CN110907748A - 一种配电线路行波故障采集分析装置及故障定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电线路行波故障采集分析装置及故障定位系统，该系统包括行波故障定位装置和互联网服务器的配电线路故障定位平台。所述行波故障定位装置由ADC模数转换器、GPS/北斗卫星授时模块、DSP+FPGA实现的实时数据采集与信号处理系统以及无线调制解调器组成。行波故障定位装置采用10kV电压互感器监测配电线路上的三相电压信号实现故障检测，并将故障数据通过无线网络传输到互联网服务器上的配电线路故障定位平台。该系统利用了FPGA的高速并行特性，由FPGA进行高速同步采样、FIR滤波和小波变换等计算，由DSP对FPGA处理之后的数据进行处理，实现了高达每周波高达40次的动作判断，具有很高的故障检测灵敏度，从而能够保证实际设备的实时性要求。

Description

一种配电线路行波故障采集分析装置及故障定位系统

技术领域

本发明属于电力线缆故障在线监测领域，具体说是一种配电网供电电缆线路故障定位系统。

背景技术

随着自动化技术的发展，配电网自动化运行已经越来越重要。配电网自动化是运用各种技术及配电设备,对配电网进行监控管理,使配电网处于安全、可靠、优质、经济、高效的运行状态。故障定位是配电自动化的关键技术之一，它要求故障发生时能够快速定位故障点，并及时通知电力部门检修人员，为电力部门检修人员排查故障和恢复供电节约时间。常用的输电线路故障定位方法主要有阻抗法和行波法以及电压分布法，阻抗法由于原理上的缺陷，很难保证定位精度；电压分布法由于受过渡电阻以及线路参数的影响，也难以保证测距结果的精度；随着计算机、通信及测量技术的不断进步，行波法得到了迅速发展，并逐步进入实用化阶段。行波法受外界因素影响小，测距精度高，被广泛应用在220k V及重要110k V输电线路中。而目前的现有技术中，缺少即可以安装在环境较为恶劣的户外环境中，又具备满足实时性要求的故障定位设备。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，创新性地提出了一种配电线路行波故障采集分析装置及故障定位系统。配电线路行波故障定位系统包括安装在配电线路电线杆上的配电线路行波故障采集分析装置和互联网服务器上的配电线路故障定位平台。

其中，所述配电线路行波故障采集分析装置包括：

ADC数据采集模块，用于采集10kV电压互感器输出的3相电压信号。

GPS/北斗卫星授时模块：用于输出时间信号。

FPGA模块：控制ADC数据采集模块进行多通道同步采集，对GPS/北斗卫星授时模块输出的时间信号进行解码，将绝对时标打入ADC采样值数据中；并将采样数据经过FIR低通滤波和傅里叶变换后，与原始采样数据经过格式化写入uPP控制器的内部FIFO。

DSP模块：DSP通过uPP接口从FPGA模块接收采样数据，并进行动作检测；如检测到动作时间的发生，则由任务调度器生成一个分析任务将故障数据交给数据分析模块进行故障类型的判断和行波信号的提取，生成XML格式的数据文件存入RAM文件系统。DSP模块进一步包括数据传输服务，数据传输服务使用4G LTE调制解调器通过无线网络将故障数据发送到监控中心的配电线路故障定位平台。

所述故障定位平台收到行波故障定位装置发送的故障数据后，将故障线路上的多个行波故障定位装置发送的当前故障时刻的故障数据进行汇总分析，使用电压行波选线算法和电压行波故障定位算法确定故障分支和故障点位置，最终生成故障定位报告，通过短信和电子邮件通知到用户。

本发明所实现的配电线路行波故障定位系统采取高速多通道同步信号的采集和大量数据处理实现了交流电压信号的实时故障判断和小波变换进行故障行波的提取，具有很高的故障检测灵敏度，并具备可靠的抗电磁干扰能力，可以安装在环境恶劣的户外环境。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是本发明实施例所提供的一种配电线路行波故障定位系统的架构图；

图2是本发明实施例所提供的一种配电线路行波故障采集分析装置的架构图；

图3是本发明所提供的一种配电线路故障采集分析装置中FPGA模块的架构图；

图4是本发明所提供的一种配电线路故障采集分析装置中DSP模块的架构图；

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1显示了本发明实施例提供的一种配电线路行波故障定位系统的架构图；

其包括行波故障采集分析装置1和位于监控中心的配电线路故障定位平台2。

所述行波故障采集分析装置1安装在配电线路电线杆3上，采用10kV电压互感器监测配电线路上的三相电压信号，并使用PT供电绕组进行供电。

如图2所示，该行波故障采集分析装置1包括ADC数据采集模块，所述ADC数据采集模块采集10kV电压互感器输出的3相电压信号；

进一步的，所述ADC数据采集模块包括3个ADC模数转换器进行同步数据采集；

进一步的，采用TI公司的THS1408芯片作为ADC模数转换器来采集模拟信号，并使用OPA2604作为前端运放。THS1408具有14位的分辨率，最高8MSPS的采样速率，满足系统设计需求的≥5MSPS的设计要求，14位的分辨率可以较好的识别微弱的电压行波信号，采用CMOS工艺，使用单个3.3V供电，无需外部参考电源，可以直接接入FPGA的I/O口，支持单端和差分两种模拟量输入方式，前端使用OPA2604运放芯片，可以匹配不同的互感器输出电压信号。

所述行波故障采集分析装置1还包括GPS/北斗卫星授时模块，用于输出时间信号，所述GPS/北斗卫星授时模块的时间精度在15纳秒。

进一步的，所述GPS/北斗卫星授时模块利用卫星接收模块输出的1PPS秒脉冲和NMEA-0183标准协议获取绝对时标。所述卫星接收模块通过NMEA-0183协议，在PPS信号之后输出相应的时间信息。同步系统对该协议进行解码获得PPS信号相应的时间和日期。NMEA-0183协议的解码由FPGA模块完成，由于NMEA-0183协议的消息是变长消息，不利于使用硬件直接解码，因此使用NIOS II软核，运行C语言程序进行解码。

所述行波故障采集分析装置1还包括FPGA模块和DSP模块，如图2所示。

如图3所示，所述FPGA模块包括：

同步采样模块，用于控制3个ADC进行同步采样；

时间解码模块，对GPS/北斗卫星授时模块输出的时间信息进行解码，具体为对基于NMEA-0183协议的消息进行解码，得到时间信息；将绝对时标打入ADC采样值数据中；

FIR低通滤波模块，对采样数据进行低通滤波，截止频率500Hz；

傅里叶变换模块，利用FIR低通滤波后的数据计算工频量；

数据格式化模块，将采样数据、FIR低通滤波后的数据、工频量数据、时间数据按一定格式存入uPP控制器的FIFO；

进一步的，所述数据格式化模块将数据写入FIFO，每个数据结构长度固定，包含500个采样点和FIR低通滤波数据，傅里叶滤波计算结果，绝对时标包含GPS时间解码结果和内部时间计数器值，每个采样数据包都含有数据包中第一个采样点的绝对时标；

uPP控制器，本发明只需将采样点和时间信息从FPGA单向传输至DSP，无需将数据从DSP传输至FPGA，因此使用uPP的单通道接收模式。uPP控制器实现uPP接口协议，将FIFO内的数据通过uPP接口发送至DSP模块；FPGA使用双时钟FIFO将数据格式化模块和uPP接口连接起来，数据格式化模块作为FIFO的写入端，uPP接口作为FIFO的读端，数据格式化模块和uPP接口可使用不同的时钟独立控制；

进一步的，所述FPGA模块使用Intel公司的FPGA Cyclone IV EP4CE115F23。使用242个I/O管脚用于连接ADC数据总线，DSP、uPP数据总线等，EP4CE115F23有足够的I/O管脚，可用满足3通道AD采样数据的采集写入，uPP高速并行数据总线的读取，并有足够大的内部存储缓存足够长时间的AD采样数据，并对采集的数据进行数字滤波和傅里叶变换，给DSP留出足够的实时处理时间。FPGA接入THS1408ADC的信号，使用有限状态机读取ADC的采样值。采样值经过数据格式化后，和滤波器值，采样值一起格式化成采样数据包存入FIFO中，ADC采样数据、FIR滤波结果和傅里叶变换结果存入FIFO后，会通过uPP控制器的DMA直接存入DSP的内存中进行进一步处理。由于数据包内已经具有FIR滤波和傅里叶变换计算的基波有效值，DSP无需再重新进行计算，直接使用FPGA提供的计算结果即可判断是否有故障事件发生。采样数据包含原始的全频电压信号，有利于故障信号的回放和再次分析，稳态故障量和暂态行波信号均可通过相应的数字滤波算法进行提取。

进一步的，所述DSP模块使用Ti的TMS320C6748数字信号处理器；

所述DSP模块包括：

uPP接口驱动模块，使用DMA将采样值数据包从FPGA传输至DSP内存；

数据采集模块，数据采集模块是一个数据环形缓冲区，采样数据包被循环存入环形缓冲区；

动作检测模块，用环形缓冲区内的数据中的工频量数据计算判断是否有故障发生；

任务调度器，处理动作检测模块检测到的故障事件，将事件发送至数据分析模块和XML文件生成模块进行处理；

数据分析模块，获取动作元件触发启动通知，即故障事件；从采样缓冲区获取动作前后各一个周波的所有采样数据节点；使用工频电压计算故障类型，使用多层小波变换提取故障行波首波头到达时间，产生分析结果；

进一步的，所述动作元件触发方式包括：电压突变，电压越限，线电压突变，零序电压突变，零序电压越限等；

XML文件生成模块，利用数据分析模块产生的分析结果生成XML文件。XML文件中存储了包括故障时刻前后几个周波的采样数据，变比参数等相关信息，可用于再次分析和计算；

RAM文件系统，存储生成的XML文件；

数据传输服务，从RAM文件系统读取XML文件传输至互联网服务器上的配电线路故障定位平台。

进一步的，所述DSP模块使用TI的SYS/BIOS实时操作系统实现进行数字信号的实时处理；SYS/BIOS实时操作系统支持多任务设计，不同功能模块运行在不同的任务线程中，由于SYS/BIOS实时操作支持中断和任务抢占，高优先级任务可以抢占低优先级任务。由于GPS/北斗的时间精度在15纳秒，因此将实时性要求高的任务，如uPP接口驱动和数据采集模块，动作检测模块设置为高优先级任务，尽可能的将时间延迟缩小，将任务调度器，数据分析模块和XML文件生成器设置为中优先级任务，数据传输服务设置为低优先级任务，这样处理器可以优先处理实时性要求较高的数据采集任务，可以快速响应FPGA的数据读取请求，防止出线数据丢失和动作检测盲区。本系统能够实时检测线路上的电压信号，发生触发事件时实时将故障前和故障后的数据保存下来，运行非实时的数据分析任务，在非实时分析数据时，实时的动作检测和数据采集应当保持继续运行，不应被数据的分析任务所阻塞。

进一步的，由于本装置需要处理大量采样数据，为了避免采样数据在内存中的重复复制导致的开销，DSP处理器采用零拷贝的引用计数型数据节点，节点结构如下所示：

链表指针：用于维护链表完整性。

采样数据包：一个采样数据包，当新数据包生成的同时，为这个新数据包创建一个新的引用计数型链表节点。

引用计数器：用于计算节点被插入到了多少个链表中，计数器初时值为0，当节点被插入到一个链表时，引用计数器被加上1；当节点从链表中删除时，引用计数器减去1。当引用计数器为0时，表示该节点不再需要，节点可重新用于保存新采集的数据。否则说明该节点正在被其他链表使用，不能回收。利用这种结构保存采样值数据，后续分析计算时无需多次拷贝数据也无需多次分配释放内存，可以大幅度减少系统性能开销。

所述配电线路故障定位平台2收到行波故障采集分析装置发送的故障数据后，将故障线路上的多个行波故障采集分析装置发送的当前故障时刻的故障数据进行汇总分析，使用电压行波选线算法和电压行波故障定位算法确定故障分支和故障点位置，最终生成故障定位报告，通过短信和电子邮件通知到用户。

本发明采用的DSP+FPGA实现的行波故障采集分析装置是一种通用性很强的实时信号处理系统。FPGA适合的运算量较大，但是运算结构相对比较简单的处理，如本发明中的FIR滤波，傅里叶变换可以利用FPGA的硬件乘法器实现，实现较高的运算速度和较低的资源消耗。复杂的高层算法所处理的算法的控制结构复杂，需要较大的内存存储，并且需要运行网络协议进行数据传输，DSP具有并行数据处理能力，有很强的寻址能力用于管理较大的内存，本发明的多层小波变换和行波信号识别可以使用DSP来完成，可以缩短开发周期，系统易于扩展和维护，DSP可运行SYS/BIOS实时操作系统，具有多线程调度能力，实时中断响应能力，适合用于实时处理。在本发明中，FPGA控制3路ADC同步采样，利用卫星接收模块输出的时间信息和PPS信号为ADC采样值打上绝对时标，并进行FIR滤波和傅里叶变换计算工频量。DSP通过uPP接口将采样值数据包存入内存中，并使用FPGA计算的工频量判断是否有故障发生，在故障发生时将数据保存并发送至服务器。本发明利用了FPGA的高速并行特性，由FPGA进行了高速同步采样、FIR滤波和小波变换等计算，由DSP端对FPGA处理之后的数据进行处理，其启动元件进行相对简单的判断而不需要再进行大量计算，以此实现高达每周波高达40次的动作判断，具有很高的故障检测灵敏度，从而能够保证实际设备的实时性要求。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims (10)

1.一种配电线路行波故障采集分析装置，所述装置包括：ADC数据采集模块、GPS/北斗卫星授时模块、FPGA模块和DSP模块；

所述ADC数据采集模块采集电压互感器输出的电压信号；

所述GPS/北斗卫星授时模块用于输出时间信号；

所述FPGA模块控制所述ADC数据采集模块进行数据采样，并将所述时间信号打入ADC采样值数据中；

所述DSP模块接收FPGA模块传输的经处理的采样数据并存储，对所述采样数据进行故障分析并生成分析结果。

2.如权利要求1所述的配电线路行波故障采集分析装置，其中所述FPGA模块包括：

同步采样模块，用于控制ADC进行同步采样；

时间解码模块，对GPS/北斗卫星授时模块输出的时间信息进行解码，得到时间信息；将绝对时标打入ADC采样值数据中；

FIR低通滤波模块，对采样数据进行低通滤波处理；

傅里叶变换模块，利用FIR低通滤波后的数据计算工频量；

数据格式化模块，将采样数据、FIR低通滤波后的数据、工频量数据、时间数据按一定格式存入uPP控制器的FIFO；

uPP控制器，其实现uPP接口协议，将FIFO内的数据通过uPP接口发送至DSP模块。

3.如权利要求1或2所述的配电线路行波故障采集分析装置，其中所述DSP模块包括：

uPP接口驱动模块，使用DMA将采样值数据包从FPGA传输至DSP内存；

数据采集模块，数据采集模块是一个数据环形缓冲区，采样数据包被循环存入环形缓冲区；

动作检测模块，用环形缓冲区内的数据中的工频量数据计算判断是否有故障发生。

任务调度器，处理动作检测模块检测到的故障事件，将事件发送至数据分析模块和XML文件生成模块进行处理；

数据分析模块，获取动作元件触发启动通知；从采样缓冲区获取动作前后各一个周波的所有采样数据节点；使用工频电压计算故障类型，使用多层小波变换提取故障行波首波头到达时间，产生分析结果；

XML文件生成模块，利用数据分析模块产生的分析结果生成XML文件，XML文件中存储了包括故障时刻前后几个周波的采样数据，变比参数等相关信息，可用于再次分析和计算；

RAM文件系统，存储生成的XML文件；

数据传输服务，用于通过无线网络将故障数据发送到监控中心的服务器。

4.如权利要求1所述的配电线路行波故障采集分析装置，其中所述ADC数据采集模块包括3个ADC模数转换器，用以对电压互感器监测配电线路上的三相电压信号进行同步数据采集。

5.如权利要求2所述的配电线路行波故障采集分析装置，其中所述数据格式化模块将数据写入FIFO，每个数据结构长度固定，包含500个采样点和FIR低通滤波数据，傅里叶滤波计算结果，绝对时标包含GPS时间解码结果和内部时间计数器值，每个采样数据包都含有数据包中第一个采样点的绝对时标。

6.如权利要求2所述的配电线路行波故障采集分析装置，其中FPGA模块使用双时钟FIFO将数据格式化模块和uPP接口连接起来，数据格式化模块作为FIFO的写入端，uPP接口作为FIFO的读端，数据格式化模块和uPP接口可使用不同的时钟独立控制。

7.如权利要求3所述的配电线路行波故障采集分析装置，所述数据分析模块中获取的动作元件触发方式包括：电压突变，电压越限，线电压突变，零序电压突变，零序电压越限。

8.如权利要求3所述的配电线路行波故障采集分析装置，所述DSP模块使用TI的SYS/BIOS实时操作系统实现进行数字信号的实时处理；所述任务调度器使用SYS/BIOS实时操作系统的多任务功能实现任务调度。

9.如权利要求8所述的配电线路行波故障采集分析装置，所述任务调度器采用以下任务调度策略：

将uPP接口驱动、数据采集模块以及动作检测模块设置为高优先级任务；

将数据分析模块和XML文件生成器设置为中优先级任务；

将数据传输服务设置为低优先级任务。

10.一种配电线路行波故障定位系统，其特征在于：所述系统包括多个分布式设置的如权利要求1-9中任一项所述的配电线路行波故障采集分析装置，

所述系统还包括设置于服务器上的配电线路故障定位平台；所述配电线路故障定位平台收到行波故障定位装置发送的故障数据后，将故障线路上的多个行波故障定位装置发送的当前故障时刻的故障数据进行汇总分析，使用电压行波选线算法和电压行波故障定位算法确定故障分支和故障点位置，最终生成故障定位报告，通过短信和电子邮件通知到用户。

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