专利名称：行波数据采集和处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统领域，更具体而言，涉及一种继电保护领域的行波数据采集和处理装置。
背景技术：
高压输电线路故障后的电流行波和电压行波中包含了丰富的故障信息，可以作为故障检测的依据。行波保护不受电流互感器饱和影响，不受电力系统振荡的影响，不受输电线路充电电容电流的影响，不受输电线路串联电容器及并联电抗器的影响，不受过渡电阻的影响，是继电保护技术发展的重要方向之一。行波保护的实现离不开行波信号获取和行波信号处理技术。故障后的电压行波和电流行波信号是一个频谱范围很宽的信号，为了对电压行波和电流行波进行准确的采集，保护装置必须有足够高的数据采样率。同时行波保护需要实时处理行波数据，相应的行波保护对数据处理的速度又有更高的要求。行波信号不同于传统的基于工频电气量信号，是一种非平稳变化信号，也不能采用传统的信号处理技术。因此，为实现行波保护技术，现有的数据采集和数据处理技术不能直接套用，需要一种行波数据采集和行波数据处理技术。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种行波数据采集和处理装置， 实现行波数据采集，为基于行波的故障检测和继电保护提供数据，为行波保护系统提供准确、可靠的故障诊断依据。因此，本发明提供了一种行波数据采集和处理装置，包括行波数据采集模块和行波数据处理模块。其中，所述行波数据采集模块可以包括核心控制模块、二阶有源低通滤波模块、 二阶无源带通滤波模块、保护硬件启动模块、多路转换开关模块、A/D转换模块、以及双口 RAM模块。所述二阶有源低通滤波模块，接收来自线路的行波模拟信号，对所述行波模拟信号进行滤波，所述行波模拟信号包括电压行波模拟信号和电流行波模拟信号。所述二阶无源带通滤波模块，连接到所述二阶有源低通滤波模块，用于从所述二阶有源低通滤波模块的输出的信号中提取行波中的高频信号。所述保护硬件启动模块，接收来自所述二阶无源带通滤波模块的所述高频信号， 并确定所述高频信号是否满足预定条件，在所述高频信号满足所述预定条件后，发送启动信号至所述核心控制模块。所述多路转换开关模块，连接至所述二阶有源低通滤波模块，用于在接收到来自所述核心控制模块的控制信号后将所述行波模拟信号依次输出至A/D转换模块。所述A/D转换模块，连接至所述多路转换开关模块，根据来自所述核心控制模块的控制信号，对所述行波模拟信号进行A/D转换，并将转换结果输出至双口 RAM模块。所述双口 RAM模块，具有两组数据总线和两组地址总线，用于在所述核心控制模块的控制下存储来自所述A/D转换模块的所述转换结果，以及在所述行波数据处理模块的控制下向所述行波数据处理模块发送所述转换结果。所述核心控制模块，接收来自所述保护硬件启动模块的所述启动信号，控制所述多路转换开关、所述A/D转换器、和所述双口 RAM，以及实现对地址总线和数据总线的译码， 并且向所述行波数据处理模块发送中断信号。所述行波数据处理模块，接收来自所述核心控制模块的中断信号，从所述双口 RAM 读取所述转换结果，按照预定算法对所述转换结果进行处理以确定行波特征。在上述技术方案中，优选地，所述行波数据处理模块还包括SDRAM存储器，用于存储所述数据处理模块进行处理所需的数据；FLASH存储器，用于存储所述数据处理模块所采用的算法程序。优选地，所述核心控制模块是由复杂可编程逻辑器件构成的。优选地，所述保护硬件启动模块包括电平比较电路，将所述高频信号转换为电平信号，然后将所述电平信号与预设启动电平信号进行比较，在所述电平信号高于所述预定启动电平信号时，发出启动信号至所述核心控制模块。优选地，所述二阶有源低通滤波模块的截止频率为250kHz。优选地，所述二阶无源带通滤波模块的带通频率设置为3kHz 30kHz。优选地，所述A/D转换模块为两个或以上。优选地，所述双口 RAM模块为两个，用于分别存储线路的电流采样信号和电压采
样信号。优选地，所述处理模块对所述转换结果进行凯伦贝尔变换得到模量行波数据，然后对所述模量行波数据进行小波变换，并根据小波变换的结果确定行波特征。通过本发明提供的行波数据采集和处理装置，实现了对行波数据的采集和处理， 为继电保护系统提供准确、可靠的故障诊断依据。
图1示出了根据本发明的一个实施例的行波数据采集和处理装置的示意框图；图2示出了根据本发明的一个实施例的行波数据采集和行波数据处理装置的硬件构成示意图；图3示出了图2所示装置的微处理器程序流程示意图；图4示出了图2所示装置中二进小波变换多分辨率分解示意图。
具体实施例方式为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
图1示出了根据本发明的一个实施例的行波数据采集和处理装置的示意框图。如图1所示，一种行波数据采集和处理装置100，包括行波数据采集模块102和行波数据处理模块104。所述行波数据采集模块102包括核心控制模块1022、二阶有源低通滤波模块 1024、二阶无源带通滤波模块1026、保护硬件启动模块1028、多路转换开关模块10210、A/D 转换模块10212、双口 RAM模块10214。二阶有源低通滤波模块1024，接收来自线路的行波模拟信号，对所述行波模拟信号进行滤波，行波模拟信号包括电压行波模拟信号和电流行波模拟信号。二阶无源带通滤波模块1026，连接到二阶有源低通滤波模块1024，用于从二阶有源低通滤波模块IOM的输出的信号中提取行波中的高频信号。保护硬件启动模块10 ，接收来自二阶无源带通滤波模块10 的高频信号，并确定高频信号是否满足预定条件，在高频信号满足预定条件后，发送启动信号至核心控制模块 1022。多路转换开关模块10210，连接至二阶有源低通滤波模块1024，用于在接收到来自核心控制模块1022的控制信号后将行波模拟信号依次输出至A/D转换模块10212。A/D转换模块10212，连接至多路转换开关模块10210，根据来自核心控制模块1022的控制信号，对行波模拟信号进行A/D转换，并将转换结果输出至双口 RAM模块 10214。双口 RAM模块10214，具有两组数据总线和地址总线，用于在核心控制模块1022的控制下存储来自A/D转换模块10212的转换结果，以及被行波数据处理模块104读取转换结果。核心控制模块1022，接收来自保护硬件启动模块10 的启动信号，控制多路转换开关10210、A/D转换器10212、和双口 RAM模块10214，以及实现对地址总线和数据总线的译码，并且向行波数据处理模块发送中断信号。行波数据处理模块104，接收来自核心控制模块1022的中断信号，从双口 RAM模块 10214读取转换结果，按照预定算法对转换结果进行处理以确定行波特征。核心控制模块1022可以由复杂可编程逻辑器件(CPLD)构成。保护硬件启动模块10 包括电平比较电路，将高频信号转换为电平信号，然后将电平信号与预设启动电平信号进行比较，在电平信号高于预定启动电平信号时，发出启动信号至核心控制模块。二阶有源低通滤波模块IOM的截止频率为250kHz。二阶无源带通滤波模块10 的带通频率设置为3kHz 30kHz。A/D转换模块10212为两个或以上。双口 RAM模块10214为两个，用于分别存储线路的电流采样信号和电压采样信号。处理模块104对转换结果进行凯伦贝尔变换得到模量行波数据，然后对模量行波数据进行小波变换，并根据小波变换的结果确定行波特征。图2示出了根据本发明的一个实施例的行波数据采集和行波数据处理装置的硬件构成示意图。如图2所示，根据该实施例的行波数据采集和行波数据处理装置200由高速数据采集电路I和高速数字信号处理电路II两部分组成。各模块的组成及功能说明如下高速数据采集电路I 包括二阶有源低通滤波模块202 ；二阶无源带通滤波模块 204 ；保护数据处理硬件启动模块206 ；多路转换开关模块208 ；A/D转换模块210 ；双口 RAM 模块212 ；复杂可编程逻辑器件(CPLD)控制及译码模块214。其中1) 二阶有源低通滤波模块202 8路模拟信号输入至该装置后，进入二阶有源低通滤波器202，该滤波器的截止频率可以设置为250kHz，满足香农采样定理和滤除高频干扰。2) 二阶无源带通滤波模块204 二阶无源带通滤波模块204的带通频率为3kHz 30kHz，提取电流故障行波中的高频信号，作为行波数据处理硬件启动信号。3)行波数据处理硬件启动模块206 该模块可以通过运算放大器构成的电平比较回路来实现，当经过二阶无源带通滤波模块204后的电流故障行波中的高频部分(3kHz 30kHz)所对应的电平超过预设的硬件启动电平后，硬件启动回路发出启动信号至CPLD控制及译码模块214，CPLD触发高速数字信号处理器216中断，进入行波数据处理程序。4)多路转换开关模块208 多路转换开关208可以是四选一的高速切换开关，将四路模拟信号依次输出至A/ D模块。通过多路转换开关模块和A/D模块的结合使用，可以大大提高采样的频率，同时可以提高数据处理速度。5)A/D 模块A/D模块中采用2块高速模/数转换模块210A和210B，实现对模拟信号的高速模 /数转换，对每一路模拟信号的数据采样率达到1MHz。6)双口 RAM 模块2块双口 RAM212A和212B用于存储A/D转换后的8路数字信号，存储空间为 128Kbyte 0 一块双口 RAM存放4路电流采集信号，另一块双口 RAM存放4路电压采集信号， 双口 RAM采用循环存放方式。双口 RAM具有两组地址总线和两组数据总线，由CPLD控制及译码模块214负责将模/数转换后的数据写入双口 RAM，而由高速数字信号处理器216负责读取双口 RAM中的故障数据，并实时进行行波数据处理，因此可以实现故障数据的高速采集和高速数据处理的同步执行，极大地提高了行波数据采集和处理装置的实时数据处理能力。7) CPLD控制及译码模块214 CPLD控制及译码模块214是高速数据采集的核心控制部分，它实现对多路转换开关、A/D和双口 RAM的协调控制和地址/数据总线信号的译码，实现8路模拟信号转换成数字信号并存储于双口 RAM中，同时CPLD控制及译码模块214在行波数据处理硬件启动模块 206启动后触发高速数字信号处理电路II进入行波数据处理程序。(2)高速数字信号处理电路II高速数字信号处理电路II以高速数字信号处理器(DSP) 216为核心，包括高速数字信号处理器216、SDRAM存储器218和FLASH存储器220。各部分功能如下1)高速数字信号处理器216
这可以是一款高速数字信号处理芯片，数据总线32位，可进行浮点运算，精度高。 芯片内部有8个运算单元，每秒可执行16亿条指令，能同时满足超高速行波保护对数据处理速度和精度的要求。WSDRAM 存储器 218 采用2块SDRAM存储器，构成32位2Mbyte字节的随机存取存储器，用于存放算法所需数据及故障录波数据。3) FLASH 存储器 220 用于存放算法的程序。高速数字信号处理器216上电后自动将FLASH存储器220 中的程序读入高速数字信号处理器216内部的RAM中运行。图3示出了图2所示装置的微处理器程序流程示意图。如图3所示，高速数字信号处理器216启动行波数据处理程序后，高速数字信号处理器216首先读取双口 RAM中的行波数据(30 ，接着将三相电流行波和电压行波数据进行凯伦贝尔变换(304)，变换成三个线模分量和一个零模分量，如式(1)和式( 所示。接着对模量行波数据进行小波变换(306)，小波变换具体如图4，最后获得基于小波变换的行波数据特征，为行波保护判据提供特征数据(308)。
权利要求
1.一种行波数据采集和处理装置，其特征在于，包括行波数据采集模块和行波数据处理模块，其中，所述行波数据采集模块，包括核心控制模块、二阶有源低通滤波模块、二阶无源带通滤波模块、保护硬件启动模块、多路转换开关模块、A/D转换模块、双口 RAM模块，其中所述二阶有源低通滤波模块，接收来自线路的行波模拟信号，对所述行波模拟信号进行滤波，所述行波模拟信号包括电压行波模拟信号和电流行波模拟信号；所述二阶无源带通滤波模块，连接到所述二阶有源低通滤波模块，用于从所述二阶有源低通滤波模块的输出的信号中提取行波中的高频信号；所述保护硬件启动模块，接收来自所述二阶无源带通滤波模块的所述高频信号，并确定所述高频信号是否满足预定条件，在所述高频信号满足所述预定条件后，发送启动信号至所述核心控制模块；所述多路转换开关模块，连接至所述二阶有源低通滤波模块，用于在接收到来自所述核心控制模块的控制信号后将所述行波模拟信号依次输出至A/D转换模块；所述A/D转换模块，连接至所述多路转换开关模块，根据来自所述核心控制模块的控制信号，对所述行波模拟信号进行A/D转换，并将转换结果输出至双口 RAM模块；所述双口 RAM模块，具有两组数据总线和两组地址总线，用于在所述核心控制模块的控制下存储来自所述A/D转换模块的所述转换结果，以及被所述行波数据处理模块读取所述转换结果；以及所述核心控制模块，接收来自所述保护硬件启动模块的所述启动信号，控制所述多路转换开关、所述A/D转换器、和所述双口 RAM，以及实现对所述地址总线和所述数据总线的译码，并且向所述行波数据处理模块发送中断信号；以及所述行波数据处理模块，接收来自所述核心控制模块的中断信号，从所述双口 RAM读取所述转换结果，按照预定算法对所述转换结果进行处理以确定行波特征。
2.根据权利要求1所述的行波数据采集和处理装置，其特征在于，所述行波数据处理模块还包括SDRAM存储器，用于存储所述数据处理模块进行处理所需的数据；以及 FLASH存储器，用于存储所述数据处理模块所采用的算法程序。
3.根据权利要求1或2所述的行波数据采集和处理装置，其特征在于，所述核心控制模块是由复杂可编程逻辑器件构成的。
4.根据权利要求1或2所述的行波数据采集和处理装置，其特征在于，所述保护硬件启动模块包括电平比较电路，将所述高频信号转换为电平信号，然后将所述电平信号与预设启动电平信号进行比较，在所述电平信号高于所述预定启动电平信号时，发出启动信号至所述核心控制模块。
5.根据权利要求1或2所述的行波数据采集和处理装置，其特征在于，所述二阶有源低通滤波模块的截止频率为250kHz。
6.根据权利要求1或2所述的行波数据采集和处理装置，其特征在于，所述二阶无源带通滤波模块的带通频率设置为3kHz 30kHz。
7.根据权利要求1或2所述的行波数据采集和处理装置，其特征在于，所述A/D转换模块为两个或以上。
8.根据权利要求1或2所述的行波数据采集和处理装置，其特征在于，所述双口RAM模块为两个，用于分别存储线路的电流采样信号和电压采样信号。
9.根据权利要求1或2所述的行波数据采集和处理装置，其特征在于，所述处理模块对所述转换结果进行凯伦贝尔变换得到模量行波数据，然后对所述模量行波数据进行小波变换，并根据小波变换的结果确定行波特征。
全文摘要
本发明提供了一种行波数据采集和处理装置，包括行波数据采集模块和行波数据处理模块。其中，所述行波数据采集模块可以包括核心控制模块、二阶有源低通滤波模块、二阶无源带通滤波模块、保护硬件启动模块、多路转换开关模块、A/D转换模块、以及双口RAM模块。根据本发明的技术方案能够对电流行波和电压行波进行同步、高速的数据采集，同时对大量的行波数据进行实时、高速数字信号处理，提取行波数据特征和实现小波变换算法，为行波保护技术的实现提供硬件平台和软件平台。
文档编号H02H7/26GK102280866SQ20111010810
公开日2011年12月14日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年2月10日
发明者施慎行, 王世勇, 董新洲 申请人:清华大学