CN114079482A - 一种就地高速同步采集传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明针对输电线路行波测距的需求，提出了一种就地高速同步采集传输装置包对时模块、高速同步采集模块和数据发送模块，装置就地安装于信号传感器附近，实现高速行波的纳秒级精度同步采集和带时标的千兆级网络发送。本发明可以提高行波信号采集传输的信噪比，可以提高交直流输电线路行波测距的精度和可靠性，同时该项技术也可用于暂态量保护、行波保护等专业领域。

Description

一种就地高速同步采集传输装置
技术领域
本发明涉及一种就地高速同步采集传输装置，属于输电线路继电保护领域。
背景技术
输电线路行波故障测距对准确、快速确定故障点位置、缩短停电时间、提高电力系统运行稳定性具有重要意义。交流输电线路的行波测距装置一般是通过电流互感器CT二次侧获取电流行波信号，行波信号从CT经电缆传输到行波测距装置，这种方式存在若干问题，包括：(1)一次线路及二次电缆远距离传输导致的行波信号衰减及色散问题；(2)二次信号远距离传输过程中受周围强电磁干扰导致行波信号信噪比降低的问题；(3)二次传输电缆波阻抗不连续引起的额外行波折反射问题。直流输电线路的行波测距也存在以上问题，且问题更为严重，这是因为：(1)直流输电线路的长度可达到2000km以上，线路长度通常远远大于交流线路，因此行波信号的衰减及色散问题更为严重，行波信号幅度更小；(2)直流输电线路获取行波的方式是在电容入地点串接小型电流互感器，其二次侧输出的信号更小，更容易受到周围强电磁干扰导；(3)直流场传感器安装点到主控室行波测距装置的距离更远，二次电缆上的行波衰减及折反射问题更为突出。
要解决以上问题，一个可行的方式是实现行波信号的就地采样、数字传输。就地采集和数字传输后，避免了二次电缆传输引起的衰减色散问题、行波折反射问题、受电磁干扰问题，因此有利于提高行波信号的信噪比。目前工频信号的就地同步采集、数字传输已有较多的工程应用，但行波信号的高速同步采集和传输还不成熟，其难点在于如何实现高速的精确频率、精确相位数据采集和大流量数据的持续传输。
发明内容
本发明的目的是：针对输电线路特别是直流输电线路行波测距的需求，解决电流互感器二次侧信号经电缆传输引起的衰减色散问题、行波折反射问题和受电磁干扰问题，提高行波信号采集传输的信噪比，提出一种就地高速同步采集传输装置。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种就地高速同步采集传输装置，包括对时模块、高速同步采集模块和数据发送模块；其中：
所述对时模块，用于接收外部对时信号，形成内部秒脉冲PPS作为时间基准，并输出给高速同步采集模块和数据发送模块；
所述高速同步采集模块，接收信号传感器传送的模拟量采样信号和对时模块输出的秒脉冲信号PPS及采样时相对于PPS的时间偏差，对采样信号进行频率调整和相位调整，实现与GPS时间同步的高速同步A/D采集，并为数据打上同步时标；
所述数据发送模块，接收对时模块输出的秒脉冲信号PPS和高速同步采集模块输出的行波采集数据，用于进行同步采样数据的分帧发送。
优选的方案中，所述装置的硬件电路包括高速数模转换芯片A/D、现场可编程门阵列FPGA、数字信号处理芯片DSP和网络接口芯片；其中，高速数模转换芯片A/D接收外部模拟信号，并和现场可编程门阵列FPGA之间进行数据交互；数字信号处理芯片DSP和现场可编程门阵列FPGA之间进行数据交互；现场可编程门阵列FPGA接收外部的对时信号，并和高速数模转换芯片A/D、数字信号处理芯片DSP之间进行信号交互，以及向网络接口芯片输出信号；网络接口芯片接收FPGA的信号并对外输出；所述对时模块基于FPGA硬件实现；所述高速同步采集模块，基于FPGA、A/D和DSP硬件实现，所述数据发送模块基于FPGA硬件和以太网接口芯片实现。
优选的方案中，所述装置还包括人机接口模块HMI，基于以太网接口芯片与调试软件通信，用于设置行波采样率，以及显示就地高速同步采集传输装置的版本信息、当前状态和日志记录。
优选的方案中，所述装置就地安装于信号传感器附近。
优选的方案中，所述对时模块将外部IRIG-B或PPS对时信号解码为内部秒脉冲PPS，使用百兆计数器实时统计PPS之间的时间间隔，取M个最新的PPS时间间隔计算平均PPS间隔，即：
Figure BDA0002637660170000031
其中M>1，dT1、dT2、…、dTM为M个最新的PPS时间间隔；对时模块基于平均PPS间隔
Figure BDA0002637660170000032
输出稳定的内部PPS用作内部时间基准，并使用百兆级计数器记录采样时刻相对于内部PPS之间的时间偏差，实现采样时刻的精确标定，作为采样时刻调整的依据。
优选的方案中，所述高速同步采集模块包括采样频率调整子模块和采集相位调整子模块；所述采样频率调整子模块根据实时计算的PPS平均间隔
Figure BDA0002637660170000033
和设定的采样率N计算平均采样间隔，其调整步长为百兆计数器的计时步长,即1个tick；平均采样间隔为：
Figure BDA0002637660170000034
其中，a*tick是整数采样间隔，
Figure BDA0002637660170000035
是需要调整的分数采样间隔；
在计时时段
Figure BDA0002637660170000036
内，令(N-b)个采样点按a*tick间隔采样，b个采样点在a*tick基础上增加或减少1个tick，基于此方法实现1秒时间内的N次采样；
令b个采样点均分分布在总共N个采样点中间，即调整的采样点之间的间隔为(N/b)个采样点，基于此方法实现均匀的采样间隔；
所述采集相位调整子模块根据PPS附近第1个采样点的时标相对于PPS时标之间的偏差Δt计算当前采样相位偏差；设Δt＝c*tick,则在c秒内，持续将第1个点的采样间隔增加或减少1个tick，并对应调整最后一个采样点的间隔，减少或增加1个tick,基于此方法实现采样相位与GPS时间的同步；采样同步后，持续监视Δt,对第一个和最后一个采样点进行最多1个tick的调整，基于此方法维持同步采样状态。
优选的方案中，所述数据发送模块，基于百兆或千兆以太网发送数据，将每秒待发送的N个采样点数据均分为X帧进行发送，每帧发送Y个采样点，N＝X*Y；每秒帧数X的范围为1k～100k,每帧采样点数Y的范围为10～1k，每帧报文含该段数据首采样点的时标。
优选的方案中，所述数据发送模块包括：样本计数器维护子模块和数据分帧发送子模块；所述样本计数器维护子模块，将采样计数器smpcnt从1累加到N后，自动翻转为1；所述数据分帧发送子模块，从smpcnt＝1开始取Y点组成1帧发送，每秒发送X帧。
优选的方案中，所述以太网接口芯片根据实际数据流量大小选择百兆或千兆以太网芯片。
采用本发明所述的技术方案，可以实现行波信号的就地高速同步采集和高带宽持续传输，可以解决电流互感器二次侧信号经电缆传输引起的衰减色散问题、行波折反射问题和受电磁干扰问题，可以提高行波信号采集传输的信噪比，可以提高交直流输电线路行波测距的精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明涉及的就地高速同步采集传输装置的硬件模块结构图。
图2为本发明涉及的就地高速同步采集传输装置的软件模块结构图。
图3为本发明涉及的就地高速同步采集传输装置的工作流程图。
图4为本发明涉及的就地高速同步采集传输装置的另一个软件模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行进一步说明。
如图2所示为本发明的一种就地高速同步采集传输装置实施例，包括对时模块、高速同步采集模块和数据发送模块。其中：
对时模块，用于接收外部对时信号，形成内部秒脉冲PPS作为时间基准，并输出给高速同步采集模块和数据发送模块。
高速同步采集模块，接收信号传感器传送的模拟量采样信号和对时模块输出的秒脉冲信号PPS及采样时相对于PPS的时间偏差，对采样信号进行频率调整和相位调整，实现与GPS时间同步的高速同步A/D采集，并为数据打上同步时标。
数据发送模块，接收对时模块输出的秒脉冲信号PPS和高速同步采集模块输出的行波采集数据，用于进行同步采样数据的分帧发送。
如图1所示，为本发明涉及的就地高速同步采集传输装置的硬件模块结构图。本装置的硬件电路包括高速数模转换芯片A/D、现场可编程门阵列FPGA、数字信号处理芯片DSP和网络接口芯片；其中，高速数模转换芯片A/D接收外部模拟信号，并和现场可编程门阵列FPGA之间进行数据交互；数字信号处理芯片DSP和现场可编程门阵列FPGA之间进行数据交互；现场可编程门阵列FPGA接收外部的对时信号，并和高速数模转换芯片A/D、数字信号处理芯片DSP之间进行信号交互，以及向网络接口芯片输出信号；网络接口芯片接收FPGA的信号并对外输出；所述对时模块基于FPGA硬件实现；所述高速同步采集模块，基于FPGA、A/D和DSP硬件实现，所述数据发送模块基于FPGA硬件和以太网接口芯片实现。
本就地高速同步采集传输装置就地安装于信号传感器附近，通过以上硬件和软件模块配合完成高速行波的纳秒级精度同步采集和带时标的千兆级网络发送。
如图4所示为本发明的就地高速同步采集传输装置的另一个软件模块结构图，在图2实施例的基础上还包括人机接口模块HMI。人机接口模块HMI基于以太网接口芯片与调试软件通信，用于设置行波采样率，以及显示就地高速同步采集传输装置的版本信息、当前状态和日志记录。
以下，结合图3具体介绍各组成模块。
(1)对时模块的工作方法
对时模块，基于FPGA硬件实现，用于接收外部对时信号，形成内部秒脉冲PPS作为时间基准，其工作方法如下：
如图3的子流程1所示，对时模块将外部IRIG-B或PPS对时信号解码为内部PPS，使用百兆计数器实时统计PPS之间的时间间隔，取M个最新的PPS时间间隔计算平均PPS间隔，即：
Figure BDA0002637660170000061
其中M>1，dT1、dT2、…、dTM为M个最新的PPS时间间隔；对时模块基于平均PPS间隔
Figure BDA0002637660170000062
输出稳定的内部PPS用作内部时间基准，并使用百兆级计数器记录采样时刻相对于内部PPS之间的时间偏差，实现采样时刻的精确标定，作为采样时刻调整的依据。百兆级计数器的工作频率可取100MHz或更高的值，其时间分辨率可达到10ns。
(2)高速同步采集模块的工作方法
高速同步采集模块包括采样频率调整子模块和采集相位调整子模块，高速同步采集模块基于FPGA、A/D、DSP硬件实现，用于实现与GPS时间同步的高速同步A/D采集，并为数据打上同步时标，其工作方法如下：
如图3的子流程2所示，采样频率调整子模块根据实时计算的PPS平均间隔
Figure BDA0002637660170000063
和通过HMI设定的采样率N计算平均采样间隔，其调整步长为百兆计数器的计时步长,即1个tick；平均采样间隔为：
Figure BDA0002637660170000064
其中，a*tick是整数采样间隔，
Figure BDA0002637660170000065
是需要调整的分数采样间隔；
在计时时段
Figure BDA0002637660170000066
内，令(N-b)个采样点按a*tick间隔采样，b个采样点在a*tick基础上增加或减少1个tick，基于此方法实现1秒时间内的N次采样；
令b个采样点均分分布在总共N个采样点中间，即调整的采样点之间的间隔为(N/b)个采样点，基于此方法实现均匀的采样间隔；
如图3的子流程3所示，采集相位调整子模块根据PPS附近第1个采样点的时标相对于PPS时标之间的偏差Δt计算当前采样相位偏差；设Δt＝c*tick,则在c秒内，持续将第1个点的采样间隔增加或减少1个tick，并对应调整最后一个采样点的间隔，减少或增加1个tic,基于此方法实现采样相位与GPS时间的同步；采样同步后，持续监视Δt,对第一个和最后一个采样点进行最多1个tick的调整，基于此方法维持同步采样状态。
(3)数据发送模块的工作方法
数据发送模块基于FPGA硬件实现，实现同步采样数据的分帧发送，其工作方法如下：
数据发送模块基于百兆或千兆以太网发送数据将每秒待发送的N个采样点数据均分为X帧进行发送，每帧发送Y个采样点，N＝X*Y；每秒帧数X的范围为1k～100k,每帧采样点数Y的范围为10～1k，每帧报文含该段数据首采样点的时标。
数据发送模块包括：样本计数器维护子模块和数据分帧发送子模块。
所述样本计数器维护子模块，将采样计数器smpcnt从1累加到N后，自动翻转为1。
所述数据分帧发送子模块，从smpcnt＝1开始取Y点组成1帧发送，每秒发送X帧。
如图3的子流程4所示，采样同步后的数据均带上采样技术器smpcnt作为时标，smpcnt取值范围为1～N。采样计数器smpcnt累加到N后，自动翻转为1。
高速同步采集数据基于以太网发送，根据实际数据流量大小，使用百兆或千兆以太网芯片；数据帧为链路层组播报文，每帧报文含该段数据首采样点对应的smpcnt。
本发明的就地高速同步采集传输装置，除了可以用于交直流输电线路行波测距领域，同时该项技术也可用于暂态量保护、行波保护等专业领域
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种就地高速同步采集传输装置，其特征在于：包括对时模块、高速同步采集模块和数据发送模块；其中：
所述对时模块，用于接收外部对时信号，形成内部秒脉冲PPS作为时间基准，并输出给高速同步采集模块和数据发送模块；
所述高速同步采集模块，接收信号传感器传送的模拟量采样信号和对时模块输出的秒脉冲信号PPS及采样时相对于PPS的时间偏差，对采样信号进行频率调整和相位调整，实现与GPS时间同步的高速同步A/D采集，并为数据打上同步时标；
所述数据发送模块，接收对时模块输出的秒脉冲信号PPS和高速同步采集模块输出的行波采集数据，用于进行同步采样数据的分帧发送。
2.如权利要求1所述的就地高速同步采集传输装置，其特征在于：所述装置的硬件电路包括高速数模转换芯片A/D、现场可编程门阵列FPGA、数字信号处理芯片DSP和网络接口芯片；其中，高速数模转换芯片A/D接收外部模拟信号，并和现场可编程门阵列FPGA之间进行数据交互；数字信号处理芯片DSP和现场可编程门阵列FPGA之间进行数据交互；现场可编程门阵列FPGA接收外部的对时信号，并和高速数模转换芯片A/D、数字信号处理芯片DSP之间进行信号交互，以及向网络接口芯片输出信号；网络接口芯片接收FPGA的信号并对外输出；
所述对时模块基于FPGA硬件实现；所述高速同步采集模块，基于FPGA、A/D和DSP硬件实现，所述数据发送模块基于FPGA硬件和以太网接口芯片实现。
3.如权利要求1所述的就地高速同步采集传输装置，其特征在于：还包括人机接口模块HMI，基于以太网接口芯片与调试软件通信，用于设置行波采样率，以及显示就地高速同步采集传输装置的版本信息、当前状态和日志记录。
4.如权利要求1所述的就地高速同步采集传输装置，其特征在于：所述装置就地安装于信号传感器附近。
5.如权利要求1所述的一种就地高速同步采集传输装置，其特征在于：
所述对时模块将外部IRIG-B或PPS对时信号解码为内部秒脉冲PPS，使用百兆计数器实时统计PPS之间的时间间隔，取M个最新的PPS时间间隔计算平均PPS间隔，即：
Figure FDA0002637660160000021
其中M>1，dT1、dT2、…、dTM为M个最新的PPS时间间隔；对时模块基于平均PPS间隔
Figure FDA0002637660160000022
输出稳定的内部PPS用作内部时间基准，并使用百兆级计数器记录采样时刻相对于内部PPS之间的时间偏差，实现采样时刻的精确标定，作为采样时刻调整的依据。
6.如权利要求5所述的一种就地高速同步采集传输装置，其特征在于：
所述高速同步采集模块包括采样频率调整子模块和采集相位调整子模块；
所述采样频率调整子模块根据实时计算的PPS平均间隔
Figure FDA0002637660160000023
和设定的采样率N计算平均采样间隔，其调整步长为百兆计数器的计时步长,即1个tick；平均采样间隔为：
Figure FDA0002637660160000024
其中，a*tick是整数采样间隔，
Figure FDA0002637660160000025
是需要调整的分数采样间隔；
在计时时段
Figure FDA0002637660160000026
内，令(N-b)个采样点按a*tick间隔采样，b个采样点在a*tick基础上增加或减少1个tick，基于此方法实现1秒时间内的N次采样；
令b个采样点均分分布在总共N个采样点中间，即调整的采样点之间的间隔为(N/b)个采样点，基于此方法实现均匀的采样间隔；
所述采集相位调整子模块根据PPS附近第1个采样点的时标相对于PPS时标之间的偏差Δt计算当前采样相位偏差；设Δt＝c*tick,则在c秒内，持续将第1个点的采样间隔增加或减少1个tick，并对应调整最后一个采样点的间隔，减少或增加1个tick,基于此方法实现采样相位与GPS时间的同步；采样同步后，持续监视Δt,对第一个和最后一个采样点进行最多1个tick的调整，基于此方法维持同步采样状态。
7.如权利要求1所述的一种就地高速同步采集传输装置，其特征在于：
所述数据发送模块，基于百兆或千兆以太网发送数据，将每秒待发送的N个采样点数据均分为X帧进行发送，每帧发送Y个采样点，N＝X*Y；每秒帧数X的范围为1k～100k,每帧采样点数Y的范围为10～1k，每帧报文含该段数据首采样点的时标。
8.如权利要求7所述的一种就地高速同步采集传输装置，其特征在于：所述数据发送模块包括；样本计数器维护子模块和数据分帧发送子模块；
所述样本计数器维护子模块，将采样计数器smpcnt从1累加到N后，自动翻转为1；
所述数据分帧发送子模块，从smpcnt＝1开始取Y点组成1帧发送，每秒发送X帧。
9.如权利要求2所述的一种就地高速同步采集传输装置，其特征在于：所述以太网接口芯片根据实际数据流量大小选择百兆或千兆以太网芯片。
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