CN205176169U - 一种数字化采样延时变频测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字化采样延时变频测量系统，其特征在于，包括模拟量输出部分、采集测量部分，所述模拟量输出部分与所述采集测量部分相连接；所述模拟量输出部分外接电子式互感器或模拟量输入合并单元，所述采集测量部分外接所述电子式互感器或所述模拟量输入合并单元。本实用新型基于变频原理，通过测量电子式互感器或模拟量输入合并单元对不同频率稳态模拟量信号的非整周期延时，减小SV报文发送时差的影响，提高数字化采样延时测量准确度；同时有效解决了电子式互感器和模拟量输入合并单元工程应用中无法准确测量整周期延时的问题。

Description

一种数字化采样延时变频测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种数字化采样延时变频测量系统，属于电力自动化技术领域。

背景技术

电子式互感器包括电子式电流互感器(简称ECT，即ElectronicCurrentTransformer)和电子式电压互感器(简称EVT，即ElectronicVoltageTransformer)。模拟量输入合并单元是指直接接收常规互感器二次模拟量输出的合并单元，比如用于连接母线TV的合并单元。电子式互感器和模拟量输入合并单元都是将模拟量的输入进行数字化采样，最终输出数字量。数字化采样以光纤网络传输取代了常规的电缆传输，从而可以避免电缆多点接点、电流互感器二次开路、电压互感器二次短路、长距离传输损耗大等问题，且采样值的数字化网络传输方式有利于数据的共享，适应智能变电站发展方向。因此，电子式互感器和模拟输入合并单元的数字化采样方式在智能变电站中得到了大量应用。

电子式互感器和模拟量输入合并单元的数字化采样都需经过数据采集、数据处理、等待以及传输等环节，需要一定的时间。其中，数据采集、数据处理和等待环节一般基于定时中断完成，定时中断一般是采样周期的整数倍，这些环节所需的时间较长，是整个采样延时的主要部分，达到ms级。而数据发送和传输环节的延时具有一定不确定性，但这部分延时小，对整个采样环节的总延时影响较小。

数字化采样的延时可分为整周期延时和非整周期延时。智能变电站中，继电保护的采样、合并单元间级联等点对点直接采样的应用中，必须基于采样环节的延时进行插值实现数据同步，这些应用中采样延时作为一个重要参数必须精确测量。智能变电站相应规范中要求数字化采样延时不能大于2ms，当数字化采样存在N个整周期延时，为了形式上满足技术要求，电子式互感器或合并单元制造商可能会将SV(SampledValue，即采样值)报文的序号向前移N个周波，此时对于基于外部信号同步采样的计量、测控、故障录波等应用的测量精度也有影响。因此，数字化采样的延时作为关键参数，工程应用中必须保证其正确性。

目前，数字化采样延时测量方法一般是给电子式互感器或模拟量输入合并单元施加稳态的工频电流或电压，然后利用标准模拟量和被测SV数据之间工频信号的相位角关系来间接测量数字化采样的延时。这种测量方法为了能够正确测量相位关系，必须施加稳态的模拟量，对于周期信号，经过非整周期延时后的波形与原信号波形存在一定的相位差，因此可以通过这种测量稳态相位差然后转换为时间的方法得到数字化采样的非整周期延时。而对于稳态周期信号，经过整周期延时后与原信号是完全重合的，不存在相位差，因此无法利用这种测量稳态相位差的方法来测量整周期延时。目前，还有一种数字化采样延时测试方法是：在同步模式下，通过测量0序号SV报文的发送时间与同步信号之间的时间差而得到数字化采样延时。但是这种方法对于SV报文序号有人为前移或后移的现象无法检测，因此也无法正确测量数字化采样的整周期延时。

电子互感器和模拟输入合并单元的数字化采样过程中数据采集、数据处理、等待以及传输等环节对于各种输入信号所需的时间是一致的，这体现出数字化采样的延时是一个群延时，对于各种频率的信号的延时是相同的。对于稳态周期信号而言，这一延时可以分为整周期延时和非整周期延时，其中非整周期延时可通过测量数字化采样输入和输出之间相位差的方法进行测量，但整周期延时难以识别和测量。整周期延时对于继电保护应用而言可能引起不正确动作，对于计量、测控而言也会引起准确度误差，因此也必须能准确够识别。

因此，有必要采用一种新的数字化采样延时测量系统，能够准确测量出数字化采样环节中的整周期延时和非整周期延时，消除电子式互感器和模拟量输入合并单元工程应用中的安全隐患，提高智能变电站二次系统运行准确性，对智能变电站的安全、可靠运行具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种数字化采样延时变频测量系统，克服电子式互感器和模拟量输入合并单元工程应用中的安全隐患。

本实用新型采用如下技术方案：一种数字化采样延时变频测量系统，其特征在于，包括模拟量输出部分、采集测量部分，所述模拟量输出部分与所述采集测量部分相连接；所述模拟量输出部分外接电子式互感器或模拟量输入合并单元，所述采集测量部分外接所述电子式互感器或所述模拟量输入合并单元；所述模拟量输出部分为所述电子式互感器或所述模拟量输入合并单元提供稳态模拟量信号，同时为所述采集测量部分提供反映所述电子式互感器或所述模拟量输入合并单元输入的二次信号；所述采集测量部分用以采集所述模拟量输出部分发送的二次信号，同时采集所述电子式互感器或所述模拟量输入合并单元输出的数字量SV信号，用以测量并计算数字化采样延时，用以显示测量计算出的延时结果。

优选地，模拟量输出部分外接电子式互感器，模拟量输出部分包括依次连接的标准互感器、升流/升压器、变频控制器，标准互感器作为模拟量输出部分与电子式互感器的连接单元，同时也作为模拟量输出部分与采集测量部分的连接单元。

优选地，模拟量输出部分外接模拟量输入合并单元，模拟量输出部分包括依次连接的功率放大器、变频控制器，功率放大器作为模拟量输出部分与模拟量输入合并单元的连接单元，同时也作为模拟量输出部分与采集测量部分的连接单元。

优选地，采集测量部分包括AD转换模块、内部时钟模块、SV采集和时间标记模块、测量计算模块、结果显示模块，AD转换模块、SV采集和时间标记模块、结果显示模块均与测量计算模块连接，内部时钟模块分别与AD转换模块、SV采集和时间标记模块相连接；内部时钟模块用于产生AD转换模块的采样脉冲，并为SV采集和时间标记模块提供时间信息，AD转换模块作为模拟量输出部分与采集测量部分的连接单元，SV采集和时间标记模块用以采集电子式互感器或模拟量输入合并单元输出的数字量SV信号。

本实用新型所达到的有益效果：(1)本实用新型基于变频原理，通过测量电子式互感器或模拟量输入合并单元对不同频率稳态模拟量信号的非整周期延时，从而计算得到数字化采样环节对所有频率信号的固有延时，包括非整周期延时和整周期延时，同时基于锁相技术跟踪SV报文的发送频率，补偿SV报文发送时差，减小SV报文发送时差的影响，提高数字化采样延时测量准确度；(2)本实用新型可以在稳态模拟量信号下测量数字化采样环节的整周期延时，有效解决了电子式互感器和模拟量输入合并单元工程应用中无法准确测量整周期延时的问题，确保电子式互感器和模拟量输入合并单元在智能变电站中的可靠应用，消除电子式互感器和模拟量输入合并单元工程应用中的安全隐患，提高智能变电站二次系统运行准确性，对智能变电站的安全、可靠运行具有重要意义。

附图说明

图1是本实用新型的一种数字化采样延时变频测量系统的结构框图。

图2是本实用新型的一种数字化采样延时变频测量系统外接电子式互感器的结构示意框图。

图3是本实用新型的一种数字化采样延时变频测量系统外接模拟量输入合并单元的结构示意框图。

图4是本实用新型的一种数字化采样延时变频测量方法的工作流程图。

图5是本实用新型获得频率为f₁的稳态模拟量信号经过数字化采样后的全延时的流程图。

图6是计算SV报文发送抖动时差ΔT₁的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

图1是本实用新型的一种数字化采样延时变频测量系统的结构框图，本实用新型提出一种数字化采样延时变频测量系统，其特征在于，包括模拟量输出部分、采集测量部分，模拟量输出部分与采集测量部分相连接；模拟量输出部分外接电子式互感器或模拟量输入合并单元，采集测量部分外接电子式互感器或模拟量输入合并单元；模拟量输出部分为电子式互感器或模拟量输入合并单元提供稳态模拟量信号，同时为采集测量部分提供反映电子式互感器或模拟量输入合并单元输入的二次信号；采集测量部分用以采集模拟量输出部分发送的二次信号，同时采集电子式互感器或模拟量输入合并单元输出的数字量SV信号，用以测量并计算数字化采样延时，用以显示测量计算出的延时结果。

图2是本实用新型的一种数字化采样延时变频测量系统外接电子式互感器的结构示意框图，模拟量输出部分外接电子式互感器，模拟量输出部分包括依次连接的标准互感器、升流/升压器、变频控制器，标准互感器作为模拟量输出部分与电子式互感器的连接单元，同时也作为模拟量输出部分与采集测量部分的连接单元。上述部件的具体功能如下：

变频控制器：用于控制升流/升压器输出一次稳态模拟量信号的频率，变频控制通过改变升流/升压器的输入电源频率而达到控制其输出稳态模拟量信号频率的目的。

升流/升压器：产生一次大电流或高电压，为被测电子式互感器提供一次稳态模拟量信号输入。

标准互感器：将升流/升压器产生的一次稳态模拟量信号按设定比例线性转换为二次信号，并将二次信号传输至采集测量部分，标准互感器并不改变一次稳态模拟量信号。

升流/升压器和标准互感器的配置根据被测电子式互感器类型而定，当被测电子式互感器为电流互感器时，升流/升压器采用升流器，标准互感器采用标准电流互感器，且串入升流器和被测电子式电流互感器之间的回路中，将一次大电流转换为二次小电流；当被侧电子式互感器为电压互感器时，升流/升压器采用升压器，标准互感器采用标准电压互感器，且并接于升压器和被测电子式电压互感器之间的回路上，将一次高电压转换为二次低电压。

图3是本实用新型的一种数字化采样延时变频测量系统外接模拟量输入合并单元的结构示意框图，模拟量输出部分外接模拟量输入合并单元，模拟量输出部分包括依次连接的功率放大器、变频控制器，功率放大器作为模拟量输出部分与模拟量输入合并单元的连接单元，同时也作为模拟量输出部分与采集测量部分的连接单元。上述部件的具体功能如下：

变频控制器：用于控制功率放大器输出稳态模拟量信号的频率，变频控制直接输出频率可变的小信号，输入至功率放大器。

功率放大器：用于将变频控制器输出的小信号放大为变电站二次信号，功率放大器可以输出二次电流稳态模拟量信号和二次电压稳态模拟量信号，二次信号直接接至被测模拟量输入合并单元，同时也传输至采集测量部分，当稳态模拟量信号为电流时，接至采集测量部分的二次信号线串入功率放大器与被测合并单元的回路中；当稳态模拟量信号为电压时，接至采集测量部分的二次信号线并接至功率放大器与被测合并单元的回路上。

采集测量部分包括AD转换模块、内部时钟模块、SV采集和时间标记模块、测量计算模块、结果显示模块，AD转换模块、SV采集和时间标记模块、结果显示模块均与测量计算模块连接，内部时钟模块分别与AD转换模块、SV采集和时间标记模块相连接；内部时钟模块用于产生AD转换模块的采样脉冲，并为SV采集和时间标记模块提供时间信息，AD转换模块作为模拟量输出部分与采集测量部分的连接单元，SV采集和时间标记模块用以采集电子式互感器或模拟量输入合并单元输出的数字量SV信号。上述部件的具体功能如下：

AD转换模块：用于采集模拟量输出部分的二次信号，将模拟量转换为数字量信号供测量计算模块处理，AD转换模块的采样频率应高于被测数字化采样环节的采样频率，采样脉冲由本部分内部时钟产生。

SV采集和时间标记模块：用于接收SV报文，记录SV报文达到时刻，并对SV报文中数据进行解析、提取，供测量计算模块处理；该模块可由高性能FPGA实现，时间信息由内部时钟模块提供。

内部时钟模块：用于产生AD转换模块的采样脉冲，并为SV采集和时间标记模块提供时间信息，以保证两个模块时间信息的统一；内部时钟由内部高精度晶振实现。

测量计算模块：基于前述延时测量方法对AD转换模块和SV采集时间标记模块的数据进行处理后进行延时的测量计算，得出被测数字化采样环节的出全延时。

结果显示模块：将测量计算模块最终计算的结果进行显示，结果显示模块可以以图形化方式或数据列表方式进行显示。

图4是本实用新型的一种数字化采样延时变频测量方法的工作流程图，本实用新型的工作方法具体包括如下5个步骤。

步骤SS1给电子式互感器或模拟量输入合并单元输入频率为f₁的稳态模拟量信号。

步骤SS2测量频率为f₁的稳态模拟量信号经过电子式互感器或模拟量输入合并单元前、后的相位差结合相位计算点时差补偿和SV报文发送抖动时差补偿计算出频率为f₁的稳态模拟量信号的非周期延时T_{d1_NP}，通过非周期延时T_{d1_NP}获得频率为f₁的稳态模拟量信号经过数字化采样后的全延时T_d1＝T_{d1_NP}+m₁T₁，T₁＝1/f₁，m₁为非负整数。

图5是本实用新型获得频率为f₁的稳态模拟量信号经过数字化采样后的全延时的流程图，步骤SS2具体包括：

步骤SS21计算输入电子式互感器或模拟量输入合并单元的频率为f₁的稳态模拟量信号t₁时刻的相位

步骤SS22计算电子式互感器或模拟量输入合并单元输出的数字量SV信号t₁′时刻的相位其中t₁′≤t₁，t₁′时刻对应SV报文的一个点，该点为t₁时刻电子式互感器或模拟量输入合并单元输出的报文点或者该点为t₁时刻前电子式互感器或模拟量输入合并单元输出的最后一个报文点；

步骤SS23通过步骤SS21和步骤SS22获得的和计算出频率为f₁的稳态模拟量信号经过电子式互感器或模拟量输入合并单元前、后的相位差并将此相位差转换为时间

步骤SS24计算相位计算点时差，t₁时刻与t₁′时刻之间的时间差Δt₁＝t₁-t₁′；

步骤SS25计算输出SV报文发送抖动时差ΔT₁；图6是计算SV报文发送抖动时差ΔT₁的流程图，步骤SS25具体包括如下步骤：

步骤SS251采用锁相技术跟踪数字量SV信号的发送频率，锁定SV报文的平均间隔T_SV1；

步骤SS252通过SV报文第K₁、K₁-1点接收时刻计算出第K₁点报文与前一帧报文的实际间隔

步骤SS253计算出实际间隔与平均间隔T_SV1的偏差 ${\mathrm{\ΔT}}_{k_1}=T_{SV1\_K_1}-T_{SV1};$

步骤SS254通过SV报文第K₁-1、K₁-2点接收时刻计算出第K₁-1点报文与前一帧报文的实际间隔

步骤SS255计算出实际间隔与平均间隔T_SV1的偏差 ${\mathrm{\ΔT}}_{k_1-1}=T_{SV1\_K_1-1}-T_{SV1};$

步骤SS256通过第K₁和第K₁-1点的报文间隔偏差，计算出SV报文第K₁点发送的抖动时差 $\mathrm{\Δ}T={\mathrm{\ΔT}}_{k_1}+{\mathrm{\ΔT}}_{k_1-1};$

步骤SS26根据步骤SS23、步骤SS24和步骤SS25中获得的Δt₁和ΔT₁，计算出频率为f₁的稳态模拟量信号的非周期延时

步骤SS27获得频率为f₁的稳态模拟量信号经过数字化采样后的全延时为

步骤SS3给电子式互感器或模拟量输入合并单元输入频率为f₂的稳态模拟量信号，其中f₁≠f₂。

步骤SS4测量频率为f₂的稳态模拟量信号经过电子式互感器或模拟量输入合并单元前、后的相位差结合相位计算点时差补偿和SV报文发送抖动时差补偿计算出频率为f₂的稳态模拟量信号的非周期延时T_{d2_NP}，通过非周期延时T_{d2_NP}获得频率为f₂的稳态模拟量信号经过数字化采样后的全延时T_d2＝T_{d2_NP}+m₂T₂，T₂＝1/f₂，m₂为非负整数。

获得频率为f₂的稳态模拟量信号经过数字化采样后的全延时过程与获得频率为f₁的稳态模拟量信号经过数字化采样后的全延时的过程一致，步骤SS4具体包括如下步骤：

步骤SS41计算输入电子式互感器或模拟量输入合并单元的频率为f₂的稳态模拟量信号t₂时刻的相位

步骤SS42计算电子式互感器或模拟量输入合并单元输出的数字量SV信号t₂′时刻的相位其中t₂′≤t₂，t₂′时刻对应SV报文的一个点，该点为t₂时刻电子式互感器或模拟量输入合并单元输出的报文点或者该点为t₂时刻前电子式互感器或模拟量输入合并单元输出的最后一个报文点；

步骤SS43通过步骤SS41和步骤SS42中获得的和计算出频率为f₂的稳态模拟量信号经过电子式互感器或模拟量输入合并单元前、后的相位差并将此相位差转换为时间

步骤SS44计算相位计算点时差，t₂时刻与t₂′时刻之间的时间差Δt₂＝t₂-t₂′；

步骤SS45计算SV报文发送抖动时差ΔT₂；步骤SS45具体包括如下步骤：

步骤SS451采用锁相技术跟踪数字量SV信号的发送频率，锁定SV报文的平均间隔T_SV2；

步骤SS452通过SV报文第K₂、K₂-1点接收时刻计算出第K₂点报文与前一帧报文的实际间隔

步骤SS453计算出实际间隔与平均间隔T_SV2的偏差 ${\mathrm{\ΔT}}_{k2}=T_{SV2\_K_2}-T_{SV2};$

步骤SS454通过SV报文第K₂-1、K₂-2点接收时刻计算出第K₂-1点报文与前一帧报文的实际间隔 $T_{SV2\_K_2-1}=t_{k_2-1}-t_{k_2-2};$

步骤SS455计算出实际间隔与平均间隔T_SV2的偏差 ${\mathrm{\ΔT}}_{k_2-1}=T_{SV2\_K_2-1}-T_{SV2};$

步骤SS456通过第K₂和第K₂-1点的报文间隔偏差，计算出SV报文第K₂点发送的抖动时差 ${\mathrm{\ΔT}}_2={\mathrm{\ΔT}}_{k_2}+{\mathrm{\ΔT}}_{k_2-1}.$

步骤SS46根据步骤SS43、步骤SS44和步骤SS45中获得的Δt₂和ΔT₂，计算出频率为f₂的稳态模拟量信号的非周期延时

步骤SS47获得频率为f₂的稳态模拟量信号经过数字化采样后的全延时为

步骤SS5基于采样群延时原则T_d1＝T_d2，计算出m₁和m₂，得到数字化采样的全延时的值。m₁和m₂理论计算出为多个值，且值的个数与信号的频率f₁和f₂有关，频率f₁和f₂越接近，m₁和m₂的个数越少；m₁和m₂的值越大，数字化采样环节的延时越大，实际应用过程中，数字化采样环节的延时应在一定范围内，且可选择频率相近的稳态模拟量信号作为输入信号，从而确定m₁和m₂的具体值，计算出全延时。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种数字化采样延时变频测量系统，其特征在于，包括模拟量输出部分、采集测量部分，所述模拟量输出部分与所述采集测量部分相连接；所述模拟量输出部分外接电子式互感器或模拟量输入合并单元，所述采集测量部分外接所述电子式互感器或所述模拟量输入合并单元；所述模拟量输出部分为所述电子式互感器或所述模拟量输入合并单元提供稳态模拟量信号，同时为所述采集测量部分提供反映所述电子式互感器或所述模拟量输入合并单元输入的二次信号；所述采集测量部分用以采集所述模拟量输出部分发送的二次信号，同时采集所述电子式互感器或所述模拟量输入合并单元输出的数字量SV信号，用以测量并计算数字化采样延时，用以显示测量计算出的延时结果。

2.根据权利要求1所述的一种数字化采样延时变频测量系统，其特征在于，所述模拟量输出部分外接电子式互感器，所述模拟量输出部分包括依次连接的标准互感器、升流/升压器、变频控制器，所述标准互感器作为所述模拟量输出部分与所述电子式互感器的连接单元，同时也作为所述模拟量输出部分与所述采集测量部分的连接单元。

3.根据权利要求1所述的一种数字化采样延时变频测量系统，其特征在于，所述模拟量输出部分外接所述模拟量输入合并单元，所述模拟量输出部分包括依次连接的功率放大器、变频控制器，所述功率放大器作为所述模拟量输出部分与所述模拟量输入合并单元的连接单元，同时也作为所述模拟量输出部分与所述采集测量部分的连接单元。

4.根据权利要求1所述的一种数字化采样延时变频测量系统，其特征在于，所述采集测量部分包括AD转换模块、内部时钟模块、SV采集和时间标记模块、测量计算模块、结果显示模块，所述AD转换模块、所述SV采集和时间标记模块、所述结果显示模块均与所述测量计算模块连接，所述内部时钟模块分别与所述AD转换模块、所述SV采集和时间标记模块相连接；所述内部时钟模块用于产生AD转换模块的采样脉冲，并为SV采集和时间标记模块提供时间信息，所述AD转换模块作为所述模拟量输出部分与所述采集测量部分的连接单元，所述SV采集和时间标记模块用以采集所述电子式互感器或所述模拟量输入合并单元输出的数字量SV信号。