一种模拟量断线故障检测方法、系统及采集装置与流程

本发明属于电力工程的继电保护自动化领域，特别涉及一种模拟量断线故障检测方法、系统及采集装置。

背景技术：

随着时代的进步，科技飞速发展，新的芯片技术以及计算机网络技术的巨大进步，推动了变电站自动化领域的智能化，随着智能化开关、光电式电流电压互感器等机电一体化设备的出现，继电保护装置一直在不断的发展。目前继电保护装置普遍采用模块化插件方式，交流互感器集中在一起构成交流互感器插件，ad采样电路与cpu集中在一起构成采保插件，交流互感器插件和采保插件通过连接器连接至背板进行互联，在继电保护领域中，交流模拟量采样的实现方法主要是将一次设备元件电压或电流经过一次交流互感器转换后连接到二次保护装置。保护装置内的二次交流互感器将输入的模拟量再次转换后连接到ad芯片及相应滤波电路进行模数转换，转换后的数字量传输给cpu进行运算和应用。

但是插件频繁插拔会对连接器造成磨损、一些不可避免的物理震动会造成交流互感器管脚松动，连接器的磨损和连接器管脚松动都可能导致交流互感器至采保插件之间的模拟量传输链路断线，导致模拟量采集异常而影响保护运行。因此，需对继电保护装置模拟量是否断线进行检测，传统检测设备一般为继电保护测试仪，继电保护测试仪可输出电流、电压信号，发出开关信号，检测输入信号，并且检测人员通过目测对比继电保护测试仪和继电保护装置二者的显示值，判断继电保护装置硬件的好坏。但是，测试人员需要手动不停更换继电保护测试仪和继电保护装置之间的连接线，测试效率低；测试的结果评定需要人工评定，容易遗漏测试项目，而且测试评判标准不易统一，测试受人为因素影响大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模拟量断线故障检测方法、系统及采集装置，用于解决现有技术中继电保护装置的模拟量断线故障检测不准确及检测效率低的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种模拟量断线故障检测方法，该方法包括如下步骤：

1)产生故障模拟信号，将各模拟量通道的输入信号进行模数转换，以设定的采样频率采集各模拟量通道模数转换后的数据，并将所述故障模拟信号进行模数转换；

2)读取模数转换后的采样数据；

3)以断线故障模拟信号的采样数据为基准值，判断各模拟量通道的采样数据是否满足设定条件，所述设定条件指将各模拟量通道的采样数据均与所述基准值作差比较，并把相邻两次采样的同一模数转换通道采集的数据进行作差比较，若两次作差得到的差值均小于对应的设定值，则判断为该模拟量通道发生模拟量断线故障。

进一步地，所述故障模拟信号为零漂信号。

进一步地，连续设定次数的采样均满足设定条件时，判断为该模拟量通道发生模拟量断线故障。

进一步地，所述设定的采样频率指采样设备正常运行时的采样频率的n倍，n≥3。

本发明还提供了一种模拟量断线故障检测系统，包括ad芯片、fpga、故障模拟信号产生装置及模拟量通道，所述ad芯片与所述fpga通讯连接，所述故障模拟信号产生装置用于产生故障模拟信号，所述ad芯片用于将各模拟量通道的输入信号进行模数转换，所述fpga为所述ad芯片设定采样频率，以设定的采样频率采集各模拟量通道模数转换后的数据，并读取模数转换后的采样数据；以断线故障模拟信号的采样数据为基准值，判断各模拟量通道的采样数据是否满足设定条件，所述设定条件指将各模拟量通道的采样数据均与所述基准值作差比较，并把相邻两次采样的同一模数转换通道采集的数据进行作差比较，若两次作差得到的差值均小于对应的设定值，则判断为该模拟量通道发生模拟量断线故障。

进一步地，所述故障模拟信号为零漂信号。

进一步地，连续设定次数的采样均满足设定条件时，判断为该模拟量通道发生模拟量断线故障。

进一步地，所述设定的采样频率指采样设备正常运行时的采样频率的n倍，n≥3。

进一步地，还包括前置滤波电路，所述模拟量通道通过前置滤波电路与所述ad芯片连接。

本发明还提供了一种采集装置，包括ad芯片、cpu、fpga、故障模拟信号产生装置及模拟量输入接口，所述ad芯片与所述fpga通讯连接，所述fpga与所述cpu通讯连接，所述故障模拟信号产生装置用于产生故障模拟信号，所述模拟量输入接口用于输入模拟量信号，所述ad芯片用于将各模拟量通道的输入信号进行模数转换，所述cpu用于控制所述fpga为所述ad芯片设定采样频率，以设定的采样频率采集各模拟量通道模数转换后的数据，并读取模数转换后的采样数据；所述cpu以断线故障模拟信号的采样数据为基准值，判断各模拟量通道的采样数据是否满足设定条件，所述设定条件指将各模拟量通道的采样数据均与所述基准值作差比较，并把相邻两次采样的同一模数转换通道采集的数据进行作差比较，若两次作差得到的差值均小于对应的设定值，则判断为该模拟量通道发生模拟量断线故障。

本发明的有益效果是：

本发明首先产生故障模拟信号，将各模拟量通道的输入信号进行模数转换，以设定的采样频率采集各模拟量通道模数转换后的数据，并将所述故障模拟信号进行模数转换；然后读取每次采样的各通道模数转换后的采样数据；最后以断线故障模拟信号的采样数据为基准值，判断各模拟量通道的采样数据是否满足设定条件，设定条件指将各模拟量通道的采样数据均与所述基准值作差比较，并把相邻两次采样的同一模数转换通道采集的数据进行作差比较，若两次作差得到的差值均小于对应的设定值，则判断为该模拟量通道发生模拟量断线故障。本发明实时性较强，检测结果正确率高，且检测效率高，通过设定频率、设定采样次数的采样数据来进一步对模拟量进行判断及检测，降低了模拟量断线导致误动的风险，提高了继电保护装置运行的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为模拟量断线故障检测范围示意图；

图2为本发明的模拟量断线故障实时诊断系统硬件框图；

图3为本发明的fpga实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明的一种模拟量断线故障检测系统的实施例：

一种模拟量断线故障检测系统，如图2所示，该系统包括交流互感器插件、背板及采保插件。其中采保插件包括ad前置滤波电路、ad芯片、fpga、cpu和相应的外围电路及电源。ad芯片与fpga通过spi接口通讯连接，fpga与cpu通过lbc总线通讯连接。交流互感器插件和采保插件通过插件连接器及背板实现模拟量输入输出互联。采保插件输入模拟量经过ad前置滤波电路后连接到a/d芯片模拟量输入端；cpu用于控制fpga为ad芯片设定采样频率；选择ad芯片的任意一个模数转换通道作为断线故障模拟通道，以设定的采样频率、设定的采集次数采集互感器各模数转换通道的输入的模拟量；ad芯片在fpga的控制下实现模拟信号到数字信号转换，并将转换结果存储到内部缓存区，并在满足设定时间后，读取每次采样的各通道模数转换后的采样数据。

如图1所示，模拟量断线故障检测范围为交流互感器插件互感器副边管脚至采保插件连接器，元件1为交流互感器副边管脚，元件2为交流互感器插件连接器，元件3为采保插件连接器。元件1、元件2、元件3构成了模拟量断线故障检测范围。

各个采样通道连接的前置滤波电路设计方案、采用元器件以及连接器等采用同一标准。

采保插件所选ad芯片为具有多通道模数转换功能的ad芯片。选择ad芯片的第一个模数转换通道作为故障模拟通道。故障模拟通道带有相同的前置滤波电路，但不通过连接器及交流互感器插件相连。将故障模拟通道的采样数据作为判断模拟量断线故障下采样数据的一个基准。

故障模拟通道采样值区别于保护装置没有外部输入情况下的采样值的特征：故障模拟通道采样值主要是受前置滤波电路的影响而产生的零漂值，而装置外部接线没有输入时(即交流互感器插件外部接线没有输入)，受交流互感器插件负载的影响采样值几乎为0。

在cpu的控制下，fpga在保证保护运算所需采样频率的前提下对采样频率进行倍频，应用连续多点的采样数据进行计算和预处理，并将断线故障诊断结果输给cpu进行处理。具体的，cpu对fpga进行初始化配置时将fpga内部ad采样功能模块的采样频率设为保护正常运行实际所需采样频率的n倍(n大于或等于3)。即如果保护装置可靠运行所需采样频率为每周波24点，则ad实际采样频率至少为每周波72点。采保插件cpu获取的每点采样数据，都是经过n点的运算和预处理后的数据。

每次向cpu传输采样数据前，先进行采样数据的预处理，其中，ad芯片的控制和采样数据的预处理通过fpga实现，fpga并行运算速度快，具备较高采样频率下的数据预处理能力。

本发明的模拟量断线故障诊断方法，具体的包括以下步骤：

1)系统上电fpga程序加载完成后，cpu开始按照约定的协议对fpga内部ad采样功能模块进行初始化配置，如配置ad采样频率等。ad采样频率配置为保护运算实际所需采样频率的3倍以上。假如保护运算每周波所需采样数据为24点，即实际所需采样频率为每秒钟1200点，则cpu对fpga配置的采样频率至少为每周波72点，即每秒钟3600点。本发明实施例设定实际采样频率为继电保护正常运行时所需采样频率的4倍，即采样频率为每秒钟4800点。

2)fpga内部设计启动定时器，按照cpu设定的采样频率向ad芯片输出convst信号，启动ad芯片进行采样。

3)ad芯片在收到启动命令后对所有模数转换通道的模拟量进行模数转换，fpga以convst为基准，等待时间t后开始从ad芯片读取模数转换后的采样数据。时间t为ad芯片完成模数转换所需要的最大时间。

4)fpga通过spi接口开始逐个通道从ad芯片读取采样数据。本实施例以每片ad芯片的第一个模数转换通道为故障模拟通道，作为其他实施方式，也可以选择其他的模数转换通道作为断线故障模拟通道。本实施例以采集4次模数转换后的数据为例，将ad芯片的第一个模数转换通道的采样数据用ri(i＝1,2,3,4)表示，并以ad芯片的第一个模数转换通道的采样数据作为模拟量断线故障判断基准，对于其他模数转换通道每次采样的数据用vni表示，其中，i为采样序号标识，n为模数转换通道的标识。

如图3所示，fpga在读取ad芯片其余模数转换通道的数据后，与模拟量断线故障基准值进行减法和绝对值运算，即将每次采样的每个通道的采样数据都与基准值作差后取绝对值表示为dvrni＝|vni-ri|，且对同一个通道相邻两次采样的数据值作差表示为dvvni＝|vni-vn(i-1)|，如第1次采样时的第1个模数转换通道(除故障模拟通道外的第一个故障)的采样数据表示为v11，第1次采样时的第1个模数转换通道的采样数据表示为v12，以此类推。在这里，由于第1次采样时vn(i-1)还没有原始数据，所以dvvni＝|vni-vn(i-1)|从第2次采样开始时才进行计算，并将计算结果保存。fpga依次对每个有效模数转换通道进行数据读取和运算，并将结果暂存到内部缓存区，可用fpga内部寄存器或ram实现。所有通道数据读取完成后，fpga累计采样次数，等待下一个采样时刻进行下一轮的采样和运算。

5)fpga累计采样4次后，对dvrni和dvvni进行判断，判断两次作差的绝对值是否小于设定值tset，若小于设定值tset，则判断发生模拟量断线故障。如果dvrni<tset，i＝{1,2,3,4}，且dvvni<tset，i＝{2,3,4}两个条件均满足，则设置qn＝1，否则qn＝0，fpga将通道n第4次所有的采样数据和对应的qn按照与cpu约定的通信协议组帧，并传输给cpu应用处理，由于第1、2、3次采样的数据主要用于模拟量断线故障的判断，即用于计算和生成qn，我们只需将第4次采样的数据上送即可满足cpu进行保护运算的要求。如果qn为1，则cpu认为对应通道n模拟量断线，闭锁该通道数据并触发保护告警信号。

本实施例的fpga芯片和ad芯片分别选用xilinx公司的spartan6系列xc6slx9和analogdevices公司的ad7606，每片ad有8个通道。对于本实施例中的保护装置而言，ad7606额定采样范围为正负10v，16位采样精度，两个完全相同的模拟量输入测量结果误差6个增量范围之内，每个增量代表的电压值为20v/65536，考虑到实际电路中所用元器件的性能差异，cpu选用powerpc系列中mpc8309，cpu与fpga的交互采用中断加查询方式。

tset为实际检测误差范围定值，与选用的ad芯片精度有关，本实施例中取tset＝10(lsb)，lsb是最低有效位。对于ad模数转换芯片而言，代表模数转换后的数字信号值的最小递增单位，也代表了ad转换的量化精度，对ad7606芯片而言，其模拟量输入额定范围为-10v至+10v，其转换后的数字输出范围为0-65535，则1lsb＝(10v+10v)/65536。专利中的允许偏差tset＝10，也就是10*(10v+10v)/65536，即10个lsb，其实理论上tset＝0时才表示发生模拟量断线故障，由于计算过程中可能存在误差，将每次采样的每个通道的采样数据都与基准值作差或将同一个通道相邻两次采样的数据值作差得到的值不一定为0，如果得到的差值不为0判断为模拟量未发生断线故障，则会造成对模拟量断线故障的误判，为了不造成对模拟量断线故障的误判，将设定值设置为10，增加了对模拟量断线故障正确判断的可能性。

本发明还提供了一种模拟量断线故障检测方法，产生故障模拟信号，将各模拟量通道的输入信号进行模数转换，以设定的采样频率采集各模拟量通道模数转换后的数据，并将所述故障模拟信号进行模数转换；读取模数转换后的采样数据；以断线故障模拟信号的采样数据为基准值，判断各模拟量通道的采样数据是否满足设定条件，所述设定条件指将各模拟量通道的采样数据均与所述基准值作差比较，并把相邻两次采样的同一模数转换通道采集的数据进行作差比较，若两次作差得到的差值均小于对应的设定值，则判断为该模拟量通道发生模拟量断线故障。

本发明还提供了一种采集装置，包括ad芯片、cpu、fpga、故障模拟信号产生装置及模拟量输入接口，ad芯片与fpga通讯连接，fpga与cpu通讯连接，故障模拟信号产生装置用于产生故障模拟信号，模拟量输入接口用于输入模拟量信号，ad芯片用于将各模拟量通道的输入信号进行模数转换，cpu用于控制fpga为ad芯片设定采样频率，以设定的采样频率采集各模拟量通道模数转换后的数据，并读取每次采样的各通道模数转换后的采样数据；cpu以断线故障模拟信号的采样数据为基准值，判断各模拟量通道的采样数据是否满足设定条件，设定条件指将各模拟量通道的采样数据均与基准值作差比较，并把相邻两次采样的同一模数转换通道采集的数据进行作差比较，若两次作差得到的差值均小于对应的设定值，则判断为该模拟量通道发生模拟量断线故障。

本发明的模拟量断线故障检测方法、系统及采集装置，实时性较强，检测结果正确率高，且检测效率高，通过设定频率、设定采样次数的采样数据来进一步对模拟量进行判断及检测，降低了模拟量断线导致误动的风险，提高了继电保护装置运行的稳定性和可靠性。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。