專利名稱：一種基于fpga的行波測距裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種服務于電力系統(tǒng)的行波測距裝置。
背景技術：
現(xiàn)代行波故障測距技術能夠得以實現(xiàn)并不斷向前發(fā)展，與現(xiàn)代微電子技術、全球定位系統(tǒng)技術、現(xiàn)代通信技術以及數(shù)字信號處理技術等相關領域的快速發(fā)展分不開。其中， 微電子技術的應用使得對電流暫態(tài)信號的高速采集和存儲成為可能，而GPS的應用為電力系統(tǒng)同步時鐘創(chuàng)造了條件，現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，為電力系統(tǒng)向智能化，網(wǎng)絡化奠定了基礎，同時，以小波變換為代表的數(shù)字信號處理技術促進了高性能行波故障測距算法的飛躍。 因此，在以上技術的基礎上，利用行波進行測距的方法得到了廣泛的應用，但也存在有很多難點和不足。目前市場上所應用的行波測距裝置大多采用傳統(tǒng)的單片機或DSP芯片加后臺工控機的模式，由于行波數(shù)據(jù)采集的頻率一般要高于500kHz，而且數(shù)據(jù)采集量比較大，傳統(tǒng)的 DSP芯片無法滿足大容量的數(shù)據(jù)高速存儲的要求，因此，一臺行波測距裝置可以測量的線路條數(shù)比較少，不能滿足現(xiàn)在變電站規(guī)?？焖侔l(fā)展的需要。再者，采用Window的后臺工控機模式，經(jīng)常會受到病毒的干擾，極大地增大了維護人員的工作量。除此以外，當前變電站已開始向網(wǎng)絡化，智能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的行波測距裝置還不能支持IEC61850通訊規(guī)約，無法適應智能化變電站發(fā)展需要。

實用新型內(nèi)容本實用新型是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種基于FPGA的行波測距裝置，以滿足高速故障數(shù)據(jù)的存儲和分析的要求。本實用新型解決技術問題采用如下技術方案本實用新型基于FPGA的行波測距裝置的特點是采用模塊化設計，包括模擬量采集板、高速數(shù)據(jù)采集板、具備104和IEC61850兩種規(guī)約的通信能力的中央處理器板、以太網(wǎng)交換機板以及GPS板；所述模擬量采集板是以霍爾電流傳感器或霍爾電壓傳感器獲取線路二次側電流電壓信號，送入高速數(shù)據(jù)采集板，以一塊模擬量采集板配合一塊高速數(shù)據(jù)采集板，采集四條線路中十二個通道的電氣量；所述高速數(shù)據(jù)采集板由高速模數(shù)轉換芯片A/D和可編程門陣列FPGA構成；模擬量采集板的采集信號依次經(jīng)過信號調(diào)理電路和模數(shù)轉換芯片A/D后在FPGA內(nèi)部啟動算法的計算以及數(shù)據(jù)存儲；當線路故障時，高速數(shù)據(jù)采集板將故障的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送到中央處理器板進行分析與存儲；所述中央處理器板采用ARM芯片和大容量內(nèi)存芯片DDR2，以所述中央處理器板接收來自高速數(shù)據(jù)采集板的故障數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析、轉發(fā)和存儲，完成故障數(shù)據(jù)的小波變換；在分析出行波波頭的位置后，結合線路對端的行波波頭位置，給出測距結果；[0010]所述GPS板用于完成對GPS信號的接收和解析，利用晶振對時間信息和IPPS信號進行校正。與已有技術相比，本實用新型有益效果體現(xiàn)在1、本實用新型利用小波變換技術，實時分析處理故障行波數(shù)據(jù)，確定故障距離。測距精度不受線路長度，故障類型，接地電阻，負荷電流等的影響。2、本實用新型一塊高速采集板可采集4條線路的電氣量，單臺行波測距裝置可配置2塊高速采集板，再加上輔助裝置，同時可接入M條線路，可接入線路容量大，降低了用戶的使用成本，能夠滿足一般變電站的設計需要。3、本實用新型在高精度GPS的配合下，能夠利用雙端測距的方法在線路故障后自動給出測距結果，同時將單端測距的方法作為雙端測距的有效補充。通過不斷獲取實踐數(shù)據(jù)，積累行波傳變特性，以建立單端測距的專家系統(tǒng)，從而為單端測距自動給出測距結果做準備。4、本實用新型采用嵌入式硬件配置，結構簡單、防電磁干擾、系統(tǒng)一體化設計、高集成，低耦合。5、本實用新型采用高精度霍爾傳感器，具有動態(tài)特性好、線性度高、精度高、頻帶寬以及尺寸小、外圍電路簡單等優(yōu)良特性，可傳變高達150kHz頻率的電流信號，完全滿足行波測距裝置的要求。6、本實用新型中基于FPGA與DDR2的高速采集板的設置，充分利用了 FPGA的并行計算的能力，可實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的快速分析與大容量的存儲。7、本實用新型采用嵌入式網(wǎng)絡設計，使高速采集板具有組態(tài)功能，既可以通過中央處理器轉發(fā)故障數(shù)據(jù)，也可以直接連接到主站，甚至可以直接通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡與線路對端裝置交換故障數(shù)據(jù)。8、本實用新型的通訊方式支持IEC61850與104兩種規(guī)約，既適應傳統(tǒng)變電站的需要，也面向未來數(shù)字化變電站的需要，可以直接接入數(shù)字化變電站二次設備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)， 將裝置運行狀態(tài)上傳到后臺，使運行人員及時了解裝置現(xiàn)狀。9、本實用新型通過設置全嵌入式操作系統(tǒng)，避免了病毒的干擾，極大地降低了工作人員的維護工作量。10、本實用新型響應速度快，能夠快速可靠地顯示出行波測距結果。
圖1為本實用新型裝置總體結構示意圖。圖2為本實用新型裝置與線路對端或主站數(shù)據(jù)交互示意圖。圖3為本實用新型裝置高速采集板結構示意圖。圖4為本實用新型裝置數(shù)據(jù)流向示意圖。
具體實施方式
參見圖1，本實施例中基于FPGA的行波測距裝置采用模塊化設計，包括模擬量采集板、高速數(shù)據(jù)采集板、具備104和IEC61850兩種規(guī)約的通信能力的中央處理器板、以太網(wǎng)交換機板以及GPS板；[0027]模擬量采集板是以霍爾電流傳感器或霍爾電壓傳感器獲取從變電站PT，CT引來線路二次側電流電壓信號，送入高速數(shù)據(jù)采集板，以一塊模擬量采集板配合一塊高速數(shù)據(jù)采集板，采集四條線路中十二個通道的電氣量；高速數(shù)據(jù)采集板由高速模數(shù)轉換芯片A/D和可編程門陣列FPGA構成；模擬量采集板的采集信號依次經(jīng)過信號調(diào)理電路和模數(shù)轉換芯片A/D后在FPGA內(nèi)部啟動算法的計算以及數(shù)據(jù)存儲；當線路故障時，高速數(shù)據(jù)采集板將故障的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送到中央處理器板進行分析與存儲；FPGA具有并行處理能力，在高可靠性的恒溫晶振支持下，工作頻率為80M，其時間精度能達到10ns，完全能夠滿足行波測距裝置在高采樣率下對時間精度的要求。另外，高速數(shù)據(jù)采集板配置大容量存儲器，2(ibit的DDR2內(nèi)存與多片16M串行Flash相結合的存儲模式，信號采集無死區(qū)，每條線路可以存儲的故障數(shù)據(jù)可達到五萬條以上，保證故障數(shù)據(jù)不會丟失，實現(xiàn)了故障數(shù)據(jù)的安全性。中央處理器板采用Intel的ARM芯片IXP425和大容量內(nèi)存芯片DDR2，并設置嵌入式uclinux操作系統(tǒng)，以所述中央處理器板接收來自高速數(shù)據(jù)采集板的故障數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析、轉發(fā)和存儲，完成故障數(shù)據(jù)的小波變換；在分析出行波波頭的位置后，結合線路對端的行波波頭位置，給出測距結果；ARM芯片IXP425具有豐富的外設接口資源，功耗低，可靠性高。支持大容量CF卡， 固態(tài)硬盤接口，能夠實現(xiàn)行波故障數(shù)據(jù)的冗余備份，進一步提高故障數(shù)據(jù)的可靠性。同時， 該ARM芯片支持多個網(wǎng)段的網(wǎng)絡連接，可同時接入多個主站，對端以及調(diào)度自動化系統(tǒng)。GPS板用于完成對GPS信號的接收和解析，利用晶振對時間信息和IPPS信號進行校正，GPS板的對時誤差小于50ns，守時Ih后的誤差小于6. 7us。參見圖2，本實例中行波測距裝置與對端或主站端通信采用IEC61850規(guī)約。其作為智能化變電站的標準規(guī)約，具有統(tǒng)一、規(guī)范、自描述易擴展等特點，解決了目前傳統(tǒng)變電站規(guī)約種類繁多，互不兼容，難以擴展等缺點，必將成為以后變電站的同一規(guī)約。由于IEC61850比較復雜，映射層次多，實現(xiàn)起來比較困難。本實施例內(nèi)置 IEC61850規(guī)約與實時數(shù)據(jù)庫的映射，可以方便地和其他各類規(guī)約相互轉換。針對兩套行波測距裝置之間三種類型的數(shù)據(jù)通信，設計了以下三套IEC61850解決方案1、文件傳輸在兩套行波測距裝置之間傳送大數(shù)據(jù)量采樣數(shù)據(jù)文件；2、soe突發(fā)信息主動上送在兩套行波測距裝置之間服務端主動傳送報告控制塊；3、發(fā)出控制命令在兩套行波測距裝置之間客戶端發(fā)出控制命令，對服務端數(shù)據(jù)類模型進行讀數(shù)據(jù)值、設置數(shù)據(jù)值等操作。參見圖3，本實例的高速采集板采用美國Altera公司的Cyclone系列FPGA，功耗低，適用于大容量存儲應用，并支持高速外部存儲器接口，包括DDR2-SDRAM(雙通道同步動態(tài)隨機存儲器)等。其獨有的NiosII CPU軟核，Avolon總線技術以及基于可編程的片上系統(tǒng)S0PC(SyStem On Programmable Chip)架構，使系統(tǒng)的構建更加快捷方便，既提高了系統(tǒng)集成度，又縮短了開發(fā)的周期。豐富多樣的IP核資源可靠性高，配置簡單靈活。本實例中使用的IP核包括數(shù)字低通濾波器FIR單元，離散傅里葉變換DFT單元以及DDR2控制器寸。[0039] 參見圖4，本實施例的FPGA芯片工作在80MHz頻率下，一方面控制高速AD芯片進行800kHz的數(shù)據(jù)采集，另一方面可同時將采集的數(shù)據(jù)進行啟動算法的計算以及小波變換。 最后通過大容量的DDR2內(nèi)存與FLASH將故障數(shù)據(jù)保存。數(shù)據(jù)采集無死區(qū)，即使連續(xù)多次發(fā)生暫態(tài)現(xiàn)象，故障行波數(shù)據(jù)也不會丟失。由于FPGA運行速度快，在80MHz的時鐘下，工作周期可達到10ns，提高了信號處理的效率，既能同時實現(xiàn)多條線路的同步計算，又能滿足行波測距裝置對高頻信號的采集要求。
權利要求1. 一種基于FPGA的行波測距裝置，其特征是采用模塊化設計，包括模擬量采集板、高速數(shù)據(jù)采集板、具備104和IEC61850兩種規(guī)約的通信能力的中央處理器板、以太網(wǎng)交換機板以及GPS板；所述模擬量采集板是以霍爾電流傳感器或霍爾電壓傳感器獲取線路二次側電流電壓信號，送入高速數(shù)據(jù)采集板，以一塊模擬量采集板配合一塊高速數(shù)據(jù)采集板，采集四條線路中十二個通道的電氣量；所述高速數(shù)據(jù)采集板由高速模數(shù)轉換芯片A/D和可編程門陣列FPGA構成；模擬量采集板的采集信號依次經(jīng)過信號調(diào)理電路和模數(shù)轉換芯片A/D后在FPGA內(nèi)部啟動算法的計算以及數(shù)據(jù)存儲；當線路故障時，高速數(shù)據(jù)采集板將故障的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送到中央處理器板進行分析與存儲；所述中央處理器板采用ARM芯片和大容量內(nèi)存芯片DDR2，以所述中央處理器板接收來自高速數(shù)據(jù)采集板的故障數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析、轉發(fā)和存儲，完成故障數(shù)據(jù)的小波變換；在分析出行波波頭的位置后，結合線路對端的行波波頭位置，給出測距結果；所述GPS板用于完成對GPS信號的接收和解析，利用晶振對時間信息和IPPS信號進行校正。
專利摘要本實用新型公開了一種基于FPGA的行波測距裝置，其特征是采用模塊化設計，包括模擬量采集板、高速數(shù)據(jù)采集板、具備104和IEC61850兩種規(guī)約的通信能力的中央處理器板、以太網(wǎng)交換機板以及GPS板；模擬量采集板是以霍爾電流傳感器或霍爾電壓傳感器獲取線路二次側電流電壓信號；高速數(shù)據(jù)采集板由高速模數(shù)轉換芯片A/D和可編程門陣列FPGA構成；中央處理器板采用ARM芯片和大容量內(nèi)存芯片DDR2，并設置嵌入式uclinux操作系統(tǒng)，中央處理器板接收來自高數(shù)據(jù)速采集板的故障數(shù)據(jù)，在分析出行波波頭的位置后，給出測距結果。本實用新型用以滿足高速故障數(shù)據(jù)的存儲和分析。
文檔編號G01R31/08GK202159111SQ201120187399
公開日2012年3月7日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權日2011年6月3日
發(fā)明者何鳴, 張令意, 張可, 張驥, 王曉, 王皓, 謝紅福 申請人:安徽繼遠電網(wǎng)技術有限責任公司