專利名稱：行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體而言，涉及一種繼電保護領(lǐng)域的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置。
背景技術(shù)：
高壓輸電線路故障后的電流行波和電壓行波中包含了豐富的故障信息，可以作為故障檢測的依據(jù)。行波保護不受電流互感器飽和影響，不受電力系統(tǒng)振蕩的影響，不受輸電線路充電電容電流的影響，不受輸電線路串聯(lián)電容器及并聯(lián)電抗器的影響，不受過渡電阻的影響，是繼電保護技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。行波保護的實現(xiàn)離不開行波信號獲取和行波信號處理技術(shù)。故障后的電壓行波和電流行波信號是一個頻譜范圍很寬的信號，為了對電壓行波和電流行波進行準確的采集，保護裝置必須有足夠高的數(shù)據(jù)采樣率。同時行波保護需要實時處理行波數(shù)據(jù)，相應(yīng)的行波保護對數(shù)據(jù)處理的速度又有更高的要求。行波信號不同于傳統(tǒng)的基于工頻電氣量信號，是一種非平穩(wěn)變化信號，也不能采用傳統(tǒng)的信號處理技術(shù)。因此，為實現(xiàn)行波保護技術(shù)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)不能直接套用，需要一種行波數(shù)據(jù)采集和行波數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置， 實現(xiàn)行波數(shù)據(jù)采集，為基于行波的故障檢測和繼電保護提供數(shù)據(jù)，為行波保護系統(tǒng)提供準確、可靠的故障診斷依據(jù)。因此，本發(fā)明提供了一種行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，包括行波數(shù)據(jù)采集模塊和行波數(shù)據(jù)處理模塊。其中，所述行波數(shù)據(jù)采集模塊可以包括核心控制模塊、二階有源低通濾波模塊、 二階無源帶通濾波模塊、保護硬件啟動模塊、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、以及雙口 RAM模塊。所述二階有源低通濾波模塊，接收來自線路的行波模擬信號，對所述行波模擬信號進行濾波，所述行波模擬信號包括電壓行波模擬信號和電流行波模擬信號。所述二階無源帶通濾波模塊，連接到所述二階有源低通濾波模塊，用于從所述二階有源低通濾波模塊的輸出的信號中提取行波中的高頻信號。所述保護硬件啟動模塊，接收來自所述二階無源帶通濾波模塊的所述高頻信號， 并確定所述高頻信號是否滿足預(yù)定條件，在所述高頻信號滿足所述預(yù)定條件后，發(fā)送啟動信號至所述核心控制模塊。所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，連接至所述二階有源低通濾波模塊，用于在接收到來自所述核心控制模塊的控制信號后將所述行波模擬信號依次輸出至A/D轉(zhuǎn)換模塊。所述A/D轉(zhuǎn)換模塊，連接至所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，根據(jù)來自所述核心控制模塊的控制信號，對所述行波模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出至雙口 RAM模塊。所述雙口 RAM模塊，具有兩組數(shù)據(jù)總線和兩組地址總線，用于在所述核心控制模塊的控制下存儲來自所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的所述轉(zhuǎn)換結(jié)果，以及在所述行波數(shù)據(jù)處理模塊的控制下向所述行波數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送所述轉(zhuǎn)換結(jié)果。所述核心控制模塊，接收來自所述保護硬件啟動模塊的所述啟動信號，控制所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、所述A/D轉(zhuǎn)換器、和所述雙口 RAM，以及實現(xiàn)對地址總線和數(shù)據(jù)總線的譯碼， 并且向所述行波數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送中斷信號。所述行波數(shù)據(jù)處理模塊，接收來自所述核心控制模塊的中斷信號，從所述雙口 RAM 讀取所述轉(zhuǎn)換結(jié)果，按照預(yù)定算法對所述轉(zhuǎn)換結(jié)果進行處理以確定行波特征。在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，所述行波數(shù)據(jù)處理模塊還包括SDRAM存儲器，用于存儲所述數(shù)據(jù)處理模塊進行處理所需的數(shù)據(jù)；FLASH存儲器，用于存儲所述數(shù)據(jù)處理模塊所采用的算法程序。優(yōu)選地，所述核心控制模塊是由復(fù)雜可編程邏輯器件構(gòu)成的。優(yōu)選地，所述保護硬件啟動模塊包括電平比較電路，將所述高頻信號轉(zhuǎn)換為電平信號，然后將所述電平信號與預(yù)設(shè)啟動電平信號進行比較，在所述電平信號高于所述預(yù)定啟動電平信號時，發(fā)出啟動信號至所述核心控制模塊。優(yōu)選地，所述二階有源低通濾波模塊的截止頻率為250kHz。優(yōu)選地，所述二階無源帶通濾波模塊的帶通頻率設(shè)置為3kHz 30kHz。優(yōu)選地，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊為兩個或以上。優(yōu)選地，所述雙口 RAM模塊為兩個，用于分別存儲線路的電流采樣信號和電壓采
樣信號。優(yōu)選地，所述處理模塊對所述轉(zhuǎn)換結(jié)果進行凱倫貝爾變換得到模量行波數(shù)據(jù)，然后對所述模量行波數(shù)據(jù)進行小波變換，并根據(jù)小波變換的結(jié)果確定行波特征。通過本發(fā)明提供的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，實現(xiàn)了對行波數(shù)據(jù)的采集和處理， 為繼電保護系統(tǒng)提供準確、可靠的故障診斷依據(jù)。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置的示意框圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的行波數(shù)據(jù)采集和行波數(shù)據(jù)處理裝置的硬件構(gòu)成示意圖；圖3示出了圖2所示裝置的微處理器程序流程示意圖；圖4示出了圖2所示裝置中二進小波變換多分辨率分解示意圖。
具體實施例方式為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行進一步的詳細描述。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其他方式來實施，因此，本發(fā)明并不限于下面公開的具體實施例的限制。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置的示意框圖。如圖1所示，一種行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置100，包括行波數(shù)據(jù)采集模塊102和行波數(shù)據(jù)處理模塊104。所述行波數(shù)據(jù)采集模塊102包括核心控制模塊1022、二階有源低通濾波模塊 1024、二階無源帶通濾波模塊1026、保護硬件啟動模塊1028、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊10210、A/D 轉(zhuǎn)換模塊10212、雙口 RAM模塊10214。二階有源低通濾波模塊1024，接收來自線路的行波模擬信號，對所述行波模擬信號進行濾波，行波模擬信號包括電壓行波模擬信號和電流行波模擬信號。二階無源帶通濾波模塊1026，連接到二階有源低通濾波模塊1024，用于從二階有源低通濾波模塊IOM的輸出的信號中提取行波中的高頻信號。保護硬件啟動模塊10 ，接收來自二階無源帶通濾波模塊10 的高頻信號，并確定高頻信號是否滿足預(yù)定條件，在高頻信號滿足預(yù)定條件后，發(fā)送啟動信號至核心控制模塊 1022。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊10210，連接至二階有源低通濾波模塊1024，用于在接收到來自核心控制模塊1022的控制信號后將行波模擬信號依次輸出至A/D轉(zhuǎn)換模塊10212。A/D轉(zhuǎn)換模塊10212，連接至多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊10210，根據(jù)來自核心控制模塊1022的控制信號，對行波模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出至雙口 RAM模塊 10214。雙口 RAM模塊10214，具有兩組數(shù)據(jù)總線和地址總線，用于在核心控制模塊1022的控制下存儲來自A/D轉(zhuǎn)換模塊10212的轉(zhuǎn)換結(jié)果，以及被行波數(shù)據(jù)處理模塊104讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。核心控制模塊1022，接收來自保護硬件啟動模塊10 的啟動信號，控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān)10210、A/D轉(zhuǎn)換器10212、和雙口 RAM模塊10214，以及實現(xiàn)對地址總線和數(shù)據(jù)總線的譯碼，并且向行波數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送中斷信號。行波數(shù)據(jù)處理模塊104，接收來自核心控制模塊1022的中斷信號，從雙口 RAM模塊 10214讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，按照預(yù)定算法對轉(zhuǎn)換結(jié)果進行處理以確定行波特征。核心控制模塊1022可以由復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)構(gòu)成。保護硬件啟動模塊10 包括電平比較電路，將高頻信號轉(zhuǎn)換為電平信號，然后將電平信號與預(yù)設(shè)啟動電平信號進行比較，在電平信號高于預(yù)定啟動電平信號時，發(fā)出啟動信號至核心控制模塊。二階有源低通濾波模塊IOM的截止頻率為250kHz。二階無源帶通濾波模塊10 的帶通頻率設(shè)置為3kHz 30kHz。A/D轉(zhuǎn)換模塊10212為兩個或以上。雙口 RAM模塊10214為兩個，用于分別存儲線路的電流采樣信號和電壓采樣信號。處理模塊104對轉(zhuǎn)換結(jié)果進行凱倫貝爾變換得到模量行波數(shù)據(jù)，然后對模量行波數(shù)據(jù)進行小波變換，并根據(jù)小波變換的結(jié)果確定行波特征。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的行波數(shù)據(jù)采集和行波數(shù)據(jù)處理裝置的硬件構(gòu)成示意圖。如圖2所示，根據(jù)該實施例的行波數(shù)據(jù)采集和行波數(shù)據(jù)處理裝置200由高速數(shù)據(jù)采集電路I和高速數(shù)字信號處理電路II兩部分組成。各模塊的組成及功能說明如下高速數(shù)據(jù)采集電路I 包括二階有源低通濾波模塊202 ；二階無源帶通濾波模塊 204 ；保護數(shù)據(jù)處理硬件啟動模塊206 ；多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊208 ；A/D轉(zhuǎn)換模塊210 ；雙口 RAM 模塊212 ；復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)控制及譯碼模塊214。其中1) 二階有源低通濾波模塊202 8路模擬信號輸入至該裝置后，進入二階有源低通濾波器202，該濾波器的截止頻率可以設(shè)置為250kHz，滿足香農(nóng)采樣定理和濾除高頻干擾。2) 二階無源帶通濾波模塊204 二階無源帶通濾波模塊204的帶通頻率為3kHz 30kHz，提取電流故障行波中的高頻信號，作為行波數(shù)據(jù)處理硬件啟動信號。3)行波數(shù)據(jù)處理硬件啟動模塊206 該模塊可以通過運算放大器構(gòu)成的電平比較回路來實現(xiàn)，當經(jīng)過二階無源帶通濾波模塊204后的電流故障行波中的高頻部分(3kHz 30kHz)所對應(yīng)的電平超過預(yù)設(shè)的硬件啟動電平后，硬件啟動回路發(fā)出啟動信號至CPLD控制及譯碼模塊214，CPLD觸發(fā)高速數(shù)字信號處理器216中斷，進入行波數(shù)據(jù)處理程序。4)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊208 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)208可以是四選一的高速切換開關(guān)，將四路模擬信號依次輸出至A/ D模塊。通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊和A/D模塊的結(jié)合使用，可以大大提高采樣的頻率，同時可以提高數(shù)據(jù)處理速度。5)A/D 模塊A/D模塊中采用2塊高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊210A和210B，實現(xiàn)對模擬信號的高速模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，對每一路模擬信號的數(shù)據(jù)采樣率達到1MHz。6)雙口 RAM 模塊2塊雙口 RAM212A和212B用于存儲A/D轉(zhuǎn)換后的8路數(shù)字信號，存儲空間為 128Kbyte 0 一塊雙口 RAM存放4路電流采集信號，另一塊雙口 RAM存放4路電壓采集信號， 雙口 RAM采用循環(huán)存放方式。雙口 RAM具有兩組地址總線和兩組數(shù)據(jù)總線，由CPLD控制及譯碼模塊214負責將模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入雙口 RAM，而由高速數(shù)字信號處理器216負責讀取雙口 RAM中的故障數(shù)據(jù)，并實時進行行波數(shù)據(jù)處理，因此可以實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的高速采集和高速數(shù)據(jù)處理的同步執(zhí)行，極大地提高了行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置的實時數(shù)據(jù)處理能力。7) CPLD控制及譯碼模塊214 CPLD控制及譯碼模塊214是高速數(shù)據(jù)采集的核心控制部分，它實現(xiàn)對多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、A/D和雙口 RAM的協(xié)調(diào)控制和地址/數(shù)據(jù)總線信號的譯碼，實現(xiàn)8路模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存儲于雙口 RAM中，同時CPLD控制及譯碼模塊214在行波數(shù)據(jù)處理硬件啟動模塊 206啟動后觸發(fā)高速數(shù)字信號處理電路II進入行波數(shù)據(jù)處理程序。(2)高速數(shù)字信號處理電路II高速數(shù)字信號處理電路II以高速數(shù)字信號處理器(DSP) 216為核心，包括高速數(shù)字信號處理器216、SDRAM存儲器218和FLASH存儲器220。各部分功能如下1)高速數(shù)字信號處理器216
這可以是一款高速數(shù)字信號處理芯片，數(shù)據(jù)總線32位，可進行浮點運算，精度高。 芯片內(nèi)部有8個運算單元，每秒可執(zhí)行16億條指令，能同時滿足超高速行波保護對數(shù)據(jù)處理速度和精度的要求。WSDRAM 存儲器 218 采用2塊SDRAM存儲器，構(gòu)成32位2Mbyte字節(jié)的隨機存取存儲器，用于存放算法所需數(shù)據(jù)及故障錄波數(shù)據(jù)。3) FLASH 存儲器 220 用于存放算法的程序。高速數(shù)字信號處理器216上電后自動將FLASH存儲器220 中的程序讀入高速數(shù)字信號處理器216內(nèi)部的RAM中運行。圖3示出了圖2所示裝置的微處理器程序流程示意圖。如圖3所示，高速數(shù)字信號處理器216啟動行波數(shù)據(jù)處理程序后，高速數(shù)字信號處理器216首先讀取雙口 RAM中的行波數(shù)據(jù)(30 ，接著將三相電流行波和電壓行波數(shù)據(jù)進行凱倫貝爾變換(304)，變換成三個線模分量和一個零模分量，如式(1)和式( 所示。接著對模量行波數(shù)據(jù)進行小波變換(306)，小波變換具體如圖4，最后獲得基于小波變換的行波數(shù)據(jù)特征，為行波保護判據(jù)提供特征數(shù)據(jù)(308)。
權(quán)利要求
1.一種行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其特征在于，包括行波數(shù)據(jù)采集模塊和行波數(shù)據(jù)處理模塊，其中，所述行波數(shù)據(jù)采集模塊，包括核心控制模塊、二階有源低通濾波模塊、二階無源帶通濾波模塊、保護硬件啟動模塊、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、雙口 RAM模塊，其中所述二階有源低通濾波模塊，接收來自線路的行波模擬信號，對所述行波模擬信號進行濾波，所述行波模擬信號包括電壓行波模擬信號和電流行波模擬信號；所述二階無源帶通濾波模塊，連接到所述二階有源低通濾波模塊，用于從所述二階有源低通濾波模塊的輸出的信號中提取行波中的高頻信號；所述保護硬件啟動模塊，接收來自所述二階無源帶通濾波模塊的所述高頻信號，并確定所述高頻信號是否滿足預(yù)定條件，在所述高頻信號滿足所述預(yù)定條件后，發(fā)送啟動信號至所述核心控制模塊；所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，連接至所述二階有源低通濾波模塊，用于在接收到來自所述核心控制模塊的控制信號后將所述行波模擬信號依次輸出至A/D轉(zhuǎn)換模塊；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊，連接至所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，根據(jù)來自所述核心控制模塊的控制信號，對所述行波模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出至雙口 RAM模塊；所述雙口 RAM模塊，具有兩組數(shù)據(jù)總線和兩組地址總線，用于在所述核心控制模塊的控制下存儲來自所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的所述轉(zhuǎn)換結(jié)果，以及被所述行波數(shù)據(jù)處理模塊讀取所述轉(zhuǎn)換結(jié)果；以及所述核心控制模塊，接收來自所述保護硬件啟動模塊的所述啟動信號，控制所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、所述A/D轉(zhuǎn)換器、和所述雙口 RAM，以及實現(xiàn)對所述地址總線和所述數(shù)據(jù)總線的譯碼，并且向所述行波數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送中斷信號；以及所述行波數(shù)據(jù)處理模塊，接收來自所述核心控制模塊的中斷信號，從所述雙口 RAM讀取所述轉(zhuǎn)換結(jié)果，按照預(yù)定算法對所述轉(zhuǎn)換結(jié)果進行處理以確定行波特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其特征在于，所述行波數(shù)據(jù)處理模塊還包括SDRAM存儲器，用于存儲所述數(shù)據(jù)處理模塊進行處理所需的數(shù)據(jù)；以及 FLASH存儲器，用于存儲所述數(shù)據(jù)處理模塊所采用的算法程序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其特征在于，所述核心控制模塊是由復(fù)雜可編程邏輯器件構(gòu)成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其特征在于，所述保護硬件啟動模塊包括電平比較電路，將所述高頻信號轉(zhuǎn)換為電平信號，然后將所述電平信號與預(yù)設(shè)啟動電平信號進行比較，在所述電平信號高于所述預(yù)定啟動電平信號時，發(fā)出啟動信號至所述核心控制模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其特征在于，所述二階有源低通濾波模塊的截止頻率為250kHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其特征在于，所述二階無源帶通濾波模塊的帶通頻率設(shè)置為3kHz 30kHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其特征在于，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊為兩個或以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其特征在于，所述雙口RAM模塊為兩個，用于分別存儲線路的電流采樣信號和電壓采樣信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其特征在于，所述處理模塊對所述轉(zhuǎn)換結(jié)果進行凱倫貝爾變換得到模量行波數(shù)據(jù)，然后對所述模量行波數(shù)據(jù)進行小波變換，并根據(jù)小波變換的結(jié)果確定行波特征。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種行波數(shù)據(jù)采集和處理裝置，包括行波數(shù)據(jù)采集模塊和行波數(shù)據(jù)處理模塊。其中，所述行波數(shù)據(jù)采集模塊可以包括核心控制模塊、二階有源低通濾波模塊、二階無源帶通濾波模塊、保護硬件啟動模塊、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、以及雙口RAM模塊。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案能夠?qū)﹄娏餍胁ê碗妷盒胁ㄟM行同步、高速的數(shù)據(jù)采集，同時對大量的行波數(shù)據(jù)進行實時、高速數(shù)字信號處理，提取行波數(shù)據(jù)特征和實現(xiàn)小波變換算法，為行波保護技術(shù)的實現(xiàn)提供硬件平臺和軟件平臺。
文檔編號H02H7/26GK102280866SQ20111010810
公開日2011年12月14日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月10日
發(fā)明者施慎行, 王世勇, 董新洲 申請人:清華大學