CN115347680B - 基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统及方法，系统包括TSN交换机，所述TSN交换机连接光电调制器和故障处理模块，所述光电调制器连接微处理器，微处理器连接多个故障采集单元以及摄像头，所述故障采集单元以及摄像头用以采集电力机组的数据，并传输给微处理器，微处理器采集的数据信号按照优先级别区分后，通过光电调制器把信号加载到不同的波长的光波上，实现信号的优先级别编码，再通过TNS交换机上传，最终实现故障信息的远程采集与传输。本申请用于监测包括变压器在内的电网内设备的电流、电压异常变化，通过不同的光坡长通道与TSN交换机实现数据通信，确保监测数据的准确性。

Description

基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统及方法

技术领域

本申请涉及电力控制系统技术领域，具体涉及一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统及方法。

背景技术

在电力行业，大量风力、光伏等不可控分布式电源的出力受自然影响较大，实际输出存在很大的随机性与波动性，如果不及时加以引导和控制，会造成供电可靠性降低等问题；其次，由于电能不能大量存储的特点，高渗透率分布式电源接入电网后，需要即发即用，如果没有及时启用相应容量的电力负荷，只能弃风弃光，造成大量可再生能源的浪费。

总而言之，分布式能源接入存在接入点多、接入距离远近不一、接入规约杂等问题，造成整个系统同步运行可靠性低，时钟的可信度差，进一步影响集中调控效率和质量。分布式能源中时间系统的运行水平和数据采集传输已经成为源-网-储-荷调控水平进一步提升的瓶颈。

再者，在电力运行过程中还需要对变压器等设备进行在线监测，通常电力故障现场采用专用设备监测参数或者通过拍照终端对电力故障的现场进行拍摄，再通过无线网络第一时间里反馈到电力管理服务器，以便维修技术人员对其数据进行分析，并制定相关解决方案，时间敏感网络（TSN）的技术可以让技术人员可以通过远程操控远程处理出现的故障，可以快速恢复供电系统，这对数据的采集传输提出了更高的要求。

电力系统中，由于短路、频率震荡以及其他系统扰动引起设备电压和电流波动等故障时往往难以通过拍摄故障现场照片的方式为技术人员提供维护参考。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统及方法，以解决时间敏感网络的在远程电力故障监测应用的问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请实施例提供一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统，包括TSN 交换机，所述TSN 交换机连接光电调制器和故障处理模块，所述光电调制器连接微处理器，微处理器连接多个故障采集单元以及摄像头，所述故障采集单元以及摄像头用以采集电力机组的数据，并传输给微处理器，微处理器将采集的数据信号按照优先级别区分后，通过光电调制器把信号加载到不同的波长的光波上，实现信号的优先级别编码，再通过TSN 交换机上传，最终实现故障信息的远程采集与传输，所述故障处理模块用以启动远程控制系统通过远程操作控制检测系统定位故障问题并上报。

所述微处理器包括AD转换器，故障采集单元将采集得到的含有故障信息的电流信号或者电压信号进行预处理，而后送入AD转换器，AD转换器在微处理器的控制下转换得到数字信号。

所述AD转换器还包括前端采集电路，所述前端采集电路包括用以感应相电压/线电流的互感器，所述互感器的输出端连接第一电阻R1和第二电阻R2，第二电阻R2连接到第一运放OP1的输入端正极，第一运放OP1的输入端负极连接第四电阻R4输入端，第四电阻R4输出端接地，第一运放OP1的输入端负极与第一运放OP1的输出端正极之间连接有第八电阻R8，第八电阻R8与AD转换器第一引脚IN+之间连接第七电阻R7，所述第一运放OP1的输入端正极与输出端负极之间连接有第六电阻R6，所述第六电阻R6与AD转换器第二引脚IN-之间连接第五电阻R5，所述AD转换器第二引脚IN-与第五电阻R5之间还连接一端接地的第一电容C1，AD转换器第一引脚IN+与第七电阻R7之间还连接一端接地的第二电容C2，所述第一运放OP1的VOCM端口连接第九电阻R9和第十电阻R10。

进一步的，所述第一运放OP1的VOCM端口连接第二运放OP2的输出端，第二运放OP2的输入端正极连接到AD转换器VCM引脚，第二运放OP2的输入端负极与第二运放OP2的输出端相连，第二运放OP2的输出端还连接第三电容。

进一步的，AD转换器的转换控制端引脚连接CPLD控制器，CPLD控制器连接微处理器的中断输入引脚。

一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测方法，包括以下步骤：

启动如上所述的基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统，TSN交换机通过光信号检测电力机组的状态；

如果电力机组工作正常，持续检测电路机组的状态；

如果电力机组出现故障，故障处理模块启动远程控制系统通过远程操作控制检测系统定位故障问题并上报。

所述TSN交换机通过光信号检测电力机组的状态具体包括，故障采集单元和摄像头用以采集电力机组的数据，并传输给微处理器，微处理器将采集的数据信号按照优先级别区分后，通过光电调制器把信号加载到不同的波长的光波上，实现信号的优先级别编码，TSN交换机接收完成优先级别编码的光信号。

所述微处理器将采集的数据信号按照优先级别区分具体为，微处理器根据储存在内部的故障判决算法，将采集的故障数据信号按照优先级分成致命故障信号、严重故障信号、一般故障信号以及轻微故障信号。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：用于监测包括变压器在内的电网内设备的电流、电压异常变化，通过不同的光坡长通道与TSN 交换机实现数据通信，确保监测数据的准确性，解决时间敏感网络的在远程电力故障监测应用的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1 为本申请系统结构示意图；

图2为本申请基于波长编码的TSN交换机通信示意图；

图3为本申请AD转换电路示意图1；

图4为本申请AD转换电路示意图2；

图5为本申请AD转换电路示意图3；

图6位本申请的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

如图1和图2所示，一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统，包括TSN 交换机1，所述TSN 交换机1连接光电调制器2和故障处理模块6，所述光电调制器2连接微处理器3，微处理器3连接多个故障采集单元4以及摄像头5，所述故障采集单元4以及摄像头5用以采集电力机组的数据，并传输给微处理器3，微处理器3采集的数据信号按照优先级别区分后，通过光电调制器2把信号加载到不同的波长的光波上，实现信号的优先级别编码，再通过TSN 交换机1上传，最终实现故障信息的远程采集与传输，所述故障处理模块用以启动远程控制系统通过远程操作控制检测系统定位故障问题并上报。

所述微处理器3包括AD转换器，故障采集单元4将采集得到的含有故障信息的电流信号或者电压信号进行预处理，而后送入AD转换器，AD转换器在微处理器3的控制下转换得到数字信号。

如图2所示，基于波长编码的TSN交换机通信的结构包括TSN 交换机1、摄像头5和多个故障采集单元4。摄像头5和多个故障采集单元4采集得到的数据通过不同的光坡长通道与TSN 交换机实现数据通信。

随着技术进步，高性能AD转换器很多已经采用差分输入结构，即是模拟输，输入信号是AD转换器的两个模拟输入端信号的电压差，也即是目前高性能AD转换器均采用全差分输入方式，5V供电，其单个输入端实际可以实现的典型输入电压为-0.1V～4.196V，两个输入端之间实际可以实现的典型电压为为-4.096V～4.096V。

本申请前端采集电路中的差分放大器输出信号如果能加载在2.048V电平上则可以很好满足上述AD转换器工作要求。

在一个实施例中，如图3所示，所述AD转换器还包括前端采集电路，所述前端采集电路包括用以感应相电压/线电流的互感器，所述互感器的输出端连接第一电阻R1和第二电阻R2，第二电阻R2连接到第一运放OP1的输入端正极，第一运放OP1的输入端负极连接第四电阻R4输入端，第四电阻R4输出端接地，第一运放OP1的输入端负极与第一运放OP1的输出端正极之间连接有第八电阻R8，第八电阻R8与AD转换器第一引脚IN+之间连接第七电阻R7，所述第一运放OP1的输入端正极与输出端负极之间连接有第六电阻R6，所述第六电阻R6与AD转换器第二引脚IN-之间连接第五电阻R5，所述AD转换器第二引脚IN-与第五电阻R5之间还连接一端接地的第一电容C1，AD转换器第一引脚IN+与第七电阻R7之间还连接一端接地的第二电容C2，所述第一运放OP1的VOCM端口连接第九电阻R9和第十电阻R10，可以由电阻R9和R10分压来实现，显然这会受到电源电压波动的影响。而且不容易挑选合适阻值的电阻来实现准确分压。

在另一个实施例中，如图4所示，在图3的基础上，所述第一运放OP1的VOCM端口连接第二运放OP2的输出端，第二运放OP2的输入端正极连接到AD转换器VCM引脚，第二运放OP2的输入端负极与第二运放OP2的输出端相连，第二运放OP2的输出端还连接第三电容。

申请可以采用自带基准电压的AD转换器（例如基准电压为4.096V，基准电压由外电路提供，有的AD也自带基准电压，从其ref脚输出，并且提供一个VCM脚，VCM脚电压是ref脚电压的二分之一），从其VCM脚输出一个大约2V的参考电压提供给运放OP1的VOCM脚（共模输入端）。但是通常各型号的AD其VCM端输出电阻较大，可以达到几千欧，电压从AD芯片内部输出后会产生电压损耗，为克服这一缺陷，本申请增设了运放OP2，运放OP2呈负反馈连接，根据虚短原则，理论上运放OP2输出电压应与AD的VCM端电压相等，但是实际上经运放OP2驱动后电压会有所抬升，解决了以上缺陷。此外在其输出端增加一个电容，让输出电压更干净和稳定。

运放OP1输出（AD输入）与VOCM脚电压之间存在以下关系：

(1)

由此可见，差分放大器输出信号如果能加载在大约2.048V电平上。

由于运放本身的高阻输入特性，使得几乎没有电流流入运放，因此流过电阻R2以及传输线阻抗R1的电流几乎与流过电阻R6的电阻相等；同样的，流过电阻R8的电流与流过电阻R4的电流几乎相等。此外，运放OP1正输入端电压和负输入端电压相等（

）。互感器等设备输出信号为

，那么就有

（2）

（3）

根据式（1）有

（4）

将式（4）代入（2）中有：

（5）

（6）

根据式（3）有：

(7)

如果设置两路输入电阻对称，也即

;

,那么根据（6）就有

(8)

根据（7）就有

（9）

根据（8）和（9）联立就有

(10)

再根据式（1）可以得出

（11）

由此可见，差分放大器输出信号如果能加载在大约2.048V电平上，也即是以

为中心，在

范围内反方向波动，实现了给AD转换器送入差分信号数据的目的。

由以上分析，如图4，我们知道，在本申请设计中，要实现上述功能需要满足：

，但是电阻R1并非真实电阻，电阻R1表示互感器到本申请运放OP1之间的传输线的特征阻抗（根据采用传输线类型，此值是固定的），为了实现阻抗匹配，本申请运放OP1输入阻抗等于传输线的特征阻抗，也即是R1=R2；R1是根据传输线而定无法改变，相应的未来满足阻抗匹配，R2的值也无法调节，那么R4的阻值便受到了限制，整个电路的放大倍数也受到了限制（见式10和11）

为了克服这一缺陷，本申请增设一个输入电阻R3，从互感器输出信号方向往本申请运放OP1方向观察可知，电路的输入阻抗为R1//R3+R2；让R1//R3+R2=R4即可实现两路输入匹配，满足式10和11的得出条件。

同时，为了实现前述的传输线特征阻抗与电路输入阻抗匹配，从电阻R3开始往里观察可以发现，电路的输入电阻为：电阻R2和R3的并联值（R2//R3），也即是现在要设置传输线的特征阻抗R1=（R2//R3），以实现传输线与本申请采集电路之间的阻抗匹配。而该传输线的特征阻抗R1也要与互感器的输出阻抗一致，实现互感器与传输线之间的阻抗匹配（当然如何实现该传输线的特征阻抗R1也要与互感器的输出阻抗一致不是本申请要改进的）。

综上，有以下约束： R1//R3+R2=R4

R1=（R2//R3）

R6=R8

满足上述约束后即有

(12)

（13）

实现了给AD转换以差分输入的设计目的，并且满足了阻抗匹配。

在又一个实施例中，如图5所示，在图4的基础上， AD转换器的转换控制端引脚连接CPLD控制器，CPLD控制器连接微处理器的中断输入引脚，在数据采样中，由于微处理器对AD转换输出数据的采集通常是依靠中断机制，基于这一技术现状，本申请为了进一步提高采集电路性能，设计了CPLD控制器实现微处理器和AD转换工作上的同步，本申请将CPLD控制器发出的同一同步信号送往微处理器实现中断的同时，还送往AD转换器的转换控制引脚，在转换控制引脚上升沿，对模拟输入信号进行采样并启动一个转换周期，从而可以在相应软件设计的配合下实现：微处理器在中断服务中采集到的数字信号数据为同步信号发出时刻AD转换器采集得到的模拟信号转换而来的数据,这一软硬件配合将使得中断响应时间的影响得到降低。换言之就是在同步信号的控制下，同步信号向AD转换器发出转换控制信号，启动其转换周期的同时，同步信号也向微处理器发出中断请求，当AD转换器经过转换输出数字信号数据时，微处理器随即对其进行采集，这一定程度上实现了“同步”，使断响应时间的影响得到降低。

如图6所示，本申请实施例提供一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测方法，包括以下步骤：

启动如上所述的基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统，TSN交换机通过光信号检测电力机组的状态，所述TSN交换机通过光信号检测电力机组的状态具体包括，故障采集单元和摄像头用以采集电力机组的数据，并传输给微处理器，微处理器将采集的数据信号按照优先级别区分后，通过光电调制器把信号加载到不同的波长的光波上，实现信号的优先级别编码，TSN交换机接收完成优先级别编码的光信号；微处理器根据储存在内部的故障判决算法，将采集的故障数据信号按照优先级分成致命故障信号、严重故障信号、一般故障信号以及轻微故障信号。

如果电力机组工作正常，持续检测电路机组的状态；

如果电力机组出现故障，故障处理模块启动远程控制系统通过远程操作控制检测系统定位故障问题并上报。

本申请TSN 交换机1采用支持 TSN 功能的芯片为硬件平台，软件上依赖 TSN 功能协议的支持，基于目前成熟的交换机技术平台，通过 C 语言实现 TSN 功能协议，以独立进程形式运行；基于已有平台架构和 TSN 协议功能分析抽象出 TSN 协议功能接口，结合现有软件架构进行适配处理，以快速实现产品开发。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统，其特征在于，包括TSN 交换机（1），所述TSN 交换机（1）连接光电调制器（2）和故障处理模块（6），所述光电调制器（2）连接微处理器（3），微处理器（3）连接多个故障采集单元（4）以及摄像头（5），所述故障采集单元（4）以及摄像头（5）用以采集电力机组的数据，并传输给微处理器（3），微处理器（3）将采集的数据信号按照优先级别区分后，通过光电调制器（2）把信号加载到不同的波长的光波上，实现信号的优先级别编码，再通过TSN 交换机（1）上传，最终实现故障信息的远程采集与传输，所述故障处理模块（6）用以启动远程控制系统通过远程操作控制检测系统定位故障问题并上报；

所述微处理器（3）包括AD转换器，故障采集单元（4）将采集得到的含有故障信息的电流信号或者电压信号进行预处理，而后送入AD转换器，AD转换器在微处理器（3）的控制下转换得到数字信号；

所述AD转换器还包括前端采集电路，所述前端采集电路包括用以感应相电压/线电流的互感器，所述互感器的输出端连接第一电阻（R1）和第二电阻（R2），第二电阻（R2）连接到第一运放（OP1）的输入端正极，第一运放（OP1）的输入端负极连接第四电阻（R4）输入端，第四电阻（R4）输出端接地，第一运放（OP1）的输入端负极与第一运放（OP1）的输出端正极之间连接有第八电阻（R8），第八电阻（R8）与AD转换器第一引脚（IN+）之间连接第七电阻（R7），所述第一运放（OP1）的输入端正极与输出端负极之间连接有第六电阻（R6），所述第六电阻（R6）与AD转换器第二引脚（IN-）之间连接第五电阻（R5），所述AD转换器第二引脚（IN-）与第五电阻（R5）之间还连接一端接地的第一电容（C1），AD转换器第一引脚（IN+）与第七电阻（R7）之间还连接一端接地的第二电容（C2），所述第一运放（OP1）的VOCM端口连接第九电阻（R9）和第十电阻（R10）。

2.一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统，其特征在于，包括TSN 交换机（1），所述TSN 交换机（1）连接光电调制器（2）和故障处理模块（6），所述光电调制器（2）连接微处理器（3），微处理器（3）连接多个故障采集单元（4）以及摄像头（5），所述故障采集单元（4）以及摄像头（5）用以采集电力机组的数据，并传输给微处理器（3），微处理器（3）将采集的数据信号按照优先级别区分后，通过光电调制器（2）把信号加载到不同的波长的光波上，实现信号的优先级别编码，再通过TSN 交换机（1）上传，最终实现故障信息的远程采集与传输，所述故障处理模块（6）用以启动远程控制系统通过远程操作控制检测系统定位故障问题并上报；

所述微处理器（3）包括AD转换器，故障采集单元（4）将采集得到的含有故障信息的电流信号或者电压信号进行预处理，而后送入AD转换器，AD转换器在微处理器（3）的控制下转换得到数字信号；

所述AD转换器还包括前端采集电路，所述前端采集电路包括用以感应相电压/线电流的互感器，所述互感器的输出端连接第一电阻（R1）和第二电阻（R2），第一电阻（R1）和第二电阻（R2）之间还连接有一端接地的第三电阻（R3），第二电阻（R2）连接到第一运放（OP1）的输入端正极，第一运放（OP1）的输入端负极连接第四电阻（R4）输入端，第四电阻（R4）输出端接地，第一运放（OP1）的输入端负极与第一运放（OP1）的输出端正极之间连接有第八电阻（R8），第八电阻（R8）与AD转换器第一引脚（IN+）之间连接第七电阻（R7），所述第一运放（OP1）的输入端正极与输出端负极之间连接有第六电阻（R6），所述第六电阻（R6）与AD转换器第二引脚（IN-）之间连接第五电阻（R5），所述AD转换器第二引脚（IN-）与第五电阻（R5）之间还连接一端接地的第一电容（C1），AD转换器第一引脚（IN+）与第七电阻（R7）之间还连接一端接地的第二电容（C2），所述第一运放（OP1）的VOCM端口连接第二运放（OP2）的输出端，第二运放（OP2）的输入端正极连接到AD转换器VCM引脚，第二运放（OP2）的输入端负极与第二运放（OP2）的输出端相连，第二运放（OP2）的输出端还连接第三电容。

3.一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统，其特征在于，包括TSN 交换机（1），所述TSN 交换机（1）连接光电调制器（2）和故障处理模块（6），所述光电调制器（2）连接微处理器（3），微处理器（3）连接多个故障采集单元（4）以及摄像头（5），所述故障采集单元（4）以及摄像头（5）用以采集电力机组的数据，并传输给微处理器（3），微处理器（3）将采集的数据信号按照优先级别区分后，通过光电调制器（2）把信号加载到不同的波长的光波上，实现信号的优先级别编码，再通过TSN 交换机（1）上传，最终实现故障信息的远程采集与传输，所述故障处理模块（6）用以启动远程控制系统通过远程操作控制检测系统定位故障问题并上报；

所述微处理器（3）包括AD转换器，故障采集单元（4）将采集得到的含有故障信息的电流信号或者电压信号进行预处理，而后送入AD转换器，AD转换器在微处理器（3）的控制下转换得到数字信号；

所述AD转换器还包括前端采集电路，所述前端采集电路包括用以感应相电压/线电流的互感器，所述互感器的输出端连接第一电阻（R1）和第二电阻（R2），第一电阻（R1）和第二电阻（R2）之间还连接有一端接地的第三电阻（R3），第二电阻（R2）连接到第一运放（OP1）的输入端正极，第一运放（OP1）的输入端负极连接第四电阻（R4）输入端，第四电阻（R4）输出端接地，第一运放（OP1）的输入端负极与第一运放（OP1）的输出端正极之间连接有第八电阻（R8），第八电阻（R8）与AD转换器第一引脚（IN+）之间连接第七电阻（R7），所述第一运放（OP1）的输入端正极与输出端负极之间连接有第六电阻（R6），所述第六电阻（R6）与AD转换器第二引脚（IN-）之间连接第五电阻（R5），所述AD转换器第二引脚（IN-）与第五电阻（R5）之间还连接一端接地的第一电容（C1），AD转换器第一引脚（IN+）与第七电阻（R7）之间还连接一端接地的第二电容（C2），所述第一运放（OP1）的VOCM端口连接第二运放（OP2）的输出端，第二运放（OP2）的输入端正极连接到AD转换器VCM引脚，第二运放（OP2）的输入端负极与第二运放（OP2）的输出端相连，第二运放（OP2）的输出端还连接第三电容，AD转换器的转换控制端引脚连接CPLD控制器，CPLD控制器连接微处理器（3）的中断输入引脚。

4.一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

启动如权利要求1-3任一所述的基于时间敏感网络的远程电力故障监测系统，TSN交换机（1）通过光信号检测电力机组的状态；

如果电力机组工作正常，持续检测电路机组的状态；

如果电力机组出现故障，故障处理模块（6）启动远程控制系统通过远程操作控制检测系统定位故障问题并上报。

5.根据权利要求4所述的一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测方法，其特征在于，所述TSN交换机（1）通过光信号检测电力机组的状态具体包括，故障采集单元（4）和摄像头（5）用以采集电力机组的数据，并传输给微处理器（3），微处理器（3）将采集的数据信号按照优先级别区分后，通过光电调制器（2）把信号加载到不同的波长的光波上，实现信号的优先级别编码，TSN交换机（1）接收完成优先级别编码的光信号。

6.根据权利要求5所述的一种基于时间敏感网络的远程电力故障监测方法，其特征在于，所述微处理器（3）将采集的数据信号按照优先级别区分具体为，微处理器（3）根据储存在内部的故障判决算法，将采集的故障数据信号按照优先级分成致命故障信号、严重故障信号、一般故障信号以及轻微故障信号。

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