一种提高暂态录波型故障指示器采样同步精度的方法

摘要

本发明涉及一种提高暂态录波型故障指示器采样同步精度的方法，包括：计算汇集单元的发出时间与A、B、C三相采集单元的接收时间的时间差，然后修正A、B、C三相采集单元的接收时间，使得A、B、C三相采集单元的接收时间与汇集单元的发出时间同步；对A、B、C三相采集单元的采样定时器重新写入值，使得A、B、C三相采集单元时间与A、B、C三相采样过程同步。本发明通过求汇集单元发出时间与A、B、C三相采集单元接收时间的时间差，然后利用时间差修正三相采集单元接收时间，同时对采样定时器重新写入值，使得A、B、C三相采集单元时间与A、B、C三相采样过程同步，这样最终保证采集单元A、B、C三相采样同步。

说明书

计数领域

本发明涉及配电线路状态监测和故障线路定位技术领域，尤其是一种提高暂态录波型故障指示器采样同步精度的方法。

背景技术

故障指示器被用来安装在配电线路上，用于检测线路短路故障和单相接地故障，并发出报警信息的装置，是一种简便实用的配电自动化方案。常用的故障指示器有就地型故障指示器、二遥故障指示器及暂态录波型故障指示器，由于传统的就地型故障指示器误判率高且需要人为排查故障区域，而二遥故障指示器对单相接地故障判断准确率低，所以国家电网开始推行暂态录波型故障指示器，当发生单相接地故障时，A、B、C三相上采集单元将采集到的电流波形发送给汇集单元，汇集单元合成的零序电流，然后通过零序电流特征来判断单相接地故障，这就要求安装在三相线路上的采集单元间必须维持高精度采样同步，满足三相采样同步误差小于100μs的要求。

暂态录波型故障指示器的采集单元安装在架空线路上，汇集单元安装在电线杆上。同一位置A、B、C三相线路上安装的采集单元组成一组，与汇集单元通信。当线路发生单相接地故障时，以A相为例，A相将故障信息通过无线射频传送给汇集单元，汇集单元接收到故障信息后，将A、B、C三相采集单元故障发生时刻前录入的四个波形，故障发生时刻后录入的八个波形都传送给汇集单元用于合成零序电流波形，通过对零序电流极性判断实现故障定位。但由于采集单元采用晶体振荡器来维持本地时钟，而晶体振荡器存在个体误差，各个采集单元的本地时间将会出现偏差，如果没有时间校正，每组采集单元之间就会失去同步，合成零序电流不准确，从导致单相接地故障判断不准。关于这个问题，目前有提出将A、B、C三相上采集单元都安装GPS接收装置来保证所有的线路状态监测器都在同一时刻开始按照同一频率进行采样。由于采集单元采用线路取电、备用电源方式进行供电，而GPS对时功耗比较大，且每一相采集单元都安装GPS接收装置而增加了硬件成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、能够保证每组采集单元三相采样同步误差约为30μs的提高暂态录波型故障指示器采样同步精度的方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种提高暂态录波型故障指示器采样同步精度的方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)计算汇集单元的发出时间与A、B、C三相采集单元的接收时间的时间差，然后利用时间差修正A、B、C三相采集单元的接收时间，使得A、B、C三相采集单元的接收时间与汇集单元的发出时间同步；

(2)对A、B、C三相采集单元的采样定时器重新写入值，使得A、B、C三相采集单元时间与A、B、C三相采样过程同步，保证A、B、C采集单元三相采样同步。

所述计算汇集单元的发出时间与A、B、C三相采集单元的接收时间的时间差具体是指：

设T1为汇集单元发出中断触发时间，T1′为采集单元接收中断触发时间,汇集单元和采集单元的时间偏差为：

ΔT＝T1-T1′ (3)

假设传输延迟为TD，汇集单元在T1时刻发出的信号在采集单元走到T2时刻到达，所以：

T2＝T1′+TD (4)

联立式(3)、式(4)可得式(5):

T2-T1＝TD-ΔT (5)

设T3为采集单元发出中断触发时间，T3′为汇集单元接收中断触发时间，采集单元和汇集单元时间偏差为：

ΔT＝T3′-T3 (6)

由于传输延迟，采集单元在T3时刻发出的信号在采集单元走到T4时刻到达，有下式成立：

T4＝T3′+TD (7)

联立式(6)、式(7)可得式(8)：

T4-T3＝ΔT+TD(8)

联立式(5)、式(8)式可以求出：

其中T1、T2、T3和T4均可知，由式(9)求得汇集单元发出时间和采集单元接收时间的时间差ΔT，A相接收时间加上时间差ΔT便与汇集单元发出时间同步，B相接收时间加上时间差ΔT便与汇集单元发出时间同步，C相接收时间加上时间差ΔT便与汇集单元发出时间同步。

所述步骤(2)具体是指：

A、B、C三相采集单元内部均设有计时定时器和采样定时器，其中计时定时器通过递减计数实现计时，采样定时器用于波形采样，计时定时器和采样定时器同步；

通过修改计时定时器的计数最大值来修改A、B、C三相采集单元采集单元在某时刻计时时间，使其与汇集单元时间某时刻通过GPS对时得到的时间同步，当计时定时器计数最大值修改后，导致计时定时器与采样定时器不同步，即采样不同步，通过以下方法保证采样同步：

假设将计时定时器计数最大值修改为M,当其计数到M-ΔL时,计时定时器走过的间隔为ΔL，因为采样定时器的0位与计时定时器的16384000位对应，假设此时采样定时器走过的间隔为ΔLL,把ΔL赋值给ΔLL，这样就保证采样步调一致，实现采样同步。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：本发明以汇集单元时间为时间基准，通过求汇集单元发出时间与A、B、C三相采集单元接收时间的时间差，然后利用时间差修正三相采集单元接收时间，使得A、B、C三相采集单元接收时间与汇集单元发出时间同步，同时对采样定时器重新写入值，使得A、B、C三相采集单元时间与A、B、C三相采样过程同步，这样最终保证采集单元A、B、C三相采样同步。经过测试，本发明可以保证每组采集单元三相采样同步误差约为30μs，小于国网企业标准误差100μs，同时本发明成本较低。

附图说明

图1为计时定时器和采样定时器的工作原理图；

图2为汇集单元与采集单元的通信原理图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种提高暂态录波型故障指示器采样同步精度的方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)计算汇集单元的发出时间与A、B、C三相采集单元的接收时间的时间差，然后利用时间差修正A、B、C三相采集单元的接收时间，使得A、B、C三相采集单元的接收时间与汇集单元的发出时间同步；

(2)对A、B、C三相采集单元的采样定时器重新写入值，使得A、B、C三相采集单元时间与A、B、C三相采样过程同步，保证A、B、C采集单元三相采样同步。

所述计算汇集单元的发出时间与A、B、C三相采集单元的接收时间的时间差具体是指：

设T1为汇集单元发出中断触发时间，T1′为采集单元接收中断触发时间,汇集单元和采集单元的时间偏差为：

ΔT＝T1-T1′ (3)

假设传输延迟为TD，汇集单元在T1时刻发出的信号在采集单元走到T2时刻到达，所以：

T2＝T1′+TD (4)

联立式(3)、式(4)可得式(5)：

T2-T1＝TD-ΔT(5)

设T3为采集单元发出中断触发时间，T3′为汇集单元接收中断触发时间，采集单元和汇集单元时间偏差为：

ΔT＝T3′-T3 (6)

由于传输延迟，采集单元在T3时刻发出的信号在采集单元走到T4时刻到达，有下式成立：

T4＝T3′+TD(7)

联立式(6)、式(7)可得式(8)：

T4-T3＝ΔT+TD(8)

联立式(5)、式(8)式可以求出：

其中T1、T2、T3和T4均可知，由式(9)求得汇集单元发出时间和采集单元接收时间的时间差ΔT，A相接收时间加上时间差ΔT便与汇集单元发出时间同步，B相接收时间加上时间差ΔT便与汇集单元发出时间同步，C相接收时间加上时间差ΔT便与汇集单元发出时间同步。

如图1所示，所述步骤(2)具体是指：

A、B、C三相采集单元内部均设有计时定时器和采样定时器，其中计时定时器通过递减计数实现计时，采样定时器用于波形采样，计时定时器和采样定时器同步；

通过修改计时定时器的计数最大值来修改A、B、C三相采集单元采集单元在某时刻计时时间，使其与汇集单元时间某时刻通过GPS对时得到的时间同步，当计时定时器计数最大值修改后，导致计时定时器与采样定时器不同步，即采样不同步，通过以下方法保证采样同步：

假设将计时定时器计数最大值修改为M,当其计数到M-ΔL时,计时定时器走过的间隔为ΔL，因为采样定时器的0位与计时定时器的16384000位对应，假设此时采样定时器走过的间隔为ΔLL,把ΔL赋值给ΔLL，这样就保证采样步调一致，实现采样同步。

以下结合图1、2对本发明作进一步的说明。

当线路发生单相接地故障时，采集单元将故障信息发送给汇集单元，汇集单元接收到故障信息后，将A、B、C三相线路采集单元录入波形发送给汇集单元用于合成零序电流波形，通过对零序电流极性判断实现故障定位。由于采集单元采用晶体振荡器来维持本地时钟，晶体振荡器存在个体误差缺点，会导致各采集单元本地时间出现偏差，如果没有时间校正，每组采集单元之间就会失去同步，合成零序电流不准确，从导致单相接地故障判断不准。

本发明汇集单元采用GPS对时，对时精度约为100ns，采集单元使用晶体振荡器来维持本地时钟。以汇集单元时间作为时间基准，将A、B、C三相采集单元时间和汇集单元时间进行对时操作。

先以A相为例，假设汇集单元发出报文中断触发时间(简称汇集单元发出时间)和A相采集单元接收报文中断触发时间(简称A相接收时间)已知，参考1588对时方式求出汇集单元发出时间和A相接收时间的时间差，A相接收时间加上时间差便可以保证与汇集单元发出时间同步。

A相采集单元内部计时定时器通过递减计数实现计时，采样定时器连续输出时间同步脉冲信号发送给AD模块用于波形采样，计时定时器和采样定时器同步。通过修改计时定时器计数最大值来修改A相时间，使其与汇集单元时间同步，当计时定时器计数最大值修改后，会导致计时定时器与采样定时器不同步，即采样不同步，通过本发明提出的方法可以保证采样同步：先保证A相接收时间与汇集单元发出时间同步，然后将A相本身时间与采样进行同步，使用同样的方法保证B、C相接收时间与汇集单元发出时间同步，然后将B、C相时间与采样进行同步，因为本发明以汇集单元作为时间基准，因此A、B、C三相采样同步，经过测试，每组采集单元三相采样同步误差小于30μs。

计时定时器从16384000到0递减计数，时间记为1s,该定时器为只读类型，可以写入最大值；采样定时器的状态为0-32高电平，32-1279低电平，该定时器为只写型；因为计时定时器、采样定时器信号是同步的，即0与16384000对应，当16384000改变后，由于采样定时器可写，通过修改采样定时器内部计数值，使得计时定时器、采样定时器同步。

配电线路中一个电流波形周期20ms,则1s有50个周波，采集单元采样频率为12.8KHz,所以一个电流波形有256个点，有(2)式成立：

其中，16384000为计时定时器的计数值，从16384000计到0时间为1s，配电线路上电流信号1周波时间20ms(50Hz)，1s含有50周波，采集单元采样频率12.8KHz,1周波采集12.8KHz/50Hz＝256点，则1周波有50*256点，表示波形上每一点对应的计数值，结果为1280，对应采样定时器一个周波(0-32高电平，32-1279低电平)。即采样定时器一个高低电平表示波形上一点，这个公式主要说明计时定时器、采样定时器对应关系及采样定时器采样工作原理。

本实施例采用的计时定时器最大值为16384000，对于这个定时器是固定的，其他定时器选型若满足本发明计时定时器和采样计时器的条件，也可实现功能；

假设最大值修改为16000000，当它递减计数到15000000时候，ΔL＝16000000-15000000＝1000000代表递减范围区间，设此值的目的是若计时定时器、采样定时器有相同的递减范围区间则满足计时定时器、采样定时器同步。

综上所述，本发明以汇集单元时间为时间基准，通过求汇集单元发出时间与A、B、C三相采集单元接收时间的时间差，然后利用时间差修正三相采集单元接收时间，使得A、B、C三相采集单元接收时间与汇集单元发出时间同步，同时对采样定时器重新写入值，使得A、B、C三相采集单元时间与A、B、C三相采样过程同步，这样最终保证采集单元A、B、C三相采样同步。经过测试，本发明可以保证每组采集单元三相采样同步误差约为30μs，小于国网企业标准误差100μs，同时本发明成本较低。