本發(fā)明涉及一種錄波主機(jī)，具體地說是一種船舶電力系統(tǒng)故障錄波主機(jī)。

背景技術(shù)：

故障錄波主機(jī)是一種在國家電網(wǎng)中普遍使用的智能設(shè)備，當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，裝置只進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)短路或振蕩等擾動(dòng)時(shí)便會觸發(fā)錄波過程，完整記錄下故障前后全過程的電壓、電流等模擬量的變化情況和繼電保護(hù)、斷路器等開關(guān)量的動(dòng)作情況，技術(shù)人員可以從保存的錄波文件中獲取想要的故障信息，不但可以實(shí)現(xiàn)電氣故障的快速定位和準(zhǔn)確判斷，而且有利于發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的缺陷，便于日后進(jìn)一步改進(jìn)和完善。如果將其納入船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)之中，無疑會大大提高管理人員的工作效率，為船舶電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

目前，國內(nèi)外的故障錄波主機(jī)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)目前，國內(nèi)外陸用故障錄波主機(jī)普遍采用基于外部時(shí)鐘的組網(wǎng)同步，該方式通常以gps、bds等衛(wèi)星授時(shí)信號為基準(zhǔn)時(shí)間源，通過時(shí)鐘服務(wù)器向需要同步的智能設(shè)備發(fā)布秒脈沖，采集單元與錄波主機(jī)在接收到對時(shí)信號后，校準(zhǔn)內(nèi)部的從時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)同步采樣。

雖然外部時(shí)鐘同步法在國家電網(wǎng)得到了廣泛應(yīng)用，但并不適用于船舶故障錄波主機(jī)。首先，船舶上安裝的衛(wèi)星系統(tǒng)通常是為導(dǎo)航定位服務(wù)，尚未發(fā)揮時(shí)間同步的功能，同時(shí)由于船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位于艙底的錄波主機(jī)很難取得甲板上層的對時(shí)信號。其次，受海上惡劣氣候條件和船舶復(fù)雜電力環(huán)境的影響，衛(wèi)星授時(shí)信號有時(shí)會受到嚴(yán)重干擾甚至中斷，一旦時(shí)鐘源發(fā)生問題，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間信息發(fā)生紊亂。再次，時(shí)鐘服務(wù)器的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，一旦其發(fā)生故障將導(dǎo)致整個(gè)同步網(wǎng)絡(luò)癱瘓，并且對時(shí)設(shè)備需要配置額外的時(shí)鐘輸入接口，增加了裝置的設(shè)計(jì)難度和硬件成本。最后，衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)關(guān)系到一個(gè)國家的戰(zhàn)略安全，一味依賴美國的gps信號并不可取，而國內(nèi)的bds尚不能覆蓋全球，無法為遠(yuǎn)洋航行提供對時(shí)。

(2)陸用故障錄波主機(jī)通常會在采集單元和錄波主機(jī)之間添加一至多臺交換機(jī)，這樣做主要有三個(gè)原因：一是交換機(jī)擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣，每個(gè)端口都可視為獨(dú)立的網(wǎng)段，各自享有全部網(wǎng)絡(luò)帶寬，有利于通信容量的提高；二是陸用電網(wǎng)規(guī)模龐大，采樣點(diǎn)可以達(dá)到幾百個(gè)，需要的采集單元數(shù)量比較多，通過交換機(jī)向錄波主機(jī)傳輸?shù)讓訑?shù)據(jù)可減少錄波主機(jī)的采集端口數(shù)量，簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三是由于陸用故障錄波主機(jī)采用的是外部時(shí)鐘同步方式，采集單元與錄波主機(jī)內(nèi)部的從時(shí)鐘與授時(shí)網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)鐘保持嚴(yán)格同步，因此不必考慮由交換機(jī)引起的存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，采集單元上傳的報(bào)文中即包含準(zhǔn)確的同步采樣時(shí)刻。

上述方式雖然有諸多好處，但應(yīng)用到船舶故障錄波當(dāng)中卻存在一定的問題。首先，在將拉格朗日一次插值算法引入到船舶故障錄波主機(jī)之后，采集單元便省去了對時(shí)接口，因此其上傳的報(bào)文中不包含采樣時(shí)刻。錄波主機(jī)的時(shí)間信息從集控臺發(fā)送的ntp報(bào)文中獲取，當(dāng)其接收到各間隔上傳的報(bào)文后會打上絕對時(shí)間戳，在此基礎(chǔ)上減去采集單元到錄波主機(jī)的額定時(shí)延即可還原真實(shí)的采樣時(shí)刻。如果依然采用交換模式傳輸采樣數(shù)據(jù)的話，受錄波主機(jī)一側(cè)帶寬承載能力的限制，所有采集單元發(fā)送的數(shù)據(jù)在經(jīng)過交換機(jī)時(shí)會有一個(gè)存儲轉(zhuǎn)發(fā)的過程，延時(shí)較大且不固定，使得在插值同步的過程中無法推算出準(zhǔn)確的采樣時(shí)刻。其次，一旦交換機(jī)發(fā)生故障，則與之相連的多臺采集單元將無法正常傳輸數(shù)據(jù)至錄波主機(jī)，導(dǎo)致某些電力監(jiān)控點(diǎn)即使發(fā)生異常也無法啟動(dòng)故障錄波等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決目前船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)缺乏適應(yīng)船舶工作環(huán)境的故障錄波主機(jī)的問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種船舶電力系統(tǒng)故障錄波主機(jī)，包括通信處理器、復(fù)雜可編程邏輯器、存儲控制器、flash閃存、用于貯存錄波數(shù)據(jù)的固態(tài)硬盤、可編程門陣列芯片、以太網(wǎng)收發(fā)器、光電耦合器、用于實(shí)現(xiàn)usb端口的調(diào)試功能的通用異步收發(fā)器ft232、debug調(diào)試卡、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊惶柷д孜灰蕴W(wǎng)收發(fā)器及二號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器；其特征在于：

所述通信處理器通過sata總線與固態(tài)硬盤相連、通過一號spi總線與flash閃存相連、通過二號spi總線與存儲控制器相連、通過一號本地總線lbc與復(fù)雜可編程邏輯器相連、通過uart接口與光電耦合器相連、通過一號串行吉比特媒體獨(dú)立接口sgmii與一號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器、通過二號串行吉比特媒體獨(dú)立接口sgmii與二號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器、通過管理數(shù)據(jù)輸入輸出接口mdio同時(shí)與一號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器和二號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器相連、通過pcie接口和二號本地總線lbc與可編程門陣列芯片相連；

所述可編程門陣列芯片通過rmii接口與以太網(wǎng)收發(fā)器相連，所述以太網(wǎng)收發(fā)器上設(shè)有數(shù)量不少于兩個(gè)的用于接受來自不同采集單元的采樣數(shù)據(jù)sfp采集端口，每個(gè)sfp采集端口上均連有外部采集單元；所述光電耦合器上還連有通用異步收發(fā)器ft232，所述通用異步收發(fā)器ft232上還連有debug調(diào)試卡；所述一號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器通過一號網(wǎng)線與一號m12通信端口相連，所述二號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器通過二號網(wǎng)線與二號m12通信端口相連。

進(jìn)一步的，所述sfp采集端口有兩個(gè)，分別為一號sfp采集端口、二號sfp采集端口；

進(jìn)一步的，所述通信處理器采用freescale公司的p1010通信處理器。

進(jìn)一步的，該船舶電力系統(tǒng)故障錄波主機(jī)還包括溫度傳感器，所述通信處理器通過iic總線與溫度傳感器相連。

進(jìn)一步的，所述不同采集單元的采樣數(shù)據(jù)的采樣時(shí)段的控制參數(shù)如下表：

上表中，a、b時(shí)段記錄的是電力系統(tǒng)發(fā)生異常的過程，采樣時(shí)間短，采樣頻率高，c時(shí)段記錄的是系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的過程，采樣時(shí)間長，采樣頻率低。

進(jìn)一步的，所述a、b、c時(shí)段均采用有效值記錄。

進(jìn)一步的，所述sfp采集端口以光纖直連的方式與外部采集單元之間進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸。

進(jìn)一步的，所述可編程門陣列芯片(6)采用拉格朗日一次插值算法計(jì)算同步時(shí)刻t所對應(yīng)的電流值l1(t)，具體計(jì)算公式如下：

上式中，[tk,i(tk)]和[tk+1,i(tk+1)]為可編程門陣列芯片收到同一個(gè)外部采集單元發(fā)送的兩個(gè)相鄰采樣間隔的報(bào)文數(shù)據(jù)，并通過解碼提取和時(shí)間修正獲得的某個(gè)電流通道的兩個(gè)離散點(diǎn)。

本發(fā)明的有益效果和特點(diǎn)是：①采用拉格朗日一次插值重采樣的方式實(shí)現(xiàn)錄波數(shù)據(jù)的同步，擺脫了對外部時(shí)鐘源的依賴；②外形結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕，非常適合船舶狹小的艙室空間進(jìn)行安裝；③多路并行高速直采模式，提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳輸能力，錄波精度高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明較佳的實(shí)施例的內(nèi)部接線圖；

圖2是圖1實(shí)施例的單板分布式結(jié)構(gòu)圖；

圖3是錄波主機(jī)sfp采集端口電路圖。

圖4是錄波主機(jī)m12通信端口電路圖。

圖5是錄波主機(jī)物理層rmii接口電路圖。

圖6是錄波主機(jī)與采集單元直連示意圖。

圖7是拉格朗日一次插值同步的重采樣過程。

圖8是直采模式下的時(shí)延。

圖9是外部時(shí)鐘同步法。

圖10是常規(guī)交換式以太網(wǎng)錄波數(shù)據(jù)采集示意圖。

圖中標(biāo)號分別表示：1-通信處理器、2-復(fù)雜可編程邏輯器、3-存儲控制器、4-flash閃存、5-固態(tài)硬盤、6-可編程門陣列芯片、7-以太網(wǎng)收發(fā)器、8-一號sfp采集端口、9-二號sfp采集端口、10-光電耦合器、11-通用異步收發(fā)器ft232、12-debug調(diào)試卡、13-溫度傳感器、14-一號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器、15-一號m12通信端口、16-二號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器、17-二號m12通信端口、18-一號外部采集單元、19-二號外部采集單元。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明：

如圖1所示，一種船舶電力系統(tǒng)故障錄波主機(jī)，包括通信處理器1、復(fù)雜可編程邏輯器2、存儲控制器3、flash閃存4、用于貯存錄波數(shù)據(jù)的固態(tài)硬盤5、可編程門陣列芯片6、以太網(wǎng)收發(fā)器7、光電耦合器10、用于實(shí)現(xiàn)usb端口的調(diào)試功能的通用異步收發(fā)器ft23211、debug調(diào)試卡12、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊惶柷д孜灰蕴W(wǎng)收發(fā)器14及二號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器16；其中：

所述通信處理器1通過sata總線與固態(tài)硬盤5相連、通過一號spi總線與flash閃存4相連、通過二號spi總線與存儲控制器3相連、通過一號本地總線lbc與復(fù)雜可編程邏輯器2相連、通過uart接口與光電耦合器10相連、通過一號串行吉比特媒體獨(dú)立接口sgmii與一號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器14、通過二號串行吉比特媒體獨(dú)立接口sgmii與二號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器16、通過管理數(shù)據(jù)輸入輸出接口mdio同時(shí)與一號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器14和二號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器16相連、通過pcie接口和二號本地總線lbc與可編程門陣列芯片6相連；

所述可編程門陣列芯片6通過rmii接口與以太網(wǎng)收發(fā)器7相連，所述以太網(wǎng)收發(fā)器7上設(shè)有數(shù)量不少于兩個(gè)的用于接受來自不同采集單元的采樣數(shù)據(jù)sfp采集端口，每個(gè)sfp采集端口上均連有外部采集單元；所述光電耦合器10上還連有通用異步收發(fā)器ft23211，所述通用異步收發(fā)器ft23211上還連有debug調(diào)試卡12；所述一號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器14通過一號網(wǎng)線與一號m12通信端口15相連，所述二號千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器16通過二號網(wǎng)線與二號m12通信端口17相連。

實(shí)際中，所述sfp采集端口可設(shè)兩個(gè)，分別為一號sfp采集端口8、二號sfp采集端口9；

所述通信處理器1采用freescale公司的p1010通信處理器，該處理器在45nm的低功耗平臺上，可實(shí)現(xiàn)1.2ghz的雙核頻率，具有極高的性能功耗比

錄波主機(jī)還包括溫度傳感器13，所述通信處理器1通過iic總線與溫度傳感器13相連，可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的檢測。

本發(fā)明根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的的自身特點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)需求，對錄波主機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，下面，主要從硬件設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。一.硬件設(shè)計(jì)

(1)外觀

尺寸：長*寬*高約為223mm*300mm*177mm

重量：小于6kg

外殼采用金屬外殼，采用封閉防塵設(shè)計(jì)，無風(fēng)扇，自然散熱，ip23防護(hù)等級。

每個(gè)接口板按照行業(yè)規(guī)范進(jìn)行標(biāo)識，包括接口板名字，線號等。

安裝方式采用導(dǎo)軌，利用導(dǎo)軌槽架，前面板固定。

(2)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，錄波主機(jī)采用單板分布式設(shè)計(jì)，包括由主控板、固態(tài)硬盤板以及電源板。各個(gè)子板之間獨(dú)立安裝，為檢修、更換和升級提供了方便。

錄波主機(jī)主控板主要由cpu、fpga等組成硬件平臺。cpu選用freescale公司的p1010通信處理器，在45nm的低功耗平臺上，可實(shí)現(xiàn)1.2ghz的雙核頻率，具有極高的性能功耗比。32位ddr3存儲控制器支持誤差校正碼，保證了系統(tǒng)的高可靠性。spi總線、sata總線、iic總線等還提供了對flash閃存、ssd固態(tài)硬盤、eeprom存儲器、溫度傳感器等外設(shè)的支持，uart接口則與通用異步收發(fā)器ft232配合實(shí)現(xiàn)usb端口的調(diào)試功能。此外，p1010通信處理器上集成了包括16位本地總線lbc、pcie總線等在內(nèi)的一整套接口，實(shí)現(xiàn)管理控制層面的大數(shù)據(jù)交換。fpga采用的同樣是altera公司的ep4cgx50器件，在此不再贅述。當(dāng)錄波主機(jī)發(fā)生異常時(shí)，可通過5m570復(fù)雜可編程邏輯器件進(jìn)行系統(tǒng)還原。

如圖3所示，單臺錄波主機(jī)配置有sfp采集端口，通信速率可以達(dá)到百兆，主要負(fù)責(zé)接受來自不同采集單元的采樣數(shù)據(jù)，內(nèi)部則通過物理層芯片88e3082與fpga交互數(shù)據(jù)，采集單元發(fā)送的光波信號傳送至sfp光接收模塊后，轉(zhuǎn)換為差分邏輯電平phy0_sip/n，經(jīng)還原電路的適當(dāng)校正后接入88e3082的p0_rxp/n引腳。phy0_scl和phy0_sda分別為fpga發(fā)送的的時(shí)鐘信號和指令信號，主要用來控制讀取sfp芯片中的相關(guān)信息。

如圖4所示，為了實(shí)現(xiàn)與集控臺的數(shù)據(jù)傳輸，每臺錄波主機(jī)配有兩個(gè)m12通信端口，一個(gè)在線，一個(gè)備用。物理層選用千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器88e1512，支持1000base-t、100base-tx、100base-fx和10base-t等以太網(wǎng)類型，并提供了rgmii、sgmii、serdes多種高速收發(fā)接口。為了滿足錄波主機(jī)與集控臺之間的通信帶寬要求，本發(fā)明采用串行吉比特媒體獨(dú)立接口sgmii來實(shí)現(xiàn)收發(fā)器88e1512與處理器p1010之間的數(shù)據(jù)交互，傳輸速率可以達(dá)到1.25g。88e1512芯片與m12端口通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器11fb-05nl相連，在利用電磁耦合實(shí)現(xiàn)差分信號傳輸?shù)耐瑫r(shí)，可有效抑制雜波信號，并隔離錄波主機(jī)與交換機(jī)之間的不同電平，防止高電壓引起的設(shè)備損壞。

由于錄波數(shù)據(jù)需要的存儲容量大，所以錄波主機(jī)配置了兩塊硬盤板，每塊硬盤板安裝有兩個(gè)512g的固態(tài)硬盤，最大存儲容量可以達(dá)到2t。此外，面板上還配有多個(gè)led指示燈，分別為“電源”、“運(yùn)行”、“故障”、“存儲”、“對時(shí)”和“備用”。

電源板將輸入的100～250v的交流或直流電壓轉(zhuǎn)換為可供子板使用的5v直流量輸出，線性調(diào)整率不超過0.5％。內(nèi)部采用過電壓、過電流和短路保護(hù)機(jī)制，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載異?；螂妷寒惓r(shí)可及時(shí)切斷電源，待故障移除后可自行恢復(fù)。

二、電路設(shè)計(jì)

安裝于集控臺的錄波分析電路分為在線監(jiān)測分析和離線分析兩部分。在線監(jiān)測分析模塊可以將錄波主機(jī)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過圖形化的方式顯示出來，電力系統(tǒng)的幅值、相位、頻率、功率、諧波等信息均可以做到跟蹤監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即發(fā)出告警信號。同時(shí)，還可對錄波主機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，包括增減錄波單元、修改配線參數(shù)、提取采樣通道、調(diào)整錄波時(shí)段、啟動(dòng)判據(jù)整定、遙信遙測控制、修改用戶權(quán)限等。離線分析模塊可以將存儲在錄波主機(jī)中的文件提取出來，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的comtrade格式，對電力系統(tǒng)進(jìn)行相量分析、序分量分析、諧波分析等，并可以按照采樣通道或時(shí)間段等要求打印故障波形。

三、性能指標(biāo)

(1)記錄電量種類

可記錄故障前后全過程的電壓、電流等模擬量的變化情況和繼電保護(hù)、斷路器等開關(guān)量的動(dòng)作情況。

(2)啟動(dòng)方式

交流電壓：相電壓突變啟動(dòng)、相電壓越限啟動(dòng)、正序電壓越限啟動(dòng)、負(fù)序電壓越限

啟動(dòng)、諧波電壓越限啟動(dòng)

交流電流：相電流突變啟動(dòng)、相電流越限啟動(dòng)、負(fù)序電流越限啟動(dòng)

頻率：頻率高越限啟動(dòng)、頻率低越限啟動(dòng)

直流：突變量啟動(dòng)、高越限啟動(dòng)和低越限啟動(dòng)

開關(guān)量：on→off啟動(dòng)、off→on啟動(dòng)

(3)報(bào)文記錄

采用原始報(bào)文加實(shí)時(shí)分析標(biāo)記方式記錄，實(shí)時(shí)分析標(biāo)記包括裝置接收到報(bào)文的微秒級時(shí)標(biāo)和對報(bào)文實(shí)時(shí)分析的結(jié)果。錄波主機(jī)中生成的報(bào)文可通過錄波分析電路轉(zhuǎn)換成excel可讀的csv格式或gb/t22386-2008國家最新標(biāo)準(zhǔn)comtrade格式。

(4)暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)記錄方式

早期的故障錄波不分時(shí)段，從啟動(dòng)到錄波終止采樣率保持不變，缺點(diǎn)是如果采樣率偏低則不足以準(zhǔn)確再現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)刻的暫態(tài)過程，如果采樣率過高又會增加故障發(fā)生前和穩(wěn)定后記錄的數(shù)據(jù)量。因此，《220～500kv電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄技術(shù)準(zhǔn)則》將錄波的各個(gè)時(shí)段分為a、b、c、d、e五個(gè)時(shí)段。

a時(shí)段記錄的是系統(tǒng)發(fā)生故障之前的數(shù)據(jù)，長度在2個(gè)周波以上即可(≥0.04s)。b時(shí)段則過渡到異常狀態(tài)，記錄的是故障發(fā)生初期的暫態(tài)數(shù)據(jù)，要求長度在10個(gè)周波以上(≥0.1s)。由nyquist定理可知，采樣頻率不能低于原始信號最高頻率分量的2倍，否則模數(shù)轉(zhuǎn)換后會產(chǎn)生頻率混疊的現(xiàn)象。但這只是最低要求，要想對諧波成分進(jìn)行分析，采樣頻率一般要達(dá)到信號最高頻率的5～10倍。因此ab時(shí)段的采樣速率較高，并且輸出的為原始記錄波形。c時(shí)段為故障發(fā)生中期，錄波時(shí)間在1.0s以上，改為有效值存儲。d時(shí)段為故障發(fā)生后期的動(dòng)態(tài)過程，持續(xù)時(shí)間稍長(≥20s)，每0.1s輸出一個(gè)工頻有效值。e時(shí)段記錄的是系統(tǒng)長過程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，時(shí)間最長(≥10min)，每隔1s輸出一個(gè)工頻有效值。c、d、e為系統(tǒng)逐漸恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的過程，采樣率從高到低，持續(xù)時(shí)間延長。

表1調(diào)整錄波時(shí)段

在上述標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際使用需求，本發(fā)明對錄波時(shí)段的控制參數(shù)做了一定的調(diào)整，見表1。a、b時(shí)段記錄的是電力系統(tǒng)發(fā)生異常的過程，采樣時(shí)間短，采樣頻率高，c時(shí)段記錄的是系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的過程，采樣時(shí)間長，采樣頻率低。如此設(shè)置既能保證詳細(xì)記錄故障發(fā)生前后的暫態(tài)過程，又可以節(jié)省錄波文件占用的存儲空間，并提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳速度。同時(shí)，a、b、c段均采用有效值記錄，提高了后期數(shù)據(jù)的可分析性。

(5)參數(shù)整定方式

在線修改：裝置在線運(yùn)行時(shí)，可直接修改運(yùn)行定值及參數(shù)。

遠(yuǎn)傳修改：上級管理部門可通過遠(yuǎn)傳修改。

(6)接口

采集接口：采用sfp光纖以太網(wǎng)接口，與常規(guī)故障錄波主機(jī)所采用的rg45接口相比，sfp模塊與介質(zhì)的連接更加可靠，可有效避免船體振動(dòng)造成的端口脫落現(xiàn)象的發(fā)生。此外，sfp還具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗較低、支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地節(jié)省機(jī)柜空間、減少散熱、方便替換。通信介質(zhì)選用柔性金屬鎧裝多模光纖線，在光纖外圍裹覆一層螺旋狀不銹鋼材料，在不影響光學(xué)性能的前提下，解決了常規(guī)光纖抗側(cè)壓、抗沖擊以及防鼠咬的保護(hù)問題，以保證通信網(wǎng)絡(luò)的暢通。

上傳接口：采用m12轉(zhuǎn)rj45連接器作為錄波主機(jī)與上層交換機(jī)之間的通訊接口，其螺絲旋緊式的鎖定機(jī)制可以保證插頭與插座之間可靠連接，接插處防水等級ip＞67，正常工作的溫度范圍在-25℃至85℃之間，選用屏蔽電纜可有效降低電磁輻射和干擾，傳輸速率可以達(dá)到100mbit/s。

電源接口：輸入接線端子采用航空插頭。

(7)支持的通信協(xié)議

ptp協(xié)議、ntp協(xié)議

iec61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)

ieee802.1p協(xié)議、tcp/ip協(xié)議

私有協(xié)議

(8)工作環(huán)境溫度

工作環(huán)境溫度：-20℃～+70℃。

儲運(yùn)環(huán)境溫度：-20℃～+70℃，在極限值下不加激勵(lì)量，裝置不出現(xiàn)不可逆變化，溫度恢復(fù)后裝置應(yīng)能正常工作。

相對濕度：5％～95％(無凝露)。

大氣壓力：80kpa～110kpa。

如圖5所示，本發(fā)明選用簡化媒體獨(dú)立接口rmii傳輸以太網(wǎng)包。通過mii接口可實(shí)現(xiàn)多路并行快速輸入輸出，各臺采集單元上傳的數(shù)據(jù)無需排隊(duì)等候，直接傳輸至fpga，并由fpga控制mii接口的接收和發(fā)送時(shí)序，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，從而保證了插值同步條件下錄波文件記錄的時(shí)間信息的準(zhǔn)確性。

如圖6～圖9所示，插值同步的核心思想是利用原函數(shù)f(t)在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)采樣得到的若干個(gè)相鄰的函數(shù)值，通過選擇適當(dāng)?shù)臄M合函數(shù)來估計(jì)該區(qū)間內(nèi)其他任意時(shí)刻的采樣值。對于單臺采集單元來說，各通道的電流、電壓信號是按照相同的采樣時(shí)刻進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換的，從而實(shí)現(xiàn)了間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)同步。但是對于不同的采集單元來說，雖然采樣頻率可以保持一致，但對應(yīng)的時(shí)間基準(zhǔn)可能產(chǎn)生錯(cuò)位，這就需要錄波主機(jī)對跨間隔的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，其中就涉及到插值同步的處理。錄波主機(jī)在收到采集單元上傳的報(bào)文后，從中解析出采樣序號、采樣值、延遲時(shí)間等信息，利用接收時(shí)刻減去額定延時(shí)即可還原實(shí)際的采樣時(shí)刻。然后，錄波主機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘分頻產(chǎn)生重采樣脈沖信號，根據(jù)重采樣時(shí)刻與前后幾個(gè)參考時(shí)刻之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行插值運(yùn)算就可以得到一個(gè)“同步采樣值”。按照固定的時(shí)間間隔重采樣點(diǎn)不斷后移，最終得到一個(gè)新的采樣序列。

采集單元與錄波主機(jī)之間不經(jīng)過以太網(wǎng)交換機(jī)，而是以光纖直連的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸，每對光纖只負(fù)責(zé)該采樣間隔的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，降低了對中間環(huán)節(jié)的依賴性，沖突域的有效隔離和網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加也提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳輸能力和信號同步精度。

由于插值算法需要用到幾個(gè)相鄰時(shí)間點(diǎn)的采樣值，所以要求采集單元按照相同的時(shí)間間隔上傳數(shù)據(jù)，否則會導(dǎo)致插值結(jié)果與實(shí)際值的誤差過大。為了減少傳輸延時(shí)對數(shù)據(jù)同步的影響，本發(fā)明采用多路并行高速直采的傳輸方案：①采集單元與錄波主機(jī)都不需要接入外部時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)；②不同的采集單元按照各自的內(nèi)部時(shí)鐘，以固定的采樣頻率(可設(shè)置)發(fā)送采樣值數(shù)據(jù)；③采集單元通過光纖與錄波主機(jī)直接相連，采樣值不再經(jīng)過交換設(shè)備傳輸。

在該方案中，為了保證在插值同步之前不同間隔的采樣數(shù)據(jù)均已到達(dá)錄波主機(jī)，同步時(shí)刻需要滯后一定的時(shí)間，該延遲時(shí)間包括模擬信號接入采集單元以后的低通濾波延遲、a/d轉(zhuǎn)換過程中的采樣延遲、采樣數(shù)據(jù)在光纖通道中的傳輸延遲以及錄波主機(jī)提取報(bào)文的解碼延遲。由于光信號具有極高的傳輸速率，并且采集單元與錄波主機(jī)之間的傳輸距離有限(最長100米左右)，因此采樣數(shù)據(jù)在光纖通道中的傳輸延遲幾乎為零，可忽略不計(jì)?？倳r(shí)延的大小可以通過測量得到，并添加到采樣值報(bào)文中傳輸給錄波主機(jī)，錄波主機(jī)根據(jù)報(bào)文的接收時(shí)間和延時(shí)信息便可推算出實(shí)際的采樣時(shí)間。

假設(shè)錄波主機(jī)接收到同一個(gè)外部采集單元發(fā)送的兩個(gè)相鄰采樣間隔的報(bào)文數(shù)據(jù)，并通過解碼提取和時(shí)間修正獲得了某個(gè)電流通道的兩個(gè)離散點(diǎn)[tk,i(tk)]和[tk+1,i(tk+1)]。利用拉格朗日一次插值算法可以獲得同步時(shí)刻t所對應(yīng)的電流值計(jì)算如下：

作為實(shí)際值i(t)的近似，拉格朗日一次插值的誤差為

式中，i″(ξ)為i(t)的二階導(dǎo)數(shù)，ξ為區(qū)間[tk,tk+1]中的某個(gè)時(shí)刻。

由于船舶電力系統(tǒng)的電流值可以表示為直流分量、基波和各次諧波的疊加，如式3所示

其中，i0為直流分量，n為諧波次數(shù)(n＝1時(shí)表示基波)，in、分別表示基波和各次諧波的幅值與初相角，ω為基頻角頻率。將i(t)的表達(dá)式帶入式2中可得

假設(shè)電力系統(tǒng)的工作頻率為50hz，則基頻角頻率ω＝2πf＝100π，且采樣間隔tk+1-tk＝0.02/n，n為每周波的采樣點(diǎn)數(shù)。由于式4中的絕對值在t＝(tk+1+tk)/2處取得最大值，所以拉格朗日一次插值的最大誤差為

通過觀察rmax的表達(dá)式能夠得出如下結(jié)論：

①rmax的大小不受源電流中的直流分量的影響，也就是說對穩(wěn)恒直流做拉格朗日一次插值不會帶來測量誤差。

②雖然錄波主機(jī)會對來自不同間隔的報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)重采樣的過程，但是重采樣頻率fs不會引起rmax的變化。

③rmax可以表示為基波與各次諧波的線性疊加，在n值不變的情況下，諧波次數(shù)越高，對誤差的貢獻(xiàn)率越大。

④采集單元每周波的采樣點(diǎn)數(shù)越多，即n值越大，rmax越小，因此可以通過增加采樣頻率的方式來降低拉格朗日一次插值的誤差。

錄波主機(jī)根據(jù)相應(yīng)的判據(jù)來決定是否啟動(dòng)錄波行為，涉及到的啟動(dòng)算法主要包括突變量啟動(dòng)算法、諧波啟動(dòng)算法、序量啟動(dòng)算法、頻率啟動(dòng)算法等。一旦超過整定的限值，錄波主機(jī)便按照上文中提到的錄波時(shí)序進(jìn)行故障信息的存儲。

由于本發(fā)明利用插值算法進(jìn)行同步，采樣時(shí)刻由錄波主機(jī)推算得到，因此應(yīng)盡可能減少中間環(huán)節(jié)帶來的不確定延時(shí)。除了采集單元與錄波主機(jī)之間省去了交換機(jī)之外，本發(fā)明對錄波主機(jī)的底層數(shù)據(jù)接入端也進(jìn)行了改進(jìn)。陸用故障錄波主機(jī)通常采用常規(guī)交換芯片處理來自不同采集單元上傳的采樣數(shù)據(jù)，即多個(gè)輸入通道對應(yīng)一個(gè)輸出通道，因而存在通信延時(shí)。針對上述情況，本發(fā)明裝置的物理層(phy)選用了marvell公司生產(chǎn)的第三代基于dsp的8端口快速以太網(wǎng)收發(fā)器88e3082芯片，該芯片支持ieee802標(biāo)準(zhǔn)下的10base-t、100base-t雙絞線傳輸模式和100base-fx光纖傳輸模式，可實(shí)現(xiàn)全雙工和半雙工通信。同時(shí)，88e3082芯片集成了多種介質(zhì)無關(guān)接口，為了減少88e3082與ep4cgx50的i/o引腳數(shù)量，

如圖10所示(圖10中底部的多個(gè)白色框?yàn)橥獠坎杉瘑卧?，黑色框?yàn)殇洸ㄖ鳈C(jī))，陸用故障錄波主機(jī)通常會在采集單元和錄波主機(jī)之間添加一至多臺交換機(jī)，這樣做主要有三個(gè)原因：一是交換機(jī)擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣，每個(gè)端口都可視為獨(dú)立的網(wǎng)段，各自享有全部網(wǎng)絡(luò)帶寬，有利于通信容量的提高；二是陸用電網(wǎng)規(guī)模龐大，采樣點(diǎn)可以達(dá)到幾百個(gè)，需要的采集單元數(shù)量比較多，通過交換機(jī)向錄波主機(jī)傳輸?shù)讓訑?shù)據(jù)可減少錄波主機(jī)的采集端口數(shù)量，簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三是由于陸用故障錄波主機(jī)采用的是外部時(shí)鐘同步方式，采集單元與錄波主機(jī)內(nèi)部的從時(shí)鐘與授時(shí)網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)鐘保持嚴(yán)格同步，因此不必考慮由交換機(jī)引起的存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，采集單元上傳的報(bào)文中即包含準(zhǔn)確的同步采樣時(shí)刻。

其技術(shù)優(yōu)勢為：

(1)拉格朗日一次插值同步。外部時(shí)鐘同步法是目前陸用故障錄波主機(jī)普遍采用的時(shí)間同步方法，由于該方式在船用條件下存在對時(shí)信號難以獲得、對時(shí)信號易受干擾、同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有潛在安全隱患等問題，因此本發(fā)明采用拉格朗日一次插值重采樣的方式實(shí)現(xiàn)錄波數(shù)據(jù)的同步。該方式通過電路即可實(shí)現(xiàn)錄波數(shù)據(jù)同步，擺脫了對外部時(shí)鐘源的依賴，并且不需要時(shí)鐘服務(wù)器、對時(shí)接口和高精度守時(shí)晶振，簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本，適應(yīng)了海上惡劣的工作環(huán)境。

(2)多路并行高速直采模式(如圖6)，采集單元與錄波主機(jī)之間不經(jīng)過交換機(jī)，而是以光纖直連的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸，每對光纖只負(fù)責(zé)該采樣間隔的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，從而避免了不同間隔的報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞的可能以及交換機(jī)引起的存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)問題，提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳輸能力。同時(shí)，每根光纖只進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳輸，不存在發(fā)送方與接收方同時(shí)爭搶同一信道的問題。錄波主機(jī)物理層采用rmii接口設(shè)計(jì)，從內(nèi)部將每個(gè)sfp端口隔離開來，使得不同采集單元向錄波主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)互不干擾，可實(shí)現(xiàn)多路并行快速輸入輸出，為插值算法的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)關(guān)系及原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。