一种应用于暂态录波型故障指示器的录波同步方法

摘要

本发明公开了一种应用于暂态录波型故障指示器的录波同步方法，该方法用于解决暂态录波型故障指示器100µs同步录波要求及低功耗要求。汇集单元向采集单元发送对时指令，同时实现通信时序和数据采样的对时；采集单元记录对时时刻之后的首个采样点位置，及两次对时点位置的差值；故障发生时其他采集单元通过对接收到的故障相的采样点位置及差值信息进行简单的逻辑判断确定波形数据提取区域及提取方式，实现录波同步。本发明避免了通信中唤醒帧的发送与接收，简化了对时应答机制，省去了复杂的晶振补偿算法及采样点增加时标属性的方式，提高了CPU的执行效率，保证了录波同步精度，满足了采集单元的低功耗要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种录波同步同步方法，尤其是一种应用于暂态录波型故障指示器的录波同步方法。

背景技术

暂态录波型故障指示器主要由汇集单元和采集单元组成。采集单元安装在架空线路上，同一位置三相线路上安装的三个采集单元组成一组，分别与汇集单元通信，主要用于配电网系统中的线路状态监测与故障定位。

故障的判断与定位需要将三个采集单元采集到的电流数据合成零序电流。零序电流合成的精度直接影响故障判断的准确性。为此，需要三相上的采集单元保持高精度的录波同步。国家标准中规定“汇集单元应能将3只采集单元上送的故障信息、波形，合成为一个波形文件并标注时间参数上送给主站，时标误差小于100μs”。

在实现录波同步过程中，无线唤醒帧的发送、频繁的对时指令应答、复杂的晶振随机偏移和漂移补偿算法，以及对采样点增加时标属性的方法，都对采集单元的功耗和程序处理能力提出了很高的要求。特别是一些采用多晶振协同工作的守时方式，相比于单晶振守时会额外增加一些功耗。国家标准中规定“线路负荷电流不小于5A时，TA取电5s内应能满足全功能工作要求”。

现有技术中的暂态录波型故障指示器的录波同步方法一方面在精度上无法满足要求，另一方面不够精简可靠，无法满足低功耗的要求。

发明内容

本发明提出了一种应用于暂态录波型故障指示器的录波同步方法，其所要解决的技术问题是：保证故障指示器的同步精度，满足采集单元对低功耗的要求。

本发明的技术方案如下：

一种应用于暂态录波型故障指示器的录波同步方法，包括如下步骤：

(1)汇集单元向A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元广播发送对时指令，各采集单元在接收到对时指令后调整自身的通信时序，使自身的通信时序与汇集单元通信时序保持一致，保证下一次汇集单元发送对时指令时，采集单元自动处于接收状态；

(2)采集单元接收到对时指令后，将触发ADC采样定时器的当前计数值清零，重新计时，并将对时之后首个采样点在缓冲区中的位置标记为采样同步位置，同时记录当前同步位置与上一次同步位置的差值即自身两次同步位置间的采样点个数；

(3)当采集单元检测到故障时，故障相采集单元计算出从缓冲区中提取波形的起始位置P_start1及起始位置P_start1相对于最新同步位置P_sync1的相对位置P_Δ1，P_Δ1＝P_sync1-P_start1，并记录提取波形起始位置的采样点与最新同步位置的采样点发生的先后顺序Flg，同时获取自身两次同步位置间的采样点个数P_N1，然后将P_N1、P_Δ1与Flg发送给其它采集单元，并将自身从缓冲区中提取的波形数据发送给汇集单元；

(4)非故障相采集单元接收到故障相采集单元发来的P_N1、P_Δ1与Flg后，提取自身两次同步位置间的采样点个数P_N2,将P_N2与P_N1进行比较，同时结合接收到的Flg，确定自身提取波形的起始位置和数据提取方式，最后提取波形数据实现录波同步。

作为本发明的进一步改进：步骤(4)中非故障相采集单元确定自身提取波形的起始位置和数据提取方式的方法为：

非故障相采集单元根据P_N1、Flg及P_N2判断自身相对于故障相采集单元是否存在多采集或漏采集采样点的情况；

如果采样正常，则提取波形的起始位置为P_start2＝P_sync2-P_Δ1，P_sync2为非故障相采集单元自身内部的最新同步位置；

如果有漏采集一点的情况，则提取波形的起始位置为P_start2＝P_sync2-P_Δ1+1，并判断在P_sync2位置前是否需要补充采样点A＝(A_sync2+A_sync2-1)/2，式中A_sync2为P_sync2位置的采样点值，A_sync2-1为同步前一位置即P_sync2-1位置的采样点值；

如果有多采集一点的情况，提取波形的起始位置为P_start2＝P_sync2-P_Δ1-1，并判断是否需要将P_sync2位置的前一点删除。

作为本发明的进一步改进：如果P_N2与P_N1相等或者接收到的Flg＝1，故障相采集单元提取波形起始位置P_atart1的采样点发生在最新同步位置P_sync1的采样点之后，则录波区域不存在多采集一点或漏采集一点的情况，即采样正常；

如果P_N2小于P_N1且接收到的Flg＝0，故障相采集单元提取波形起始位置P_start1的采样点发生在最新同步位置P_sync1的采样点之前，则存在漏采集一点的情况；此时判断在P_sync2位置前是否需要补充采样点的方法是：如果非故障相采集单元自身内部的最新同步位置P_sync2被包含在波形数据提取区间内，则补充；

如果P_N2大于P_N1且接收到的Flg＝0，故障相采集单元提取波形起始位置P_start1的采样点发生在最新同步位置P_sync1的采样点之前，则存在多采集一点的情况；此时判断是否需要将P_sync2位置的前一点删除的方法是：如果P_sync2-1被包含在波形数据提取区间内，则删除。

作为本发明的进一步改进：触发ADC采样的定时器由RTC晶振驱动，精度为5ppm，两次对时的时间间隔小于20s。

相对于现有技术，本发明具有如下积极效果：(1)本发明利用汇集单元发送给采集单元的对时指令实现对ADC采样定时器的调整，完成ADC采样同步，同时对通信时序进行调整，使采集单元的通信时序与汇集单元的通信时序实现同步，保证在下次汇集单元发送对时指令的时刻，采集单元能够自动准时唤醒，无需汇集单元额外发送唤醒帧唤醒采集单元，消除了频繁的对时应答机制；(2)对时过程中只记录对时时刻采样点的同步位置和两次采样点同步位置的差值，避免了对每个采样点增加时标属性的操作；(3)在提取波形数据时，通过简单的逻辑判断就可保证录波的同步性，计算量小，同步精度高；(4)环境温度变化使晶振产生的温漂误差会对晶振的补偿算法产生不确定的影响，采用5ppm的低速高精度晶振，在对时完成后，不再用补偿算法对晶振偏移和漂移误差做补偿，简化了代码，降低了CPU的运行功耗。

附图说明

图1为本发明对时示意图。

图2为本发明采集单元录波程序流程图。

具体实施方式

下面根据附图详细说明本发明的技术方案：

如图1，采集单元与汇集单元都包含一个433MHz的无线模块，三个采集单元与汇集单元组成一个无线网络，无线网络按照设定的通信时序进行通信，通信时序是由各个设备内的定时器计时。

汇集单元与采集单元的无线模块在大部分时间处于睡眠状态，按照通信时序中规定的时刻进入接收状态或发送状态进行数据的收发，数据收发完成后将继续进入睡眠状态以节省功耗。

汇集单元向A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元广播发送对时指令，各采集单元在接收到对时指令后调整自身的通信时序，使自身的通信时序与汇集单元通信时序保持一致，保证下一次汇集单元发送对时指令时，采集单元自动处于接收状态。

采集单元ADC的采样频率由定时器输出的PWM波控制，定时器的时钟源为32.768KHz，采样频率为4096Hz，每个采集单元内部都有一个大的循环数据缓存区，用于缓存采集单元采集到的数据，可以缓存1s的电流、电场采样数据。

各采集单元接收到对时指令后，将触发ADC采样的定时器的当前计数值清零，使其重新输出PWM波形触发ADC采集、重新计时，进而保证对时后各个采集单元的首个采样点处于同一时刻，并将对时之后首个采样点在缓冲区中的位置标记为采样同步位置，同时记录当前同步位置与上一次同步位置的差值即自身两次同步位置间的采样点个数。

本实施例选用32.768KHz的晶振，精度为5ppm，对时一次后，各个采集单元的同步误差达到100us理论上需要20s的时间，因此可以将对时指令的间隔设置在0-20s之间，对时时间间隔越小，录波的同步误差精度越高。将对时间隔设置为3s时，录波同步误差可小于20μs。

图2流程图详细描述了故障发生后的录波过程。

当采集单元检测到故障时，故障相采集单元计算出从缓冲区中提取波形的起始位置P_start1及起始位置P_start1相对于最新同步位置P_sync1的相对位置P_Δ1，P_Δ1＝P_sync1-P_start1，并记录提取波形起始位置的采样点与最新同步位置的采样点发生的先后顺序Flg，同时获取自身两次同步位置间的采样点个数P_N1，然后将P_N1、P_Δ1与Flg发送给其它采集单元，并将自身从缓冲区中提取的波形数据发送给汇集单元。

如图2，其它非故障相采集单元接收到故障相集单元发来的P_N1、P_Δ1与Flg后，提取自身两次同步位置间的采样点个数P_N2,将P_N2与P_N1进行比较。

由于各无线模块接收数据的响应时间不同，以及采集单元自身晶振误差引起的守时误差，采集单元在接收到同步指令的时刻容易与ADC采样时刻冲突。因此，在实现再次同步之前非故障相采集单元相对于故障相采集单元容易在同步时刻出现ADC多采集一点或ADC漏采集一点的情况，即P_N2不等于P_N1，此时会增大录波数据的同步误差。

为了保证设备的低功耗性能，在不增加对时指令收发频率的情况下，消除该现象对同步误差的影响，保证高精度的同步，需要根据P_N2与P_N1的大小关系，对录波提取位置做出不同的调整及补偿。具体方法如下：

如果P_N2与P_N1相等或者接收到的Flg＝1，故障相采集单元提取波形起始位置P_start1的采样点发生在最新同步位置P_sync1的采样点之后，录波区域不存在多采集一点或漏采集一点的情况，则非故障相采集单元计算提取波形的起始位置P_start2＝P_sync2-P_Δ1，P_sync2为非故障相采集单元自身内部的最新同步位置，然后非故障相采集单元从缓冲区中提取要求长度的波形数据(如12个周波)发送给汇集单元。

如果P_N2小于P_N1且接收到的Flg＝0，故障相采集单元提取波形起始位置P_start1的采样点发生在最新同步位置P_sync1的采样点之前，则非故障相采集单元计算提取波形的起始位置P_start2＝P_sync2-P_Δ1+1，从而消除非故障相采集单元由于漏采集一点造成的计算误差；再判断非故障相采集单元自身内部的最新同步位置P_sync2是否被包含在波形数据提取区间内，如果被包含在内，则在P_sync2位置前补充一采样点，用于填补非故障相采集单元漏采集的一点，所补充采样点的值A＝(A_sync2+A_sync2-1)/2，式中A_sync2为P_sync2位置的采样点值，A_sync2-1为同步前一位置即P_sync2-1位置的采样点值；由于采样间隔很小，补充点与漏采样点的值基本相等，所以补充点不会对整体的录波精度造成影响。最后非故障相采集单元从缓冲区中提取波形数据发送给汇集单元。

如果P_N2大于P_N1且接收到的Flg＝0，故障相采集单元提取波形起始位置P_start1的采样点发生在最新同步位置P_sync1的采样点之前，则非故障相采集单元计算提取波形的起始位置P_start2＝P_sync2-P_Δ1-1，从而消除非故障相采集单元相由于多采集一点造成的计算误差；再判断P_sync2-1是否被包含在波形数据提取区间内，如果被包含在内，则将P_sync2-1位置点删除，即将非故障相采集单元多采集的一点删除，保证整体录波数据的同步精度；然后非故障相采集单元从缓冲区中提取波形数据发送给汇集单元。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本领域的技术人员应当理解，本文中所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所做的等效修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。