CN102903223B

CN102903223B - 一种特高压宽频域电晕电流信号的高速传输系统

Info

Publication number: CN102903223B
Application number: CN201210283302.5A
Authority: CN
Inventors: 刘元庆; 袁海文; 陆家榆; 吕建勋; 夏文岳; 李炼炼; 郭剑; 鞠勇; 赵录兴
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: CN102903223A

Abstract

本发明提出了一种适用于特高压环境下宽频域电晕电流信号在线采集系统，该系统可以实现电晕电流数据的高速远距离安全可靠传输。本发明使用FPGA结合USB接口技术和光纤传输技术，可以实现将所采集电晕电流数据高速传输到安全位置测量端的目的。该系统可以实现特高压直流试验线路高压侧的宽频域电晕电流数据的高速传输和安全测量。

Description

一种特高压宽频域电晕电流信号的高速传输系统

技术领域

本发明电力系统特高压输电技术领域，具体涉及一种信号数据高速远距离传输技术，特别是关于一种适用于特高压环境下宽频域电晕电流信号的高速远距离安全可靠传输技术。

背景技术

近年来，随着我国经济的不断发展，各行业生产及居民日常生活用电量大增，除了加大发电量外还必须不断提高电力的输送能力。我国资源和用电负荷分布不均更加加剧了特高压电网的建设需要。特高压电网具有输电距离长、输送功率大、线路损耗低等一系列优点，是实现我国“西电东送、南北互供、全国联网”的战略目标的必然选择。为进一步提高我国电能输送能力，已经建设完成部分±800kV直流输电工程，同时国家电网公司目前已启动±1100kV特高压直流输电线路的研究工作。

特高压直流输电线路的研究需要配套的测量系统，而电晕电流测量系统工作环境的特殊性以及电晕信号数据量大的特点就要求将数据安全可靠高速的传输到安全位置测量端进行进一步处理。传统的数据采集传输方式不能满足特高压直流试验线路电晕电流在线监测的需要，需要引进新的技术完成特高压环境下高压当地端数据安全可靠的传输。数字化光纤传输技术是目前各种通信手段中最有发展前途的通信方式之一，它是以光载波载送信息，以光纤为传输介质传送光载信息的通信方式，将光纤传输技术引入宽频域电晕电流信号的高速传输是很有意义的。

发明内容

为克服现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种宽频域电晕电流信号的高速传输系统，解决了在特高压直流试验线段高压侧进行电晕电流采集并将所采集的电晕电流信号通过光纤高速传输到安全位置测量端实现信号远距离测量。

本发明具体采用以下技术方案。

一种特高压宽频域电晕电流信号的高速传输系统，包括第一、第二USB通讯接口模块，第一、第二光端机收发模块，光纤和光纤绝缘子，测量系统高压当地端、安全位置测量端上位机；其特征在于：

所述第一USB通讯接口模块、第一光端机接收模块位于特高压当地端，所述第一 USB通讯接口模块的输入端与特高压当地端测量系统的输出端相连，所述第一USB通讯接口模块的输出端与第一光端机接收模块的输入端相连，所述第一光端机通过第一USB通讯接口模块接收特高压当地端测量系统所测量的宽频域电晕电流信号数据并对所述电晕电流信号进行光电转换；

所述第二光端机接收模块、第二USB通讯接口模块和安全位置测量端上位机位于安全位置测量端，所述第一光端机接收模块的输出端和第二光端机接收模块的输入端之间通过光纤和光纤绝缘子相连，所述第二光端机接收模块的输出端与第二USB通讯接口模块的输入端相连，第二USB通讯接口模块的输出端连接安全位置测量端上位机，所述第二光端机接收模块将第一光端机接收模块传输的光信号进行光电转换后通过第二USB通讯接口模块输入至安全位置测量端上位机，从而完成特高压宽频域电晕电流信号从特高压当地端测量系统向安全位置测量端上位机的高速传输。

本发明具有以下技术效果：

一方面通过USB接口实现数据的高速传递，具有即插即用的特点，对上位机适应性强，可扩展能力好；另一方面，采用数字化光纤传输系统来实现高压侧电晕电流数据向低压侧测量端的传递，具有频带宽、衰减少的优点，并且有效距离大，可满足各种需求；最后，采用特殊通讯光纤绝缘子进行高压有效隔离，保护光纤中的数据传输不受特高压特殊电磁环境的影响，保证电晕电流数据高速、安全、可靠的传输。

本发明可以满足特高压直流宽频域电晕电流测量数据高速传输的要求，达到高速、安全、可靠的实时传输宽频域电晕电流数据的目的。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明中USB通讯接口模块结构图；

图3是本发明中的光端机收发模块结构图；

图4是本发明中的光纤和光纤绝缘子连接示意图；

图5是本发明中的FX2在SLAVE FIFO自动工作模式示意图；

图6FPGA与FX2同步读写连接示意图；

图7是Slave FIFO读写时序状态图；

图8是数据发送端模块框图；

图9是数据接收端模块框图；

图10是传输协议的数据格式；

图11是数据异步通信软件流程图。

其中，1-第一USB通讯接口模块，2-第一光端机接收模块，3-光纤和光纤绝缘子，4-第二光端机接收模块，5-第二USB通讯接口模块，6-FPGA控制芯片，7-USB2.0芯片，8-USB接口，9-USB接口，10-FPGA芯片，11-光收发模块，12-低压端连接金具，13-低压测量端光纤转接盒，14-光纤绝缘子延长金具，15-高压测量端光纤转接盒，16-光纤绝缘子固定伸缩弹簧，17-光纤绝缘子与室外光纤连接接口，18-光纤绝缘子与测量系统光纤连接接口，19-均压环,20-绝缘子。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明为一种宽频域电晕电流信号的高速传输系统，如图1所示，它是由以下几部分组成：第一USB通讯接口模块1、第一光端机接收模块2、光纤和光纤绝缘子3、第二光端机接收模块4、第二USB通讯接口模块5。其中USB通讯接口模块1又是由FPGA控制芯片6，USB2.0芯片7以及USB接口8构成。光端机收发模块2又是由USB接口9，FPGA芯片10以及光收发模块11构成。

如图2所示为本发明中USB通讯接口模块结构图。包括FPGA控制芯片6，USB2.0芯片7以及USB接口8。第一、第二USB通讯接口模块负责实现第一或第二光端机收发模块与USB主机之间的数据传输，是构成USB功能设备的必需器件，负责解析USB协议，进行数据的编码和解码等操作。对特高压当地端而言电晕电流测试系统充当USB主机；而安全位置测量端PC机充当USB主机。USB通讯接口模块主要是FPGA通过USB2.0芯片实现USB通信接口。主要包括FPGA芯片及USB2.0芯片以及相应的电源模块。选用的USB2.0芯片其自带的智能SIE可以硬件处理USB2.0协议，同时所具有的GPIF接口（General Programmable Interface）和主/从端点FIFO（8位或16位数据总线）为微处理器操作提供了无缝连接接口。

如图3所示为本发明的光端机收发模块结构图，包括USB接口9，FPGA芯片10以及光收发模块11。光端机收发模块成对出现，第一光端机收发模块安装在特高压当地端，第二光端机收发模块安装在安全位置测量端。光端机收发模块一边连接USB接口，另一边连接光纤。受USB协议的限制，光收发端机不能简单的将USB信号单纯的做光电转换后实现光接口的信号传输，必须经过对USB包进行解析。本地端和远程端光收发机通过自定协议进行数据交换。光端机收发模块主要包括USB物理接口、光收发模块、FPGA控制模块和相应的电源模块。USB物理模块的主要作用是将USB差分信号转换为常用的CMOS电平信号；光收发模块的作用是完成光电转换作用；FPGA控制模块式传输系统中的核心部分，其主要功能为：1）对USB物理接口模块发来的USB差分信号进行解包、重新处理；2）对光收发模块发送来的信号进行分析、处理。FPGA控制模块连接USB物理接口和光收发模块，其两端的数据接口分别为USB通信总线和光收发通信总线。

光纤和光纤绝缘子主要用于特高压当地端和安全位置测量端之间的通讯和数据传输。由于特高压特殊电磁环境的影响，可能破坏光纤传输介质，并且影响传输的稳定性。因此，在实际工程中首先将特高压当地端发送的光信号经特殊光纤通讯绝缘子进行高压有效隔离，然后再通过室外光纤将信号传输到安全位置测量端。特殊通讯光纤绝缘子设计采用在普通绝缘子内部熔接光纤传输介质的方法，根据安装设计要求，将通讯绝缘子挂接到特高压输电线路杆塔上的特高压当地端。

本发明首先通过USB接口接收宽频域电晕电流测量系统输出的信号，通过USB通讯接口模块连接光端机收发模块的远程端USB接口，通过光端机收发模块将USB信号转换为光信号。再经由特殊光纤绝缘子和光纤连接到光端机收发模块的本地端，本地端将光信号转换回USB信号给USB通讯接口模块之后连接上位机，上位机可以将所得到的数据进行需要的进一步处理

所述FPGA控制芯片采用

Cyclone II FPGAs。Cyclone II FPGAs是一种低成本的FPGA，并提供多种密度、存储器、嵌入式乘法器和封装选择。它具有68416个逻辑元件，最多可提供622个可用的I/O管脚，最高1.1Mbits的嵌入式存储器，可提供多种公共外部存储器接口和I/O协议，是通信、汽车、视频处理、测试和测量以及其他终端市场的理想解决方案。

所述USB2.0芯片采用Cypress公司生产的EZ-USB FX2(CY7C68013)包括了USB2.0收发器、SIE(串行接口引擎)、增强8051微控制器、8.5KB片上RAM、4KB FIFO存储器以及和可编程外围接口，其独创性结构使得数据传输率可达56MBytes/s（USB2.0允许的最大带宽）。此外其自带的智能SIE可以硬件处理USB2.0协议，同时所具有的GPIF接口（General Programmable Interface）和主/从端点FIFO（8位或16位数据总线）为微处理器操作提供了无缝连接接口。

所述的光收发模块采用AVAGO公司的HFBR-1414TZ和HFBR-2416TZ。该模块可以提供最远达2.7km的传输距离，HFBR-2416TZ接收机可达125MHz模拟接收。发送端和接收端兼容各种常见标准接头，包括50/125um、62.5/125um、100/140um、以及200um的光纤尺寸。大功率发送端HFBR-1414TZ以及125MHz接收端HFBR-2416TZ组成了一个高效的100Base-SX的解决方案。而100Base-SX是一种850nm多模光纤的高速以太网（100Mbps）标准。这个解决方案具有如下特点：低成本，满足IEEE802.3以太网以及802.5令牌环标准，满足TIA/EIA-785100Base-SX标准，820nm波长技术，可用ST、SC、FC接口，信号速率160MBd，最远连接距离2.7km，-40℃到85℃的宽工作温度。

如图4所示为光纤绝缘子连接示意。所述光纤绝缘子采用特殊加工，光纤传输介质封存在普通绝缘子中，有效保护光纤数据传输以及测试装置的安全和稳定。包括光纤绝缘子3，低压端连接金具12，低压测量端光纤转接盒13，光纤绝缘子延长金具14，高压测量端光纤转接盒15，光纤绝缘子固定伸缩弹簧16，光纤绝缘子与室外光纤连接接口17，光纤绝缘子与测量系统光纤连接接口18，均压环19，绝缘子20。光纤绝缘子通过光纤转接盒以及连接金具连接，固定在试验线路高压侧和低压侧之间。固定伸缩弹簧具有一定弹性，可小范围调整连接距离。光纤绝缘子这部分的总体任务就是完成室外光纤和高压侧一体式测量装置的光纤连接。

图5所示是FX2在SLAVE FIFO自动工作模式示意图。USB高速数据传输采用EZ-USB FX2芯片并由FPGA控制。测量系统高压当地端1中的宽频域电晕电流采集系统具有外部数据处理逻辑功能，USB数据在主机和外部逻辑设备中传输通常不需要FX2自带CPU处理器的参与，而是直接经过FX2内部端点FIFO来传输。因此，本发明选择使用FX2内部FIFO同步被动模式实现电晕电流数据的高速传送。此时，FX2在进行传输数据时并没有经过内部CPU处理，而是通过内部SLAVE FIFO和USB引擎直接进行主机和FPGA的数据传输。数据在传送过程中没有经过FX2内部CPU的处理而是SLAVE FIFO直接和FPGA相连。由于内部自带的SLAVE FIFO采用的是量子FIFO结构，最高传输速度可以达到96MB/s，因此能够实现数据的高速传输。此外，FX2内部2、4、6、8端点是大容量、高带宽数据传输端点，可用多缓存方式(包括双缓存，三缓存和四缓存)实现数据传送；在数据吞吐率相近的情况下，多缓存可以使带宽运行平稳，减少了数据冗余，消除了主机与外部逻辑电路相互等待的需要。

如图6所示为FX2接口的SLAVE FIFO同步被动传输模式其硬件连接示意图。IFCLK为接口时钟输入，时钟信号配置为外部FPGA功能逻辑提供；FULL/EMPTY为握手信号，用于表示FIFO的状态；FD[15:0]表示数据总线，用于传输电晕电流信号；FIFOADR[1:0]选择四个FIFO中的一个。在同步模式下，与同步读相关的信号是SLOE和SLRD，与同步写相关的信号是SLWR和PKEEND。

如图7所示为Slave FIFO读写时序状态图。在进行Slave FIFO读写操作时，时序状态的切换是非常重要的；其中状态切换流程如下：

IDLE：当读/写事件发生时，进入状态1；

状态1：读取模式时：指向OUT FIFO，激活FIFOADR[1:0]，使FIFOADR进入状态2；写入模式时：指向IN FIFO，激活FIFOADR[1:0]，使FIFOADR进入状态2；

状态2：读取模式时：激活SLOE，如FIFO空标志“EMPTY”标志为假，则转向进入状态3；否则在当前状态等待；写入模式时：如FIFO满标志“FULL”为假，进入状态3；否则在当前状态等待；

状态3：读取模式时：传送总线采样数据。对于IFCLKI激活SLWR，指针加1；撤销激活SLOE，进入状态4；写入模式时：传送总线驱动数据，激活SLWR有效再无效，以递增FIFO写指针，进入状态4；

状态4：如读取或写入更多数据，进入状态2；否则，结束进入状态IDLE。

数据传输协议模块分发送端和接收端两部分，其中在模块设计中采用自顶向下的设计方法，将发送模块和接收模块分别划分为各个子模块，从而实现数据的传输。

如图8所示数据发送端模块框图，主要包括ADC控制模块、异步通信协议发送模块、时钟倍频模块和发送编码模块组成。数据发送模块实现的主要功能将模数转换后的数据首先进行封装，其采用异步通信协议将有效数据打包为一个数据帧，为了使数字信号在光纤传输过程中更加有效的进行传输，将数据帧首先进行CMI编码，最后数据帧转换为CMI码并通过光纤进行传输。

如图9所示为数据接收端模块框图，主要包括时钟提取模块、时钟分频模块、数据解码模块和异步通信协议模块组成。数据接收端模块实现的主要功能将数据发送端传输过来的CMI码信号进行解码、解包，最后还原出ADC有效数据。为实现时钟同步，首先CMI码输入信号通过时钟提取模块，将CMI码中提取出时钟信号，然后通过数据解码模块，将CMI码解码为异步数据帧格式。由于CMI时钟信号是原来有效数据封装时信号时钟信号的两倍，因此通过，时钟分频电路将时钟降频，最后采用异步通信协议从数据帧中提取出ADC有效数据。光纤发送模块输出为模拟电压信号，通过电路自动增益控制限幅放大器和逻辑电平比较器将模拟电压转换成TTL电平，最后将数据发送到CMI码输入端。

如图10所示为传输协议的格式。由于发送端和接收端之间用光纤进行连接，数据只能逐位进行传送，本设计中根据传输要求，定义了一个传输协议，主要功能是使接收端能够正确判断出有效数据起止时刻。传输协议数据帧包括起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四部分，当没有数据传送时，起始位一直处于逻辑高电平。当传输数据时，发送端发送一个下降沿作为有效数传送起始信号，接收端通过接收下降沿触发可判断是否开始接收数据；其次，发送端在发送完ADC数据位、奇偶校验位后，最后发送一为逻辑高电平作为停止位，表示数据传送的结束。

如图11所示为数据异步通信软件流程。DataInput为ADC转换后的8为数据位，Output为协议输出数据，clk为传送时钟信号，temp为有效数据奇偶校验位，采用异或方式实现奇偶校验，count为协议发送计数寄存器，。

在光纤通信中，线路编码是必要的，因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码。线路码型变换是把原始的数字比特流转换成适合于传输媒质传输的形式。因此，对于不同的传输媒质，有不同类型的线路码型。在光纤数字传输中，一般不直接传输数字信号，因为对于普通数字信号由直流分量，且有连续长“0”或“1”情况存在，不利于误码监测，因此需要进行码型变换。最终通过采用CMI码实现数字数据的可靠传输。在数字光纤通信系统中，为了把接收端码流恢复出来，需要在接收端的波形中提取时钟信号，而时钟提取的性能除了与发射端信道编码有关外，时钟提取电路同样也非常重要。本发明在设计中采用上升沿和下降沿分别提取的方法来实现码流中时钟信号的提取。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种特高压宽频域电晕电流信号的高速传输系统，包括第一、第二USB通讯接口模块，第一、第二光端机收发模块，光纤和光纤绝缘子，测量系统高压当地端、安全位置测量端上位机；其特征在于：

所述第一USB通讯接口模块、第一光端机接收模块位于特高压当地端，所述第一USB通讯接口模块的输入端与特高压当地端测量系统的输出端相连，所述第一USB通讯接口模块的输出端与第一光端机接收模块的输入端相连，所述第一光端机通过第一USB通讯接口模块接收特高压当地端测量系统所测量的宽频域电晕电流信号数据并对所述电晕电流信号进行光电转换；

2.根据权利要求1所述的电晕电流信号的高速传输系统，其特征在于：

所述第一、第二USB通讯接口模块包括FPGA芯片及USB2.0芯片以及相应的电源模块，FPGA芯片通过USB2.0芯片实现USB通信接口。

3.根据权利要求2所述的电晕电流信号的高速传输系统，其特征在于：

所述第一、第二USB通讯接口模块采用标准USB2.0协议，USB2.0芯片同时具有的GPIF接口和主/从端点FIFO8位或16位数据总线，为微处理器操作提供了无缝连接接口。

4.根据权利要求3所述的电晕电流信号的高速传输系统，其特征在于：

所述USB通讯接口模块中的FPGA芯片采用

Cyclone II FPGAs；

所述USB2.0芯片采用Cypress公司生产的EZ-USB FX2 CY7C68013，通过其内部FIFO同步被动模式实现所述电晕电流信号数据的高速传送。

5.根据权利要求1所述的电晕电流信号的高速传输系统，其特征在于：

所述第一、第二光端机收发模块包括顺次连接的USB物理接口、FPGA控制模块和光收发模块，USB物理接口的将电晕电流信号通过USB通讯接口后产生的USB差分信号转换为常用的CMOS电平信号；光收发模块用于完成光电转换作用；FPGA控制模块控制信号传输。

6.根据权利要求5所述的电晕电流信号的高速传输系统，其特征在于：

所述的光收发模块采用AVAGO公司的HFBR-1414TZ或HFBR-2416TZ，提供最远达2.7km的传输距离，达到125MHz模拟接收。

7.根据权利要求1所述的电晕电流信号的高速传输系统，其特征在于：

所述光纤和光纤绝缘子包括光纤传输介质和一普通绝缘子，将光纤传输介质封存在普通绝缘子中，保护光纤数据传输以及测试装置的安全和稳定。

8.根据权利要求7所述的电晕电流信号的高速传输系统，其特征在于：所述光纤采用十六芯多模室外光纤。