CN104155545A - 一种基于gps信号的多通道模拟量采集模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，包括有GPS天线、GPS信号接收模块、高精度恒温晶振、FPGA控制模块和多通道采样电路，GPS天线通过GPS信号接收模块连接至FPGA控制模块，所述高精度恒温晶振给FPGA控制模块提供时钟信号，所述FPGA控制模块与多通道采样电路连接。本发明通过FPGA控制模块接收GPS信号来同步接收多通道采样电路，保证了多路数据采集的精确时序控制以及采样的高速和实时性；同时将多通道采样电路分为九路独立的采样电路，分别对保护电流、测量电流和电压信号进行同步采集，同时提供了MU测试所需的全部源信号，提高了测试试验效率和测试的全面性。本发明作为一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块可广泛应用于合并单元的测试技术领域。

Description

一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块

技术领域

本发明涉及智能电网中合并单元的测试技术领域，尤其是一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块。

背景技术

目前，智能变电站工程应用中的合并单元（MU）主要分为两大类，与电子式互感器采集单元相连的数字量输入MU，以及和传统电流电压互感器相连的模拟量输入MU。其中，传统互感器与MU配合已经是一个被业内接受并广泛应用的方案。MU作为一个独立运行的自动化装置而出现，负责完成一个间隔内多支互感器输出的模拟量实时数据采集，数据同步，数据的处理和发送，以及其他必要的开关量采集、自检等等功能。MU作为过程层的接口设备，对于所有间隔层设备和整个站控层系统的安全稳定运行，起着至关重要的作用。

合并单元测试仪是对MU这一运行设备进行功能和性能检测的设备，是替应用MU数据的间隔层保护，计量，监控，故障录波等装置进行把关的关键检测设备，其主要功能包括检测MU的所有数据通道的比差、角差、复合误差、绝对延时时间、信噪比、暂态最大峰值误差、衰减时间常数等指标，以及MU报文抖动时间、同步守时精度、多通道同步性检测等功能。检测的原理是直接比较式，即接收MU的输出信号作为被试信号，同时接收并采集输入到MU的模拟量信号，作为检测的标准源信号，通过将被试信号和标准源信号进行比较完成上述各种测试功能。可见，合并单元测试仪对模拟标准源信号的采集，关系到整个测试试验的准确度和可信度，而现有技术中通常对信号的采集不够完整，从而导致测试试验效率低，并且由于采样数据的不同步，导致MU测试中试品数据的同步分析不精确。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种基于GPS信号的高精度、高带宽、高速同步多通道模拟量采集模块。

本发明所采用的技术方案是：一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，包括有GPS天线、GPS信号接收模块、高精度恒温晶振、FPGA控制模块和多通道采样电路，所述GPS天线通过GPS信号接收模块连接至FPGA控制模块的GPS信号接收端，所述高精度恒温晶振的输出端连接至FPGA控制模块的时钟信号输入端，所述FPGA控制模块与多通道采样电路连接。

进一步，所述多通道采样电路为九路独立的采样电路，所述九路独立的采样电路包括有A相保护电流采样电路、B相保护电流采样电路、C相保护电流采样电路、A相测量电流采样电路、B相测量电流采样电路、C相测量电流采样电路、A相电压采样电路、B相电压采样电路和C相电压采样电路。

进一步，所述A相保护电流采样电路包括有霍尔电流转换器、第一低通滤波器和第一模数转换器，所述霍尔电流转换器的输出端依次通过第一低通滤波器和第一模数转换器连接至FPGA的采样数据输入端。

进一步，所述B相保护电流采样电路和C相保护电流采样电路具有同A相保护电流采样电路相同的电路结构。

进一步，所述A相测量电流采样电路包括有高精度CT、精密取样电阻、第二低通滤波器和第二模数转换器，所述高精度CT的输出端依次通过精密取样电阻、第二低通滤波器和第二模数转换器连接至FPGA的采样数据输入端。

进一步，所述B相测量电流采样电路和C相测量电流采样电路具有同A相测量电流采样电路相同的电路结构。

进一步，所述A相电压采样电路包括有高精度PT、第三低通滤波器和第三模数转换电路，所述高精度PT的输出端依次通过第三低通滤波器和第三模数转换电路连接至FPGA的采样数据输入端。

进一步，所述B相电压采样电路和C相电压采样电路具有同A相电压采样电路相同的电路结构。

进一步，所述FPGA控制模块包括有采样触发脉冲输出端和采样数据输入端，所述采样触发脉冲输出端用于向多通道采样电路中的模数转换模块输出采样触发脉冲信号，所述采样数据输入端用于接收多通道采样电路中的模数转换模块输出的采样信号。

进一步，所述GPS信号接收模块通过GPS天线接收到的GPS信号，所述FPGA控制模块根据GPS信号产生采样触发脉冲信号。

本发明的有益效果是：本发明通过FPGA控制模块接收GPS信号并利用GPS信号来同步接收多通道采样电路，保证了多路数据采集的精确时序控制以及采样的高速和实时性，又为MU测试中与试品数据的同步和事后分析增加了一个统一的时间参考维度；同时将多通道采样电路分为九路独立的采样电路，分别对保护电流、测量电流和电压信号进行同步采集，同时提供了MU测试所需的全部源信号，提高了测试试验效率和测试的全面性。

附图说明

图1为应用本发明的采样值网络传输示意图。

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说明：

参照图1，一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，包括有GPS天线、GPS信号接收模块、高精度恒温晶振、FPGA控制模块和多通道采样电路，所述GPS天线通过GPS信号接收模块连接至FPGA控制模块的GPS信号接收端，所述高精度恒温晶振的输出端连接至FPGA控制模块的时钟信号输入端，所述FPGA控制模块与多通道采样电路连接。

本发明中FPGA控制模块采用Xilinx的Spartan3系列产品XC3S1500，包含有150万个系统门，32个专用乘法器，4个数字时钟管理模块，逻辑资源丰富，运行速度快。FPGA利用精确的时序控制能力，完成以太网的MAC子层设计、MAC子层与以太网控制器的接口设计，以太网数据接收，ADC的控制，以及所有模拟采样值和数字采样值的时标的标定。

本发明中GPS信号接收模块为基于瑞士u-blox公司的LEA-5T高性能精确授时GPS模块, 补偿后的时间脉冲精确度可高达15纳秒。该模块只需一颗卫星即可工作，节省成本，体积小巧，可以轻松集成，适用于GPS、SBAS、 UMTS、GALILEO的信号跟踪，也可以用于跨越地理范围较大的系统和设备（如NTP时间服务器）之间需要精确授时的数据通讯。

进一步作为优选的实施方式，所述多通道采样电路为九路独立的采样电路，所述九路独立的采样电路包括有A相保护电流采样电路、B相保护电流采样电路、C相保护电流采样电路、A相测量电流采样电路、B相测量电流采样电路、C相测量电流采样电路、A相电压采样电路、B相电压采样电路和C相电压采样电路。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述A相保护电流采样电路包括有霍尔电流转换器、第一低通滤波器和第一模数转换器，所述霍尔电流转换器的输出端依次通过第一低通滤波器和第一模数转换器连接至FPGA的采样数据输入端。

保护电流幅值动态范围大，进行合并单元暂态特性测试时外部输入的电流瞬时值可能达到额定电流的90~100倍，电流中除了工频基波分量外，还含有丰富的谐波成分，以及含量不等的衰减直流暂态分量，因而，将保护电流转换成可供AD采集的电压信号时，要保证I/V转化环节的高带宽，以保证将电流的暂态特性高保真的传变到后端信号调理回路。目前国内MU的电流回路暂态精度最高采用5TPE级，据此I/V转换环节的精度控制在0.2%以内，本发明方案采用霍尔电流传感器来完成保护电流的I/V转换。霍尔电流传感器采用额定电流为300A的基于闭环磁平衡原理的高精度传感器，测量范围可达600A，精度为0.2%，di/dt跟随精度>200A/us，响应时间<1us，带宽达100kHz。霍尔电流传感器不和被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率；可以测量任意波形的电流如直流、交流、脉冲、三角波形等；响应时间快，可小于1us，工作频带宽，在0~100KHz 频率范围内的信号均可以测量。

霍尔电流传感器输出的电压信号进入第一低通滤波器，综合考虑测试试验中的暂态电流的频谱分布范围主要在15kHz以内，被测MU的带宽目前都不超过6.4kHz，故将第一低通滤波器的截止频率放在15kHz，尽可能的滤除与试验无关的高频分量的影响，防止频率混叠对试验精度的影响。低通滤波采用RC二阶低通滤波器设计，相对于一阶滤波器，二阶滤波器削减高频信号能起到更高的效果，过渡区衰减较快，频率增加一倍时信号幅值衰减75%（每倍频-12dB）。

第一模数转换器完成模拟量的采集，基于第一低通滤波器的截止频率为15kHz，滤波器的衰减过渡区宽度按1倍的截止频率考虑，则模数转换器需要采集的有效信号的频率范围为30kHz，根据奈奎斯特定律将模数转换器的采样率定为60kHz。

进一步作为优选的实施方式，所述B相保护电流采样电路和C相保护电流采样电路具有同A相保护电流采样电路相同的电路结构。

进一步作为优选的实施方式，所述A相测量电流采样电路包括有高精度CT、精密取样电阻、第二低通滤波器和第二模数转换器，所述高精度CT的输出端依次通过精密取样电阻、第二低通滤波器和第二模数转换器连接至FPGA的采样数据输入端。

三路测量电流的采集主要是用来完成合并单元测量电流通道的稳态性能测试，目前国内MU的测量电流精度最高为0.2S级，因而对于测量电流的采集应该将精度控制在0.05%以内，同时，测量电流的最大幅值不会超过额定电流的2倍，这是有别于保护电流测量的地方。测量电流的I/V转换，采取高精度CT加精密取样电阻的方式来完成，高精度CT的等级选用0.01S，精密电阻的精度选用0.01%，可以确保转换的高精度。

测量电流转换过来的电压信号进入第二低通滤波器，考虑到被测MU的带宽不超过6.4kHz，将第二低通滤波器的截止频率定为10kHz，可以满足稳态测试的各项试验对标准源的带宽要求。

第二模数转换器选型和第一模数转换器参数设计都完全相同，并按照多通道严格同步采样设计，故测量电流的采样频率也为60kHz。

进一步作为优选的实施方式，所述B相测量电流采样电路和C相测量电流采样电路具有同A相测量电流采样电路相同的电路结构。

进一步作为优选的实施方式，所述A相电压采样电路包括有高精度PT、第三低通滤波器和第三模数转换电路，所述高精度PT的输出端依次通过第三低通滤波器和第三模数转换电路连接至FPGA的采样数据输入端。

进一步作为优选的实施方式，所述B相电压采样电路和C相电压采样电路具有同A相电压采样电路相同的电路结构。

上述三路电压信号的输入范围不超过额定值的2倍，目前MU的电压通道的最高精度等级为0.2级，故本模块的的电压采样回路精度应该控制在0.05%以内。为此选用精度等级为0.01级的高精度PT完成高电压到低电压的转换。高精度PT的二次电压输出进入到第三低通滤波器，考虑到被测MU带宽不会超过6.5kHz，且MU电压通道稳态和暂态测试试验信号的带宽不会超过15kHz，此处的第三低通滤波器截止频率设计和保护电流的第一低通滤波器相同，即15kHz。第三低通滤波器输出的电压进入第三模数转换器，第三模数转换器的设计与上述第一模数转换器相同。

进一步作为优选的实施方式，所述FPGA控制模块包括有采样触发脉冲输出端和采样数据输入端，所述采样触发脉冲输出端用于向多通道采样电路中的模数转换模块输出采样触发脉冲信号，所述采样数据输入端用于接收多通道采样电路中的模数转换模块输出的采样信号。

进一步作为优选的实施方式，所述GPS信号接收模块通过GPS天线接收到的GPS信号，所述FPGA控制模块根据GPS信号产生采样触发脉冲信号。

九个通道的模数转换均采用24位∑-△架构高性能模数转换器AD7765，采样率定为60kHz时动态范围高达为115dB，该转换器具有出色的直流特性,非常适合在同时需要直流数据的情况下对交流信号进行高速数据采集。拥有全频片内FIR滤波器，可在奈奎斯特频率点上获得滤波器的全阻带衰减，此特性可更好地防止大于奈奎斯特频率的信号混叠回馈到输入信号带宽中。AD7765提供低功耗模式，可显著降低功耗，但不会降低输出数据速率或可用输入带宽。模数转换器由FPGA控制模块来控制，FPGA控制模块完成所有通道的采样触发脉冲的发送和模数转换采样数据的接收，采样脉冲由FPGA控制模块统一发出，确保多通道采样同步，模数转换通过SPI同步串行接口将采样值传给FPGA控制模块，在同一时间提供了MU测试所需的全部标准源信号，大大提高了测试试验效率和测试的全面性。

FPGA控制模块产生的采样脉冲与GPS信号同步，GPS天线连接到GPS信号接收模块，该模块完成GPS时间信号的提取，通过同步串行接口将时间信息发送给FPGA控制模块，同时发送1PPS秒脉冲信号给FPGA控制模块。

FPGA控制模块根据接收到的当前1pps信号并基于自身60M高精度晶振信号来产生模数转换所需的60kHz采样脉冲信号，每秒钟完成一次采样脉冲信号和1PPS信号的同步；同时，FPGA控制模块对接收到的每一个模数转换采样值数据标定当前的GPS时间信息。可见，多通道模拟量采集模块可以完成九通道的模拟量采集并标定对应的GPS时间。 

FPGA控制模块的运行时钟基于一个60M的高精度恒温晶振，以保证所有的时间控制的精度。

高精度恒温晶振采用OCXO50恒温晶振，-40至85度的工作温度，小于1ppb的温漂特性，-160dBc/1KHz的低相位噪声，最大10ppb/year的低老化，高精度晶振为PowerPC和FPGA提供时钟节拍，保证了时序控制的精确性，以及长期的稳定性。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，其特征在于：包括有GPS天线、GPS信号接收模块、高精度恒温晶振、FPGA控制模块和多通道采样电路，所述GPS天线通过GPS信号接收模块连接至FPGA控制模块的GPS信号接收端，所述高精度恒温晶振的输出端连接至FPGA控制模块的时钟信号输入端，所述FPGA控制模块与多通道采样电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，其特征在于：所述多通道采样电路为九路独立的采样电路，所述九路独立的采样电路包括有A相保护电流采样电路、B相保护电流采样电路、C相保护电流采样电路、A相测量电流采样电路、B相测量电流采样电路、C相测量电流采样电路、A相电压采样电路、B相电压采样电路和C相电压采样电路。

3.根据权利要求2所述的一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，其特征在于：所述A相保护电流采样电路包括有霍尔电流转换器、第一低通滤波器和第一模数转换器，所述霍尔电流转换器的输出端依次通过第一低通滤波器和第一模数转换器连接至FPGA的采样数据输入端。

4.根据权利要求3所述的一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，其特征在于：所述B相保护电流采样电路和C相保护电流采样电路具有同A相保护电流采样电路相同的电路结构。

5.根据权利要求4所述的一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，其特征在于：所述A相测量电流采样电路包括有高精度CT、精密取样电阻、第二低通滤波器和第二模数转换器，所述高精度CT的输出端依次通过精密取样电阻、第二低通滤波器和第二模数转换器连接至FPGA的采样数据输入端。

6.根据权利要求5所述的一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，其特征在于：所述B相测量电流采样电路和C相测量电流采样电路具有同A相测量电流采样电路相同的电路结构。

7.根据权利要求6所述的一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，其特征在于：所述A相电压采样电路包括有高精度PT、第三低通滤波器和第三模数转换电路，所述高精度PT的输出端依次通过第三低通滤波器和第三模数转换电路连接至FPGA的采样数据输入端。

8.根据权利要求7所述的一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，其特征在于：所述B相电压采样电路和C相电压采样电路具有同A相电压采样电路相同的电路结构。

9.根据权利要求8所述的一种基于GPS信号的多通道模拟量采集模块，其特征在于：所述FPGA控制模块包括有采样触发脉冲输出端和采样数据输入端，所述采样触发脉冲输出端用于向多通道采样电路中的模数转换模块输出采样触发脉冲信号，所述采样数据输入端用于接收多通道采样电路中的模数转换模块输出的采样信号。

10.根据权利要求9所述的一种GPS信号的多通道模拟量采集模块，其特征在于：所述GPS信号接收模块通过GPS天线接收到的GPS信号，所述FPGA控制模块根据GPS信号产生采样触发脉冲信号。