专利名称：一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法
一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法
技术领域：
本发明涉及一种电子式互感器数据传输方法，特别涉及一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法。
背景技术：
现代电力系统日益向高电压等级、大容量方向发展，其运行的自动化程度不断提高，传统带铁心的电磁式互感器由于自身结构的局限性，越来越不能适应电力系统的要求。近年来基于光学和电子学原理的电子式电流/电压互感器(ECT/EVT)具有抗电磁干扰、绝缘性能好、暂态响应范围大、频率响应范围宽、无饱和现象等诸多优点，有望成为传统电磁互感器的理想替代产品、未来输配电系统的新型设备，受到国内外研究人员的普遍重视。为了推动电子式互感器的实际应用，国际电工委员会制订了 IEC60044-7/8， IEC61850-9-1等一系列国际标准。在这些标准中反复涉及到电子式互感器与二次设备的接口组成部分——合并单元(MU，Merging Unit)。目前提出的合并单元是针对数字化输出的电子式互感器而定义的，其主要功能是同步采集三相电流和电压信息，并按照一定的格式汇总输出给二次侧保护测控设备。在 IEC61850-9-1中定义的合并单元很大程度上参考了 IEC60044-7/8，包括合并单元的同步方法。合并单元与二次保护测控设备的接口是串行单向多路点对点连接。合并单元发送给保护、测控设备的报文内容主要包括了各路电流、电压及其有效性标志，此外还添加了一些反映开关状态的二进制输入信息和时间标签信息。在与二次保护控制设备的通信网络上， 采用了目前占主流地位的以太网传输系统。上述基于合并单元的传统传输方法主要存在以下不足硬件需要同步线来实现各单元数据采集的同步，系统接线复杂、硬件成本高；在一定的信号传输速率下，数据传输效率较低。
发明内容本发明的目的是提供一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，在无需硬件同步线的情况下实现了主从单元数据采集同步，降低了系统的成本和接线复杂度，提高了数据传输的效率。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，包括以下步骤步骤一、基于CAN总线的主从单元连接方法将一组电子式电压互感器连接在主单元模块MU上，主单元模块MU用于采集电压信号、发送系统同步帧和采样数据；主单元模块MU通过CAN总线与多个从单元模块SU连接，从单元模块SU分布在各个供电间隔并连接至一组电子式电流互感器ECT ；步骤二、传输数据编码方法
首先，对相邻采样数据χ(n)、x(n-l)计算一次差分值χ' (η)并判断其是否超过 7bit量化，如果未超过，直接发送一次差分值χ' (η),并将对数编码标志位和增量编码标志位全部置0;若一次差分值χ' (η)超过7bit量化，再计算二次差分值χ" (n)，判断二次差分值χ" (η)是否超过7bit量化，若未超过，发送二次差分值χ" (n)，对数编码标志位置 0，增量编码标志位置1 ；其中第η次采样数据为χ (η)，第η_1次采样数据为χ (η-1)，χ' (η)为一次差分值，χ" (η)为二次差分值χ' (η) = χ (η)-χ (η-1)(1)χ" (η) =χ' (η) -χ' (η-1)(2)若二次差分值超过7bit量化则采用对数编码方法，即将一次差分值χ' (η)、二次差分值Χ" (η)分别处理粘着位后右移4位；然后再计算判断一次差分值χ' (η)是否超过 7bit量化，如果没有超过，则编码数据为一次差分值χ' (n)，对数编码标志位置1、增量编码标志位置0;若一次差分值χ' (η)超过7bit量化，再次计算判断二次差分值χ" (η)是否超过7bit量化，若未超过，则编码数据为二次差分值χ“ (η)，对数编码标志位、增量编码标志位均置1 ；若二次差分值χ" (η)超过7bit量化则对二次差分值进行溢出处理。所述一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法还包括以下步骤步骤三主从单元模块数据采样同步方法首先主单元模块发送同步帧使主单元模块和各从单元模块第一次采样的时刻相同，即先将主、从单元模块的CAN模块中的验收滤波器设置成只接收同步帧和主单元模块数据帧的形式，并设置成接收中断方式；然后主单元模块发送同步帧，当to时刻，主、从单元模块接收到同步帧并同时产生接收中断，此时启动A/D转换进行采样，从而实现各单元第一次采样的同步，以后每个传输周期TB都采用上述时间同步方法；其中，同步过程中采用系统虚拟时间，也即以主单元模块中的第一定时计数器的计数值作为各从单元模块同步的时间基准，并按该计数值与各模块机器周期的差异来对各单元模块定时计数器计数值进行校正；本发明进一步的改进在于所述一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法还包括以下步骤步骤四采用时间机制的数据传输方法首先利用同步采样的定时计数器将IOms 的基本发送周期TB分成16个时间片，每个时间片为0. 625ms ；然后将16个时间片分成四个数据发送窗口 分别为同步帧发送窗口、主单元模块数据发送窗口、从单元模块数据发送窗口、待扩展窗口 ；所述的同步帧发送窗口占用第16时间片，用于帧发送时间和时间同步；所述的主单元模块数据发送窗口包含第1-4的时间片，用于发送4个电压互感器 EVT的采样数据；所述的从单元模块数据发送窗口包含第5-11的时间片，用于发送7个电流互感器 ECT的采样数据；所述的待扩展窗口包含第12-15共4个时间片，用于传输数据帧的扩展、从单元模块数据帧的发送或从单元模块数据的重发。本发明进一步的改进在于从单元模块SU数量与变电站供电间隔数相同。本发明进一步的改进在于主单元模块MU与从单元SU、接收端之间是点对点串行通信。
本发明进一步的改进在于采用16位整体量化，通过数据无损编码将16位的数据信息压缩为9位传输数据。本发明进一步的改进在于对数编码标志位为1表示编码数据经过对数编码压缩，为0表示没有经过对数编码压缩；增量编码标志位为1表示编码数据采用二次差分值， 为0表示编码数据采用一般的增量方法。本发明进一步的改进在于步骤三中对各单元模块的定时计数器计数值进行校正的方法是主单元模块将它的第一定时计数器的时间计数值NTml计为NTml = NT1-Nht，其中 NT1S IOms对应的计数值，At所对应的计数值，Δ t为同步帧发送与接收之间的时间间隔；当它产生中断后发送同步帧，同步帧中包含此时主单元模块的第二定时计数器的计数值NTm2;各从单元模块接收到同步帧后，将主单元模块第二定时计数器的计数值^^与各从单元模块中的第二定时计数器的计数值NTs2减去△ t对应的计数值ΝΤΔ 进行比较，然后利用式C3)和式(4)计算出对应于系统虚拟时间0. 625ms、IOms的从单元模块中第一定时计数器和第二定时计数器的计数值，并修改它们各自的计数值为新值NTsl'，NTs2'NTs2' NTm2+NI\t(3)NTsl' NTs2' /16(4)式中NTS1'为从单元模块中的第一定时计数器的计数值；NTs2'为从单元模块中的第二定时计数器的计数值；ΝΤΔ 为Δ t对应的计数值；NTffl2为主单元模块中的第二定时计数器的计数值。本发明进一步的改进在于各从单元精确跟踪主站数据帧起始时刻，以此实现了系统内各单元数据采样的同步，在无需硬件同步线的情况保证了系统级交流信号采样的同步和相位关系，并在此基础上实现主从单元数据分时与合并传输。本发明一主多从的系统划分，使得系统只需采集一组电压信号，减少了信息采集量，降低了硬件成本。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明通过对传输数据进行无损编码，提高了数据传输的效率，以供电间隔划分一主多从的系统连接结构，在较低的传输速率下保证了三相电压、电流交流信号采样点数据传输和共享。 由于目前各种微处理器均带有CAN接口，从而可以更方便的获得CAN总线资源；并且CAN总线的传输速率最高可达1Mbps，可以满足一定的底层设备的实时性要求，是本方法的技术方案更容易实现；并且CAN总线也可以使用光纤连接，提高系统抗干扰性和稳定性， 具有技术效果表现在以下几个方面1、采用CAN总线将间隔层各间隔连接，主单元模块对电压信号进行采样并在总线一级实现电压采样数据共享；2、使用传输数据编码方法使得在一定的信号传输率情况下提高了传输数据量，提高了数据传输效率；3、使用的同步方法省掉了硬件同步传输线，降低了系统的成本和接线复杂度。
图1为本发明一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法的系统硬件原理图。其中ECT是电流互感器，EVT是电压互感器，η为自然数，η = 1、2、3......图2为本发明一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法的数据编码流程图。其中x(n)为第η次采样数据；x(n-l)为第η-1次采样数据；χ' (η)为一次差分； χ" (η)为二次差分；LFlag为对数编码标志位；DFlag为差值增量编码标志位；SendData为编码数据；图3为本发明一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法数据编码传输系统虚拟时间轴示意图；其中TB是系统数据发送基本周期为10ms，Ts是采样时间间隔，At 是同步帧的发送时间，t0、tl6是收到同步帧的时刻，t0、tl、t2…tl6是各单元模块同步采样时刻，tx是同步帧发送时刻；图4是本发明一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法数据编码传输系统发送窗口划分示意图；图5是本发明一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法数据编码传输系统数据传输示意图。
具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。本发明一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，包括基于CAN总线的主从单元连接方法、传输数据编码方法、主从单元数据采样同步方法、时间触发机制的数据传输方法；本实施例针对工频周期32点采样进行；一、基于CAN总线的主从单元连接方法如图1所示，本发明将一组电压互感器EVT连接在主单元模块MU上，各接收端可共享EVT的采集数据，从而减少电子式电压互感器的使用数量。将各间隔的电流互感器连接在从单元模块SU上。主单元模块MU通过CAN总线与各个从单元模块SU连接。主单元模块MU与从单元模块SU、接收单元之间是点对点串行通信。主单元模块MU用于电压数据采集，发送系统同步帧和采样数据。主单元模块MU 连接多个从单元模块SU，只能接受自己发送的数据用于产生同步帧的接受中断，从而更好的进行同步。主单元模块MU不能进行监听仲裁发送，只能盲发。各从单元模块SU精确跟随主单元模块MU发送的同步帧帧起始时刻，以此实现系统内各单元的同步，在无需硬件同步线的情况下保证了系统及交流信号采样的同步和相位关系。二、传输数据编码方法为了更有效的利用总线资源我们先将实时采样数据进行数据压缩编码再传输的方法，主要利用反馈自适应量化算法和差分脉冲编码算法实现无损编码。为满足一般继电保护需要，默认采样系统为每工频周期采样32点，为确保测量精度和保护准确度采用16位整体量化。通过数据编码将16位的数据信息由9位传输数据表示。每相传输数据共9位，其传输格式如下
权利要求
1.一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一、基于CAN总线的主从单元连接方法将一组电子式电压互感器连接在主单元模块MU上；主单元模块MU通过CAN总线连接至多个从单元模块SU，每个从单元模块SU对应一个供电间隔，连接至一组电子式电流互感器ECT ；步骤二、传输数据编码方法本方法采用基于反馈自适应量化算法和差分脉冲编码算法实现的数据无损编码；首先，对相邻采样数据x(n-l)、χ (η)计算一次差分值χ' (η)并判断其是否超过7bit 量化，如果没有超过，直接发送一次差分值χ ‘ (η),并将对数编码标志位和增量编码标志位全部置0;若一次差分值χ' (η)超过7bit量化，再计算二次差分值χ" (n)，判断二次差分值χ" (η)是否超过7bit量化，若未超过，发送二次差分值χ" (n)，对数编码标志位置 0，增量编码标志位置1 ；其中x(n)为第η次采样数据，x(n-l)为第n_l次采样数据，χ' (η)为一次差分值， χ" (η)为二次差分值χ' (η) = χ (η)-χ (η-1)(1)χ〃(η) =χ' (η) -χ' (η-1) (2)若二次差分值χ" (η)超过7bit量化则采用对数编码方法，即将一次差分值χ' (η)、 二次差分值χ" (η)分别处理粘着位后右移4位；然后再计算判断一次差分值χ' (η)是否超过7bit量化，如果没有超过，则发送一次差分值χ' (η)，对数编码标志位置1、增量编码标志位置0;若一次差分值χ' (η)超过7bit量化，再次计算判断二次差分值χ" (η)是否超过7bit量化，若未超过，则发送二次差分值χ“ (η)，对数编码标志位、增量编码标志位均置1 ；若二次差分值χ" (η)超过7bit量化则对二次差分值进行溢出处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，其特征在于，所述一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法还包括以下步骤步骤三主从单元数据采样同步方法首先主单元模块发送同步帧使主单元模块和各从单元模块第一次采样的时刻相同，即先将主、从单元模块的CAN模块中的验收滤波器设置成只接收同步帧和主单元模块数据帧的形式，并设置成接收中断方式；然后主单元模块发送同步帧，当t0时刻，主、从单元模块接收到同步帧并同时产生接收中断，此时启动A/D 转换进行采样，从而实现各单元第一次采样的同步，以后每个传输周期TB都采用上述时间同步方法；其中，同步过程中采用系统虚拟时间，也即以主单元模块中的第一定时计数器的计数值作为各从单元模块同步的时间基准，并按该计数值与各模块机器周期的差异来对各单元模块定时计数器计数值进行校正；
3.根据权利要求2所述的一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，其特征在于，所述一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法还包括以下步骤步骤四采用时间触发机制的数据传输方法首先利用同步采样的定时计数器将IOms 的基本发送周期TB分成16个时间片，每个时间片为0. 625ms ；然后将16个时间片分成四个数据发送窗口 分别为同步帧发送窗口、主单元模块数据发送窗口、从单元模块数据发送窗口、待扩展窗口 ；所述的同步帧发送窗口占用第16时间片，用于帧发送时间和时间同步； 所述的主单元模块数据发送窗口包含第1-4的时间片，用于发送4个电压互感器EVT的采样数据；所述的从单元模块数据发送窗口包含第5-11的时间片，用于发送7个电流互感器ECT 的采样数据；所述的待扩展窗口包含第12-15共4个时间片，用于传输数据帧的扩展、从单元模块数据帧的发送或从单元模块数据的重发。
4.根据权利要求1所述的一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，其特征在于，从单元与变电站供电间隔数相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，其特征在于，主单元模块MU与从单元模块SU、接收端之间是点对点串行通信。
6.根据权利要求1所述的一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，其特征在于，采用16位整体量化，通过数据编码将16位的数据信息压缩为9位传输数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，其特征在于，对数编码标志位为1表示编码数据采用对数编码方法，为0表示没有采用对数编码方法；增量编码标志位为1表示编码数据采用二次差分值，为0表示编码数据采用一般的增量方法。
8.根据权利要求2所述的一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，其特征在于，步骤三中对各单元模块的定时计数器计数值进行校正的方法是主单元模块将它的第一定时计数器的时间计数值NTml计为NTml = NT1-Nht，其中NT1 为IOms对应的计数值，At所对应的计数值，At为同步帧发送与接收之间的时间间隔；当它产生中断后发送同步帧，同步帧中包含此时主单元模块的第二定时计数器的计数值NTm2;各从单元模块接收到同步帧后，将主单元模块第二定时计数器的计数值NTm2与各从单元模块中的第二定时计数器的计数值NTs2减去△ t对应的计数值ΝΤΔ 进行比较，然后利用式C3)和式(4)计算出对应于系统虚拟时间0.625ms、IOms的从单元模块中第一定时计数器和第二定时计数器的计数值，并修改它们各自的计数值为新值NTsl'，NTs2'NTs2' = ΝΤω2+ΝΤΔ (3) NTsl' NTs2' /16(4)式中=NTsl'为从单元模块中的第一定时计数器的计数值；NTs2'为从单元模块中的第二定时计数器的计数值； At对应的计数值；NTffl2为主单元模块中的第二定时计数器的计数值。
全文摘要
本发明公开一种基于现场总线的电子式互感器数据传输方法，包括基于CAN总线的主从单元连接方法、传输数据编码方法、主从单元数据采样同步方法、时间触发机制的数据传输方法。本发明采用基于反馈自适应量化算法和差分脉冲编码算法实现的数据无损编码。以供电间隔划分的一主多从系统连接方法，在较低的传输速率下保证了三相系统电压、电流交流信号实时采样点数据传输和共享，间隔数量与传输速率无关。各从单元精确跟踪主站数据帧起始时刻，以此实现系统内各单元的同步，在无需硬件同步线情况下，保证了系统级交流信号采样的同步和相位关系。
文档编号H04L12/40GK102571518SQ20111044492
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者劳日智, 张守志, 陈刚 申请人:西安交通大学