能力强等优点；双高速采样单元使用积分调理电路处理源自罗氏线圈的小信号，使用高带宽差分运放及转换速率10 MSPS的16位A／D转换器，采集数据；所述FPGA控制单元，根据电流值大小动态设定暂态电流采集设定阀值及特征。当稳态电流大于设定的阀值或符合暂态电流特征时，双ADC高速采样单元中的暂态电流采样单元启动采样，并将暂态电流数据送至FPGA处理，再存数据至存储单元中。
基于架空线安装的故障诊断终端，在输电线路导线上沿线安装若干监测装置，利用罗氏线圈检测故障电流信号，消除了线圈饱和的影响，测量频带宽，测量范围大。该技术的关键点是电流的快速、精确采样，以及后续大数据的存储。
有益效果：本发明提供的适用于诊断终端的高速采样方法及系统，本发明利用罗氏线圈测量频带宽几千赫兹到几兆赫兹，测量范围广几安～几百千安的电流；罗氏线圈结构轻小，安装方便，不破坏导体而且与被测回路没有直接的电连接，对原边电流信号影响小，不含铁磁性材料，不会发生饱和现象，线性度好。采用双罗氏线圈和双ADC采样电路，通过FPGA的程序设置在不同的电流范围内启动不同的采样通道，保证采样全范围的精度。
附图说明
图1为实施例高速采样系统示意图；
图2为实施例罗氏线圈外积分电路示意图；
图3为实施例ADC采样信号调理电路示意图；
图4为实施例采样及启动控制示意图（单通道）。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种适用于诊断终端的高速采样方法，包括：
获取线路的采样电流值；
对采样电流值进行积分处理，得到与采样电流值同相位的电流波形信号；
对电流波形信号进行高通滤波处理，得到滤波后的电流波形信号，用于降低低频信号增益；
差分运放模块，对滤波后的电流波形信号进行差分转换处理，得到电流差分信号；将采样信号由单端信号变成差分信号；
模数转换模块，对电流差分信号进行模数转换处理，得到电流差分数字信号。
进一步的，所述的高速采样方法，还包括：
获取电流差分数字信号，并基于电流差分数字信号进行故障启动判断，给出启动指令。
进一步的，根据电流值大小动态设定暂态电流采集设定阀值及暂态电流特征，当稳态电流大于暂态电流采集设定阀值或符合暂态电流特征时，给出指令控制双高速采样单元中的暂态电流采样单元启动采样，并将暂态电流数据上送、存储。
实施例1
如图1所示，一种适用于诊断终端的高速采样系统，包括：两个通道的高速采样单元和一个FPGA控制单元。所述高速采样单元包括采样模块（柔性线圈），外积分电路（第一运放模块、第二运放模块），ADC采样信号调理电路（差分运放模块、模数转换模块）；
高速采样单元具体包括：
采样模块，通过罗氏线圈获取线路的采样电流值；所述采样模块采用罗氏线圈，所述罗氏线圈采用开口式的柔性线圈。
第一运放模块，对采样电流值进行积分处理，得到与采样电流值同相位的电流波形信号；
第二运放模块，对电流波形信号进行高通滤波处理，得到滤波后的电流波形信号，用于降低低频信号增益；
差分运放模块，对滤波后的电流波形信号进行差分转换处理，得到电流差分信号；将采样信号由单端信号变成差分信号；
模数转换模块，对电流差分信号进行模数转换处理，得到电流差分数字信号。
所述FPGA控制单元，用于获取电流差分数字信号，并基于电流差分数字信号进行故障启动判断，给出启动指令。根据电流值大小动态设定暂态电流采集设定阀值及暂态电流特征，当稳态电流大于暂态电流采集设定阀值或符合暂态电流特征时，给出指令控制双高速采样单元中的暂态电流采样单元启动采样，并将暂态电流数据上送、存储。
作为优选方案，所述的高速采样单元，其特征在于，所述模数转换模块采用16位模数转换器。
在一些实施例中，如图2所示，为罗氏线圈外积分电路示意图。采用罗氏线圈配合带负反馈的积分电路来测量电流，Rs为罗氏线圈的外接采样电阻，R1是阻尼电阻，C1是积分电路电容，反馈电阻RF用来消除运算放大器失调电流、偏置电流和温度漂移等非理想因素经过积分电容的不断累积在输出端产生的叠加在有用信号上的斜坡输出。有效提高罗氏线圈输出信号的信噪比。RP1和RP2为运放的平衡电阻，消除运放的偏置电流。积分环节之后增加了一个由R2和C2构成的截止频率为10Hz的一阶高通滤波，降低低频信号增益。 RL为整个罗氏线圈外积分回路的输出负载电阻，接后续的ADC采样信号调理电路。
由于在电力系统及工业控制等一些应用领域，电流频率范围在几十 Hz 到几百KHz 之间，根据采样定理，ADC 转换的频率必须大于信号最高频率的 2 倍。为了较好的保持信号波形，本发明采用的采样频率带宽为 95MHz。同时，根据理论和实验证明，当电流的变化范围很大，这就要求 ADC 电路具有较大的输入动态范围。
因此，为了提高采样精度和抗干扰能力，源自罗氏线圈的积分电路的小信号经差分运放驱动后接入高速ADC芯片。
在一些实施例中，如图3所示，为ADC采样信号调理电路示意图。
其中，U1是一款专用的差分运放驱动芯片，它将罗氏线圈外积分回路的单端信号转换为差分信号，再送入U2高速 ADC 转换芯片。ADC 转换芯片为16 位采样精度，最高采样速率为 10MSPS的集成采样芯片。输入端为差分式采样保持放大电路，输出端为多级差分流水线结构，并配有差错校正逻辑，保证了采样时数据的准确性。此外，输出数据可以配置为标准二进制或二进制补码格式。
在一些实施例中，如图4所示，为单通道采样及启动控制示意图。
FPGA控制单元设计时，利用FPGA的高速和多项目并行实时处理能力控制两个A／D转换器的10 MSPS高速同步采样，在采样的同时基于电流差分数字信号进行故障启动判断，可以实现故障出现时立即启动；在电流数据采集过程中，海量数据会造成数据缓存区饱和而导致数据丢失。对此，在FPGA内开辟了大容量存储空间，循环保留采样数据；启动确认后，FPGA主动启动DMA数据传输，将故障判别所需的波形数据即时上送。
FPGA内部设计了采样及启动控制模块，在FPGA的控制下进行2片ADC高速同步采样，采样数据实时缓存在片内存储器——环形缓冲区内，循环覆盖，缓冲区的设置至少为所需记录数据的2倍以上；采样的同时基于电流差分数字信号进行故障启动判断，高、低量程采用不同的判据和启动门槛，启动门槛触发后，FPGA记录数据时戳，并计算录波起始位置，等待录波结束位置所需的采样数据获取后，启动DMA数据传输，将电流录波波形上送到CPU，并产生中断信号通知CPU分析处理。高量程采样对应瞬态电流，采用单点判据，一旦故障波形满足条件就可以立即启动录波；低量程采样对应稳态电流，采用区间多点判据，只有电流波形连续出现在该区间内才会启动录波，避免其他干扰的影响。两个通道的采样数据都能实时上送，确保故障波形的全面、完整，利于事后分析。
柔性双罗氏线圈采用开口式的柔性线圈，具有安装使用方便，测量频带宽、线性度好、结构简单、抗干扰能力强等优点；双高速采样单元使用积分调理电路处理源自罗氏线圈的小信号，使用高带宽差分运放及转换速率10 MSPS的16位A／D转换器，采集数据；所述FPGA控制单元，根据电流值大小动态设定暂态电流采集设定阀值及特征。当稳态电流大于设定的阀值或符合暂态电流特征时，双ADC高速采样单元中的暂态电流采样单元启动采样，并将暂态电流数据送至FPGA处理，再存数据至存储单元中。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高速采样方法，其特征在于，包括：
获取线路的采样电流值；
对采样电流值进行积分处理，得到与采样电流值同相位的电流波形信号；
对电流波形信号进行高通滤波处理，得到滤波后的电流波形信号，用于降低低频信号增益；
对滤波后的电流波形信号进行差分转换处理，得到电流差分信号；将采样信号由单端信号变成差分信号；
对电流差分信号进行模数转换处理，得到电流差分数字信号。
2.根据权利要求1所述的高速采样方法，其特征在于，包括：
获取电流差分数字信号，并基于电流差分数字信号进行故障启动判断，给出启动指令。
3.根据权利要求2所述的高速采样方法，其特征在于，具体包括：根据电流值大小动态设定暂态电流采集设定阀值及暂态电流特征，当稳态电流大于暂态电流采集设定阀值或符合暂态电流特征时，给出指令控制双高速采样单元中的暂态电流采样单元启动采样，并将暂态电流数据上送、存储。
4.一种高速采样单元，其特征在于，包括：
采样模块，通过罗氏线圈获取线路的采样电流值；
第一运放模块，对采样电流值进行积分处理，得到与采样电流值同相位的电流波形信号；
第二运放模块，对电流波形信号进行高通滤波处理，得到滤波后的电流波形信号，用于降低低频信号增益；
差分运放模块，对滤波后的电流波形信号进行差分转换处理，得到电流差分信号；将采样信号由单端信号变成差分信号；
模数转换模块，对电流差分信号进行模数转换处理，得到电流差分数字信号。
5.根据权利要求4所述的高速采样单元，其特征在于，所述采样模块采用罗氏线圈，所述罗氏线圈采用开口式的柔性线圈。
6.根据权利要求4所述的高速采样单元，其特征在于，所述模数转换模块采用16位模数转换器。
7.一种高速采样装置，其特征在于，包括两个以上的权利要求4-6任一项所述的高速采样单元。
8.一种高速采样系统，其特征在于，包括两个权利要求4-6任一项所述的高速采样单元。
9.根据权利要求8所述的高速采样系统，其特征在于，所述高速采样系统还包括FPGA控制单元，用于获取电流差分数字信号，并基于电流差分数字信号进行故障启动判断，给出启动指令。
10.根据权利要求9所述的高速采样方法，其特征在于，所述FPGA控制单元，根据电流值大小动态设定暂态电流采集设定阀值及暂态电流特征，当稳态电流大于暂态电流采集设定阀值或符合暂态电流特征时，给出指令控制双高速采样单元中的暂态电流采样单元启动采样，并将暂态电流数据上送、存储。
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