一种高精度无线核相装置及同步方法与流程

本发明涉及一种高精度无线核相装置及同步方法，用于智能变电站二次无线核相，适用于长距离的电网电压核相工作，属于电力系统。

背景技术：

1、电网中，大多数作业如设备、电缆投入运行或者连接两个电网并网等，事先都需要进行核相工作，以确保线路两端连接的电气设备相位相同，电力系统安全稳定。因此，核相是施工或维护检修人员的重要工作之一。我国电能的输送主要采用三相交流电的形式，三相交流电是由三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°角的交流电路组成的电力系统。因此，电压相位核相精度主要取决于相位采集的同步精度。此外，电网带电作业常常需要应急电源车给电网临时供电，这要求电源车输出的电压相位与电网相位高度同步，否则无法完成合环。如何在极短的时间准确校核电网电压相位成为亟待解决的问题。

2、现有核相仪的同步误差大，且存在诸多问题。

3、掌机主芯片的串行运算方式影响同步效果。采集器接收命令并采集，采集到的原始模拟信号不加计算传送回掌机，由掌机解码后进行初相和幅值的计算并比对结果。然而掌机的主芯片以串行方式运行，同一时间只能处理一个中断事件。掌机默认开始处理数据的时刻和数据采集的时刻为同一时刻，因此，依次处理原始模拟信号的过程导致同步误差扩大。

4、利用lora通讯同步时，lora对数据的处理影响同步效果。常见利用lora实现掌机控制采集器同步采集的效果。掌机的arm发出同步指令，需要经过lora调制解调器的处理，这些处理包括扩频、循环纠错编码等措施，会影响数据传输的速率，产生1.25-2倍的传输开销。此外，接收端接收的lora数据包包含前导码、可选报头、数据有效负载三个部分，需要采集器进行额外的解调处理，此过程会进一步影响同步效果，进而影响核相结果的准确性。

5、基于时间戳进行时延补偿的同步方法在实际应用中并不理想。这种同步方法的主要内容是，掌机向采集器发送同步报文以及带有时间戳的报文，采集器接收并反馈带有时间戳的报文，掌机接收后再次发送带有时间戳的报文，采集器接收报文并生成时标，基于四个时间计算修正误差，以此实现数据同步。这种基于少量数据模拟同步采集时间的方法并不可靠，不仅因为数据量少，而且受到通讯质量的影响，时间差之间可能没有确定的线性关系。采集器间来回收发报文不利于提高效率，容易造成资源浪费，设备功耗偏大。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，提出一种高精度无线核相装置及同步方法，用一个无线通讯模块实现无线同步和数据交互两种功能。

2、本发明的推广应用将使电压核相由同步导致的误差控制在0.2°以内，无线同步精度达到有线的同步效果，满足带电检测时高精度电压核相的需求，还具有低功耗、低成本、抗干扰和远距离的优良效果。

3、技术方案：一种高精度无线核相装置，包括一部核相掌机和x、y两头相位采集器；所述核相掌机内置一个由arm主芯片串行spi口控制的无线通讯模块，所述无线通讯模块的数字输入输出端口dio2与arm主芯片的外部事件中断口exti3连接；

4、所述两头相位采集器分别内置arm主芯片串行spi口控制无线通讯模块，所述无线通讯模块的数字输入输出端口dio2与采集器主芯片的外部事件中断口exti3连接，所述核相掌机通过无线通讯模块分别与两头相位采集器以无线方式进行数据交互和无线同步。

5、核相掌机设有4g公网通信模块，大屏幕tft彩色液晶显示屏和硅胶按键，北斗/gps全球定位授时模块，看门狗电路，以及大容量锂电池充电电路和电源管理芯片；所述核相掌机核心是arm主芯片。无线通信模块负责掌机与采集器的数据交互和同步。4g公网通信模块，负责掌机与远方设备通信。大屏幕tft彩色液晶显示屏和硅胶按键，用于人机对话，显示核相信息。北斗/gps全球定位授时模块，用于获取核相时间、地址。看门狗电路，防止掌机死机。大容量锂电池充电电路和电源管理芯片为掌机供电。

6、所述采集器设有相位采集电路、核相工作电路、看门狗电路、led指示灯、蜂鸣器、充电电路和电源管理芯片，采集器核心是arm主芯片；无线通信模块负责与掌机数据交互和同步；相位采集电路负责交流信号的采样；核相工作电路保证采集器有交流信号输入时正常工作；看门狗电路防止采集器死机；led指示灯指示采集器正常工作和充电完成；蜂鸣器通过声音告知采集完成；充电电路和电源管理芯片为采集器供电。

7、当核相采集器接入核相交流信号后，采集器核相工作电路产生脉冲信号，允许采集器电源向arm主芯片提供工作电源，采集器开始正常工作，此时采集器的无线通讯模块处于lora工作模式。

8、核相掌机上电开始工作后，核相掌机和核相采集器的无线通信模块处于lora工作模式，由核相掌机发送同步报文给核相采集器，核相采集器接收同步报文，核相掌机和核相采集器的无线通讯模块切换到fsk工作模式，掌机处于fsk连续发送工作状态，而采集器处于fsk连续接收工作状态。

9、在fsk连续工作模式下，掌机arm主芯片从exti3发送的信号经无线模块调制通过载波辐射出去，该信号同时被采集器无线模块接收解调，输出到采集器主芯片exti3。从掌机的exti3与采集器的exti3口看，此种无线方式发送和接收的效果近似有线通讯。

10、掌机发送一个δtms的负脉冲作为同步信号给采集器，采集器外部事件中断exti3口收到一个下降沿立即中断，开始测量低电平时间，若时间为δtms，则认为是无线同步信号，立即通过dma方式a/d采集电网一个周期的ac信号，并通过fft方式计算出初相、频率、幅值，掌机和采集器的无线模块从连续fsk工作模式切换至lora工作模式，掌机分别接收x、y采集器上传的信息，计算两者的相位差，并在液晶屏上显示。

11、一种高精度无线核相同步方法，通过一个核相掌机和两个相位采集器实现，只需在核相掌机和相位采集器中设置一个无线通讯模块，就可以实现核相掌机与相位采集器的同步以及数据交互两种功能，具体实现方式如下：

12、核相掌机内置一个无线通讯模块，由arm主芯片控制，无线通讯模块的数字输入输出端口dio2与arm主芯片的外部事件中断口exti3连接。两个相位采集器分别内置无线通讯模块，无线通讯模块的数字输入输出端口dio2与采集器主芯片的外部事件中断口exti3连接。核相掌机和核相采集器开始工作后，核相掌机和核相采集器的无线通信模块处于lora工作模式，由核相掌机发送同步报文给核相采集器，核相采集器接收同步报文，核相掌机和核相采集器的无线通讯模块切换到连续工作模式，处于fsk连续接收状态。在连续工作模式下，采集器接收到掌机发送的外部事件中断同步信号，采集器主芯片的a/d外设立即进行dma数据采集。同时，掌机和采集器的无线模块从连续fsk工作模式切换至lora工作模式，采集器将计算结果以lora通讯方式发送给掌机。

13、所述核相掌机发送中断同步信号的过程为：掌机通过无线通信模块的dio2端口下发一个负脉冲的下降沿信号，同一时间两个采集器各自的dio2端口接收到掌机发出的下降沿信号，并将接收信号传送至采集器主芯片的exti3口进行中断处理。采集器主芯片的a/d外设立即进行dma数据采集，掌机和采集器的无线采集模块从连续fsk工作模式进入lora工作模式，采集器将计算结果以lora通讯方式发送给掌机。

14、所述核相掌机通过无线通信模块的dio2端口连续发送脉冲宽度为δtms的负脉冲同步信号，同一时间两个核相采集器的dio2端口同时接收时间为δtms的负脉冲同步信号，并将接收信号传送至主芯片的exti3口进行中断处理，两个核相采集器进行dma数据采集，两个核相采集器的无线通信模块进入lora工作模式，核相掌机的无线采集模块进入lora工作模式，等待采集器发送初相数据；采集器采用fft方式计算信号初相值，采集器的无线采集模块处于lora发送方式，发送初相和幅值给掌机，掌机接收之后，计算采集器的相差。

15、在fsk连续工作模式下，掌机调制信号的同时采集器解调信号，发送和接收的效果近似有线。

16、有益效果：与现有技术相比，本发明用一个无线通讯模块实现同步和数据交互两种功能。可用于有电磁干扰和有遮挡物的复杂环境下的电网电压核相工作。掌机只需内置一个无线通讯模块，可以实现同步和通讯两种功能，提高了核相精度和工作效率。具有低功耗、低成本，远距离和高精度的优良效果。当无线模块处于fsk接收方式连续工作模式时，无线可以近似达到有线的同步效果，同步造成的误差在0.2°以内，大大提高了核相的精度。

17、lora通信采用扩频调制技术，具有超高接收灵敏度、超强抗干扰能力；采用高效前向纠错编码技术，具有很低的误码率，以及长期稳定的数据传输能力。在电磁干扰较强及有遮挡物的恶劣环境下，lora通信具有很高的成功率，缺点是实时性较差。

18、而连续fsk通信，发送方将dio2口输入的信号经fsk调制、耦合到载波上，辐射到空中，而接收方从空中接收的信号经混频、解调，在dio2口输出。这种通信方式实时性很好，但抗干扰能量不强。

19、在无线核相过程中，既要进行大量的数据交互，还有一个实时性要求极高的同步，lora通信模块具有lora通信和连续fsk通信两种通信方式，在数据通信时，实时性要求不高，数据量较大，被干扰的概率较高，采用lora通信方式可有效避免干扰；而同步实时性要求较高，信息很少，只需要一个宽度为δtms（1≤δt≤10）的负脉冲，被干扰的概率较低使用连续fsk通信方式，采用一个负脉冲作为同步信号。