CN103176037A - 一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡 - Google Patents

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本发明提供一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡，交流信号采集板卡包括信号采集模块、AD转换模块、CPLD模块、EtherCAT从站模块和输入输出模块；CPLD模块连接控制AD转换模块和EtherCAT从站模块；信号采集模块采集柔性交流输电装置的主电路的电压和电流转换成交流电压模拟信号；AD转换模块将低电压模拟信号转换成数字信号；CPLD模块对AD转换模块转换生成的数字信号进行读取；EtherCAT从站模块一端与CPLD模块相连，另一端与交流信号采集板卡外的EtherCAT总线连接，将CPLD模块发送来的数字信号传输到EtherCAT总线上。本发明提供的一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡，采用独立的AD转换芯片，能够以16位的高精度对交流信号进行采样，采用差分输入方式，减小共模干扰对采样信号的影响。

Description

一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡
技术领域
本发明涉及电力电子装置控制保护技术领域，具体涉及一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡。
背景技术
电力电子装置是由各类电力电子电路组成的装置，用于大功率电能的变换和控制，柔性交流输电技术属于其中的核心技术。动态电压恢复器（dynamic voltage restorers，DVR）、静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）、静止同步串联补偿器（Staticsynchronous series compensator,SSSC）、统一潮流控制器（Unified power flow controller,UPFC）等都是柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）的核心装置。上述新型FACTS装置用来提高交流输电系统的可控性和传输容量。
柔性交流输电装置的控制系统需要在每个采样周期内采样与系统相关的交流电压电流模拟量，并通过数字信号处理器(Digital Signal Processer，DSP)进行复杂的计算来实现装置的控制策略和保护算法。采用数字信号处理器DSP自带的AD（Analog Digital，模拟数字）转换器无法满足高精度采样的要求，且电路拓扑确定后就无法再增加信号采集通道的数量。需要采用独立的信号采集板以实现信号采集通道数的拓展，采用专用的高精度模数AD转换芯片以实现高精度采样的需求，采用工业总线技术实现采集板到控制板的大量采集数据实时传输。
发明内容
本发明涉及一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡，所述交流信号采集板卡包括信号采集模块、AD转换模块、CPLD模块、EtherCAT从站模块和输入输出模块；
所述CPLD模块连接控制所述AD转换模块和EtherCAT从站模块；
所述信号采集模块采集所述柔性交流输电装置的主电路的电压和电流转换成交流电压模拟信号；
所述AD转换模块将所述低电压模拟信号转换成数字信号；
所述CPLD模块对所述AD转换模块转换生成的所述数字信号进行读取；
所述EtherCAT从站模块一端与所述CPLD模块相连，另一端与所述交流信号采集板卡外的EtherCAT总线连接，将所述CPLD模块发送来的所述数字信号传输到所述EtherCAT总线上。
本发明提供的第一优选实施例中：所述交流信号采集板卡包括信号调理模块，所述信号采集模块和AD转换模块通过所述信号调理模块进行连接，所述信号调理模块包括滤波电路，所述信号采集模块转换生成所述交流电压模拟信号后，所述滤波电路对所述交流电压模拟信号进行过滤，减小所述交流电压模拟信号上的高频干扰。
本发明提供的第二优选实施例中：所述信号采集模块包括PT和CT，所述PT将所述柔性交流输电装置的主电路的电压转换成所述交流电压模拟信号，所述CT将所述柔性交流输电装置的主电路的电流转换成所述交流电压模拟信号。
本发明提供的第三优选实施例中：所述信号采集模块包括3个PT和3个CT，所述AD转换模块采用AD7675芯片，所述3个PT和3个CT分别连接一片所述AD7675芯片，所述6片AD7675芯片对所述6路交流电压或交流电流信号分别进行转换；
所述交流电压模拟信号采用差分输入方式输入所述AD7675芯片。
本发明提供的第四优选实施例中：所述AD7675芯片的并行数据输出端连接到并行数据总线上，所述CPLD模块与所述AD转换模块包含的6片AD7675芯片均通过所述并行数据总线连接；
所述CPLD模块与所述AD转换模块还通过片选信号、启动转换信号、正在转换信号和读数据信号通信连接。
本发明提供的第五优选实施例中：所述交流信号采集板卡还包括与所述CPLD模块连接的开关量输入输出接口模块；
至少三块所述交流信号采集板卡采用主、从模式配合连接使用，至少三个的所述交流信号采集板卡中，一个所述交流信号采集板卡采用主模式运行，另外的所述交流信号采集板卡采用从模式运行，所述开关量输入输出接口模块和背板I/O总线连接，通过所述背板I/O总线收发同步采样信号；
运行过程中，所述采用主模式运行的交流信号采集板主板卡的所述CPLD模块不断的循环计数，当计数值达到计数周期时，启动所述AD转换模块进行转换，同时通过所述背板I/O发出所述同步采集信号；
所述采用从模式运行的交流信号采集板的所述CPLD模块接收到所述同步采集信号后，立即启动所述AD转换模块进行转换；
所述采用从模式运行的交流信号采集板的所有AD转换模块转换完成后，所述CPLD模块通过所述并行数据总线逐个读取转换数据，再写入所述EtherCAT从站模块，并通过所述背板I/O总线给所述采用主模式运行的交流信号采集板主板卡发送启动EtherCAT总线的信号；所采集的电量数据将通过所述EtherCAT总线传输到其他板卡。
本发明提供的第六优选实施例中：所述EtherCAT模块通过低压差分信号接口与另外的交流信号采集板卡的EtherCAT模块进行连接。
本发明提供的第七优选实施例中：所述CPLD模块在计数值达到计数周期时，将输出一路片选信号同时选中所述6片AD7675，输出一路启动转换信号同时启动所述6片AD7675开始转换；
在转换过程中，所述6片AD7675会分别输出6路正在转换信号给所述CPLD模块，使所述CPLD模块继续等待；当所有所述正在转换信号为低电平时，模数转换完成；
所述CPLD模块将通过逐个拉低读数据信号，使所述AD7675芯片的转换结果逐一传输到并行数据总线上，然后读取到所述CPLD模块的缓存中。
本发明提供的第八优选实施例中：所述EtherCAT从站模块采用信号为ET1100的芯片；所述开关量输入输出接口模块采用型号为SN74LVTH164245的电平转换芯片作为电平转换接口，所述SN74LVTH164245的开关量方向受所述件CPLD模块控制。
本发明提供的一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡的有益效果包括：
1、本发明提供的一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡，包括AD转换模块，采用独立的AD转换芯片，能够以16位的高精度对交流信号进行采样，并且AD转换芯片采用差分输入方式，能减小共模干扰对采样信号的影响。
2、采用6个AD芯片对6路交流信号进行采样，实现了多路信号的同时采集。
3、可以通过主、从站两种运行模式的配合使用，实现多块采集板的同时采样，易于拓展系统的采集通道数。
4、使用工业以太网EtherCAT总线作为实时通讯接口，数据传输速度达到100Mbit/s，可以保证采集板向系统主控板高速可靠地传递数据。
5、采用PT、CT对交流电量进行测量，可对被测线路与采集板进行电气隔离。
附图说明
如图1所示为本发明提供的一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡的结构示意图；
如图2所示为本发明提供的一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡的实施例的结构示意图；
如图3所示为本发明提供的AD7675芯片与XC95288XL芯片的连接接口示意图；
如图4所示为本发明提供的CPLD模块与EtherCAT从站模块的接口示意图；
如图5所示为本发明提供的多块采集板卡分别采用主、从模式运行时的系统总体结构图；
如图6所示为本发明提供的CPLD模块与开关量输入输出接口模块的接口示意图。
具体实施方式
本发明提供一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡，其结构示意图如图1所示，包括信号采集模块、AD转换模块、CPLD（Complex Programmable Logic Device复杂可编程逻辑器件)模块、EtherCAT从站模块和输入输出模块。CPLD模块连接控制AD转换模块和EtherCAT从站模块，信号采集模块采集柔性交流输电装置的主电路的电压和电流分别转换成交流电压模拟信号。AD转换模块将低电压模拟信号转换成数字信号。CPLD模块对AD转换模块转换生成的数字信号进行读取，EtherCAT从站模块一端与CPLD模块相连，另一端与交流信号采集板卡外的EtherCAT总线连接，EtherCAT从站模块将CPLD模块发送来的数字信号传输到EtherCAT总线上。
如图2所示为本发明提供的一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡的实施例的结构示意图，由图2可知，本发明提供的一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡的实施例还包括信号调理模块和开关量输入输出接口模块等。
信号采集模块和AD转换模块通过信号调理模块进行连接，信号调理模块包括滤波电路，信号采集模块转换生成交流电压模拟信号后，滤波电路对该交流电压模拟信号进行过滤，减小信号上的高频干扰。
信号采集模块包括PT（Power Transformer，电压互感器）和CT（Current Transformer，电流互感器），PT将柔性交流输电装置的主电路的电压转换成交流电压模拟信号，CT将柔性交流输电装置的主电路的电流转换成交流电压模拟信号，采用PT和CT对交流电压和电流分别进行测量，可以对被测线路与采集板进行电气隔离。
本实施例提供的一种交流信号采集板卡的信号采集模块包括3个PT和3个CT，实现3路交流电压和3路交流电流同时进行采集，AD转换模块采用AD7675芯片，3个PT和3个CT分别连接一片AD7675芯片，6片AD7675芯片对6路交流电压或交流电流信号分别进行转换，AD7675芯片能够以16位的高精度对交流电压和电流信号进行采样，同时，AD7675芯片只有一个差分结构的模拟信号输入通道，经过信号调理模块的滤波电路过滤后的交流电压模拟信号采用差分输入方式输入AD7675芯片，减小共模干扰对采样的交流电压模拟信号的影响。
CPLD模块为交流信号采集板卡的核心控制器，对AD转换模块进行启动、停止以及转换生成的数字信号进行读取，CPLD模块可以采用XC95288XL芯片，如图3所示为AD7675芯片与XC95288XL芯片的连接接口示意图，由图3可知，AD7675芯片的并行数据输出端连接到并行数据总线上，CPLD模块与AD转换模块包含的6片AD7675芯片均通过该并行数据总线连接。CPLD模块在计数值达到计数周期时，将输出一路片选信号（/CS）同时选中6片AD7675，而后再输出一路启动转换信号（/CNVST）同时启动6片AD7675开始转换。在转换过程中，6片AD7675会分别输出6路正在转换信号（BUSYn）给CPLD，使CPLD继续等待。当所有BUSY信号为低电平时，AD转换完成。CPLD将通过逐个拉低读数据信号（/RDn），使AD7675的转换结果逐一传输到并行数据总线（ADATA[0..15]）上，然后读取到CPLD的缓存中。
本发明提供的一种交流信号采集板卡的实施例，多块采集板卡可以采用主、从模式配合连接使用，如图5为多块采集板卡分别采用主、从模式运行时的系统总体结构图，至少三个的交流信号采集板卡中，一个交流信号采集板卡采用主模式运行，其它的采集板卡采用从模式运行，开关量输入输出接口模块与CPLD模块连接和背板I/O总线连接，通过背板I/O总线收发同步采样信号。运行过程中，采用主模式运行的交流信号采集板主板卡的CPLD模块不断的循环计数，当计数值达到计数周期时，启动AD转换模块进行转换，同时通过背板I/O发出同步采集信号。采用从模式运行的交流信号采集板的CPLD接收到该同步采集信号后，立即启动AD转换模块进行转换。采用从模式运行的交流信号采集板的所有AD模块转换完成后，CPLD通过并行数据总线逐个读取转换数据，再写入EtherCAT从站模块，并通过背板I/O总线给EtherCAT主站板卡发送启动EtherCAT总线的信号。所采集的电量数据将通过EtherCAT总线传输到主控板卡、保护板卡等其他板卡。实现多块采集板卡的同时采样，易于拓展系统的采集通道数。EtherCAT模块通过低压差分信号接口与另外的交流信号采集板卡的EtherCAT模块进行连接
图6为CPLD模块与开关量输入输出接口模块的接口示意图。16路开关量输入输出接口左侧连接XC95288XL的IO口，右侧连接电平转换芯片SN74LVTH164245，电平转换芯片将转换后的5V电平信号送到背板I/O接口，从而与其它板卡相连。XC95288XL可根据不同的运行模式，通过控制IO方向信号，可配置电平转换芯片SN74LVTH164245的I/O方向为输入或是输出。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种柔性交流输电装置用交流信号采集板卡，其特征在于，所述交流信号采集板卡包括信号采集模块、AD转换模块、CPLD模块、EtherCAT从站模块和输入输出模块；
所述CPLD模块连接控制所述AD转换模块和EtherCAT从站模块；
所述信号采集模块采集所述柔性交流输电装置的主电路的电压和电流转换成交流电压模拟信号；
所述AD转换模块将所述低电压模拟信号转换成数字信号；
所述CPLD模块对所述AD转换模块转换生成的所述数字信号进行读取；
所述EtherCAT从站模块一端与所述CPLD模块相连，另一端与所述交流信号采集板卡外的EtherCAT总线连接，将所述CPLD模块发送来的所述数字信号传输到所述EtherCAT总线上。
2.如权利要求1所述的交流信号采集板卡，其特征在于，所述交流信号采集板卡包括信号调理模块，所述信号采集模块和AD转换模块通过所述信号调理模块进行连接，所述信号调理模块包括滤波电路，所述信号采集模块转换生成所述交流电压模拟信号后，所述滤波电路对所述交流电压模拟信号进行过滤，减小所述交流电压模拟信号上的高频干扰。
3.如权利要求1所述的交流信号采集板卡，其特征在于，所述信号采集模块包括PT和CT，所述PT将所述柔性交流输电装置的主电路的电压转换成所述交流电压模拟信号，所述CT将所述柔性交流输电装置的主电路的电流转换成所述交流电压模拟信号。
4.如权利要求3所述的交流信号采集板卡，其特征在于，所述信号采集模块包括3个PT和3个CT，所述AD转换模块采用AD7675芯片，所述3个PT和3个CT分别连接一片所述AD7675芯片，所述6片AD7675芯片对所述6路交流电压或交流电流信号分别进行转换；
所述交流电压模拟信号采用差分输入方式输入所述AD7675芯片。
5.如权利要求4所述的交流信号采集板卡，其特征在于，所述AD7675芯片的并行数据输出端连接到并行数据总线上，所述CPLD模块与所述AD转换模块包含的6片AD7675芯片均通过所述并行数据总线连接；
所述CPLD模块与所述AD转换模块还通过片选信号、启动转换信号、正在转换信号和读数据信号通信连接。
6.如权利要求1所述的交流信号采集板卡，其特征在于，所述交流信号采集板卡还包括与所述CPLD模块连接的开关量输入输出接口模块；
至少三块所述交流信号采集板卡采用主、从模式配合连接使用，至少三个的所述交流信号采集板卡中，一个所述交流信号采集板卡采用主模式运行，另外的所述交流信号采集板卡采用从模式运行，所述开关量输入输出接口模块和背板I/O总线连接，通过所述背板I/O总线收发同步采样信号；
运行过程中，所述采用主模式运行的交流信号采集板主板卡的所述CPLD模块不断的循环计数，当计数值达到计数周期时，启动所述AD转换模块进行转换，同时通过所述背板I/O发出所述同步采集信号；
所述采用从模式运行的交流信号采集板的所述CPLD模块接收到所述同步采集信号后，立即启动所述AD转换模块进行转换；
所述采用从模式运行的交流信号采集板的所有AD转换模块转换完成后，所述CPLD模块通过所述并行数据总线逐个读取转换数据，再写入所述EtherCAT从站模块，并通过所述背板I/O总线给所述采用主模式运行的交流信号采集板主板卡发送启动EtherCAT总线的信号；所采集的电量数据将通过所述EtherCAT总线传输到其他板卡。
7.如权利要求6所述的交流信号采集板卡，其特征在于，所述EtherCAT模块通过低压差分信号接口与另外的交流信号采集板卡的EtherCAT模块进行连接。
8.如权利要求6所述的交流信号采集板卡，其特征在于，所述CPLD模块在计数值达到计数周期时，将输出一路片选信号同时选中所述6片AD7675，输出一路启动转换信号同时启动所述6片AD7675开始转换；
在转换过程中，所述6片AD7675会分别输出6路正在转换信号给所述CPLD模块，使所述CPLD模块继续等待；当所有所述正在转换信号为低电平时，模数转换完成；
所述CPLD模块将通过逐个拉低读数据信号，使所述AD7675芯片的转换结果逐一传输到并行数据总线上，然后读取到所述CPLD模块的缓存中。
9.如权利要求6所述的交流信号采集板卡，其特征在于，所述EtherCAT从站模块采用信号为ET1100的芯片；所述开关量输入输出接口模块采用型号为SN74LVTH164245的电平转换芯片作为电平转换接口，所述SN74LVTH164245的开关量方向受所述件CPLD模块控制。
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