CN102118007A - 基于秒脉冲的电子式互感器同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，合并单元接收智能变电站中同步系统主时钟输出的秒脉冲PPS，合并单元利用其内的现场门编程门阵列FPGA检测PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲，合并单元中的DSP根据PPS准时时刻以及合并单元的采样率确定插值时刻，即重采样时刻，同时DSP通过动态调整重采样时刻来动态补偿晶振偏差；本方法不仅能识别正确的秒脉冲，而且能滤除干扰脉冲，且不影响正确的秒脉冲接收，同时在主时钟由失步到同步切换时，能迅速跟踪GPS时钟的同步状态；通过DSP动态调整重采样时刻，在环境温度等因素变化时，输出数据同步误差不大于±1us，不仅解决了累积偏差的问题，而且满足保护、测控及计量等智能变电站中自动化装置的要求。
Description
技术领域
本发明涉及智能变电站中电子式互感器合并单元采样同步的方法，尤其是基于秒脉冲的电子式互感器同步方法。
背景技术
随着电力系统传输容量的增加，运行电压等级越来越高，传统的电磁式电流电压互感器暴露出如绝缘要求高、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小以及频带窄等一系列缺点。于是，旨在解决超高压绝缘、磁饱和等问题的电子式电流、电压互感器应运而生。近几年来，电子式电流、电压互感器研究发展迅速，基于光学和Rogowski空心线圈的电流互感器已进入实用阶段。
电子互感器具有体积小、重量轻、频带响应宽、无饱和等诸多优点，但由于其输出信号一般是低功率的模拟信号，传输距离短，必须就地数字化，并通过光纤传输。
合并单元是针对数字化输出的电子式互感器而定义的，其主要功能对电子式互感器输出的电流电压信息进行时间相关的合并处理，并按照IEC 61850标准定义的数据格式输出给二次保护控制设备。
合并单元一般利用主时钟输出的PPS同步互感器数据，但同步方案不尽完善。不能很好的滤除插拔光纤或者干扰产生的毛刺及消除晶振受环境温度影响而产生的累积偏差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，以解决滤除插拔光纤或者干扰产生的毛刺和消除晶振受环境温度影响而产生累积偏差的问题。
为实现上述目的，本发明的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法技术方案是：合并单元接收智能变电站中同步系统主时钟输出的秒脉冲PPS，合并单元利用其内的现场门编程门阵列FPGA检测PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲，合并单元中的DSP根据PPS准时时刻以及合并单元的采样率确定插值时刻，即重采样时刻，同时DSP通过动态调整重采样时刻来动态补偿晶振偏差。
进一步的，所述合并单元利用FPGA检测PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲是FPGA检测PPS上升沿，用晶振计数记录PPS上升时刻即PPS准时时刻，并计算相邻PPS间隔，以检测是否为PPS输入，设定最新已确认正确的秒脉冲准时时刻为Tr，本次脉冲的前一个脉冲上升时刻为Tn，本次脉冲上升时刻为Tc；具体PPS检测过程分为初始上电检测和正常工作状态检测。
进一步的，所述初始上电检测是当连续3个PPS间隔在阈值范围内时，确定为正常的秒脉冲，第3个脉冲触发DSP中断，Tr=Tn=T3，其中T3为第三个脉冲时刻，FPGA进入正常工作状态。
进一步的，所述阈值范围是在1s±100us内。
所述正常工作状态检测是在确认有效脉冲后，当本次脉冲与最新正确脉冲间隔在阈值范围内时，本次脉冲为正确脉冲，本次脉冲有效，触发DSP中断；如间隔没有在阈值范围内，判定为非正常的秒脉冲，可能为干扰脉冲或主时钟由失步状态切换到同步状态；当本次脉冲与上一个脉冲间隔在阈值范围内时，表明最新正确脉冲与上一个脉冲不是同一个脉冲，可判定上一个脉冲为GPS时钟由失步状切换到同步状态输出的脉冲，本次脉冲为同步后的正确脉冲，本次脉冲有效，触发DSP中断。
进一步的，所述阈值范围是在1s±100us范围内。
所述重采样时刻计算公式如下： 
，
，其中
为第n个秒脉冲的间隔，将最近256个秒脉冲间隔求平均得到秒脉冲间隔的平均值
；平均值
除以合并单元的采样率得采样间隔
，插值时标即以最新秒脉冲时标
为基准，以采样间隔
重采样。
进一步的，所述PPS的频率为1Hz，合并单元的采样率为4000Hz。
进一步的，所述主时钟是北斗或GPS时钟服务器。
本发明的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法不仅能识别正确的秒脉冲，而且能滤除干扰脉冲，且不影响正确的秒脉冲接收，同时在主时钟由失步到同步切换时，能迅速跟踪GPS时钟的同步状态。通过DSP动态调整重采样时刻，在环境温度等因素变化时，输出数据同步误差不大于±1us，不仅解决了累积偏差的问题，而且满足保护、测控及计量等智能变电站中自动化装置的要求。
附图说明
图1是本发明方法实施例的流程图；
图2是主时钟由未同步向同步切换示意图；
图3是正常时钟脉冲示意图；
图4是主时钟秒脉冲受干扰示意图；
图5是时标示意图；
图6是秒脉冲处理逻辑图；
图7是晶振偏差影响重采样示意图；
图8是动态补偿晶振偏差重采样示意图。
具体实施方式
本发明的方法主要应用于合并单元中，合并单元以FPGA+DSP方案设计，FPGA用于时序控制，DSP用于对数字信号的处理。如图1所示为本发明实施例的流程图，合并单元接收智能变电站中同步系统主时钟输出的秒脉冲PPS，合并单元利用其内的现场门编程门阵列FPGA检测PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲，合并单元中的DSP根据PPS准时时刻以及合并单元的采样率确定插值时刻，即重采样时刻，同时DSP通过动态调整重采样时刻来动态补偿晶振偏差。
合并单元接收智能变电站中同步系统主时钟输出的秒脉冲PPS（pulses per second,缩写为PPS），秒脉冲存在四种情况：
a、 主时钟由未同步状态向同步状态切换，在切换过程中秒脉冲间隔不均匀，如图2所示。
b、主时钟处于同步状态，输出的秒脉冲间隔均匀，秒脉冲间隔为1s±1us，如图3所示。
c、主时钟输出的秒脉冲受到干扰，在正确秒脉冲之间会有毛刺，如图4所示。
d、主时钟由同步状态切换到失步守时状态，输出的秒脉冲间隔均匀，秒脉冲间隔为1s±1us，如图3所示。
1、FPGA检测PPS方法
FPGA检测秒脉冲PPS上升沿，用晶振计数记录秒脉冲PPS上升时刻（即秒脉冲的准时时刻），并计算相邻脉冲间间隔，以检测是否为秒脉冲输入。检测主要分为初始上电检测和正常工作状态检测，设定最新已确认正确的秒脉冲准时时刻为Tr，本次脉冲的前一个脉冲上升时刻为Tn，本次脉冲上升时刻为Tc，如图5所示。
1） 初始上电
当连续3个秒脉冲间隔在阈值范围内，满足1s±100us时，确定为正常的秒脉冲，第3个秒脉冲触发DSP中断，Tr=Tn=T3，T3为第三个秒脉冲时刻，FPGA进入正常工作状态。
注：用于智能变电站的主时钟输出的秒脉冲精度应优于1us，用温度稳定性为50PPM的晶体测量PPS，最大误差为1s±51us，如间隔超过100us，可判定为非正常秒脉冲的间隔。
2）正常工作状态
确认有效秒脉冲后，根据如图6所示逻辑判别新脉冲也即是本次脉冲，当新脉冲与最新正确脉冲间隔在阈值范围内，满足1s±100us时，也即是
时，新脉冲为正确脉冲，新脉冲有效，触发DSP中断；如间隔不在阈值范围内，则判定为非正常的秒脉冲，可能为干扰脉冲或主时钟由失步状态切换到同步状态；当新脉冲与上一个脉冲间隔在阈值范围内，满足1s±100us时，也即是
时，说明最新正确脉冲与上一个脉冲不是同一个脉冲，可判定上一个脉冲为GPS时钟由失步状切换到同步状态输出的脉冲，新脉冲为同步后的正确脉冲，新脉冲有效，触发DSP中断。
通过以上处理，不仅能识别正确的秒脉冲，且能滤除干扰脉冲，而不影响正确的秒脉冲接收，同时在主时钟由失步到同步切换时，能迅速跟踪GPS时钟的同步状态。
2、DSP插值方法
对于温度稳定性为50PPM的晶体，当每秒同步一次采样时，到下一个秒脉冲前的最后一个采样时刻，与所要求的采样时刻最大误差可达50us，折算到相位上，就是50分的相位误差。这对于差动保护有一定影响，对于计量装置来说，无法满足其精度要求，示意图如图7。
DSP以FPGA接收的秒脉冲为基准插值电子互感器数据，PPS的频率为1Hz，而合并单元的采样率一般为4000Hz，需倍频秒脉冲，如采用硬件倍频，需增加硬件回路，增加了硬件的复杂度，而我们采用软件计算时标，虚拟倍频，精度更高，具体方法如下：
（1）
式（1）中为第n个秒脉冲的间隔，将最近256个秒脉冲间隔求平均得到秒脉冲间隔的平均值
；平均值
除以采样率4000得采样间隔
，插值时标即以最新秒脉冲时标为基准，以采样间隔重采样，如图8所示。
上述方法可动态的补偿晶振偏差，在环境温度等因素变化时，输出数据同步误差不大于±1us，满足保护、测控及计量等智能变电站中自动化装置的要求。
Claims (9)
1. 一种基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于，合并单元接收智能变电站中同步系统主时钟输出的秒脉冲PPS，合并单元利用其内的现场门编程门阵列FPGA检测PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲，合并单元中的DSP根据PPS准时时刻以及合并单元的采样率确定插值时刻，即重采样时刻，同时DSP通过动态调整重采样时刻来动态补偿晶振偏差。
2. 根据权利要求1所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于：所述合并单元利用FPGA检测PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲是FPGA检测PPS上升沿，用晶振计数记录PPS上升时刻即PPS准时时刻，并计算相邻PPS间隔，以检测是否为PPS输入，设定最新已确认正确的秒脉冲准时时刻为Tr，本次脉冲的前一个脉冲上升时刻为Tn，本次脉冲上升时刻为Tc；具体PPS检测过程分为初始上电检测和正常工作状态检测。
3. 根据权利要求2所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于：所述初始上电检测是当连续3个PPS间隔在阈值范围内时，确定为正常的秒脉冲，第3个脉冲触发DSP中断，Tr=Tn=T3，其中T3为第三个脉冲时刻，FPGA进入正常工作状态。
4. 根据权利要求3所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于：所述阈值范围是在1s±100us内。
5. 根据权利要求2所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于：所述正常工作状态检测是在确认有效脉冲后，当本次脉冲与最新正确脉冲间隔在阈值范围内时，本次脉冲为正确脉冲，本次脉冲有效，触发DSP中断；如间隔没有在阈值范围内，判定为非正常的秒脉冲，可能为干扰脉冲或主时钟由失步状态切换到同步状态；当本次脉冲与上一个脉冲间隔在阈值范围内时，表明最新正确脉冲与上一个脉冲不是同一个脉冲，可判定上一个脉冲为GPS时钟由失步状切换到同步状态输出的脉冲，本次脉冲为同步后的正确脉冲，本次脉冲有效，触发DSP中断。
6. 根据权利要求5所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于：所述阈值范围是在1s±100us范围内。
7. 根据权利要求1所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于，所述重采样时刻计算公式如下： ，
，其中
为第n个秒脉冲的间隔，将最近256个秒脉冲间隔求平均得到秒脉冲间隔的平均值
；平均值
除以合并单元的采样率得采样间隔
，插值时标即以最新秒脉冲时标
为基准，以采样间隔
重采样。
8. 根据权利要求7所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于，所述PPS的频率为1Hz，合并单元的采样率为4000Hz。
9. 根据权利要求1-8中任一项所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于：所述主时钟是北斗或GPS时钟服务器。
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