专利名称：一种基于fpga的行波测距装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种服务于电力系统的行波测距装置。
背景技术：
现代行波故障测距技术能够得以实现并不断向前发展，与现代微电子技术、全球定位系统技术、现代通信技术以及数字信号处理技术等相关领域的快速发展分不开。其中， 微电子技术的应用使得对电流暂态信号的高速采集和存储成为可能，而GPS的应用为电力系统同步时钟创造了条件，现代通信技术的发展，为电力系统向智能化，网络化奠定了基础，同时，以小波变换为代表的数字信号处理技术促进了高性能行波故障测距算法的飞跃。 因此，在以上技术的基础上，利用行波进行测距的方法得到了广泛的应用，但也存在有很多难点和不足。目前市场上所应用的行波测距装置大多采用传统的单片机或DSP芯片加后台工控机的模式，由于行波数据采集的频率一般要高于500kHz，而且数据采集量比较大，传统的 DSP芯片无法满足大容量的数据高速存储的要求，因此，一台行波测距装置可以测量的线路条数比较少，不能满足现在变电站规模快速发展的需要。再者，采用Window的后台工控机模式，经常会受到病毒的干扰，极大地增大了维护人员的工作量。除此以外，当前变电站已开始向网络化，智能化方向发展，传统的行波测距装置还不能支持IEC61850通讯规约，无法适应智能化变电站发展需要。
实用新型内容本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于FPGA的行波测距装置，以满足高速故障数据的存储和分析的要求。本实用新型解决技术问题采用如下技术方案本实用新型基于FPGA的行波测距装置的特点是采用模块化设计，包括模拟量采集板、高速数据采集板、具备104和IEC61850两种规约的通信能力的中央处理器板、以太网交换机板以及GPS板；所述模拟量采集板是以霍尔电流传感器或霍尔电压传感器获取线路二次侧电流电压信号，送入高速数据采集板，以一块模拟量采集板配合一块高速数据采集板，采集四条线路中十二个通道的电气量；所述高速数据采集板由高速模数转换芯片A/D和可编程门阵列FPGA构成；模拟量采集板的采集信号依次经过信号调理电路和模数转换芯片A/D后在FPGA内部启动算法的计算以及数据存储；当线路故障时，高速数据采集板将故障的数据通过网络发送到中央处理器板进行分析与存储；所述中央处理器板采用ARM芯片和大容量内存芯片DDR2，以所述中央处理器板接收来自高速数据采集板的故障数据，通过对数据的分析、转发和存储，完成故障数据的小波变换；在分析出行波波头的位置后，结合线路对端的行波波头位置，给出测距结果；[0010]所述GPS板用于完成对GPS信号的接收和解析，利用晶振对时间信息和IPPS信号进行校正。与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在1、本实用新型利用小波变换技术，实时分析处理故障行波数据，确定故障距离。测距精度不受线路长度，故障类型，接地电阻，负荷电流等的影响。2、本实用新型一块高速采集板可采集4条线路的电气量，单台行波测距装置可配置2块高速采集板，再加上辅助装置，同时可接入M条线路，可接入线路容量大，降低了用户的使用成本，能够满足一般变电站的设计需要。3、本实用新型在高精度GPS的配合下，能够利用双端测距的方法在线路故障后自动给出测距结果，同时将单端测距的方法作为双端测距的有效补充。通过不断获取实践数据，积累行波传变特性，以建立单端测距的专家系统，从而为单端测距自动给出测距结果做准备。4、本实用新型采用嵌入式硬件配置，结构简单、防电磁干扰、系统一体化设计、高集成，低耦合。5、本实用新型采用高精度霍尔传感器，具有动态特性好、线性度高、精度高、频带宽以及尺寸小、外围电路简单等优良特性，可传变高达150kHz频率的电流信号，完全满足行波测距装置的要求。6、本实用新型中基于FPGA与DDR2的高速采集板的设置，充分利用了 FPGA的并行计算的能力，可实现故障数据的快速分析与大容量的存储。7、本实用新型采用嵌入式网络设计，使高速采集板具有组态功能，既可以通过中央处理器转发故障数据，也可以直接连接到主站，甚至可以直接通过调度数据网络与线路对端装置交换故障数据。8、本实用新型的通讯方式支持IEC61850与104两种规约，既适应传统变电站的需要，也面向未来数字化变电站的需要，可以直接接入数字化变电站二次设备状态监控系统， 将装置运行状态上传到后台，使运行人员及时了解装置现状。9、本实用新型通过设置全嵌入式操作系统，避免了病毒的干扰，极大地降低了工作人员的维护工作量。10、本实用新型响应速度快，能够快速可靠地显示出行波测距结果。
图1为本实用新型装置总体结构示意图。图2为本实用新型装置与线路对端或主站数据交互示意图。图3为本实用新型装置高速采集板结构示意图。图4为本实用新型装置数据流向示意图。
具体实施方式
参见图1，本实施例中基于FPGA的行波测距装置采用模块化设计，包括模拟量采集板、高速数据采集板、具备104和IEC61850两种规约的通信能力的中央处理器板、以太网交换机板以及GPS板；[0027]模拟量采集板是以霍尔电流传感器或霍尔电压传感器获取从变电站PT，CT引来线路二次侧电流电压信号，送入高速数据采集板，以一块模拟量采集板配合一块高速数据采集板，采集四条线路中十二个通道的电气量；高速数据采集板由高速模数转换芯片A/D和可编程门阵列FPGA构成；模拟量采集板的采集信号依次经过信号调理电路和模数转换芯片A/D后在FPGA内部启动算法的计算以及数据存储；当线路故障时，高速数据采集板将故障的数据通过网络发送到中央处理器板进行分析与存储；FPGA具有并行处理能力，在高可靠性的恒温晶振支持下，工作频率为80M，其时间精度能达到10ns，完全能够满足行波测距装置在高采样率下对时间精度的要求。另外，高速数据采集板配置大容量存储器，2(ibit的DDR2内存与多片16M串行Flash相结合的存储模式，信号采集无死区，每条线路可以存储的故障数据可达到五万条以上，保证故障数据不会丢失，实现了故障数据的安全性。中央处理器板采用Intel的ARM芯片IXP425和大容量内存芯片DDR2，并设置嵌入式uclinux操作系统，以所述中央处理器板接收来自高速数据采集板的故障数据，通过对数据的分析、转发和存储，完成故障数据的小波变换；在分析出行波波头的位置后，结合线路对端的行波波头位置，给出测距结果；ARM芯片IXP425具有丰富的外设接口资源，功耗低，可靠性高。支持大容量CF卡， 固态硬盘接口，能够实现行波故障数据的冗余备份，进一步提高故障数据的可靠性。同时， 该ARM芯片支持多个网段的网络连接，可同时接入多个主站，对端以及调度自动化系统。GPS板用于完成对GPS信号的接收和解析，利用晶振对时间信息和IPPS信号进行校正，GPS板的对时误差小于50ns，守时Ih后的误差小于6. 7us。参见图2，本实例中行波测距装置与对端或主站端通信采用IEC61850规约。其作为智能化变电站的标准规约，具有统一、规范、自描述易扩展等特点，解决了目前传统变电站规约种类繁多，互不兼容，难以扩展等缺点，必将成为以后变电站的同一规约。由于IEC61850比较复杂，映射层次多，实现起来比较困难。本实施例内置 IEC61850规约与实时数据库的映射，可以方便地和其他各类规约相互转换。针对两套行波测距装置之间三种类型的数据通信，设计了以下三套IEC61850解决方案1、文件传输在两套行波测距装置之间传送大数据量采样数据文件；2、soe突发信息主动上送在两套行波测距装置之间服务端主动传送报告控制块；3、发出控制命令在两套行波测距装置之间客户端发出控制命令，对服务端数据类模型进行读数据值、设置数据值等操作。参见图3，本实例的高速采集板采用美国Altera公司的Cyclone系列FPGA，功耗低，适用于大容量存储应用，并支持高速外部存储器接口，包括DDR2-SDRAM(双通道同步动态随机存储器)等。其独有的NiosII CPU软核，Avolon总线技术以及基于可编程的片上系统S0PC(SyStem On Programmable Chip)架构，使系统的构建更加快捷方便，既提高了系统集成度，又缩短了开发的周期。丰富多样的IP核资源可靠性高，配置简单灵活。本实例中使用的IP核包括数字低通滤波器FIR单元，离散傅里叶变换DFT单元以及DDR2控制器寸。[0039] 参见图4，本实施例的FPGA芯片工作在80MHz频率下，一方面控制高速AD芯片进行800kHz的数据采集，另一方面可同时将采集的数据进行启动算法的计算以及小波变换。 最后通过大容量的DDR2内存与FLASH将故障数据保存。数据采集无死区，即使连续多次发生暂态现象，故障行波数据也不会丢失。由于FPGA运行速度快，在80MHz的时钟下，工作周期可达到10ns，提高了信号处理的效率，既能同时实现多条线路的同步计算，又能满足行波测距装置对高频信号的采集要求。
权利要求1. 一种基于FPGA的行波测距装置，其特征是采用模块化设计，包括模拟量采集板、高速数据采集板、具备104和IEC61850两种规约的通信能力的中央处理器板、以太网交换机板以及GPS板；所述模拟量采集板是以霍尔电流传感器或霍尔电压传感器获取线路二次侧电流电压信号，送入高速数据采集板，以一块模拟量采集板配合一块高速数据采集板，采集四条线路中十二个通道的电气量；所述高速数据采集板由高速模数转换芯片A/D和可编程门阵列FPGA构成；模拟量采集板的采集信号依次经过信号调理电路和模数转换芯片A/D后在FPGA内部启动算法的计算以及数据存储；当线路故障时，高速数据采集板将故障的数据通过网络发送到中央处理器板进行分析与存储；所述中央处理器板采用ARM芯片和大容量内存芯片DDR2，以所述中央处理器板接收来自高速数据采集板的故障数据，通过对数据的分析、转发和存储，完成故障数据的小波变换；在分析出行波波头的位置后，结合线路对端的行波波头位置，给出测距结果；所述GPS板用于完成对GPS信号的接收和解析，利用晶振对时间信息和IPPS信号进行校正。
专利摘要本实用新型公开了一种基于FPGA的行波测距装置，其特征是采用模块化设计，包括模拟量采集板、高速数据采集板、具备104和IEC61850两种规约的通信能力的中央处理器板、以太网交换机板以及GPS板；模拟量采集板是以霍尔电流传感器或霍尔电压传感器获取线路二次侧电流电压信号；高速数据采集板由高速模数转换芯片A/D和可编程门阵列FPGA构成；中央处理器板采用ARM芯片和大容量内存芯片DDR2，并设置嵌入式uclinux操作系统，中央处理器板接收来自高数据速采集板的故障数据，在分析出行波波头的位置后，给出测距结果。本实用新型用以满足高速故障数据的存储和分析。
文档编号G01R31/08GK202159111SQ201120187399
公开日2012年3月7日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者何鸣, 张令意, 张可, 张骥, 王晓, 王皓, 谢红福 申请人:安徽继远电网技术有限责任公司