实现离散节点间工频信号相位同步检测系统及监测方法与流程

本发明涉及离散节点间工频信号相位同步检测技术领域，尤其涉及实现离散节点间工频信号相位同步检测系统及监测方法。

背景技术：

目前电力行业通常使用有线通讯技术或给予gps同步秒脉冲进行相位同步检测，这种有线通讯的检测方案的弊端在于测量设备复杂，对介损角的测量和诊断困难，无法精确的判断不同节点间的相位差是否符合规定，并且受gps卫星影响程度高，物料成本较高等。

目前市场上的监测装置基于泄漏电流监测，采集装置分散型节点化安装，电压、电流信号不易集中检测。

技术实现要素：

本发明是为了解决现在电力行业离散节点间工频信号相位同步检测时无法精确的判断不同节点间的相位差是否符合规定的不足，提供一种通过无线通信技术实现离散信号相位同步监测来改善现有监测方法和系统取样分析困难的现状，便于实现分散的节点化安装，便于集中控制，维护更方便，系统可靠性好的实现离散节点间工频信号相位同步检测系统及监测方法。

以上技术问题是通过下列技术方案解决的：

实现离散节点间工频信号相位同步检测系统，包括电流信号发生器a、电流信号发生器b、电流信号采集装置和电流信号处理装置；

电流信号处理装置包括控制器、以及分别与控制器相连接的数据分析主机和一号无线模块；

电流信号采集装置包括一号信号切换开关、二号信号切换开关、一号电流互感器、二号电流互感器、一号电流采集模块、二号电流采集模块、二号无线模块、主控芯片、b1节点和b2节点；

电流信号发生器a的控制端、电流信号发生器b的控制端、一号信号切换开关的控制端、二号信号切换开关的控制端、一号电流采集模块、二号电流采集模块和二号无线模块分别主控芯片相连接；主控芯片通过二号无线模块和一号无线模块与控制器无线连接；

a1节点和a2节点间隔设置在电流信号发生器a的电流回路a上；

b1节点和b2节点间隔设置在电流信号发生器b的电流回路b上；

一号信号切换开关的刀口a通过一根一号导线导电连接在a1节点上；

一号信号切换开关的刀口b通过一根二号导线导电连接在b1节点上；

二号信号切换开关的刀口a通过一根三号导线导电连接在a2节点上；

二号信号切换开关的刀口b通过一根四号导线导电连接在b2节点上；

一号信号切换开关的闸刀端通过一根五号导线导电连接在二号信号切换开关的闸刀端上；

一号电流互感器的一次侧绕组端z1连接在二号导线上，一号电流采集模块的电流采集端连接在一号电流互感器的二次侧绕组端z2上；

二号电流互感器的一次侧绕组端z1连接在五号导线上，二号电流采集模块的电流采集端连接在二号电流互感器的二次侧绕组端z2上。

本方案通过无线通信技术实现离散信号相位同步监测来改善现有监测方法和系统取样分析困难的现状，便于实现分散的节点化安装，便于集中控制，维护更方便，系统可靠性好。

作为优选，一号电流互感器和二号电流互感器均为电路结构完全相同的复合式互感器，复合式互感器包括一次侧绕组端z1、二次绕组端z2、电容c1、电容c2和接地端，电容c1的一端和电容c2的一端都连接在二次绕组端z2上，电容c1的另一端连接在一次侧绕组端z1上，电容c2的另一端和二次绕组端z2都连接在接地端上。

作为优选，一号信号切换开关包括一号遮光盒、以及分别设置在一号遮光盒内的一号电机、受刀口a1、受刀口b1、一号闸刀、一号光源、一号光传感器、二号光传感器、一号反光镜和二号反光镜；

一号电机的基座固定在一号遮光盒的内腔壁上，一号闸刀的刀座绝缘固定连接在一号电机的转轴上，并且一号闸刀在一号电机的转轴转动带动下分别能独立导电连接在受刀口a1上或能独立导电连接在受刀口b1上；

二号信号切换开关包括二号遮光盒、以及分别设置在二号遮光盒内的二号电机、受刀口a2、受刀口b2、二号闸刀、二号光源、三号光传感器、四号光传感器、三号反光镜和四号反光镜；

二号电机的基座固定在二号遮光盒的内腔壁上，二号闸刀的刀座绝缘固定连接在二号电机的转轴上，并且二号闸刀在二号电机的转轴转动带动下分别能独立导电连接在受刀口a2上或能独立导电连接在受刀口b2上；

一号电机的控制端和二号电机的控制端分别与主控芯片连接。

一号信号切换开关和二号信号切换开关的这种结构，便于判断一号信号切换开关和二号信号切换开关是否出现异常，提高系统的可靠性。

当一号光传感器检测到光信号时，就要判断三号光传感器是否检测到光信号，如果一号光传感器检测到光信号时三号光传感器没检测到光信号则说明二号信号切换开关出现异常。

同理，当二号光传感器检测到光信号时，就要判断四号光传感器是否检测到光信号，如果二号光传感器检测到光信号时四号光传感器没检测到光信号则说明四号信号切换开关出现异常。如果二号光传感器检测到光信号时四号光传感器也检测到光信号则说明二号信号切换开关正常，并且此时二号闸刀位于转到受刀口b2处。

实现离散节点间工频信号相位同步检测系统的监测方法，监测方法包括无线同步校准的实现过程，所述无线同步校准的实现过程如下：

首先在两个电流采集模块之间连接传输同一信号，分别采样及运算求出异步电流波形的脉冲上升沿和同步异步电流波形的脉冲上升沿之间的相位差φ1’和φ2’；数据分析主机接收相位差数据，分析计算得出两个电流采集模块之间由外界因素引起的相位差δφ’＝φ1’-φ2’，多次同步校准后得到平均值作为校准值；

然后两个电流采集模块之间传输不同信号，分别采样及运算求出异步电流波形的脉冲上升沿与同步电流波形的脉冲上升沿之间的相位差数据发送给数据分析主机进行分析，分析结果与校准值比较，判断是否符合要求，从而实现节点间的相位同步监测问题。

作为优选，监测方法还包括离散信号相位同步监测实现过程，所述离散信号相位同步监测实现过程如下：

数据分析主机与电流采集模块之间通过zigbee无线通信技术连接，数据分析主机作为主节点，电流采集模块作为从节点；主节点的irq引脚接到方波上升沿跳变，主节点无线广播发送准备同步口号信息，让从节点进入准备接收同步状态；延时40us后，主节点通过无线发出同步命令，各从节点接收；

首先将两个电流采集模块连接同一信号进行波形测量，数据分析主机广播式发送无线同步信号，各电流采集模块接收相应的同步波信号，将电流互感器波形与同步波脉冲上升沿进行比较获得相位；电流采集模块将波形数据和相位数据发送给数据分析主机，数据分析主机计算出不同电流采集模块之间的校准相位差δφ；

然后将两个电流采集模块分别连接不同信号进行波形测量，数据分析主机再次广播式发送无线同步信号，电流采集模块通过采样和运算求出电流波形与同步脉冲上升沿的相位差，将波形数据和相位数据传送回数据分析主机；数据分析主机运算得出两个电流采集模块之间的相位差并与校准值比较，以此实现节点间的相位同步监测；

高压220kv变电站中数据在线采集系统的各模块供电电压5v或3.3v，通讯距离确保2km(38400bps)，采用外置sma天线或pcb天线来实现数据的广播方式发送、按照目标地址主从通讯，实现点对点数据通信功能，外部微控制单元mcu发给zigbee模块的最大数据包1044byte，要求zigbee的数据缓冲大于1044字节；模块可灵活设置、能方便配置为主节点或从节点，最好能配置路由节点；串口速率9600～38400bps可设，数据位8bit、停止位1bit、校验位无；

zigbee的频率范围为2.4056hz～2.4806hz，无线信道为16，接收灵敏度为-94dbm，zigbee功耗极低，发射功率为-27dbm～25dbm，睡眠节电控制在0.11ma内，或长时间处于复位状态电流控制在1ma以内，睡眠可通过io口来控制，或通过通讯协议来睡眠和定时唤醒。

本方案实现的无线同步功能如下：

1.无线发射节点(主节点)io脚被置为高电平，对应接收节点(从节点)的io脚输出一个高电平。

2.主节点信号发射到从节点信号接收的时间在不做要求，传输响应时间可为ms级，各从节点模块的相同引脚同时输出方波、相互之间的时间误差不超过1微秒(波形的上升和下降沿)。

3.如主节点发出高电平沿，则1ms内三个从节点a、b、c同步输出高电平，三个从节点输出高电平的上升沿相互时间误差控制在<0.25us内，0.25us对应50hz工频相位0.0045°，精度较高，性能上媲美cps秒脉冲相位同步水平。

4.无线收发模块在mcu控制器的控制下，每间隔一个周期发送一次问答指令，采集模块根据指令每间隔一周期上报一次测量数据包，mcu控制器接收到数据包后，根据数据包格式，解析测量数据，判断是否为同一时刻上升沿测量值，判断后分析主机处理计算出相位差。

本发明能够达到如下效果：

本发明通过无线通信技术实现离散信号相位同步监测来改善现有监测方法和系统取样分析困难的现状，便于实现分散的节点化安装，便于集中控制，维护更方便，系统可靠性好。

附图说明

图1为本发明的一种系统电路原理连接结构示意图。

图2为本发明一号光源的光被一号反射镜反射到一号光传感器上，二号光源的光被三号反射镜反射到三号光传感器上时的一种使用状态连接结构示意图。

图3为本发明一号光源的光被二号反射镜反射到二号光传感器上，二号光源的光被四号反射镜反射到四号光传感器上时的一种使用状态连接结构示意图。

图4为图2中的一号信号切换开关处的局部放大示意图。

图5为实现无线同步功能的主节点和从节点的电平相位差之间的一种电平演示示意图。

图6为一号电机和二号电机分别与主控芯片相连接的示意框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

实施例，实现离散节点间工频信号相位同步检测系统，参见图1-6所示。包括电流信号发生器a、电流信号发生器b、电流信号采集装置和电流信号处理装置；

电流信号处理装置包括控制器、以及分别与控制器相连接的数据分析主机和一号无线模块；

电流信号采集装置包括一号信号切换开关、二号信号切换开关、一号电流互感器、二号电流互感器、一号电流采集模块、二号电流采集模块、二号无线模块、主控芯片、b1节点和b2节点；

电流信号发生器a的控制端、电流信号发生器b的控制端、一号信号切换开关的控制端、二号信号切换开关的控制端、一号电流采集模块、二号电流采集模块和二号无线模块分别主控芯片相连接；主控芯片通过二号无线模块和一号无线模块与控制器无线连接；

a1节点和a2节点间隔设置在电流信号发生器a的电流回路a上；

b1节点和b2节点间隔设置在电流信号发生器b的电流回路b上；

一号信号切换开关的刀口a通过一根一号导线导电连接在a1节点上；

一号信号切换开关的刀口b通过一根二号导线导电连接在b1节点上；

二号信号切换开关的刀口a通过一根三号导线导电连接在a2节点上；

二号信号切换开关的刀口b通过一根四号导线导电连接在b2节点上；

一号信号切换开关的闸刀端通过一根五号导线导电连接在二号信号切换开关的闸刀端上；

一号电流互感器的一次侧绕组端z1连接在二号导线上，一号电流采集模块的电流采集端连接在一号电流互感器的二次侧绕组端z2上；

二号电流互感器的一次侧绕组端z1连接在五号导线上，二号电流采集模块的电流采集端连接在二号电流互感器的二次侧绕组端z2上。

一号电流互感器和二号电流互感器均为电路结构完全相同的复合式互感器，复合式互感器包括一次侧绕组端z1、二次绕组端z2、电容c1、电容c2和接地端，电容c1的一端和电容c2的一端都连接在二次绕组端z2上，电容c1的另一端连接在一次侧绕组端z1上，电容c2的另一端和二次绕组端z2都连接在接地端上。

一号信号切换开关包括一号遮光盒、以及分别设置在一号遮光盒内的一号电机、受刀口a1、受刀口b1、一号闸刀、一号光源、一号光传感器、二号光传感器、一号反光镜和二号反光镜；

一号电机的基座固定在一号遮光盒的内腔壁上，一号闸刀的刀座绝缘固定连接在一号电机的转轴上，并且一号闸刀在一号电机的转轴转动带动下分别能独立导电连接在受刀口a1上或能独立导电连接在受刀口b1上；

二号信号切换开关包括二号遮光盒、以及分别设置在二号遮光盒内的二号电机、受刀口a2、受刀口b2、二号闸刀、二号光源、三号光传感器、四号光传感器、三号反光镜和四号反光镜；

二号电机的基座固定在二号遮光盒的内腔壁上，二号闸刀的刀座绝缘固定连接在二号电机的转轴上，并且二号闸刀在二号电机的转轴转动带动下分别能独立导电连接在受刀口a2上或能独立导电连接在受刀口b2上；

一号电机的控制端和二号电机的控制端分别与主控芯片连接。

实现离散节点间工频信号相位同步检测系统的监测方法，监测方法包括无线同步校准的实现过程，所述无线同步校准的实现过程如下：

首先在两个电流采集模块之间连接传输同一信号，分别采样及运算求出异步电流波形的脉冲上升沿和同步异步电流波形的脉冲上升沿之间的相位差φ1’和φ2’；数据分析主机接收相位差数据，分析计算得出两个电流采集模块之间由外界因素引起的相位差δφ’＝φ1’-φ2’，多次同步校准后得到平均值作为校准值；

然后两个电流采集模块之间传输不同信号，分别采样及运算求出异步电流波形的脉冲上升沿与同步电流波形的脉冲上升沿之间的相位差数据发送给数据分析主机进行分析，分析结果与校准值比较，判断是否符合要求，从而实现节点间的相位同步监测问题。

监测方法还包括离散信号相位同步监测实现过程，所述离散信号相位同步监测实现过程如下：

数据分析主机与电流采集模块之间通过zigbee无线通信技术连接，数据分析主机作为主节点，电流采集模块作为从节点；主节点的irq引脚接到方波上升沿跳变，主节点无线广播发送准备同步口号信息，让从节点进入准备接收同步状态；延时40us后，主节点通过无线发出同步命令，各从节点接收；

首先将两个电流采集模块连接同一信号进行波形测量，数据分析主机广播式发送无线同步信号，各电流采集模块接收相应的同步波信号，将电流互感器波形与同步波脉冲上升沿进行比较获得相位；电流采集模块将波形数据和相位数据发送给数据分析主机，数据分析主机计算出不同电流采集模块之间的校准相位差δφ；

然后将两个电流采集模块分别连接不同信号进行波形测量，数据分析主机再次广播式发送无线同步信号，电流采集模块通过采样和运算求出电流波形与同步脉冲上升沿的相位差，将波形数据和相位数据传送回数据分析主机；数据分析主机运算得出两个电流采集模块之间的相位差并与校准值比较，以此实现节点间的相位同步监测；

高压220kv变电站中数据在线采集系统的各模块供电电压5v或3.3v，通讯距离确保2km(38400bps)，采用外置sma天线或pcb天线来实现数据的广播方式发送、按照目标地址主从通讯，实现点对点数据通信功能，外部微控制单元mcu发给zigbee模块的最大数据包1044byte，要求zigbee的数据缓冲大于1044字节；模块可灵活设置、能方便配置为主节点或从节点，最好能配置路由节点；串口速率9600～38400bps可设，数据位8bit、停止位1bit、校验位无；

zigbee的频率范围为2.405ghz～2.480ghz，无线信道为16，接收灵敏度为-94dbm，zigbee功耗极低，发射功率为-27dbm～25dbm，睡眠节电控制在0.11ma内，或长时间处于复位状态电流控制在1ma以内，睡眠可通过io口来控制，或通过通讯协议来睡眠和定时唤醒。

实现无线同步功能如下：

1.无线发射节点(主节点)io脚被置为高电平，对应接收节点(从节点)的io脚输出一个高电平。

2.主节点信号发射到从节点信号接收的时间在不做要求，传输响应时间可为ms级，各从节点模块的相同引脚同时输出方波、相互之间的时间误差不超过1微秒(波形的上升和下降沿)。

3.如主节点发出高电平沿，则1ms内三个从节点a、b、c同步输出高电平，三个从节点输出高电平的上升沿相互时间误差控制在<0.25us内，0.25us对应50hz工频相位0.0045°，精度较高，性能上媲美gps秒脉冲相位同步水平。

4.无线收发模块在mcu控制器的控制下，每间隔一个周期发送一次问答指令，采集模块根据指令每间隔一周期上报一次测量数据包，mcu控制器接收到数据包后，根据数据包格式，解析测量数据，判断是否为同一时刻上升沿测量值，判断后分析主机处理计算出相位差。

本专利设计的无线通讯技术的离散信号相位同步检测方法，可通过传感器高精度监测电流互感器，具有同步相位检测，zigbee无线技术具有时延低、功耗低，传输可靠且传输速率达1mbps等优点。实现了分散安装、集中控制的要求。

上面结合附图描述了本发明的实施方式，但实现时不受上述实施例限制，本领域普通技术人员可在所附权利要求的范围内做出各种变化或修改。