CN112557804A - 一种馈线终端装置及其信号采集计算和选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种馈线终端装置，包括：依次连接的前端信号采集模块、模数转换模块和数据读取模块，所述的前端信号采集模块把采集的低电压和低电流信号转换成小电压信号，所述的模数转换模块具有8个通道、采用16位并行读取数据模式、信号采集频率在6kHZ以上，所述的数据读取模块配置16位宽的数据总线。本发明还涉及一种基于上述馈线终端的信号采集和选线方法。本发明在传统采集电路的基础上，通过优化前端采集电路、选用更高性能的AD芯片以及采用16位并行总线读取数据，提高采集精度及速率，减少量化误差、精确采集信号量、提高采样速率。本发明规避适用特定工况的局限性以及容易误动的缺点，选用准确性及可靠性更高的小波选线方法。

Description

一种馈线终端装置及其信号采集计算和选线方法

技术领域

本发明属于馈线终端设备技术领域，具体涉及一种具备高精度高速率信号采集的馈线终端装置及其信号采集计算和选线方法。

背景技术

馈线终端装置是针对柱上开关研制的配网自动化终端产品，是各种类型的柱上开关自动化的首选配套机型。馈线终端装置负责柱上开关等开关设备的开关量及测量量的采集，经过处理后，实现馈电线路的故障识别、故障定位、故障隔离；按通信协议报告给上级主站或子站，并接受上级主站或子站下达的命令。

随着电力市场和经济建设的发展，对城市电网的供电稳定性和可靠性提出了越来越高的要求。馈线终端作为柱上开关的优先选择产品，要求其模拟量采集精度高、速率快，满足故障甄别准确、动作快速，保障线路供电稳定可靠。现有的馈线终端装置，在信号采集的精度和速率方面，都已经无法满足现实的需要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明设计出一种高精度、高速率信号采集的馈线终端装置及其信号采集计算和选线方法。本发明所采用的技术方案如下：

一种馈线终端装置，包括：依次连接的前端信号采集模块、模数转换模块和数据读取模块，所述的前端信号采集模块把采集的低电压和低电流信号转换成小电压信号，所述的模数转换模块具有8个通道、采用16位并行读取数据模式、信号采集频率在6kHZ以上，所述的数据读取模块配置16位宽的数据总线；所述的馈线终端装置中设置磁珠用于吸收高频噪音和尖峰干扰，设置双向TVS管吸收输入的瞬态高压。采集低电压、低电流信号分别用到电压互感器、电流互感器，两种互感器采集的信号都是转换成小电压信号。

一种馈线终端的信号采集计算和选线方法，包括以下步骤：

步骤1、利用两点乘积算法计算暂态特征量；

步骤2、利用小波选线方法选择出故障的线路；

步骤3、设定故障告警及常规保护逻辑。

本发明的有益效果：

本发明在传统采集电路的基础上，通过优化前端信号采集电路、选用更高性能的AD芯片以及采用16位并行总线读取数据，提高采集精度及速率，减少量化误差、精确采集信号量、提高采样速率。

两点乘积法可以实现信号有效值快速计算以及相关保护的快速动作。小波选线算法有效减少信号扰动造成的误动，利用小波基函数对暂态特征进行多层次的分解，使选线更加准确有效。本发明经过对常见选线方法的分析，规避适用特定工况的局限性以及容易误动的缺点，选用准确性及可靠性更高的小波选线方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本申请保护范围之内的附图。

图1是本发明实施例的前端信号采集模块的电路原理示意图；

图2是本发明实施例的模数转换模块的电路原理示意图；

图3是本发明实施例的数据读取模块的电路原理示意图。

图4是本发明实施例的暂态过程等效电路的原理示意图；

图5是本发明实施例的信号采集计算和选线方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的实施方式。

如图1所示，是本发明实施例的前端信号采集模块的电路原理示意图。前端信号采集模块，包括：宽电压输出范围的电磁式电压电流互感器T7，用于吸收高频噪音和尖峰干扰的磁珠L7；双向TVS管D8可吸收输入的瞬态高压，保护后级电路；R28、R29、R73、C23和C24为阻容元器件；V1与V1GND为电气连接网络标号。

所述的互感器T7的输出的第一支路上串连磁珠L7、电阻R28，互感器T7的输出的第二支路上串连电阻R73；在磁珠L7之前的第一支路、第二支路间依次并联双向TVS管D8、电容C24，在磁珠L7和R28之间的第一支路、第二支路间并联电阻R29，在第一支路、第二支路的末端并联电容C23。

作为优选的实施例，互感器T7为FG CT 50A/7.07V电压电流互感器，可以将50A范围内的电流信号转化成7.07V以内的小电压信号；TVS管D8为P6SMB12CA系列TVS二极管，电阻R28、R73为2.2kΩ±1％电阻，电阻R29为1MΩ±1％电阻，电容C24为100nF电容，电容23为10nF±5％/630V聚酯薄膜电容。

使用电磁式电压电流互感器把一次互感器的采集电压电流信号转换成小电压信号，同时，该电磁式互感器的选择要既能满足过流采集的需求，又不能影响正常采集的采样精度，两者之间需综合考虑。在此，选择宽电压输出范围的互感器，二次输出为小电压信号。因采用电磁式互感器，所以部分高频信号被T7互感器自身过滤掉，之后小电压信号经过双向TVS管D8吸收掉瞬态高压,然后经过磁珠L7又能滤除部分高频干扰信号，再经过R28、R73、C23组成的低通滤波器把频率截止在7kHz以下。C23采用聚酯薄膜电容，自愈性好，可靠性高，损耗小，电性能优越。上述新型前端信号采集模块的电路，能保证原始模拟信号无失真、高可靠的进入后级模数转换模块进行采样。

模数转换模块采用AD7606B芯片，如图2所示，是本发明实施例的模数转换模块的电路原理示意图。AD7606B芯片是一款16位、同步采样、模数转换数据采集系统(DAS)；具有8个通道，满足馈线终端装置对多路电压、电路采样的要求；每个通道均带有模拟输入箝位保护，可承受高达±21V的电压；为提高读取A/D转换数据的速率，提升馈线终端装置对线路信号的处理速度、加快故障响应速度，AD7606B选用16位并行读取数据模式，以加快主控芯片对原始信号的读取处理。同时，AD7606B的信号采集频率在6kHZ以上，满足一个周波至少120个点，远远超于常规产品的采集速率与采集点数，更能够完整的实现录波与提高采集精度。

所述的数据读取模块采用STM32F407芯片，如图3所示，是本发明实施例的数据读取模块的电路原理示意图。STM32F407芯片具有灵活的静态存储控制器(FSMC)，可配置16位宽的数据总线FSMC_D0～FSMC_D16，分别与AD7606B的16位并行数据输出引脚对应相连，实现对AD7606B的访问，读取数据。原理图设计如图3。

采用外置16位AD7606B与高性能STM32F407芯片并行高速率采集的方式，与传统产品采用低位数AD芯片或DSP内部AD的方式相比，能够有效提高采集频率与采集精度。

本发明实施例中，优化了前端信号采集模块电路，以及摒弃了传统的12位A/D转换芯片，采用16位A/D转换芯片。

一种馈线终端的信号采集计算和选线方法，包括以下步骤：

步骤1、利用两点乘积算法计算暂态特征量，提升暂态特征量的计算精度及速度。

利用两点乘积算法，对馈线终端所挂线路，在任意时刻相隔T/4(T为电网工频电压或电流的周期时长20ms)的电压和电流进行采样，通过计算获得电气信号的有效值，并远传至主站。对工频交流电而言，两点乘积法的数据窗为T/4＝5ms，该算法的优点是计算简单快速，克服了传统的多点算法计算周期长、速度慢的缺点。

以电流的采集计算为例，电流可表示为：

式中ω—角频率；I—电流有效值；T_s—采样间隔；α_i0—电流初相角；nT_s—采样时刻；i(nT_s)—采样时刻nT_s对应的电流采样值。

两点乘积算法中，设i₁，i₂分别是相差

(电网正弦周期时长T＝20ms，对应弧度制2π，T/4就对应

)时间间隔的两个采样值，采样时刻分别为n₁、n₂，则

i₁ ²+i₂ ²＝2I²

由此可得电流有效值

为了进一步提高采集精度，消除频率波动对采集精度的影响，频率采集采用硬件过零触发采集方式，消除软件过零采集算法带来的累计误差。

在小电流接地系统出现单相接地故障后，流经线路故障点处的电流受对地电容的影响数值很小，无法精确测量其稳态量，而暂态特征量就很明显，所以选择暂态量作为接地故障判断信息。

当发生单相接地时，其暂态过程等效电路如图4所示。根据图4，可得

式(1)中，i_c、i_L和U_m分别为流过电容电流、流过电感电流和相电压幅值；R₀、L₀、R_L、L和C₀为小电流接地系统电路等效电阻、电阻及电容。

根据式(1)，可求得i_c、i_L和i_d：

式(2)中，I_Cm是电容电流幅值，ω是工频下的角频率，

是零序电压起始相角，ω_f是暂态振荡角频率，δ是振荡衰减系数，I_Lm是电感电流幅值，τ_L是电感回路时间常数。

由此可知，暂态接地电流i_d由暂态电容电流和暂态电感电流相加得到，二者不能抵消，一旦系统发生故障，系统中将产生较大的暂态电流分量，根据暂态量的突变特点，实现故障线路的选择。

步骤2、利用小波选线方法选择出故障的线路，提高故障选线准确性。

常见的选线方法有很多种，零序电流比幅比相法在线路较短或经大电阻接地电网中，由于零序电流幅值很小，基频相位误差很大，容易导致选线错误，在经消弧线圈接地系统中，故障线路的零序电流会超前零序电压90°，该方法不再适用；零序有功功率法在零序回路的电阻值较小时，零序电流的有功分量也很小，容易误选；“S注入法”对瞬时接地故障不够灵敏，还需外界设备向系统注入信号，构成复杂，投资大。

由于电网中的暂态信号呈随机性、局部性和非平稳性特点，因此利用暂态信息选线的主要困难是如何准确地提取有用的暂态信号、如何合理地表示信号并构造出能适应信号特点的选线判据。小波选线方法很好地解决了这些问题，使暂态信号得到了充分利用。

小波变化可以对时域和频域同时进行局部化，对故障暂态特征分量提取性能较好。系统出现接地故障或受到外界干扰时，电压和电流都会产生奇异变化，小波算法可以减小外界干扰信号的影响。

本发明中选择Coiflet4作为小波母函数，对故障后的每条线路的零序电流分量进行小波变换，得到模极大值矩阵：

式(3)中，矩阵的每一行表示的是每一条线路，每一列元素表示的是小波的分解尺度。小波变换后的模极大值点和信号的突变点是相对应的。当每一条线路的模极大值都在同一尺度上，则该尺度作为选线尺度；当每一条线路的模极大值在不同的尺度上，则矩阵中的每一列元素平方，然后累加，再对累加后的结果进行比较，数值较大的那一列对应的尺度就是选线的尺度，进而确定模极大值，通过计算比较模极大值差值，判定故障线路。

根据小波算法确定的选线尺度，确定模极大值并计算，选择差值较大的前三个，定义为

在

为模极大值中相减得到

的两个元素的平方)的前提下，如果满足

且

第i条线路就是故障线路，否则第j条线路就是接地故障线路。如果不满足

说明在发生故障后，暂态零序电流的幅值最大的前三条线路上的暂态零序电流幅值相差不大，因此，判定为母线故障，选线流程如图5所示。

步骤3、设定故障告警及常规保护逻辑，保障电网的供电稳定性和可靠性。

1)当线路最大相电流瞬时值大于短路故障设定值时，经过流告警延时后，发出过流故障告警，并记录告警SOE信息。

2)当零序电流(3I₀)大于零流定值时，经零流过流时间延时后，发出零序过流告警，并记录告警SOE信息。

3)在过流I段跳闸投入、过流停电跳闸退出条件下，当过流I段起动，且最大相电流大于过流I段定值，经过流I段时间延时后，输出跳闸，并记录跳闸SOE信息。

4)在过流I段跳闸投入、过流停电跳闸投入条件下，当过流I段起动，且最大相电流大于过流I段定值，经过流I段时间延时后，当上级开关先分闸而线路无压无流时，输出跳闸，并记录跳闸SOE信息。

5)在零序过流I段跳闸投入条件下，当零序过流I段起动，且外接零序电流(3I₀)大于零序过流I段定值时，经零序过流I段时间延时后，输出跳闸，并记录跳闸SOE信息。

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种馈线终端装置，其特征在于，包括：依次连接的前端信号采集模块、模数转换模块和数据读取模块，所述的前端信号采集模块把采集的低电压和低电流信号转换成小电压信号，所述的模数转换模块具有8个通道、采用16位并行读取数据模式、信号采集频率在6kHZ以上，所述的数据读取模块配置16位宽的数据总线；所述的馈线终端装置中设置磁珠用于吸收高频噪音和尖峰干扰，设置双向TVS管吸收输入的瞬态高压。

2.根据权利要求1所述的一种馈线终端装置，其特征在于，所述的前端信号采集模块包括：宽电压输出范围的电磁式电压电流互感器T7，所述的互感器T7的输出的第一支路上串连磁珠L7、电阻R28，互感器T7的输出的第二支路上串连电阻R73；在磁珠L7之前的第一支路、第二支路间依次并联双向TVS管D8、电容C24，在磁珠L7和R28之间的第一支路、第二支路间并联电阻R29，在第一支路、第二支路的末端并联电容C23。

3.根据权利要求2所述的一种馈线终端装置，其特征在于，互感器T7为FGCT 50A/7.07V互感器，TVS管D8为P6SMB12CA系列TVS二极管，电阻R28、R73为2.2kΩ±1％电阻，电阻R29为1MΩ±1％电阻，电容C24为100nF电容，电容23为10nF±5％/630V聚酯薄膜电容。

4.根据权利要求1所述的一种馈线终端装置，其特征在于，所述的模数转换模块采用AD7606B芯片；所述的数据读取模块采用STM32F407芯片。

5.一种馈线终端的信号采集计算和选线方法，其特征在于，应用如权利要求1－4任一项所述的馈线终端装置，包括以下步骤：

步骤1、利用两点乘积算法计算暂态特征量；

步骤2、利用小波选线方法选择出故障的线路；

步骤3、设定故障告警及常规保护逻辑。

6.根据权利要求5所述的一种馈线终端的信号采集计算和选线方法，其特征在于，步骤1中，利用两点乘积算法，对馈线终端所挂线路，在任意时刻相隔T/4的电压和电流进行采样，通过计算获得电气信号的有效值。

7.根据权利要求6所述的一种馈线终端的信号采集计算和选线方法，其特征在于，当发生单相接地时，

式(1)中，i_c、i_L和U_m分别为流过电容电流、流过电感电流和相电压幅值，R₀、L₀、R_L、L和C₀为小电流接地系统电路等效电阻、电阻及电容；

根据式(1)，可求得i_c、i_L和i_d：

式(2)中，I_Cm是电容电流幅值，ω是工频下的角频率，

是零序电压起始相角，ω_f是暂态振荡角频率，δ是振荡衰减系数，I_Lm是电感电流幅值，τ_L是电感回路时间常数。

8.根据权利要求5所述的一种馈线终端的信号采集计算和选线方法，其特征在于，步骤2中，选择Coiflet4作为小波母函数，对故障后的每条线路的零序电流分量进行小波变换，得到模极大值矩阵：

式(3)中，矩阵的每一行表示的是每一条线路，每一列元素表示的是小波的分解尺度；当每一条线路的模极大值都在同一尺度上，则该尺度作为选线尺度；当每一条线路的模极大值在不同的尺度上，则矩阵中的每一列元素平方，然后累加，再对累加后的结果进行比较，数值较大的那一列对应的尺度就是选线的尺度，进而确定模极大值，通过计算比较模极大值差值，判定故障线路。

9.根据权利要求8所述的一种馈线终端的信号采集计算和选线方法，其特征在于，根据小波算法确定的选线尺度，确定模极大值并计算，选择差值较大的前三个，定义为

在

为模极大值中相减得到

的两个元素的平方)的前提下，如果满足

且

第i条线路就是故障线路，否则第j条线路就是接地故障线路；

如果不满足

判定为母线故障。

10.根据权利要求5所述的一种馈线终端的信号采集计算和选线方法，其特征在于，步骤3中设定的故障告警及常规保护逻辑如下：

1)当线路最大相电流瞬时值大于短路故障设定值时，经过流告警延时后，发出过流故障告警，并记录告警SOE信息；

2)当零序电流(3I₀)大于零流定值时，经零流过流时间延时后，发出零序过流告警，并记录告警SOE信息；

3)在过流I段跳闸投入、过流停电跳闸退出条件下，当过流I段起动，且最大相电流大于过流I段定值，经过流I段时间延时后，输出跳闸，并记录跳闸SOE信息；

4)在过流I段跳闸投入、过流停电跳闸投入条件下，当过流I段起动，且最大相电流大于过流I段定值，经过流I段时间延时后，当上级开关先分闸而线路无压无流时，输出跳闸，并记录跳闸SOE信息；

5)在零序过流I段跳闸投入条件下，当零序过流I段起动，且外接零序电流(3I₀)大于零序过流I段定值时，经零序过流I段时间延时后，输出跳闸，并记录跳闸SOE信息。

Images