一种电子式互感器高频采集及分频传输方法和系统与流程

本发明涉及信号采集与传输技术领域，尤其涉及一种电子式互感器高频采集及分频传输方法和系统。

背景技术：

随着电力系统继电保护的发展、设备自动化程度的提高及光纤通信技术的普及应用，智能化变电站有逐渐取代常规变电站的趋势，而电子式互感器作为智能化变电站的重要组成因子，成为了研究与分析的热点。其中，随着超高压、长距离、大容量输电线路越来越多，线路故障点的准确定位显得日益重要，行波测距装置发挥着越来越重要的作用。还有随着工业规模的扩大，电能质量问题日益突出，因此能够对电能质量进行实时监测、全面分析及故障判断的电能质量监测装置成为电力系统的重要设备。

行波测距装置和电能质量监测装置通过电子式互感器采集电压信号，并将采集到的电压信号传输至模拟量采样模块，通过A/D转换将模拟量转化为数字量，方便信号的后续处理分析。目前电子互感器采用空心线圈和低功耗铁芯线圈，线圈感应电流信号，输出电压信号。

但是，目前的电子式互感器的采样频率一般在12.8KHz以下，而电能质量监测装置要求信号采样频率达到50KHz以上，行波测距装置则要求采样频率达到1MHz以上，因此目前的电子式互感器不能满足行波测距装置和电能质量监测装置对高频、大量数据的要求。

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：

本发明提供的电子式互感器高频采集及分频传输方法，其特征在于，所述方法包括：

通过Rogowski线圈采集输电线路的电流信号，输出第一电压模拟信号；通过低功率线圈采集输电线路的电流和电压信号，输出第二电压模拟信号；

将所述第一电压模拟信号和第二电压模拟信号高速转换为数字信号；

控制所述数字信号的采样频率，对所述数字信号进行分频处理；

将分频处理后的数字信号分别传输至行波测距装置和电能质量监测装置。

优选地，上述电子式互感器高频采集及分频传输方法中，所述将所述第一电压模拟信号和第二电压模拟信号高速转换为数字信号，之前包括：

对所述第一电压模拟信号和第二电压模拟信号分别进行低通滤波处理；

对滤波处理后的第一电压模拟信号进行角度校正。

优选地，上述电子式互感器高频采集及分频传输方法中，所述控制所述数字信号的采样频率，对所述数字信号进行分频处理，具体包括：

配置AD采样芯片，初始化AD芯片；

输出2MHz的采样时钟；

在AD芯片的倍频时钟上升沿将数据移位存入暂存寄存器；

缓存数据，读取数据并对数字信号进行分频处理。

优选地，上述电子式互感器高频采集及分频传输方法中，所述缓存数据，读取数据并对数字信号进行分频处理，具体包括：

一次转换的采样数据移位完成后，将暂存寄存器存入高频数据缓存单元的FIFO_A；

每200次转换完成后，从所述高频数据缓存单元的FIFO_A中读入200次的采样值，将所述采样值组合成一帧多点采样值报文发送至行波测距装置。

优选地，上述电子式互感器高频采集及分频传输方法中，所述缓存数据，读取数据对数字信号进行分频处理，具体还包括：

每40次采样数据移位完成后，将暂存寄存器存入高频数据缓存单元的FIFO_B一次；

读取所述高频数据缓存单元的FIFO_B中的采样值，并将所述采样值发送至电能质量监测装置。

基于本发明提供的电子式互感器高频采集及分频传输方法，本发明还提供了一种电子互感器高频采集及分频传输系统，所述系统包括：

电子式互感器一次侧线圈：用于采集输电线路的电流信号，输出电压模拟信号；

模拟量采集模块：用于将所述电压模拟量信号高速转换为数字信号；

FPGA处理模块：用于控制采样频率，对所述数字信号进行分频处理；

高速串行光纤模块：用于将所述FPGA处理模块输出的数据发送至电能质量监测装置；

吉比特光纤以太网模块：用于将所述FPGA处理模块输出的数据发送至行波测距装置。

优选地，上述电子互感器高频采集及分频传输系统中，所述电子式互感器一次侧线圈包括：

Rogowski线圈：用于采集输电线路的电流信号，输出第一电压模拟信号；

低功率线圈：用于采集输电线路的电流和电压信号，输出第二电压模拟信号。

优选地，上述电子互感器高频采集及分频传输系统中，所述模拟量采集模块包括：

第一低通滤波电路：用于对所述第一电压模拟信号进行滤波处理；

积分电路：用于对滤波处理后的第一电压模拟信号进行角度校正；

第二低通滤波电路：用于对所述第二电压模拟信号进行滤波处理；

高速AD转换电路：用于将预处理后的第一电压模拟信号和第二电压模拟信号高速转换为数字信号。

优选地，上述电子互感器高频采集及分频传输系统中，所述FPGA处理模块包括：

数据接收单元：用于接收所述高速AD转换电路输出的数字信号；

高频数据缓存单元：用于存储缓存所述数据接收单元输出的数字信号；

串行数据发送单元：用于读取所述高频数据缓存单元中的数据，并将所述数据发送至所述高速串行光纤模块；

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，并将所述数据报文发送至所述吉比特光纤以太网模块。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明提供的一种电子式互感器高频采集及分频传输方法和系统中，所述方法包括：通过Rogowski线圈采集输电线路的电流信号，输出第一电压模拟信号；通过低功率线圈采集输电线路的电流和电压信号，输出第二电压模拟信号；模拟量采集模块将所述第一电压模拟信号和第二电压模拟信号高速转换为数字信号；FPGA处理模块控制所述数字信号的采样频率，对所述数字信号进行分频处理；将分频处理后的数字信号分别传输至行波测距装置和电能质量监测装置。本发明采用高速AD转换芯片和FPGA编程控制提高了数据采集的速度，并将高频采样数据分为两种不同的频率，使用不同传输速率的接口模块传输，可以同时满足基于电子式互感器的电力系统电能质量监测、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电子式互感器高频采集及分频传输方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电子式互感器高频采集及分频传输方法中步骤S300的详细流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电子式互感器高频采集及分频传输方法中步骤S304的详细流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电子式互感器高频采集及分频传输方法中步骤S304的另一种详细流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种电子式互感器高频采集及分频传输系统的结构示意图；

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电子式互感器高频采集及分频传输方法的流程图。

S100:通过Rogowski线圈采集输电线路的电流信号，输出第一电压模拟信号；通过低功率线圈采集输电线路的电流和电压信号，输出第二电压模拟信号。

具体地，电子式互感器一次侧线圈包括Rogowski线圈和低功率线圈，其中，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，输出第一电压模拟信号；低功率线圈感应输电线路中的电流和电压信号，输出第二电压模拟信号。

S200：将第一电压模拟信号和第二电压模拟信号高速转换为数字信号。

具体地，为方便处理第一电压模拟信号和第二电压模拟信号，对第一电压模拟信号和第二电压模拟信号分别进行低通滤波处理，滤除第一电压模拟信号和第二电压模拟信号中的高频分量，以满足行波测距和电能质量监测的要求。

此外，Rogowski线圈输出的是对一次侧电流信号对时间的微分，输出的第一电压模拟信号相对于一次侧电流信号的角度超前90°，因此为方便第一电压模拟信号的后续处理，需要将第一电压模拟信号进行积分处理，使第一电压模拟信号与一次侧电流信号角度一致。

而低功率线圈输出的第二电压模拟信号与一次侧信号角度一致，不需经过积分电路进行角度校正，只需进行低通滤波处理，滤除第二电压模拟信号中的高频分量，以满足电能质量监测的要求。

S300：控制所述数字信号的采样频率，对所述数字信号进行分频处理。

具体地，通过FPGA处理模块控制数字信号的采样频率，将数字信号的采样频率分为50KHz和2MHz，具体分频方法如图2所示:

S301:配置AD采样芯片，初始化AD芯片。

具体地，本发明提供的电子式互感器高频采集及分频传输系统通电后，FPGA处理模块对AD芯片进行初始化，配置AD芯片。

S302：输出2MHz的采样时钟。

具体地，FPGA处理模块输出2MHz的采样时钟，保证1s内转换200万个采样值，提高采样值的处理速度。

S303：在AD芯片的倍频时钟上升沿将数据移位存入暂存寄存器。

S304：缓存数据，读取数据并对数字信号进行分频处理。

具体地，采样数据转换完成后，将暂存寄存器存入高频数据缓存单元，读取高频数据缓存单元内的数据，对数据分为50KHz和2MHz2种不同的采样频率，2MHz采样频率的具体分频处理方法如图3所示：

S3041：一次转换的采样数据移位完成后，将暂存寄存器存入高频数据缓存单元的FIFO_A。

S3042：每200次转换完成后，从所述高频数据缓存单元的FIFO_A中读入200次的采样值，将采样值组合成一帧多点采样值报文发送至行波测距装置。

具体地，行波测距装置要求的采样频率为2MHz，即1s转换200万个采样数据，为方便传输这200万个采样数据，从高频数据缓存单元的FIFO_A中读取200个转换完成的采样值，并将200个采样值组合成一帧，加上报头等必要字段组成报文，再将报文发送至行波测距装置。

50KHz采样频率的具体分频处理方法如图4所示：

S3043：每40次采样数据移位完成后，将暂存寄存器存入高频数据缓存单元的FIFO_B一次。

S3044：读取所述高频数据缓存单元的FIFO_B中的采样值，并将所述采样值发送至电能质量监测装置。

具体地，电能质量监测装置要求的采样频率为50KHz，即1s转换5万个采样数据，为将200万个采样数据分频处理为5万采样数据，每40次采样将暂存寄存器存入高频数据缓存单元的FIFO_B一次，只取一个采样值，如此可保留5万个采样值；并保留的采样值发送至电能质量监测装置。

本发明提供的电子式互感器高频采集及分频传输方法通过电子式互感器一次侧线圈(Rogowski线圈和低功率线圈)分别采集输电线路的电流和电压信号，分别输出第一电压模拟信号和第二电压模拟信号，为避免第一电压模拟信号和第二电压模拟信号中的高频分量干扰信号，通过低通滤波器滤除信号中的高频分量；由于Rogowski线圈输出的是对一次侧电流信号对时间的微分，输出的第一电压模拟信号相对于一次侧电流信号的角度超前90°，因此通过积分电路校正第一电压模拟信号的角度，使得使第一电压模拟信号与一次侧电流信号角度一致；然后将第一电压模拟信号和第二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；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，从高频数据缓存单元中读取200个采样值，并将200个采样值组合成一帧报文发送至行波测距装置，满足行波测距装置2MHz的采样频率；每40次采样存入高频数据缓存单元一次，只取其中一个采样值，从而传送5万个采样值，满足电能质量监测装置50KHz的采样频率。本发明提供的电子式互感器高频采集及分频传输方法可以同时提供50KHz和2MHz的采样频率，同时满足电能质量监测装置和行波测距装置对高频、大量数据的要求。

基于本发明提供的电子式互感器高频采集及分频传输方法，本发明还提供了一种电子式互感器高频采集及分频传输系统，如图5所示。

所述电子式互感器高频采集及分频传输系统包括电子式互感器一次侧线圈100、模拟量采集模块200、FPGA处理模块300、高速串行光纤模块400和吉比特光纤以太网模块500，其中：

电子式互感器一次侧线圈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：电子式互感器一次侧线圈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一次侧线圈时，电子式互感器一次侧线圈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。

电子式互感器一次侧线圈100包括Rogowski线圈101和低功率线圈102，其中:

Rogowski线圈101:用于采集输电线路的电流信号，输出第一电压模拟信号。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。

低功率线圈102:用于采集输电线路的电流和电压信号，输出第二电压模拟信号。与Rogowski线圈相比，低功率线圈虽然暂态响应速度较低，但测量精度高。

模拟量采集模块200：用于对第一电压模拟信号和第二电压模拟信号进行预处理，并将预处理后的第一电压模拟信号和第二电压模拟信号高速转换为数字信号。

模拟量采集模块200包括第一低通滤波电路201、积分电路202、第二低通滤波电路203和高速AD转换电路204，其中：

第一低通滤波电路201：用于滤除第一电压模拟信号中的高频分量，防止高频分量干扰电压信号的测量准确度。

积分电路202：用于校正第一电压模拟信号的角度偏差。由于Rogowski线圈101输出的是对一次侧电流信号对时间的微分，因此输出的第一电压模拟信号相对于一次侧电流信号的角度超前90°，为方便第一电压模拟信号的后续处理，需要将第一电压模拟信号进行积分处理，使第一电压模拟信号与一次侧电流信号角度一致。优选的，积分电路202为电阻、电容和运算放大器组成的有源积分电路。

第二低通滤波电路203：用于滤除第二电压模拟信号中的高频分量，防止高频分量干扰电压信号的测量准确度。

高速AD转换电路204：用于将预处理后的第一电压模拟信号和第二电压模拟信号高速转换为数字信号，方便后续处理单元的识别和处理。优选的，高速AD转换电路204使用ADI公司的AD9228多通道高采样率AD转换芯片。

为同时满足行波测距装置和电能质量监测装置采样频率的要求，Rogowski线圈101的输出端连接第一低通滤波电路201的输入端，第一低通滤波电路201的输出端连接积分电路202的输入端，积分电路202的输出端连接高速AD转换电路204的输入端；同理，低功率线圈102的输出端连接第二低通滤波电路203的输入端，第二低通滤波电路203的输出端连接高速AD转换电路204的输入端。

FPGA处理模块300：用于控制采样频率，对数字信号进行分频处理，并将分频处理后的数字信号分别发送至电能质量监测装置和行波测距装置。优选的，FPGA处理模块的FPGA芯片为Altera的CycloneIV器件。

FPGA处理模块300包括数据接收单元301、高频数据缓存单元302、串行数据发送单元和吉比特以太网控制器单元，其中：

数据接收单元301：用于接收模拟量采集模块200输出的数字信号。

高频数据缓存单元302：用于对接收单元301中的数字信号进行采样，并将采样数据转换为采样值存储起来，其中，每一次采样数据移位完成后，将采样值存入高频数据缓存单元的FIFO_A一次；每40次采样数据移位完成后，将采样值存入高频数据缓存单元的FIFO_B一次。

吉比特以太网控制器单元303：用于读取、发送高频数据缓存单元的FIFO_A中的采样值，读取200次高频数据缓存单元的FIFO_A中的采样值，并将200个采样值组合成一帧，加上报头等必要字段组成报文，再将报文发送至吉比特光纤以太网模块500。优选的，吉比特以太网控制器单元303使用Altera公司的以太网IP核实现。

串行数据发送单元304：用于读取、发送高频数据缓存单元的FIFO_B中的采样值，读取高频数据缓存单元的FIFO_B中的采样值，并将采样值发送至高速串行光纤模块400。优选的，串行数据发送单元304的数据帧按照电力行业标准DL/T 282规约组成。

为方便采样数据的分频处理，高速AD转换电路204的输出端连接数据接收单元301的输入端，数据接收单元301的输出端连接高频数据缓存单元302的输入端，高频数据缓存单元302的输出端分别连接吉比特以太网控制器单元303和串行数据发送单元304的输入端，吉比特以太网控制器单元303的输出端连接吉比特光纤以太网模块500的输入端，串行数据发送单元304的输出端连接高速串行光纤模块400的输入端。

高速串行光纤模块400：用于接收串行数据发送单元304输出的采样值，并将采样值发送至电能质量监测装置。优选的，高速串行光纤模块使用AVAGO公司的HFBR1414光模块。

吉比特光纤以太网模块500：用于接收吉比特以太网控制器单元303输出的报文，并将报文发送至行波测距装置。优选的，吉比特光纤以太网模块使用MARVELL公司的88E1111PHY芯片

本发明提供的电子式互感器高频采集及分频传输系统包括电子式互感器一次侧线圈、模拟量采集模块、FPGA处理模块、高速串行光纤模块和吉比特光纤以太网模块，其中，电子式互感器一次侧线圈分别采集输电线路的电流、电压信号，分别输出第一电压模拟信号和第二电压模拟信号；模拟量采集模块用于对第一电压模拟信号和第二电压模拟信号进行预处理，并将预处理后的第一电压模拟信号和第二电压模拟信号转换为数字信号；FPGA处理模块用于控制采样频率，对数字信号进行分频处理，分别得到50KHz和2MHz的采样频率；高速串行光纤模块用于将50KHz采样频率的采样值发送至电能质量监测装置；吉比特光纤以太网模块用于将2MHz采样频率的采样值报文发送至行波测距装置。本发明提供的电子式互感器高频采集及分频传输系统将用于行波测距的Rogowski线圈和用于电能质量监测装置的低功率线圈组合设置在一个电子式互感器中，采用高速AD转换电路和FPGA处理模块提高了数据采集的速度，并将高频采样数据分为两种不同的频率，使用不同的接口模块传输，同时满足了基于电子式互感器的电力系统电能质量监测、行波测距的要求；同时，使用吉比特光纤以太网传输2MHz采样频率的高频数据，保证了数据传输的准确度。

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。