CN110161324B - 一种低频电场多点同步测量和无线传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种低频电场多点同步测量和无线传输方法，其包括：电力线下低频电场数据的多点同步测量阶段和电场数据无线传输阶段，其中，电力线下低频电场数据的多点同步测量阶段，采用电场测量系统来完成，所述电场测量系统由多个下位机和一个上位机组成，每个下位机由GPS模块、FPGA、电场传感器、信号处理单元、第一STM32F407ZG微处理器、第一无线传输单元、第一电源单元组成，上位机由第二无线传输单元、第二电源单元、第二STM32F407ZG微处理器、液晶显示单元以及存储单元组成，上位机获得低频电场的多点同步测量数据，并根据电压反演算法求得电力线路电压，本发明可以实现线路电压非接触式测量，极大提升测量的安全性和方便性。

Description

一种低频电场多点同步测量和无线传输方法

技术领域

本发明属于电场测量技术领域，尤其涉及低频电场数据多点同步测量技术。

背景技术

目前在电力系统中主要使用电容耦合式电压互感器测量电压。传统的互感器体积大，一旦固定就很难移动，需要断电安装，大量使用还可能引发铁磁谐振。随着智能电网的发展，需要能够实现电力线路电压在线监测，又能克服传统互感器劣势的测量新方法。

研究表明利用电力线下电场测量数据反演线上电压是一种可行方法，这种方法可实现线路电压非接触式测量，可根据需要沿线路走廊布置测量点，便于进行电压状态在线监测、故障诊断和定位，极大提升测量的安全性和方便性。

根据电压反演算法，需要获得多测点同步实时测量的电力线下低频电场数据，并且进行数据的无线传输。目前已有的电场测量仪均不能满足上述特殊需求。因此需要开发专用的电场测量系统。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种可以实现实现线路电压非接触式测量，可根据需要沿线路走廊布置测量点，便于进行电压状态在线监测、故障诊断和定位，极大提升测量的安全性和方便性的低频电场多点同步测量和无线传输方法。本发明的技术方案如下：

一种低频电场多点同步测量和无线传输方法，其包括：电力线下低频电场数据的多点同步测量阶段和电场数据无线传输阶段，其中，

电力线下低频电场数据的多点同步测量阶段，采用电场测量系统来完成，所述电场测量系统由多个下位机和一个上位机组成，每个下位机由GPS模块、现场可编程门阵列芯片FPGA、电场传感器、信号处理单元、第一STM32F407ZG微处理器、第一无线传输单元、第一电源单元组成，所述全球定位系统GPS用于接收世界标准时间，并发出频率为1Hz的秒脉冲信号，并发送给FPGA；FPGA用于将GPS模块的秒脉冲信号分频得到同步采样脉冲，从而触发第一STM32F407ZG微处理器内置的ADC采集电场数据，包括秒脉冲信号处理模块、状态提示模块、分频处理模块以及反相输出模块，秒脉冲信号处理模块用于判断GPS模块秒脉冲信号的上升沿，以及对两个秒脉冲上升沿之间的晶振脉冲进行计数，状态提示模块用于提示GPS秒脉冲信号的状态信息，如果信号有效，则使FPGA芯片的引脚输出高电平，反之输出低电平，分频处理模块用于将秒脉冲信号分频为同步采样信号，反相输出模块用于将同步采信号反相输出，所述电场传感器为三维平板电场传感器，三维电场传感器用于将交变电场感应为电压信号，为正方体结构，共有三对电极，每对电极都位于正方体的对立面，都会根据其方向上的电场感应出电压。；信号处理单元用于将电场传感器测量到的信号进行差分放大、电压抬升在内的处理，并传输给第一STM32F407ZG微处理器；第一STM32F407ZG微处理器通过片内集成的ADC将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，并通过DMA存储到制定的内存区域进行缓存。随后微处理器控制无线传输模块将缓存的电场数据发送至上位机，用于控制无线传输单元发送和接收数据，第一STM32F407ZG微处理器内集成的模数转换器ADC(中文)与直接内存存取器DMA用于完成电场数据的采集与存储，模数转换器ADC用于将将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号，DMA用于将ADC采集到的数据存储到指定的内存地址中，第一无线传输单元用于接收上位机发送的开始采集命令和开始发送命令，以及发送应答信号，第一电源单元用于给下位机供电；

上位机由第二无线传输单元、第二电源单元、第二STM32F407ZG微处理器、液晶显示单元以及存储单元组成，第二无线传输单元用于发送使下位机开始采集和开始发送的命令，接收下位机发送来的数据以及发送应答信号；第二电源单元用于给上位机供电；第二STM32F407ZG微处理器用于控制无线传输单元发送控制下位机的命令或接收数据，将接收到的数据存储到存储单元中以及控制液晶显示单元显示相应的提示信息；存储单元用于保存上位机接收到的数据，电场数据无线传输阶段，下位机逐一将采集到的电场瞬时值数据传输给上位机，上位机获得低频电场的多点同步测量瞬时值，并根据电压反演算法求得电力线路电压，实现线路电压非接触式测量。

进一步的，所述秒脉冲信号处理模块用于判断GPS模块秒脉冲信号的上升沿，以及对两个秒脉冲上升沿之间的晶振脉冲进行计数，考虑到晶振频率的漂移以及GPS模块的时间精度误差，相邻秒脉冲上升沿的晶振脉冲数在49998988～50001012之间，连续三次判断晶振脉冲数在该范围，则GPS秒脉冲信号有效，由于晶振具有短期稳定度，所以2s之间的频率差很小，将上一秒晶振脉冲数用于当前秒的分频处理。

进一步的，所述分频处理模块用于将秒脉冲信号分频为同步采样信号，分频处理采用的是累加器法，设置一个48位的累加器，代表采样周期的数字量化值；定义一个变量step作为晶振周期的数字量化值，即累加步长，步长用下式计算：

其中T_res为同步采样信号的周期，T_cry为晶振的周期，当秒脉冲上升沿到来时，寄存器的值清零，并根据上一秒晶振脉冲数计算出当前的step值(向下取整)，当一个晶振脉冲到来时，就在寄存器中增加一次步长，当加到寄存器最高位为1时输出高电平，继续累加到寄存器溢出时，最高位为0，输出低电平，即可得到同步采样脉冲。

进一步的，所述下位机的第二STM32F407ZG微处理器内集成的DMA配置为双缓冲模式，并为第二STM32F407ZG微处理器分配两个数据类型与长度相同的数组，分别为数组0和数组1，ADC采集到的数据通过DMA缓存到这两个数组当中，当数据将其中一个数组存满时，ADC继续采集数据，并通过DMA将数据缓存至另一个数组。

进一步的，电场数据无线传输阶段包括以下步骤：

上位机发送令下位机开始采集的命令，N个下位机同时接收到命令并开始采集；然后，上位机发送命令后其第二STM32F407ZG微处理器将无线传输单元设置为发送模式，发送地址和接收应答信号地址与下位机No.1的接收地址相同，然后开始持续发送令下位机No.1开始发送数据的命令，当下位机采集到的数据存满数组0时，ADC继续采集数据并通过DMA缓存到数组1；与此同时，每个下位机的单片机微处理器将无线传输单元配置为接收模式，且接收地址不同，以接收上位机的命令；下位机No.1的无线传输单元接收到了上位机的命令，发送应答信号并被单片机微处理器配置为发送模式，然后开始将数组0中的数据打包发送给上位机；同时，上位机接收到应答信号后其无线传输单元被单片机微处理器配置为接收模式以接收下位机No.1发来的数据；

上位机的无线传输单元接收完下位机No.1发送的所有数据后被单片机微处理器配置为发送模式，发送地址与下位机No.2的接收地址相同，并发送令下位机No.2开始发送数据的命令，所有的下位机会在当前的数组存满数据之前，将上一个数组的数据发送到上位机。

进一步的，所述上位机还引入FATFS文件系统，将接收到的数据处理后以文本文件的形式保存到存储单元中，存储单元使用SD卡，便于数据的存储和读取。

进一步的，所述FPGA选用的是Altera公司的EP4CE6E22C8N芯片，GPS模块选用了星河微电子的G28U8BFTTL北斗/GPS双模接收器，秒脉冲时间精度为±120ns。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)本发明实现了多点电场数据的同步开启测量和同步采集，使多点布置的电场测量装置每次采集的电场瞬时值都在时域上处于在同一时刻。

(2)利用双缓冲模式，使测量装置在打包发送已采集到的数据期间仍能继续采集数据，实现电场数据的不间断采集。

(3)提出多点测量电场数据的无线传输方案，使多点测量的数据能够有序实时传输，避免系统在数据发送与接收的过程中出现冲突而导致异常。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例电场测量系统的构成；

图2是本发明提供优选实施例FPGA的功能结构图；

图3是本发明提供优选实施例下位机发送数据流程图；

图4是本发明提供优选实施例上位机接收数据流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明的目的：实现多个下位机同步采集对应测点的实时电场数据，并通过无线传输方式将多测点数据有序传输到同一个上位机进行存储。

1电场测量系统构成

如图1所示，本发明一套电场测量系统由多个下位机和一个上位机组成，如图1所示。

下位机由GPS模块、FPGA、电场传感器、信号处理单元、STM32F407ZG微处理器、无线传输单元、电源单元组成。GPS用于接收世界标准时间(UTC)，并发出频率为1Hz的秒脉冲信号；FPGA用于将秒脉冲信号分频为同步采样信号；电场传感器为三维平板电场传感器；信号处理单元用于将传感器测量到的信号进行差分放大、电压抬升等处理；STM32F407ZG微处理器控制无线传输单元发送和接收数据，其片内集成的ADC与DMA用于完成电场数据的采集与存储；无线传输单元用于接收上位机发送的开始采集命令和开始发送命令，以及发送应答信号。电源单元用于给下位机供电。

上位机由无线传输单元、电源单元、STM32F407ZG微处理器、液晶显示单元以及存储单元组成。无线传输单元用于发送使下位机开始采集和开始发送的命令，接收下位机发送来的数据以及发送应答信号；电源单元用于给上位机供电；STM32F407ZG微处理器用于控制无线传输单元发送控制下位机的命令或接收数据，将接收到的数据存储到存储单元中以及控制液晶显示单元显示相应的提示信息；存储单元用于保存上位机接收到的数据。

2多点同步测量方案设计

2.1多点同步开始采集方案

N下位机在完成初始化过程后，将无线传输单元设置为接收模式，并关闭发送应答信号的功能。此时N个下位机的接收地址相同，并等待接收由上位机发送的开始采集的命令。上位机初始化完成后，设置为发送模式，发送地址与N个下位机的接收地址相同。上位机发送使下位机开始采集的命令，N个下位机同时接收到命令后开始采集数据。

2.2多点同步采样方案

使用STM32F407微处理器产生固定频率的PWM波可以触发内置ADC采集数据，每个脉冲的上升沿触发一次采集。但用这种方法实现多点同步采样会导致时间精度不足且误差越来越大，这种时间误差主要是由微处理器搭载的晶振导致的。

晶振的频率总会产生一定的漂移，主要原因是晶振晶体的物理化学性能随温度变化而变化。这导致了晶振的实际频率往往与标称频率存在偏差。例如一个8MHz，频差为±20ppm的晶振处于最大频率偏差时，1s内产生的最大时间误差有20μs，且这种误差会不断累积。

GPS接收器在接收到GPS时钟信号后会生成脉冲，时钟信号每秒更新一次，使GPS接收器每秒产生一个脉冲，即秒脉冲信号。为了使多点布置的电场测量装置尽可能同时采集，且避免时间误差的累积，使用FPGA将GPS模块的秒脉冲信号分频得到同步采样脉冲，从而触发微处理器内置的ADC采集电场数据。其中，FPGA选用的是Altera公司的EP4CE6E22C8N芯片，GPS模块选用了星河微电子的G28U8BFTTL北斗/GPS双模接收器，秒脉冲时间精度为±120ns。

如图2所示，将FPGA需要实现的功能分为以下四个模块：秒脉冲信号处理模块、状态提示模块、分频处理模块以及反相输出模块。

秒脉冲信号处理模块用于判断GPS模块秒脉冲信号的上升沿，以及对两个秒脉冲上升沿之间的晶振脉冲进行计数。考虑到晶振频率的漂移以及GPS模块的时间精度误差，相邻秒脉冲上升沿的晶振脉冲数应在49998988～50001012之间。连续三次判断晶振脉冲数在该范围，则GPS秒脉冲信号有效。由于晶振具有短期稳定度，所以2s之间的频率差很小，可以将上一秒晶振脉冲数用于当前秒的分频处理。

状态提示模块用于GPS秒脉冲信号的状态信息，如果信号有效，则使FPGA芯片的28号引脚输出高电平，反之输出低电平。输出的状态信息由微处理器进行判断。

分频处理模块用于将秒脉冲信号分频为同步采样信号。分频处理采用的是累加器法。设置一个48位的累加器，代表采样周期的数字量化值；定义一个变量step作为晶振周期的数字量化值，即累加步长。步长可用下式计算：

其中T_res为同步采样信号的周期，T_cry为晶振的周期。当秒脉冲上升沿到来时，寄存器的值清零，并根据上一秒晶振脉冲数计算出当前的step值(向下取整)。当一个晶振脉冲到来时，就在寄存器中增加一次步长。当加到寄存器最高位为1时输出高电平。继续累加到寄存器溢出时，最高位为0，输出低电平。这样即可得到同步采样脉冲。

反相输出模块用于将同步重采信号反相输出。在秒脉冲到来的时刻，寄存器器由于被清零导致在一段时间后才可以输出高电平。为保证多点采样信号相位的一致性，需要在秒脉冲上升沿处输出采样信号。反相模块可以在原采样信号为低电平时输出高电平，即在秒脉冲到来时刻输出采样信号以触发ADC进行采集。

3多点测量数据的无线传输方案

将下位机的STM32F407ZG微处理器内集成的DMA配置为双缓冲模式，并为其分配两个数据类型与长度相同的数组，分别为数组0和数组1，ADC采集到的数据通过DMA缓存到这两个数组当中。当数据将其中一个数组存满时，ADC继续采集数据，并通过DMA将数据缓存至另一个数组。

上位机发送令下位机开始采集的命令，N个下位机同时接收到命令并开始采集。

然后，上位机发送命令后其单片机微处理器将无线传输单元设置为发送模式，发送地址和接收应答信号地址与下位机No.1的接收地址相同，然后开始持续发送令下位机No.1开始发送数据的命令。当下位机采集到的数据存满数组0时，ADC继续采集数据并通过DMA缓存到数组1。与此同时，每个下位机的单片机微处理器将无线传输单元配置为接收模式，且接收地址不同，以接收上位机的命令。下位机No.1的无线传输单元接收到了上位机的命令，发送应答信号并被单片机微处理器配置为发送模式，然后开始将数组0中的数据打包发送给上位机。同时，上位机接收到应答信号后其无线传输单元被单片机微处理器配置为接收模式以接收下位机No.1发来的数据。

上位机的无线传输单元接收完下位机No.1发送的所有数据后被单片机微处理器配置为发送模式，发送地址与下位机No.2的接收地址相同，并发送令下位机No.2开始发送数据的命令。

以此类推，不再赘述。所有的下位机会在当前的数组存满数据之前，将上一个数组的数据发送到上位机。数据传输的流程图如图3、4所示。

4各测量点实时数据的存储

为上位机引入FATFS文件系统，将接收到的数据处理后以文本文件的形式保存到存储单元中。存储单元使用SD卡，便于数据的存储和读取。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

5交流输电线路电压反演逆推原理

架空输电线路电压与电场的其数学模型可表示为矩阵方程

E＝KU (1)

式中：U为输电线路电压列向量；E为线下观测点处电场分量组成的列向量；K是由输电线位置和观测点位置确定的观测矩阵。则交流输电线路电压列向量可用下式求得：

U＝K^-1E (2)。

Claims (7)

1.一种低频电场多点同步测量和无线传输方法，其特征在于，包括：电力线下低频电场数据的多点同步测量阶段和电场数据无线传输阶段，其中，电力线下低频电场数据的多点同步测量阶段，采用电场测量系统来完成，所述电场测量系统由多个下位机和一个上位机组成，每个下位机由GPS模块、现场可编程门阵列芯片FPGA、电场传感器、信号处理单元、第一STM32F407ZG微处理器、第一无线传输单元、第一电源单元组成，所述GPS模块用于接收世界标准时间，并发出频率为1Hz的秒脉冲信号，并发送给FPGA；FPGA用于将GPS模块的秒脉冲信号分频得到同步采样脉冲，从而触发第一STM32F407ZG微处理器内置的ADC采集电场数据，包括秒脉冲信号处理模块、状态提示模块、分频处理模块以及反相输出模块，秒脉冲信号处理模块用于判断GPS模块秒脉冲信号的上升沿，以及对两个秒脉冲上升沿之间的晶振脉冲进行计数，状态提示模块用于提示GPS秒脉冲信号的状态信息，如果信号有效，则使FPGA芯片的引脚输出高电平，反之输出低电平，分频处理模块用于将秒脉冲信号分频为同步采样信号，反相输出模块用于将同步采信号反相输出，所述电场传感器为三维平板电场传感器，三维电场传感器用于将交变电场感应为电压信号，为正方体结构，共有三对电极，每对电极都位于正方体的对立面，都会根据其方向上的电场感应出电压；信号处理单元用于将电场传感器测量到的信号进行差分放大、电压抬升在内的处理，并传输给第一STM32F407ZG微处理器；第一STM32F407ZG微处理器通过片内集成的ADC将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，并通过DMA存储到指定的内存区域进行缓存；随后微处理器控制无线传输模块将缓存的电场数据发送至上位机，用于控制无线传输单元发送和接收数据，第一STM32F407ZG微处理器内集成的模数转换器ADC与直接内存存取器DMA用于完成电场数据的采集与存储，模数转换器ADC用于将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号，DMA用于将ADC采集到的数据存储到指定的内存地址中，第一无线传输单元用于接收上位机发送的开始采集命令和开始发送命令，以及发送应答信号，第一电源单元用于给下位机供电；

上位机由第二无线传输单元、第二电源单元、第二STM32F407ZG微处理器、液晶显示单元以及存储单元组成，第二无线传输单元用于发送使下位机开始采集和开始发送的命令，接收下位机发送来的数据以及发送应答信号；第二电源单元用于给上位机供电；第二STM32F407ZG微处理器用于控制无线传输单元发送控制下位机的命令或接收数据，将接收到的数据存储到存储单元中以及控制液晶显示单元显示相应的提示信息；存储单元用于保存上位机接收到的数据，电场数据无线传输阶段，下位机逐一将采集到的电场瞬时值数据传输给上位机，上位机获得低频电场的多点同步测量瞬时值，并根据电压反演算法求得电力线路电压，实现线路电压非接触式测量。

2.根据权利要求1所述的一种低频电场多点同步测量和无线传输方法，其特征在于，所述秒脉冲信号处理模块用于判断GPS模块秒脉冲信号的上升沿，以及对两个秒脉冲上升沿之间的晶振脉冲进行计数，考虑到晶振频率的漂移以及GPS模块的时间精度误差，相邻秒脉冲上升沿的晶振脉冲数在49998988～50001012之间，连续三次判断晶振脉冲数在该范围，则GPS秒脉冲信号有效，由于晶振具有短期稳定度，所以2s之间的频率差很小，将上一秒晶振脉冲数用于当前秒的分频处理。

3.根据权利要求2所述的一种低频电场多点同步测量和无线传输方法，其特征在于，所述分频处理模块用于将秒脉冲信号分频为同步采样信号，分频处理采用的是累加器法，设置一个48位的累加器，代表采样周期的数字量化值；定义一个变量step作为晶振周期的数字量化值，即累加步长，步长用下式计算：

其中T_res为同步采样信号的周期，T_cry为晶振的周期，当秒脉冲上升沿到来时，寄存器的值清零，并根据上一秒晶振脉冲数计算出当前的step值，其中step值向下取整，当一个晶振脉冲到来时，就在寄存器中增加一次步长，当加到寄存器最高位为1时输出高电平，继续累加到寄存器溢出时，最高位为0，输出低电平，即可得到同步采样脉冲。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种低频电场多点同步测量和无线传输方法，其特征在于，所述下位机的第二STM32F407ZG微处理器内集成的DMA配置为双缓冲模式，并为第二STM32F407ZG微处理器分配两个数据类型与长度相同的数组，分别为数组0和数组1，ADC采集到的数据通过DMA缓存到这两个数组当中，当数据将其中一个数组存满时，ADC继续采集数据，并通过DMA将数据缓存至另一个数组。

5.根据权利要求4所述的一种低频电场多点同步测量和无线传输方法，其特征在于，电场数据无线传输阶段包括以下步骤：

上位机发送令下位机开始采集的命令，N个下位机同时接收到命令并开始采集；然后，上位机发送命令后其第二STM32F407ZG微处理器将无线传输单元设置为发送模式，发送地址和接收应答信号地址与下位机No.1的接收地址相同，然后开始持续发送令下位机No.1开始发送数据的命令，当下位机采集到的数据存满数组0时，ADC继续采集数据并通过DMA缓存到数组1；与此同时，每个下位机的单片机微处理器将无线传输单元配置为接收模式，且接收地址不同，以接收上位机的命令；下位机No.1的无线传输单元接收到了上位机的命令，发送应答信号并被单片机微处理器配置为发送模式，然后开始将数组0中的数据打包发送给上位机；同时，上位机接收到应答信号后其无线传输单元被第二STM32F407ZG微处理配置为接收模式以接收下位机No.1发来的数据；

上位机的无线传输单元接收完下位机No.1发送的所有数据后被单片机微处理器配置为发送模式，发送地址与下位机No.2的接收地址相同，并发送令下位机No.2开始发送数据的命令，所有的下位机会在当前的数组存满数据之前，将上一个数组的数据发送到上位机。

6.根据权利要求5所述的一种低频电场多点同步测量和无线传输方法，其特征在于，所述上位机还引入FATFS文件系统，将接收到的数据处理后以文本文件的形式保存到存储单元中，存储单元使用SD卡，便于数据的存储和读取。

7.根据权利要求1所述的一种低频电场多点同步测量和无线传输方法，其特征在于，所述FPGA选用的是Altera公司的EP4CE6E22C8N芯片，GPS模块选用了星河微电子的G28U8BFTTL北斗/GPS双模接收器，秒脉冲时间精度为±120ns。

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