一种用于行波测距的高频数据采集传输方法及系统与流程

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种用于行波测距的高频数据采集传输方法及系统。

背景技术：

近年来，我国大力发展智能电网产业，电子式互感器由于其在数字信号传输方面表现出的巨大优势而成为实现智能变电站不可或缺的设备。随着电力系统复杂规模快速扩大，线路出现故障后排除故障非常困难，因此线路故障点的准确定位显得日益重要。受故障类型、故障电阻和线路对端负荷阻抗等因素影响较大，阻抗原理测距精度不够理想，而利用小波变换技术的行波测距装置大幅提高了测距精度，能够精确到百米级别。

电子式互感器具有无磁饱和、无铁磁谐振、无磁滞和剩磁现象、抗干扰能力强等特点，消除了常规互感器存在的如易饱和、暂态特性差等问题。电子式互感器在暂态特性上的优势为行波测距进一步提高精度提供了保证。

目前，智能变电站中电子式互感器的数据提供给继电保护装置或者测控装置用，采样频率一般低于10KHz，而行波测距装置要求的采样频率达到1MHz以上，因此当前的电子式互感器远不能满足行波测距的要求；同时，行波测距装置无法从电子式互感器直接获取高频采样数据，因为电子式互感器的输出接口为串行数据，需经合并单元转换为以太网报文后方可接入行波测距装置，使得操作较复杂。

技术实现要素：

为克服相关技术中存在的问题，本发明提供一种提醒方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种用于行波测距的高频数据采集传输方法，所述方法包括：

通过电子式互感器采集输电线路的电流信号，输出电压模拟信号；

将所述电压模拟信号高速转换为数字信号；

将多个所述数字信号组包，并将组包后的以太网报文发送至行波测距装置。

优选地，上述用于行波测距的高频数据采集传输方法中，所述输出电压模拟信号，之后包括：

对所述电压模拟信号进行角度校正；

对校正后的电压模拟信号进行滤波处理。

优选地，上述用于行波测距的高频数据采集传输方法中，所述将所述电压模拟信号高速转换为数字信号，之后包括：

对串行传输的所述数字信号进行磁耦合隔离。

优选地，上述用于行波测距的高频数据采集传输方法中，所述将多个所述数字信号组包，并将组包后的以太网报文发送至行波测距装置，具体包括：

接收串行传输的所述数字信号，并将所述数字信号缓存到高频数据缓存单元中；

读取多个所述高频数据缓存单元中的采样数据，合并采样数据，并将合并后的采样数据通过以太网报文发送至行波测距装置。

优选地，上述用于行波测距的高频数据采集传输方法中，所述读取多个所述高频数据缓存单元中的采样数据，合并采样数据，并将合并后的采样数据通过以太网报文发送至行波测距装置，具体包括：

通过配置文件获取所述高频数据缓存单元中的各数据的发送模式；

根据各数据的所述发送模式，将各数据填充到以太网包的对应通道,组成报文发送至行波测距装置。

基于本发明提供的用于行波测距的高频数据采集传输方法，本发明还提供一种用于行波测距的高频数据采集传输系统，所述系统包括：

电子式互感器：用于采集输电线路的电流信号，输出电压模拟信号；

二次信号积分模块：用于将所述电压模拟信号进行角度校正；

高速模数转换模块：用于将校正后的电压模拟信号高速转换为数字信号；

电气隔离模块：用于隔离所述高速模数转换模块输出的多个所述数字信号；

FPGA处理模块：用于将多个所述数字信号进行合并，并将合并后的数字信号通过报文发送至吉比特以太网物理层模块；

吉比特以太网物理层模块：用于接收、传输所述FPGA处理模块输出的报文；

光纤以太网模块：用于接收所述吉比特以太网物理层模块输出的报文，并将所述报文发送至行波测距装置。

优选地，上述用于行波测距的高频数据采集传输系统中，所述FPGA处理模块包括：

数据接收单元：用于接收所述电气隔离模块输出的数字信号；

高频数据缓存单元：用于将所述数字信号进行缓存存储；

吉比特以太网控制器单元：用于读取所述高频数据缓存单元中的数据，并所述数据合并发送至所述吉比特以太网物理层模块。

优选地，上述用于行波测距的高频数据采集传输系统中，所述吉比特以太网控制器单元包括：

配置文件解析模块：用于根据配置文件获取所述高频数据缓存单元中的数据的发送模式；

以太网组包模块：用于根据数据的发送模式将所述数据填充到以太网包的对应通道；

GMII接口通信模块：用于接收、发送所述以太网组包单元输出的报文。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明提供一种用于行波测距的高频数据采集传输方法及系统，所述系统包括电子式互感器、高速模数转换模块、电气隔离模块、FPGA处理模块和吉比特以太网物理层模块，该高频数据采集传输系统工作时，通过电子式互感器采集输电线路的电流信号，输出电压模拟信号；通过高速模数转换模块将电压模拟信号高速转换为数字信号；数字信号传输至FPGA处理模块，FPGA处理模块将多个采样数据进行组包处理，最后多个采样值数据合并后通过以太网报文发送至行波测距装置。本发明采样采样率极高的高速模数转换模块、高主频的FPGA处理模块，实现了高频数据采集；通过光纤以太网接口传输采样数据，使电子式互感器直接与行波测距装置相连，实现了高频数据传输，从而满足了行波测距的要求。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于行波测距的高频数据采集传输方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于行波测距的高频数据采集传输方法中步骤S200的详细流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种用于行波测距的高频数据采集传输方法中步骤S300的详细流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种用于行波测距的高频数据采集传输方法中步骤S302的详细流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种用于行波测距的高频数据采集传输系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种用于行波测距的高频数据采集传输系统中吉比特以太网控制器单元的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

参见图1，该图示出了本发明实施例提供的用于行波测距的高频数据采集传输方法的具体流程图。

S100：通过电子式互感器采集输电线路的电流信号，输出电压模拟信号。

具体地，电子式互感器包括Rogowski线圈，Rogowski线圈是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，输出信号是电流对时间的微分，即电压信号，通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流，且Rogowski线圈具有暂态响应速度快、无磁饱和现象等特点，非常适合用于定位线路故障点的系统中。Rogowski线圈感应输电线路中的电流，通过电流对时间的微分处理，输出电压模拟信号。

如图2所示，输出电压模拟信号后，对电压模拟信号进行预处理的方法如下：

S101：对所述电压模拟信号进行角度校正。

具体地，Rogowski线圈输出的是对一次侧电流信号对时间的微分，输出的电压模拟信号相对于一次侧电流信号的角度超前90°，因此为方便电压模拟信号的后续处理，需要将电压模拟信号进行积分处理，使电压模拟信号与一次侧电流信号角度一致。

S102：对校正后的电压模拟信号进行滤波处理。

具体地，为防止输电线路中的高频信号干扰电压模拟信号，将角度校正后的电压模拟信号进行低通滤波处理，滤除高于12.8KHz的高频分量，以满足行波测距的要求。

S200：将所述电压模拟信号高速转换为数字信号。

具体地，为方便后续处理单元的识别和处理，将滤波处理后的电压模拟信号高速转换为数字信号，并通过串行通信接口传输数字信号，提高数据的采样频率。进一步地，为保证串行数据传输的信号质量，通过磁耦合电气隔离电路隔离串行接口内的数据。

S300：将多个所述数字信号组包，并将组包后的以太网报文发送至行波测距装置。

具体地，由于采样频率高，采样数据量非常大，若每个采样点都单独组包发送，报文中除数据以外的固定字节利用率占用报文大部分内容，造成实际数据率很低，最终导致网络接口传输速率不能满足要求，因此需要将多个采样数据组包，将组包后的数字信号报文发送至行波测距装置，从而提高网络接口传输速率。

如图3所示，组包采样数据的方法如下所示：

S301：接收串行传输的所述数字信号，并将所述数字信号缓存到高频数据缓存单元中。

S302：读取多个所述高频数据缓存单元中的采样数据，合并采样数据，并将合并后的采样数据通过以太网报文发送至行波测距装置。

具体地，将串行传输的采样数据通过缓存逻辑存储到高频数据缓存单元中，读取多个高频数据缓存单元中的采样数据，合并多个采样数据，并将合并后的采样数据通过以太网报文发送至行波测距装置。

如图4所示，合并多个采样数据的方法如下所示：

S3021：通过配置文件获取所述高频数据缓存单元中的各数据的发送模式。

具体地，通过各数据的配置文件，得到高频数据缓存单元中的各数据的发送模式。

S3022：根据各数据的所述发送模式，将各数据填充到以太网包的对应通道,组成报文发送至行波测距装置。

具体地，根据获得的高频数据缓存单元中各数据的发送模式，将各采样数据填充到以太包的对应通道中，并加上报头等必要字段组成报文，然后将报文写入MAC控制器IP软核的FIFO中，通过GMII接口逻辑模块将报文发送至行波测距装置。优选的，为提高实际数据传输率，将200个采样数据填充到同一个报文中发送出去。

本发明实施例提供的用于行波测距的高频数据采集传输方法通过电子式互感器的Rogowski线圈采集输电线路的电流信号，输出电压模拟信号；由于Rogowski线圈输出的是对一次侧电流信号对时间的微分，输出的电压模拟信号相对于一次侧电流信号的角度超前90°，因此需要将电压模拟信号的角度滞后90°，使得使电压模拟信号与一次侧电流信号角度一致；为避免电压模拟信号中的高频分量干扰信号，通过低通滤波电路滤除信号中的高频分量；然后将电压模拟信号转换为数字信号，方便后续处理单元识别处理，为提高采样频率，数字信号通过串行通信接口传输，并且为保证串行传输数据的信号质量，对串行传输数据进行磁耦合隔离；转换为数字信号后，将数字信号缓存到高频数据缓存单元中，读取多个高频数据缓存单元中的采样数据，将多个采样数据填充到同一个报文中发送至行波测距装置。本发明实施例提供的用于行波测距的高频数据采集传输方法采用高频数据采集方法，极大的提高了采样率，使采样数据满足行波测距要求；根据通道配置文件，将多路数据合并组包，通过光纤以太网直接传输至行波测距装置，对变电站原有报文网络无干扰，简化连接方式。

基于本发明实施例提供的用于行波测距的高频数据采集传输方法，本发明实施例还提供了一种用于行波测距的高频数据采集传输系统。

参见图5，该图示出了本发明实施例提供的用于行波测距的高频数据采集传输系统的基本结构。

用于行波测距的高频数据采集传输系统包括电子式互感器100、二次信号积分模块200、模数转换模块300、电气隔离模块400、FPGA处理模块500、吉比特以太网物理层模块600和光纤以太网模块700，且电子式互感器100、二次信号积分模块200、高速模数转换模块300、电气隔离模块400、FPGA处理模块500、吉比特以太网物理层模块600和光纤以太网模块700依次相连，其中：

电子式互感器100：用于采集输电线路的电流信号，输出电压模拟信号。电子式互感器内的一次侧线圈根据电磁感应原理，采集电流信号，输出电压信号，其工作过程如下：电子式互感器设置在输电线路附近，采集输电线路的电流信号，当被测输电线中的电流通过电子式互感器一次侧线圈时，电子式互感器产生相应变化的磁场，线圈两端感应产生的电压与电流成一定关系。优选的，为满足行波测距的要求，电子式互感器100的一次侧线圈为Rogowski线圈。

Rogowski线圈是将铜线缠绕在非铁磁骨架上制成，由于Rogowski线圈不同铁芯，无磁饱和现象，能测量大范围的电流，可以从几安培到几千安培；由于不用铁芯进行磁耦合，从而消除了磁饱和、高次谐振现象，运行稳定性更好；而且Rogowski线圈暂态相应速度快，当出现故障时，反应速度较快，能够准确定位故障位置，非常适合应用于行波测距装置中。

二次信号积分模块200：用于校正输出的电压模拟信号的角度。电子式互感器100输出相对于一次侧电流信号超前90°的正弦波弱电信号，额定值为150mV，二次信号积分模块200通过运算放大器以及阻容元件组成的模拟积分回路将正弦波角度滞后90°，使得电压模拟信号的角度与一次侧电流信号的角度一致，而幅值仍为二次侧额定值150mV。

模数转换模块300：用于将角度校正后的电压模拟信号高速转换为数字信号。还原角度后的二次正弦波信号首先经过二次低通滤波回路，滤除高于12.8KHz的高频分量，以满足行波测距的要求。该模数转换模块300采用采样率为40MPps的12位高精度模数转换芯片，将电压模拟信号转换为数字信号。为保证采样精度，该模数转换芯片使用高精度的参考电源芯片作为模拟电源。

模数转换后的数字量采样值通过串行通信接口301传输，单个模数转换模块300的采样频率为2MHz，采样精度为12位，因此选用串行通信接口301的数据率为64MHz，是单通道采样数据率的2倍，这样做是为了留有一定裕量，为系统扩展和升级考虑。

电气隔离模块400：用于隔离各串行通信接口的数据，保证串行数据通信的信号质量。优选的，电气隔离模块400采用磁耦合隔离芯片，相比于光电耦合隔离芯片，磁耦合隔离芯片数据率较高，效果更好。

FPGA处理模块500：用于缓存采样数据，将多个采样数据组包发送至行波测距装置。由于模数转换模块300采样及串行通信接口301数据率非常高，FPGA处理模块500与模数转换模块300的串行接口通信速率需高于数据传输率一个数量级方可满足要求，综合考虑各方面因素，FPGA处理模块的主频设置为320MHz。

FPGA处理模块500包括数据接收单元501、高频数据缓存单元502和吉比特以太网控制器单元503，且数据接收单元501、高频数据缓存单元502和吉比特以太网控制器单元503依次连接，其中：

数据接收单元501：用于接收串行通信接口301传输的采样数据。

高频数据缓存单元502：用于缓存存储数据接收单元501中的采样数据。

吉比特以太网控制器单元503：用于读取高频数据缓存单元502中的采样数据，并将多个采样数据合并后通过以太网报文发送至行波测距装置。

如图6所示，吉比特以太网控制器单元503包括配置文件5031、配置文件解析模块5032、以太网组包模块5033、MAC控制器IP软核5034和GMII接口通信模块5035，且配置文件5031、配置文件解析模块5032、以太网组包模块5033、MAC控制器IP软核5034和GMII接口通信模块5035依次连接，其中：

配置文件解析模块5032：用于根据配置文件获得高频数据缓存单元502中各采样数据的发送模式。

以太网组包模块5033：用于根据各采样数据的发送模式将各采样数据填充到以太网包的对应通道，并加上报头等必要字段组成报文。

由于采样频率高，采样数据量非常大，若每个采样点都单独组包发送，报文中除数据以外的固定字节利用率占用报文大部分内容，实际数据率将会很低，最终将导致网络接口传输速率不能满足要求，因此需要将采样数据通过缓存逻辑存储在高频数据缓存单元中，每200个采样点数据填充到同一个报文中发送出去，实际数据率大幅提高，接收传输速率得以满足要求。FPGA处理模块500内部设置的数据缓存空间为2MB，满足缓存至少3通道各200个采样点数据的要求。

MAC控制器IP软核5034：用于将报文写入MAC控制器IP软核的FIFO中。

GMII接口通信模块5035：用于将报文发送传递给吉比特以太网物理层模块600。

吉比特以太网物理层模块600：用于接收GMII接口通信模块5035传输的报文，实时将报文通过光纤以太网模块700发送至行波测距装置。

光纤以太网模块700：用于将高频采样数据传输至行波测距装置。光纤以太网模块700采用光纤以太网接口传输数据，数据率达到1Gb/s。

FPGA处理模块500中的吉比特以太网控制器单元503是用IP软核的方式实现MAC控制器以及GMII逻辑接口，通过吉比特以太网物理层模块600和光纤以太网模块700，实现电子式互感器100与行波测距装置的直接连接。

本发明实施例提供的用于行波测距的高频数据采集传输系统包括电子式互感器100、二次信号积分模块200、模数转换模块300、电气隔离模块400、FPGA处理模块500、吉比特以太网物理层模块600和光纤以太网模块700，且电子式互感器100、二次信号积分模块200、高速模数转换模块300、电气隔离模块400、FPGA处理模块500、吉比特以太网物理层模块600和光纤以太网模块700依次相连，其中，电子式互感器100用于采集输电线路的电流信号，输出电压模拟信号；二次信号积分模块200用于将电压模拟信号的角度滞后90°；模数转换模块300用于将电压模拟信号高速转换为数字信号，提高采样值的采样频率；电气隔离模块400用于隔离串行传输的采样数据；FPGA处理模块500用于合并多个采样数据，并将合并后的采样数据报文发送至吉比特以太网物理层模块600；吉比特以太网物理层模块600通过GMII接口收到报文，实时将报文通过光纤以太网模块700发送给行波测距装置。本发明实施例提供的用于行波测距的高频数据采集传输系统采用采样率极高的高速模数转换模块、高速电气隔离模块、高主频的FPGA处理模块及深度缓存技术，实现了高频数据采集，极大的提高了采样率，使采样数据满足行波测距要求；采用基于FPGA的MAC控制器IP软核及GMII逻辑接口，根据通道配置文件，将多路数据合并组包，通过光纤以太网接口传输数据，数据率达到1Gb/s，使电子式互感器直接与行波测距装置相连，实现了高速数据传输。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。