CN113009263A - 采集氧化锌避雷器监测数据的嵌入式系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采集氧化锌避雷器监测数据的嵌入式系统及方法，包括：电流信号处理装置、电压信号处理装置、现场可编程逻辑门阵列和数据处理器，电流信号处理装置与现场可编程逻辑门阵列通信连接；电压信号处理装置通过无线通信模块与现场可编程逻辑门阵列建立无线通信连接；现场可编程逻辑门阵列与数据处理器通信连接；电流信号处理装置与泄露电流互感器电连接；电压信号处理装置与变压器电连接；现场可编程逻辑门阵列包括电压信号采集控制单元、相电压无线传输控制单元、电流数据采集控制单元和同步控制单元。本发明提高了氧化锌避雷器监测数据的准确性，保证了氧化锌避雷器的监测效果。

Description

采集氧化锌避雷器监测数据的嵌入式系统及方法

技术领域

本发明属于氧化锌避雷器监测技术领域，具体涉及一种采集氧化锌避雷器监测数据的嵌入式系统及方法。

背景技术

氧化锌避雷器(MOA)是保证电力系统安全运行的重要元器件之一，不仅具备优异的非线性特性，而且具有高能量吸收力、保护性能稳定、残压低的特点，能满足电网的保护要求。但若MOA长期使用使氧化锌阀片产生老化，或内部受潮及绝缘支架性能不良等因素影响，导致MOA的非线性特性产生变化，影响供电系统的安全运行。因此，定期对运行中的MOA进行在线测试就显得尤为重要。

现有氧化锌避雷器监测方法大多是通过从变压器PT(PhasevoltageTransformers)采集相电压Ux，使用CT(CurrentTransformers)采集总泄露电流Ix，然后以Ux为基准信号计算出电流电压夹角φ，最后通过总泄露电流Ix和电流电压夹角φ分离出阻性电流Ir，根据阻性电流Ir和电流电压夹角φ对MOA的性能进行综合判定。

然而在实际使用中，由于变压器PT与MOA的距离较远，长距离的信号传输容易导致信号失真，进而导致监测结果准确性较低。同时电压信号与电流信号无法同步采集也是导致监测结果准确性较低的因素。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种采集氧化锌避雷器监测数据的嵌入式系统及方法，以解决上述技术问题。

本发明提供一种采集氧化锌避雷器监测数据的嵌入式系统，包括：

电流信号处理装置、电压信号处理装置、现场可编程逻辑门阵列和数据处理器，电流信号处理装置与现场可编程逻辑门阵列通信连接；电压信号处理装置通过无线通信模块与现场可编程逻辑门阵列建立无线通信连接；现场可编程逻辑门阵列与数据处理器通信连接；

电流信号处理装置与泄露电流互感器电连接；电压信号处理装置与变压器电连接；

现场可编程逻辑门阵列包括电压信号采集控制单元、相电压无线传输控制单元、电流数据采集控制单元和同步控制单元，所述同步控制单元用于根据电压信号采集控制单元下发的开始采集电压信号指令控制电流数据采集控制单元同步启动电流信号采集程序；所述相电压无线传输控制单元用于控制无线通信模块传输电压信号。

进一步的，所述电压信号处理装置包括依次连接的电压电流变换器、电压转换电流互感器、电流电压变换器、电压射极跟随器、电压模数转换器、复杂可编程逻辑器件和无线发送器。

进一步的，所述复杂可编程逻辑器件包括电压模数转换控制单元和无线发送控制单元。

进一步的，所述电流信号处理装置包括依次连接的电流射极跟随器、增益放大器和电流模数转换器。

进一步的，增益放大器与现场可编程逻辑门阵列的增益控制单元通信连接；电流模数转换器与现场可编程逻辑门阵列电连接。

进一步的，现场可编程逻辑门阵列还包括配置寄存器、电流模数转换控制单元、电压信号接收单元、电流先进先出存储模块、电压先进先出存储模块和硬件接口控制单元，电流模数转换控制单元与电流模数转换器通信连接；电流模数转换控制单元与电流先进先出存储模块通信连接；电压先进先出存储模块与电压信号接收单元通信连接；配置寄存器、电流先进先出存储模块和电压先进先出存储模块均与硬件接口控制单元通信连接；硬件接口控制单元通过硬件接口与数据处理器的数据处理软件通信连接。

进一步的，所述现场可编程逻辑门阵列包括时钟控制单元，时钟控制单元通过时钟控制引脚与40MHz输入时钟通信连接，时钟控制单元用于将40MHz的时钟信号转换为硬件接口控制单元工作所需的200MHz时钟信号、电流模数转换控制单元工作所需的12MHz时钟信号和电压信号接收单元工作所需的40MHz时钟信号。

进一步的，所述数据处理器的数据处理软件安装有流接口驱动程序。

本发明还提供一种采集氧化锌避雷器监测数据的方法，所述方法包括：

电压信号采集控制单元发送开始测试命令包，同步控制单元收到开始测试命令包后向电流信号采集控制单元发送采集命令，电流信号采集控制单元发送开始测试命令包；

监控到电压信号采集控制单元的开始测试命令包和电流信号采集控制单元的开始测试命令包之后进入预采集状态，在预采集状态向配置寄存器写入放大倍数设置命令，将输入电压放大倍数设置为1，并清空电流先进先出存储模块和电压先进先出存储模块；

硬件接口控制单元查询电流先进先出存储模块的数据量，若有数据则持续读出所有电流信号数据；

数据处理器通过硬件接口控制单元读取所有电流信号数据，根据电流信号数据的幅值计算电流信号的放大倍数，根据放大倍数生成增益控制单元的控制参数；并将增益控制单元的控制参数返回硬件接口控制单元；

硬件接口控制单元将控制参数转发至增益控制单元，增益控制单元根据控制参数对电流信号处理装置的增益放大器进行控制；

数据处理器通过硬件接口控制单元读取电流先进先出存储模块中的电流信号数据和电压先进先出存储模块中的电压信号数据。

本发明的有益效果在于，

本发明提供的采集氧化锌避雷器监测数据的嵌入式系统及方法，能够对电压信号进行变化和无线传输，保证电压信号的准确性，同时通过控制电流信号与电压信号的同步采集，保证了氧化锌避雷器监测的准确性。本发明提高了氧化锌避雷器监测数据的准确性，保证了氧化锌避雷器的监测效果。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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附图。

图1是本申请一个实施例的系统的架构示意图；

图2是本申请一个实施例的系统的电压信号处理装置的架构示意图；

图3是本申请一个实施例的系统的电流信号处理和信号传输的架构示意图；

图4是本申请一个实施例的系统的数据处理器的架构示意图；

图5是本申请一个实施例的方法的示意性流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

请参考图1，本实施例提供一种采集氧化锌避雷器监测数据的嵌入式系统，包括：

电流信号处理装置、电压信号处理装置、现场可编程逻辑门阵列和数据处理器，电流信号处理装置与现场可编程逻辑门阵列通信连接；电压信号处理装置通过无线通信模块与现场可编程逻辑门阵列建立无线通信连接；现场可编程逻辑门阵列与数据处理器通信连接。

电流信号处理装置与泄露电流互感器电连接，对泄露电流互感器采集的电流信号进行放大并将模拟量电流信号转换为数字量电流信号，并将数字量电流信号发送至可编程逻辑门阵列。电压信号处理装置将变压器的电压信号经过变换、放大等操作转换为数字量电压信号。电压信号处理装置将数字量电压信号通过无线通信链路发送至现场可编程逻辑门阵列，再由可编程逻辑门阵列。可编程逻辑门阵列将数字量电流信号和数字量电压信号缓存和转发至数据处理器，数据处理器根据数字量电流信号和数字量电压信号评定氧化锌避雷器的性能。

现场可编程逻辑门阵列包括电压信号采集控制单元、相电压无线传输控制单元、电流数据采集控制单元和同步控制单元，同步控制单元用于根据电压信号采集控制单元下发的开始采集电压信号指令控制电流数据采集控制单元同步启动电流信号采集程序；相电压无线传输控制单元用于控制无线通信模块传输电压信号。

实施例2

本实施例提供一种采集氧化锌避雷器监测数据的嵌入式系统，包括：电流信号处理装置、电压信号处理装置、现场可编程逻辑门阵列和数据处理器，电流信号处理装置与现场可编程逻辑门阵列通信连接；电压信号处理装置通过无线通信模块与现场可编程逻辑门阵列建立无线通信连接；现场可编程逻辑门阵列与数据处理器通信连接。

其中，电压信号处理装置请参考图2，变压器PT上的电压信号经电压电流变换转器(V/I转换)转换成电流信号，然后由电压转换电流互感器进行电气隔离和量程变换，再经电流电压变换器(I/V变换)转换成电压信号。该信号经过由集成运放OP07组成的射极跟随器后进入8通道14位AD转换器件MAX125，将模拟电压信号转换为数字信号，然后通过无线收发器件CC1020进行发送。MAX125的AD转换控制器和CC1020的无线发送控制器由复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)EPM7128S基于QuartusII软件使用超高速集成电路硬件描述语言VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language)实现。

电流信号处理及信号传输请参考图3，从CT(电流互感器)上取出的泄漏电流信号经过由集成运放OP07组成的射极跟随器对输入信号隔离后，然后经可编程增益放大器AD526进行增益调整后送入8通道14位AD转换器件MAX125，将模拟电流信号转换为数字信号。AD526增益控制单元和MAX125的AD转换控制单元由现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammable Gate Array)器件EP2C5基于QuartusII软件使用VHDL实现。

PLL(Phase Look Loop)时钟控制器的作用是为FPGA内部各模块提供系统工作所需的时钟，40MHz的输入时钟经过PLL时钟控制器后，产生硬件接口控制单元(ARM9接口控制单元)工作所需的200MHz时钟、AD转换控制单元工作所需的12MHz时钟和电压信号接收单元工作所需的40MHz时钟。

ARM9接口控制单元实现ARM9与FPGA之间的数据读写，ARM9向FPGA配置寄存器写入数据用来控制FPGA内部各功能模块的工作。ARM9启动数据采集后，首先将FPGA内部各模块进行复位。然后开始同步采集电压信号和电流信号，采集到的电压和电流数据写入到相应的电流先进先出存储模块(电流数据FIFO)、电压先进先出存储模块(电压数据FIFO)中，S3C2440A通过ARM9接口控制器从电流数据FIFO和电压数据FIFO中读取数据。

数据处理器的硬件设计以三星ARM9处理器S3C2440A为处理核心，基于Windows CE操作系统来实现，其硬件结构如图4所示。程序固化在64M字节的Nand Flash芯片K9F1208中，程序运行时的数据临时保存在2片32M字节的SDRAM器件HY57V561620中，LCD负责测试信号波形和参数的显示及人机交互操作，SD卡实现测试数据的保存，USB Host可外接USB键盘、鼠标来进行操作，也可以外接U盘进行数据存贮。USB Slave则完成测试仪与PC机的通信。

S3C2440A与数据采集部分的FPGA器件EP2C5之间的通讯通过其系统总线完成。nGCS3为FPGA的选通信号，其对应S3C2440A的0x18000000～0x20000000的地址空间，nOE为读使能信号，nWE为写使能信号。由于数据总线宽度为16位，故其地址总线的最低位无效。在S3C2440A对FPGA内部实现的寄存器进行读写时，其对应的地址为nGCS3的选通基址0x18000000+地址线对应的地址Addr[8:1]x2。

Windows CE操作系统运行时，系统工作在用户态模式下，不能直接访问处理器实际的物理地址，因此，S3C2440A要从FPGA中读取数据，须通过驱动程序来实现，本实施例使用Platform Builder开发流接口驱动程序来实现数据的采集。

实施例3

本实施例提供一种采集氧化锌避雷器监测数据的方法，如图5所示，包括如下步骤：

S1、电压信号采集控制单元发送开始测试命令包，同步控制单元收到开始测试命令包后向电流信号采集控制单元发送采集命令，电流信号采集控制单元发送开始测试命令包；

S2、监控到电压信号采集控制单元的开始测试命令包和电流信号采集控制单元的开始测试命令包之后进入预采集状态，在预采集状态向配置寄存器写入放大倍数设置命令，将输入电压放大倍数设置为1，并清空电流先进先出存储模块和电压先进先出存储模块；

S3、硬件接口控制单元查询电流先进先出存储模块的数据量，若有数据则持续读出所有电流信号数据；

S4、数据处理器通过硬件接口控制单元读取所有电流信号数据，根据电流信号数据的幅值计算电流信号的放大倍数，根据放大倍数生成增益控制单元的控制参数；并将增益控制单元的控制参数返回硬件接口控制单元；

S5、硬件接口控制单元将控制参数转发至增益控制单元，增益控制单元根据控制参数对电流信号处理装置的增益放大器进行控制；

S6、数据处理器通过硬件接口控制单元读取电流先进先出存储模块中的电流信号数据和电压先进先出存储模块中的电压信号数据。

本发明设计的采集氧化锌避雷器监测数据的嵌入式系统及方法，能够在不断电的情况在线测试MOA的运行状态，它以CPLD/FPGA硬件对数据进行采样，可以真实采集到电流和电压信号，测试结果稳定可靠；通过AD526对电流测试信号进行程控放大，使测试结果更精确；以MAX125作为AD转换器，三相同时测试，可方便除去相间干扰；电压数据无线发送，免去长距离线缆连接的麻烦；采用ARM9嵌入式工业处理器,使得运算速度加快，但体积小巧，使用方便；通过移植Windows CE操作系统，实时显示波形，操作简单，结果直观；当前数据保存、历史数据查询可进一步对测试数据进行分析。因此，本发明具有很强的工程实用性。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种采集氧化锌避雷器监测数据的嵌入式系统，其特征在于，包括：

电流信号处理装置、电压信号处理装置、现场可编程逻辑门阵列和数据处理器，电流信号处理装置与现场可编程逻辑门阵列通信连接；电压信号处理装置通过无线通信模块与现场可编程逻辑门阵列建立无线通信连接；现场可编程逻辑门阵列与数据处理器通信连接；

电流信号处理装置与泄露电流互感器电连接；电压信号处理装置与变压器电连接；

现场可编程逻辑门阵列包括电压信号采集控制单元、相电压无线传输控制单元、电流数据采集控制单元和同步控制单元，所述同步控制单元用于根据电压信号采集控制单元下发的开始采集电压信号指令控制电流数据采集控制单元同步启动电流信号采集程序；所述相电压无线传输控制单元用于控制无线通信模块传输电压信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压信号处理装置包括依次连接的电压电流变换器、电压转换电流互感器、电流电压变换器、电压射极跟随器、电压模数转换器、复杂可编程逻辑器件和无线发送器。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述复杂可编程逻辑器件包括电压模数转换控制单元和无线发送控制单元。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流信号处理装置包括依次连接的电流射极跟随器、增益放大器和电流模数转换器。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，增益放大器与现场可编程逻辑门阵列的增益控制单元通信连接；电流模数转换器与现场可编程逻辑门阵列电连接。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，现场可编程逻辑门阵列还包括配置寄存器、电流模数转换控制单元、电压信号接收单元、电流先进先出存储模块、电压先进先出存储模块和硬件接口控制单元，电流模数转换控制单元与电流模数转换器通信连接；电流模数转换控制单元与电流先进先出存储模块通信连接；电压先进先出存储模块与电压信号接收单元通信连接；配置寄存器、电流先进先出存储模块和电压先进先出存储模块均与硬件接口控制单元通信连接；硬件接口控制单元通过硬件接口与数据处理器的数据处理软件通信连接。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述现场可编程逻辑门阵列包括时钟控制单元，时钟控制单元通过时钟控制引脚与40MHz输入时钟通信连接，时钟控制单元用于将40MHz的时钟信号转换为硬件接口控制单元工作所需的200MHz时钟信号、电流模数转换控制单元工作所需的12MHz时钟信号和电压信号接收单元工作所需的40MHz时钟信号。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数据处理器的数据处理软件安装有流接口驱动程序。

9.一种采集氧化锌避雷器监测数据的方法，其特征在于，所述方法包括：

电压信号采集控制单元发送开始测试命令包，同步控制单元收到开始测试命令包后向电流信号采集控制单元发送采集命令，电流信号采集控制单元发送开始测试命令包；

监控到电压信号采集控制单元的开始测试命令包和电流信号采集控制单元的开始测试命令包之后进入预采集状态，在预采集状态向配置寄存器写入放大倍数设置命令，将输入电压放大倍数设置为1，并清空电流先进先出存储模块和电压先进先出存储模块；

硬件接口控制单元查询电流先进先出存储模块的数据量，若有数据则持续读出所有电流信号数据；

数据处理器通过硬件接口控制单元读取所有电流信号数据，根据电流信号数据的幅值计算电流信号的放大倍数，根据放大倍数生成增益控制单元的控制参数；并将增益控制单元的控制参数返回硬件接口控制单元；

硬件接口控制单元将控制参数转发至增益控制单元，增益控制单元根据控制参数对电流信号处理装置的增益放大器进行控制；

数据处理器通过硬件接口控制单元读取电流先进先出存储模块中的电流信号数据和电压先进先出存储模块中的电压信号数据。

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