CN103338074A - 一种可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤通讯领域，具体涉及一种可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统及其方法。该系统包括依次通过光纤连接的测量装置、接收单元和控制保护系统；所述测量装置的发送光头将编码后的光信号通过光纤发送出去，接收单元通过接收光头和信号转换模拟电路把光信号转换为数字信号并解码，使得控制保护系统接收到标准的McBSP数据。本发明在光纤信号连接方面使用了全新的设计，充分利用光信号传输电气隔离以及串行通讯编码传输的优点，不仅提高了模拟量采集传输的速率和可靠性，也极大的减少了测量装置与控制保护系统之间的光纤连接数量，简化了系统结构。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通讯领域，具体涉及一种可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统及其方法。
背景技术
一般的可控高压并联电抗器（简称可控高抗）控制保护系统结构较复杂，控制保护和测量装置连线较多，工程中一般都需要若干路模拟量测量通道，采样频率一般要求每周波128点（6400HZ）或256点（12800HZ），需要传输的模拟数据量较大，使用串行通信传输时，通讯速率至少10Mbit/s，否则无法满足工程需求。
测量装置是可控高压并联电抗器控制保护系统的一个重要组成部分，是控制保护系统所需模拟量的来源。它负责采集来自线路/母线和设备自身的电压电流，转换为数字信号后通过光纤通讯的形式传输，将电压、电流数据发送给控制保护系统计算单元。
现有测量装置通常有的采用以太网传输模拟量数据，实时性和抗干扰性不好；有的采用差分的电信号传输，测量装置不能和控制保护系统隔离，测量系统受到高压冲击时会直接损坏控制保护系统；有的采用光纤通道传输，发送光头可以达到100Mbit/s的速率，数字接收光头最大只有5Mbit/s的速率，需要很多路光纤并行传输才能满足，结构复杂，难以保证多通道数据传输的同步，同时也降低的系统的可靠性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统，另一目的是提供一种可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码方法，本发明在光纤信号连接方面使用了全新的设计，充分利用光信号传输电气隔离以及串行通讯编码传输的优点，不仅提高了模拟量采集传输的速率和可靠性，也极大的减少了测量装置与控制保护系统之间的光纤连接数量，简化了系统结构。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统，其改进之处在于，所述系统包括依次通过光纤连接的测量装置、接收单元和控制保护系统；所述测量装置的发送光头将编码后的光信号通过光纤发送出去，接收单元通过接收光头和信号转换模拟电路把光信号转换为数字信号并解码，使得控制保护系统接收到标准的（McBSP是TI公司生产的数字信号处理芯片的多通道缓冲串行口标准）McBSP数据。
其中，所述光纤包括三根并行设置的光纤，分别为时钟CLK光纤、同步FS光纤和数据DATA光纤；时钟CLK光纤传输时钟信号，输出脉冲周期占空比为1:1；同步FS光纤传输同步信号，在数据起始位产生一个高电平，输出脉冲周期占空比为1:1；数据DATA光纤传输数字信号，根据测量数据的不同输出不同的脉冲周期占空比。（脉冲周期占空比根据设置不同参数，来改变数据发送频率和内容，从而改变占空比）
其中，所述测量装置包括CPU1、FPGA芯片以及设置在FPGA芯片上的发送光头；所述CPU1与通过所述三根光纤与FPGA芯片连接。
其中，所述接收单元包括接收光头及其信号转换模拟电路、以及CPLD芯片；所述信号转换模拟电路通过所述三根光纤与CPLD芯片连接，所述接收光头的传输速率达到100Mbit/s的速率；所述接收光头采用HFBR-2412T芯片实现。
其中，所述信号转换模拟电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、电阻R1-R10以及电容C1-C3；
所述电阻R1和电阻R2串联后与第一运算放大器的同相输入端连接；第一运算放大器的反相输入端通过电阻R3接入第二运算放大器的同相输入端；所述第一运算放大器的输出端通过电阻R9接入第四运算放大器的同相输入端；
第二运算放大器的反相输入端直接与其输出端连接；电容C1与电阻R6串联后接入第三运算放大器的同相输入端；电阻R4与电容C2串联后与电阻R5连接后接入第三运算放大器的反相输入端；电阻R4与电容C2连接在电容C1与电阻R6之间；
在第三运算放大器的反相输入端和输出端之间并联设置电阻R7与电容C3；第三运算放大器的输出端通过电阻R8接入第四运算放大器的反相输入端；第四运算放大器的输出端与CPLD芯片连接；电阻R10连接在第四运算放大器的负电侧。
其中，所述控制保护系统包括CPU2，用来接收标准的McBSP数据。
本发明基于另一目的提供的一种可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码方法，其改进之处在于，所述方法应用于可控高压并联电抗器的控制保护与测量装置之间的光纤通讯，测量装置的测量数据遵循McBSP通讯数据格式，包括下述步骤：
A、测量装置的CPU1输出的McBSP数据电信号经过FPGA芯片编码后转换为光信号，并通过光纤发送给接收单元；
B、接收单元的接收光头接收光信号，信号转换模拟电路将光信号转换为数字信号后传输给CPLD芯片，所述CPLD芯片将数字信号解码后传输给控制保护系统；
C、控制保护系统用于可控高抗晶闸管阀保护和高抗容量调节控制，包括CPU2，所述CPU2接收标准的McBSP数据电信号。
其中，所述步骤A中，FPGA芯片McBSP数据电信号进行编码包括：对时钟信号CLK倍频，同步信号FS编码成占空比1:1的脉冲信号，数据信号DATA无调整。
其中，所述步骤B中，CPLD芯片对数字信号解码包括：CPLD芯片在倍频时钟信号CLK的下降沿对同步信号FS和数据信号DATA进行采样，恢复时钟信号CLK和同步信号FS的McBSP数据格式。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明采用能把光信号转换为模拟电信号的接收光头，最大能达到100Mbit/s的速率。测量数据传输遵循McBSP通讯数据格式，用运放电路把接收光头的模拟信号调整为数字信号，再将原测量传输数据在McBSP通讯数据格式基础上进行特殊编码，解决了测量数据接收时产生相位差导致数据接收频繁出错的问题。
2、本发明充分利用光纤串行编码传输的优点，使用三根光纤传输所有的测量数据，极大的减少了测量装置与控制保护系统之间的光纤连接数量，且增强了可靠性。
3、本发明提供的可控高抗测量装置与控制保护系统是基于DSP/FPGA/ARM等高端芯片，控制保护和测量装置采用分层分布式设计思想，即测量和控制保护系统的功能划分开以及设备布置分开；采用光纤通信，充分隔离，采用特有的串行通信方式，大幅度缩减了光纤连接数量和控制器板卡数量，减少了大量的信号转接环节，节约开发成本，也很大程度提高了设备运行的稳定性，可靠性，可以适用于超高压及特高压可控并联电抗器应用。
4、本发明在光纤信号连接方面使用了全新的设计，充分利用光信号传输电气隔离以及串行通讯编码传输的优点，不仅提高了模拟量采集传输的速率和可靠性，也极大的减少了测量装置与控制保护系统之间的光纤连接数量，简化了系统结构。
5、在故障诊断方面，控制保护系统可在数据传输的应用层增加数据校验等出错处理机制，从而保证通讯的可靠性。
附图说明
图1是本发明提供的为标准McBSP串行通讯格式图；
图2是本发明提供的在McBSP基础上编码的串行通讯格式图；
图3是本发明提供的数据传输光纤通道编解码系统原理框图；
图4是本发明提供的接收光头信号转换模拟电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供一种可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统，其原理框图如图3所示，包括依次通过光纤连接的测量装置、接收单元和控制保护系统；所述测量装置的发送光头将编码后的光信号通过光纤发送出去，接收单元通过接收光头和信号转换模拟电路把光信号转换为数字信号并解码，使得控制保护系统接收到标准的McBSP数据。所述光信号和电信号均为McBSP数据。
通讯物理层使用McBSP通讯格式，波特率初定10MBps。光纤通讯编解码系统中的各个部分均通过一路时钟CLK、一路同步FS、一路数据DATA，共三根并行设置的光纤连接。第一路光纤传输时钟信号，输出脉冲周期占空比为1:1，第二路光纤传输同步信号，仅在数据起始位产生一个高电平，输出脉冲周期占空比为1:1，第三路光纤传输数字信号，根据测量数据的不同输出不同的脉冲周期占空比，其标准格式如图1所示。
测量装置包括CPU1、FPGA芯片以及设置在FPGA芯片上的发送光头；所述CPU1与通过所述三根光纤与FPGA芯片连接。
接收单元包括接收光头及其信号转换模拟电路、以及CPLD芯片；所述信号转换模拟电路通过所述三根光纤与CPLD芯片连接，所述接收光头的传输速率达到100Mbit/s的速率。接收光头是采用HFBR-2412T芯片实现的。
信号转换模拟电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、电阻R1-R10以及电容C1-C3；
所述电阻R1和电阻R2串联后与第一运算放大器的同相输入端连接；第一运算放大器的反相输入端通过电阻R3接入第二运算放大器的同相输入端；所述第一运算放大器的输出端通过电阻R9接入第四运算放大器的同相输入端；第二运算放大器的反相输入端直接与其输出端连接；电容C1与电阻R6串联后接入第三运算放大器的同相输入端；电阻R4与电容C2串联后与电阻R5连接后接入第三运算放大器的反相输入端；电阻R4与电容C2连接在电容C1与电阻R6之间；在第三运算放大器的反相输入端和输出端之间并联设置电阻R7与电容C3；第三运算放大器的输出端通过电阻R8接入第四运算放大器的反相输入端；第四运算放大器的输出端与CPLD芯片连接；电阻R10连接在第四运算放大器的负电侧。控制保护系统用于可控高抗晶闸管阀保护和高抗容量调节控制，包括CPU2，用来接收标准的McBSP数据。本发明提供的接收光头信号转换模拟电路如图4所示。
本发明提供一种可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码方法，所述方法应用于可控高压并联电抗器的控制保护与测量装置之间的光纤通讯，测量装置的测量数据遵循McBSP通讯数据格式，包括下述步骤：
A、测量装置的CPU1输出的McBSP数据电信号经过FPGA芯片编码后转换为光信号，并通过光纤发送给接收单元：
接收光头的模拟电路（如图4所示）受运放性能参数和电路中电容元件的影响，在高频信号通过时会产生相位延时。通过实际测试发现，使用标准McBSP协议传输数据时，接收光头的模拟电路在通过脉冲周期占空比为1:1的时钟信号CLK时，能够转换出没有相位延时的时钟CLK信号；模拟电路在通过脉冲周期占空比为1:15的同步信号FS时，转换出的同步信号有着很大的相位延时；模拟电路在通过脉冲周期不确定的数字信号DATA时，转换出的数字信号也有着不同的相位延时。在此情况下转换出的McBSP帧时序波形已经不再是标准的MCBSP数据格式，控制保护系统在接收时，会频繁出错，无法使用。
针对以上情况，对测量数据通讯的物理层McBSP协议在数据发送前使用FPGA芯片做了编码，给时钟信号CLK倍频，同步信号FS也编码成占空比1:1的脉冲信号，数据信号DATA不做调整，即由图1转为图2的格式。
B、接收单元的接收光头接收光信号，信号转换模拟电路将光信号转换为数字信号后传输给CPLD芯片，所述CPLD芯片将数字信号解码后传输给控制保护系统：
编码的时钟信号CLK和同步信号FS在通过接收光头的模拟电路时没有产生相位延时，数字信号DATA产生的相位延时在允许范围内。为保证输出到控制保护系统的模拟量数据能够被接收，格式必须符合标准McBSP数据，用CPLD芯片对编码后的数字信号进行解码，CPLD在倍频时钟信号CLK的下降沿对同步信号FS和数据信号DATA进行采样，这样能够兼容数据信号DATA产生的相位延时，解决了数据信号DATA在模拟电路转换中得相位延时问题，恢复时钟信号CLK和同步信号FS的MCBSP格式，即再由图2转为图1的格式。
C、控制保护系统的CPU2接收标准的McBSP数据电信号：
在故障诊断方面，控制保护系统可在数据传输的应用层增加数据校验等出错处理机制，从而保证通讯的可靠性。
本发明提供的可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统及其方法，采用分层分布相互隔离，大大简化系统设计，增加了配置的灵活性，可靠性，方便多路测量通道的扩展；充分利用串行编码传输的优点，极大提高了通讯速率，减少了测量装置与控保机箱之间的光纤连接数量，节约装置成本。提高了设备运行的稳定性，可靠性，可以适用于可控高抗控制保护系统和测量装置之间的通讯。
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)
1.一种可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统，其特征在于，所述系统包括依次通过光纤连接的测量装置、接收单元和控制保护系统；所述测量装置的发送光头将编码后的光信号通过光纤发送出去，接收单元通过接收光头和信号转换模拟电路把光信号转换为数字信号并解码，使得控制保护系统接收到标准的McBSP数据。
2.如权利要求1所述的可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统，其特征在于，所述光纤包括三根并行设置的光纤，分别为时钟CLK光纤、同步FS光纤和数据DATA光纤；时钟CLK光纤传输时钟信号，输出脉冲周期占空比为1:1；同步FS光纤传输同步信号，在数据起始位产生一个高电平，输出脉冲周期占空比为1:1；数据DATA光纤传输数字信号，根据测量数据的不同输出不同的脉冲周期占空比。
3.如权利要求1所述的可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统，其特征在于，所述测量装置包括CPU1、FPGA芯片以及设置在FPGA芯片上的发送光头；所述CPU1与通过所述三根光纤与FPGA芯片连接。
4.如权利要求1所述的可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统，其特征在于，所述接收单元包括接收光头及其信号转换模拟电路、以及CPLD芯片；所述信号转换模拟电路通过所述三根光纤与CPLD芯片连接，所述接收光头的传输速率达到100Mbit/s的速率；所述接收光头采用HFBR-2412T芯片实现。
5.如权利要求3所述的可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统，其特征在于，所述信号转换模拟电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、电阻R1-R10以及电容C1-C3；
所述电阻R1和电阻R2串联后与第一运算放大器的同相输入端连接；第一运算放大器的反相输入端通过电阻R3接入第二运算放大器的同相输入端；所述第一运算放大器的输出端通过电阻R9接入第四运算放大器的同相输入端；
第二运算放大器的反相输入端直接与其输出端连接；电容C1与电阻R6串联后接入第三运算放大器的同相输入端；电阻R4与电容C2串联后与电阻R5连接后接入第三运算放大器的反相输入端；电阻R4与电容C2连接在电容C1与电阻R6之间；
在第三运算放大器的反相输入端和输出端之间并联设置电阻R7与电容C3；第三运算放大器的输出端通过电阻R8接入第四运算放大器的反相输入端；第四运算放大器的输出端与CPLD芯片连接；电阻R10连接在第四运算放大器的负电侧。
6.如权利要求1所述的可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码系统，其特征在于，所述控制保护系统包括CPU2，用来接收标准的McBSP数据。
7.一种可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码方法，其特征在于，所述方法应用于可控高压并联电抗器的控制保护与测量装置之间的光纤通讯，测量装置的测量数据遵循McBSP通讯数据格式，包括下述步骤：
A、测量装置的CPU1输出的McBSP数据电信号经过FPGA芯片编码后转换为光信号，并通过光纤发送给接收单元；
B、接收单元的接收光头接收光信号，信号转换模拟电路将光信号转换为数字信号后传输给CPLD芯片，所述CPLD芯片将数字信号解码后传输给控制保护系统；
C、控制保护系统用于可控高抗晶闸管阀保护和高抗容量调节控制，包括CPU2，所述CPU2接收标准的McBSP数据电信号。
8.如权利要求7所述的可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码方法，其特征在于，所述步骤A中，FPGA芯片McBSP数据电信号进行编码包括：对时钟信号CLK倍频，同步信号FS编码成占空比1:1的脉冲信号，数据信号DATA无调整。
9.如权利要求7所述的可控高压并联电抗器的光纤通讯编解码方法，其特征在于，所述步骤B中，CPLD芯片对数字信号解码包括：CPLD芯片在倍频时钟信号CLK的下降沿对同步信号FS和数据信号DATA进行采样，恢复时钟信号CLK和同步信号FS的McBSP数据格式。
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