CN109596949A - 一种智能变电站数字化采样同步转换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能变电站数字化采样同步转换方法及装置，光纤收发模块用于采样数字量信号；FPGA模块用于接收数字量采样信号；主控CPU模块用于根据接收到的数字量采样信号进行自适应转换参数的配置，自适应转换参数的配置包括额定延迟时间的确定、额定相电压的确定和通道映射关系的确定；根据自适应转换参数确定调整后的输出采样值和整周期延迟时间；D/A模块用于根据预设的输出控制比例将输出采样值变换为输出模拟量，并根据整周期延迟时间延迟输出。本发明能够将智能变电站电子式互感器的数字采样信号转换为传统的模拟采样信号的同时保证转换后信号的频率和相位与原始信号同步。

Description

一种智能变电站数字化采样同步转换方法及装置

技术领域

本发明属于智能变电站技术领域，具体涉及一种智能变电站数字化采样同步转换方法及装置。

背景技术

目前，智能变电站以及数字化变电站的发展已经进入到大面积工程应用阶段，随着电子式互感器、合并单元以及智能单元的大量应用，数字量传输已成为智能变电站采样值传输的主要方式，但大量的传统高压测试装置在试验过程中仍然需要以模拟量采样作为控制信号，例如开展同频同相开关耐压试验时，耐压试验装置发出的电压信号需要与系统的一次电压信号保持周期性同步。常规变电站在做同频同相开关耐压试验时，一般会采用常规电压互感器输出的二次电压作为其大电压发生器的控制电压，保证其发生的大电压信号与系统实际运行的电压信号同频同相，防止试验对象与一次系统间的电势不平衡导致设备损坏。智能变电站采用电子式互感器传变采样，其输出的电压信号是包含固有延时的数字量采样信号，传统的同频同相开关耐压装置无法使用该信号来控制其大电压发生器输出信号的频率与相位，即无法保证输出电压与实际系统运行电压之间的周期同步性。因此，目前在采用电子式互感器的智能变电站内做开关耐压试验时，必须将试验对象所关联的小系统与主系统进行安全隔离，扩大了智能变电站检修时的停电范围，给系统运行带来了极大的不便。

从现状来看，迫切需要研究一种实时的同频同相采样转换技术，将智能变电站电子式互感器的数字采样信号转换为传统的模拟采样信号，同时要保证转换后信号的频率和相位与原始信号同步，从而解决同频同相开关耐压试验装置在智能变电站现场无法直接使用数字化采样控制输出信号的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种智能变电站数字化采样同步转换方法及装置，能够将智能变电站电子式互感器的数字采样信号转换为传统的模拟采样信号的同时保证转换后信号的频率和相位与原始信号同步。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种智能变电站数字化采样同步转换方法，包括如下过程：

接收数字量采样信号；

根据接收到的数字量采样信号进行自适应转换参数的配置，自适应转换参数的配置包括额定延迟时间的确定、额定相电压的确定和通道映射关系的确定；额定延迟时间用于采样转换的相位同步，额定相电压用于确定输出模拟量信号的有效值比例，通道映射关系用于采样转换通道选取及输出相别对应；

根据自适应转换参数确定调整后的输出采样值和整周期延迟时间；

根据预设的输出控制比例将输出采样值变换为输出模拟量，并根据整周期延迟时间延迟输出。

作为优选方案，

接收数字量采样信号之后还包括如下过程：

判断帧启动符是否有效，若有效则记录当前接收数据的相对时间并进入数据接收状态，否则进入空闲状态；

判断接收的数据字节数是否超过允许的最大帧长度，若是则停止接收本帧后续数据并进入空闲状态，否则继续接收数据。

作为优选方案，

在接收数字量采样信号的过程中，对采样值报文的MAC地址进行判定，若地址匹配，则继续接收，否则将不匹配的数据丢弃；

接收完毕后，对接收数据进行CRC校核。

作为优选方案，

额定延迟时间的确定的过程如下：

若采用9-1采样则直接从该报文固定字节处读取额定延迟时间，若采用9-2采样则检索所有的采样通道，将数据值恒定且在额定延迟规定范围内的采样通道选为额定延迟时间的对应通道，然后从该通道中报文固定字节处读取额定延迟时间。

作为优选方案，

额定相电压的确定的过程如下：

若采用9-1采样则直接从报文固定字节处读取额定相电压，若采用9-2采样则通过计算接收数字量采样的有效值，结合一次系统的电压等级标准和变电站实际电压波动范围确定额定相电压。

作为优选方案，

通道映射关系的确定的过程如下：

若采用9-1采样则按需求转换对应的采样模拟量，若采用9-2采样则计算接收到的所有采样通道的有效值和相位，选择满足有效值接近且相位依次相差约120°条件的三组通道，作为输入数字量采样的三相电压信号。

作为优选方案，

根据自适应转换参数确定调整后的输出采样值的过程如下：

对原始的采样值进行拟合插值计算，获取采样输出离散序列。

作为优选方案，

根据自适应转换参数确定整周期延迟时间的过程如下：

采用过零法确定原始采样信号的频率，通过计算正弦信号同向过零点的时间差,获取信号的周期时间；

通过傅式算法计算信号在两个过零点的基波相位得到两次过零点对应的暂态相位补偿时间；

通过信号的周期时间与暂态相位补偿时间计算得到实际信号周期；

通过实际信号周期、额定延迟时间和内部总延迟时间计算得到整周期延迟时间。

本发明还公开了一种智能变电站数字化采样同步转换装置，包括：

FPGA模块，用于接收数字量采样信号，同时控制D/A模块输出模拟量信号；

主控CPU模块，用于根据接收到的数字量采样信号进行自适应转换参数的配置，自适应转换参数的配置包括额定延迟时间的确定、额定相电压的确定和通道映射关系的确定；额定延迟时间用于采样转换的相位同步，额定相电压用于确定输出模拟量信号的有效值比例，通道映射关系用于采样转换通道选取及输出相别对应；根据自适应转换参数确定调整后的输出采样值和整周期延迟时间；以及

D/A模块，用于根据预设的输出控制比例将输出采样值变换为输出模拟量，并根据整周期延迟时间延迟输出。

作为优选方案，

FPGA模块还用于判断帧启动符是否有效，若有效则记录当前接收数据的相对时间并进入数据接收状态，否则进入空闲状态；判断接收的数据字节数是否超过允许的最大帧长度，若是则停止接收本帧后续数据并进入空闲状态，否则继续接收数据。

本发明具有的有益效果：

1、具有自适应性——按照IEC 61850-9协议，模拟量传输是按照以太网协议格式传输，不需要导入系统模型自动解析IEC 61850-9协议格式，读取报文的延迟时间自动进行时间补偿，各电压等级自动计算获得其电压控制信号的比例关系。

2、时间精度高——采用FPGA模块控制以太网的接收以及D/A数据发送，其时间精度在纳秒级别。

3、具有同频性——不改变原有的模拟量关系，直接进行延时与幅值控制，保证输出信号的频率与输入信号频率相同。

4、具有同相性——采用精确测频技术，并进行锁相控制，按照系统真实一次电压的频率进行整周波延时跟随，系统频率发生变化时自动跟随，确保其输出波形不会因为整周波延时而造成相位误差。

5、输出的控制电压信号幅值固定，IEC61850-9-2协议输出报文为一次电压值，按照电压等级进行额定电压标定，无需配置，在各电压等级测试时均可保证其输出的控制电压信号的幅值大小具有一致性。

该技术可以很好将智能变电站的数字化信号转换成与一次同频同相的模拟电压信号，解决了同频同相耐压装置无法获得实际一次系统电压的难题，为智能变电站的同频同压开关耐压试验大面积推广提供了技术依据。

附图说明

图1是本发明中同步转换方法的流程图；

图2是本发明中采样环节的接收流程图；

图3是本发明中带相位补偿的过零点测频方法的原理图；

图4是本发明的同步转换装置的连接框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种智能变电站数字化采样同步转换方法，包括如下过程：

数字量采样

FPGA模块驱动光纤收发模块，接收合并单元输出的SMV采样报文，获取电子式互感器的一次系统电压信息。采样数据由光纤收发模块转换为小电平信号，经PHY芯片解码后传输至FPGA模块，FPGA模块对接收到的以太网数据进行稳定性检测和数据传输校验，按数据长度获取采样报文帧，并记录每帧报文的到达时刻。一帧采样数据接收完毕后，FPGA模块将数据存入片内RAM，并通知主控CPU模块对采样数据进行处理。

如图2所示，具体地，当检测到以太网帧的前导符和帧定界符且与前一个数据帧之间的时间间隔大于最小帧间间隙，则判定帧启动符有效，记录当前接收数据的相对时间并进入数据接收状态，依次接收数据字节的低4位和高4位，并在下一字节数据接收前将完整字节数据存储到接收缓冲区，否则进入空闲状态。如果接收的数据字节数超过允许的最大帧长度，将丢弃本帧后续数据，当一帧以太网数据全部传输完毕后，重新进入空闲状态，等待下一帧数据接收。

在采样值接收过程中，要判定采样值报文的MAC地址，检查地址是否匹配，将不匹配的数据丢弃。帧接收完毕后，还要对接收数据进行CRC校核。

自适应配置

FPGA模块通知主控CPU模块处理采样值数据。主控CPU模块按IEC61850-9协议约定，提取数字化采样报文的应用层信息，解析ASDU并确定与采样转换相关的采样值参数，实现采样转换的自动配置。需要获取的采样配置信息包括额定延迟时间、额定相电压和通道映射关系。额定延迟时间用于采样转换的相位同步，额定相电压用于确定输出模拟量信号的有效值比例，通道映射关系用于采样转换通道选取及输出相别对应。

具体地，额定延迟时间的确定的过程如下：

为实现采样转换信号与原始信号的周期性同步，需从采样报文中获取数字化采样发送时刻与一次系统原始采样时刻的延迟时间。对于合并单元早期采用的9-1采样报文，该参数可以直接从报文固定字节处读取；对于现阶段常用的9-2采样报文，额定延迟参数被放置在采样数据通道中，其位置不固定，无法直接获取，需要检索所有的采样数据通道，寻找数据值恒定且在额定延迟规定范围内的采样通道，优选范围为2ms以内，由于正常采样通道的数据不会恒定不变，因此该通道即为额定延迟时间的对应通道，然后从该通道中报文固定字节处读取额定延迟时间。

额定相电压的确定的过程如下：

对于9-1采样，额定相电压可直接从报文固定位置处读取；对于9-2采样，通道采样数据采用一次值传递，报文中没有额定相电压参数。由于智能变电站正常运行时，一次电压工作在额定电压附近，通过计算接收数字量采样的有效值，结合一次系统的电压等级标准和变电站实际电压波动范围确定采样的额定相电压，优选电压波动范围为±10％。

通道映射关系的确定的过程如下：

9-1采样传输时，通道传递的电气量类型和相别固定，可按需求转换对应的采样模拟量。但当采用9-2采样时，通道映射信息由IEC61850模型文件指定，无法直接从采样报文中获取，现场做开关耐压试验时，IEC61850模型文件的匹配及导入导出工作比较复杂，需要采用更为简易的方式获取各采样通道的实际映射关系。

电力系统正常运行时，输出三相电压对称且分别相差120°，现场开关耐压试验时采用电压互感器合并单元的采样输出，其采样通道仅包含三相电压信号。因此，可计算接收到的所有采样通道的有效值和相位，选择满足有效值接近且相位依次相差约120°条件的三组通道，作为输入数字量采样的三相电压信号。

采样周期检测

通过已确定采样通道的映射关系，读取待转换通道的采样瞬时数据，采用过零法检测采样信号的原始周期时间，进行锁相跟踪实现采样转换信号的周期性同步。

为提高测频精度，需对过零点数据的瞬时相位差进行补偿，尽量减少连续信号离散化采样时，采样周期间隔时间对采样过零时刻的影响。

具体地，如图3所示，通过暂态相位补偿对过零测频法进行改进。采样信号在连续系统中的首个过零时刻为T₁，后续过零时刻为T₂，由于离散化采样的误差，实际采集到的信号过零时刻分别为T₁'和T₂'。当检测到首个原始信号瞬时值过零点时，采用傅氏算法计算信号在T₁'时刻的基波相位当检测到第2个过零点时，同样计算出信号在T₂'时刻的基波相位则采样信号两次过零点对应的暂态相位补偿时间为：

式中：Δt为相位补偿时间，为信号2在T₂'时刻的基波相位，为信号1在T₁'时刻的基波相位。因此，由过零点1与过零点2确定的实际信号周期为：

T＝T₂'-T₁'-Δt；

式中：T为补偿后的信号周期，T₂'为采集到的过零点2时刻，T₁'为采集到的过零点1时刻，Δt为相位补偿时间。

采样值重组

为提高输出模拟量的连续性，减少信号中的谐波含量，需提高输出信号的采样点数。例如，目前工程常用的电子式电压互感器输出采样频率为4000Hz，为提高输出模拟量的波形质量，在对输出信号进行数模转换前，需通过插值算法将信号的采样频率提高至40000Hz。

采用线性法对原始采样信号进行插值处理。具体地，按实际输出数据的刷新率，对原始的采样进行拟合插值计算，获取最终的采样输出离散序列，拟合插值公式如下：

式中：S_n′为输出采样值，S_n为原始采样值，R为原始采样的采样率，R′为输出采样的采样率，n为采样序号。

根据已确定的额定相电压，计算采样转换的变比，保证输出模拟量与输入数字量的额定比例关系。其中，采样转换时，输出模拟量采样的有效值与输入数字量采样的有效值存在比例关系，任意时刻转换输出的模拟量电压应满足：

式中：V₂为输出模拟量的电压，V_2n为输出电压的额定值，V₁为输入数字量采样的电压，V_1n为数字量采样的额定相电压。然后按D/A模块的输出控制比例，将原始采样瞬时值数字量缩小为对应的D/A输出数字量。

为实现输出信号与输入信号的相位同步关系，利用一次系统稳态正弦信号的周期性，计算信号的整周期延迟时间，将模拟量信号实际输出时间与数字量信号接收时间的相位偏差控制为整周期，可保证采样转换过程的周期性同步。

根据正弦信号的周期性，当前输出的采样值与整周期后输出的采样值一致。因此，实时计算输入采样信号的周期时间，并控制转换后信号的输出时刻，通过锁相可实现输出信号与输入信号的周期性同步。

实际的输出延迟时间如下：

T_d＝T-T_dr-T_i；

式中：T_d为整周期延迟时间，T为原始信号周期，T_dr为输入采样报文的额定延迟时间，T_i为装置内部软、硬件的总延迟。

模拟量输出

主控CPU模块计算出最终的采样输出值，通知FPGA模块输出模拟量采样数据。FPGA模块按照计算出的整周期延迟时间，延迟驱动D/A模块，保证输出模拟采样的相位关系。

输出延迟时间满足后，FPGA模块控制D/A芯片对采样值进行数模转换，输出与变电站内原始一次系统电压有效值和相位关联的小电压信号。

数模转换采用二进制补码编码，输出电压与数字信号关系如下：

其中：V_out为输出电压，D为D/A芯片加载编码的十进制等效值，D＝NS_n′，N为D/A芯片输出控制比例，V_ref为基准电压，是控制D/A芯片工作的一个外部电源输入电压，其值只与D/A芯片型号有关，本实施例中采用D/A芯片的基准电压为5V。

如图4所示，本发明还公开了一种智能变电站数字化采样同步转换装置，包括：

主控CPU模块以PowerPC为核心，采用Freescale公司的MPC8247嵌入式微处理器，该处理器属于PowerQUICC II系列，包含一个基于PowerPC MPC603e的内核，和一个通信处理内核CPM。双核设计具有强大的处理能力和较高的集成度，降低了系统的组成开销，简化了电路板的设计，降低了功耗。

主控CPU模块完成装置初始化与自检、数据组织、延迟计算以及数据刷新等工作。解析接收的采样报文、提取额定延时等采样配置信息、完成测频、锁相及自适应采样值处理后，将数据回传给FPGA发送。

FPGA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。PFPGA在高精度时钟模块的控制下，完成数字化以太网采样数据的链路层接收和数据校验，精确控制延迟时间并驱动D/A模块输出对应的模拟量电压信号。FPGA模块的时钟信号由高精度恒温晶振OCXO50提供。OCXO50恒温晶振工作温度为-40至85℃，小于1ppb的温漂特性，-160dBc/1KHz的低相位噪声，最大10ppb/year的低老化，保证了模块时序控制的精确性，以及长期工作的稳定性。

光纤收发模块采用Avago公司的HFBR 1414和AFBR 2418TZ串行光纤收发器件，具备高速的光信号收发能力，可满足多数波特率下的串行数据收发需求。HFBR 1414光纤发送器件采用Tube封装方式的ST接口，工作温度-40至85℃，最大上升时间：6.5ns，最大下降时间：6.5ns，脉冲宽度失真：7.56ns。AFBR 2418TZ光纤接收器件采用ST接口，工作温度-40℃至85℃，接收数据波长865nm，接收数据速率最大50MBd，具备良好的数据兼容性。

D/A模块接收FPGA模块的数字驱动信号，转换为对应的小电压模拟量信号，实现数字控制回路与模拟输出回路的控制信号交互接口。

D/A模块通过专用的DAC模数转换芯片来实现，采用16位高精度，电压输出型DAC转换器AD5764。AD5764具有同步4通道，16位无失码分辨率，积分非线性(INL)误差为±1LSB，最高达1.26M的采样速率等优点。数字部分采用补码方式表示，模拟量输出电压范围-10v到+10v。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能变电站数字化采样同步转换方法，其特征在于：包括如下过程：

接收数字量采样信号；

根据接收到的数字量采样信号进行自适应转换参数的配置，自适应转换参数的配置包括额定延迟时间的确定、额定相电压的确定和通道映射关系的确定；额定延迟时间用于采样转换的相位同步，额定相电压用于确定输出模拟量信号的有效值比例，通道映射关系用于采样转换通道选取及输出相别对应；

根据自适应转换参数确定调整后的输出采样值和整周期延迟时间；

根据预设的输出控制比例将输入数字化采样值变换为输出模拟量，并根据整周期延迟时间延迟输出。

2.根据权利要求1所述的一种智能变电站数字化采样同步转换方法，其特征在于：

所述接收数字量采样信号之后还包括如下过程：

判断帧启动符是否有效，若有效则记录当前接收数据的相对时间并进入数据接收状态，否则进入空闲状态；

判断接收的数据字节数是否超过允许的最大帧长度，若是则停止接收本帧后续数据并进入空闲状态，否则继续接收数据。

3.根据权利要求2所述的一种智能变电站数字化采样同步转换方法，其特征在于：

在接收数字量采样信号的过程中，对采样值报文的MAC地址进行判定，若地址匹配，则继续接收，否则将不匹配的数据丢弃；

接收完毕后，对接收数据进行CRC校核。

4.根据权利要求1所述的一种智能变电站数字化采样同步转换方法，其特征在于：

所述额定延迟时间的确定的过程如下：

若采用9-1采样则直接从该报文固定字节处读取额定延迟时间，若采用9-2采样则检索所有的采样通道，将数据值恒定且在额定延迟规定范围内的采样通道选为额定延迟时间的对应通道，然后从该通道中报文固定字节处读取额定延迟时间。

5.根据权利要求1所述的一种智能变电站数字化采样同步转换方法，其特征在于：

所述额定相电压的确定的过程如下：

若采用9-1采样则直接从报文固定字节处读取额定相电压，若采用9-2采样则通过计算接收数字量采样的有效值，结合一次系统的电压等级标准和变电站实际电压波动范围确定额定相电压。

6.根据权利要求1所述的一种智能变电站数字化采样同步转换方法，其特征在于：

所述通道映射关系的确定的过程如下：

若采用9-1采样则按需求转换对应的采样模拟量，若采用9-2采样则计算接收到的所有采样通道的有效值和相位，选择满足有效值接近且相位依次相差约120°条件的三组通道，作为输入数字量采样的三相电压信号。

7.根据权利要求1所述的一种智能变电站数字化采样同步转换方法，其特征在于：

所述根据自适应转换参数确定调整后的输出采样值的过程如下：

对原始的采样值进行拟合插值计算，获取采样输出离散序列。

8.根据权利要求1所述的一种智能变电站数字化采样同步转换方法，其特征在于：

所述根据自适应转换参数确定整周期延迟时间的过程如下：

采用过零法确定原始采样信号的频率，通过计算正弦信号同向过零点的时间差,获取信号的周期时间；

通过傅式算法计算信号在两个过零点的基波相位得到两次过零点对应的暂态相位补偿时间；

通过信号的周期时间与暂态相位补偿时间计算得到实际信号周期；

通过实际信号周期、额定延迟时间和内部总延迟时间计算得到整周期延迟时间。

9.一种智能变电站数字化采样同步转换装置，其特征在于：包括：

光纤收发模块，用于采样数字量信号；

FPGA模块，用于接收数字量采样信号，同时控制D/A模块输出模拟量信号；

主控CPU模块，用于根据接收到的数字量采样信号进行自适应转换参数的配置，自适应转换参数的配置包括额定延迟时间的确定、额定相电压的确定和通道映射关系的确定；额定延迟时间用于采样转换的相位同步，额定相电压用于确定输出模拟量信号的有效值比例，通道映射关系用于采样转换通道选取及输出相别对应；根据自适应转换参数确定调整后的输出采样值和整周期延迟时间；以及

D/A模块，用于根据预设的输出控制比例将输出采样值变换为输出模拟量，并根据整周期延迟时间延迟输出。

10.根据权利要求9所述的一种智能变电站数字化采样同步转换装置，其特征在于：

FPGA模块还用于判断帧启动符是否有效，若有效则记录当前接收数据的相对时间并进入数据接收状态，否则进入空闲状态；判断接收的数据字节数是否超过允许的最大帧长度，若是则停止接收本帧后续数据并进入空闲状态，否则继续接收数据。