CN110441592B - 一种gis用电子式互感器采集单元的采样预警系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统和方法，包括AD采样模块、FPGA模块和电源监视模块，AD采样模块和电源监视模块连接到FPGA模块，AD采样模块连接有采样工作电源，电源监视模块还连接到采样工作电源，AD采样模块用于模拟量输入信号的模数转换，电源监测模块用于实时检测AD采样模块的采样工作电源电压，向FPGA模块反馈采样工作电源状态，FPGA模块具有自检模块。本发明有效解决现有采样防护措施未考虑采样模块内部异常对采集单元的影响、无法预防AD电源波动、模块通信异常等问题。
Description
技术领域
本发明属于电力系统数字化变电站技术领域，具体涉及一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统和方法。
背景技术
GIS用电子式互感器是与气体绝缘开关配套使用的组合式有源电子式互感器，其充分利用了GIS气体的绝缘结构特性，具有绝缘简单可靠、体积较小、重量较轻、线性度好等特点，能够有效地减小GIS的占地面积，通过光纤传送采样信号，减少了变电站二次电缆，抗干扰能力强，可适应数字化变电站技术的发展。
GIS 用电子式互感器由传感线圈、采集单元以及合并单元等构成。合并单元通常放置在变电站室内，通过光纤与电子式互感器采集单元连接，受现场环境的干扰影响较小。采集单元在互感器本体附近就地放置，工作环境比较恶劣，在现场操作过程中，外部干扰信号对采集单元采样电路的影响较大，轻则引起计量误差，重则可能采样无效并导致后端保护装置误动作，给变电站的安全运行带来极大影响。因此，采样数据的可靠性是GIS用电子式互感器采集单元研究的关键技术点。
目前变电站现场使用的电子式互感器采集单元一般采用带屏蔽网的一体化箱体结构设计，降低空间辐射干扰对采集单元内部回路的影响；通过提高采集单元电源模块的电磁兼容能力，保障采样回路供电系统的稳定性，避免电源干扰造成采样异常；在模拟量信号输入回路中放置滤波模块，抑制互感器本体输出小信号中混叠的高频干扰。上述方法从采集单元的采样抗干扰措施入手，在采样模块外部对干扰信号进行隔离，降低了采样异常的可能性，但未考虑采样模块内部异常对采集单元的影响，无法预防AD电源波动、模块通信异常等问题引起的采样无效现象。因此，需要研究一种采集单元采样模块的实时监测预警系统，进一步增强GIS用电子式互感器采集单元的采样可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统和方法，解决目前GIS用电子式互感器采集单元在现场使用时采样可靠性不足、影响变电站运行安全性的问题、针对现有采样防护措施未考虑采样模块内部异常对采集单元的影响、无法预防AD电源波动、模块通信异常等原因引起的采样无效问题。
本发明采取的技术方案为：一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统，包括AD采样模块、FPGA模块和电源监视模块，AD采样模块和电源监视模块连接到FPGA模块，AD采样模块连接有采样工作电源，电源监视模块还连接到采样工作电源，AD采样模块用于模拟量输入信号的模数转换，电源监测模块用于实时检测AD采样模块的采样工作电源电压，向FPGA模块反馈采样工作电源状态，FPGA模块具有自检模块。
优选的，上述电源监视模块的电路包括OPA比较器，OPA比较器的IN+输入端通过分压电路连接到采样工作电源，OPA比较器的V+电源端连接有去耦电路，OPA比较器的OUT输出端分别通过上拉电阻R4和阻抗匹配电阻R3连接到VCC电源和FPGA模块，OPA比较器的IN-参考输入端连接到OPA比较器的REF参考端。
优选的，上述分压电路包括串接的电阻R1和电阻R2，一端连接采样工作电源，另一端接地，IN+输入端连接到电阻R1和电阻R2间连接点。
优选的，上述去耦电路包括两个并联的电容C1和电容C2，一端连接VCC电源和V+电源端，另一端接地。
优选的，上述AD采样模块采用18位的逐次逼近型模数转换器AD7982。
优选的，上述FPGA模块连接有恒温晶振，恒温晶振采用恒温晶振OCXO50。
优选的，上述FPGA模块采用Xilinx的Spartan-6系列产品XC6SLX150。
一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统的预警方法，该方法为：采样前，首先，检查FPGA模块的时钟、中断及看门狗模块工作是否正常，进行FPGA模块自检，其次，检测当前采样工作电源的电压状态，保证采样模块工作的稳定性。当AD采样模块进行高速采样后，检测AD采样模块的运行状态是否正常，最后，如果AD采样过程存在异常状态，采样工作电源的电压存在异常，通过电源监测模块采集异常信号反馈给FPGA模块，则FPGA模块输出采样异常告警信号，通知外部设备本次采样无效。
一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统的预警方法，该方法的具体技术步骤如下：
步骤1：FPGA模块自检
采样开始前， FPGA模块检测当前自身工作状态是否正常，FPGA模块自检包括内部时钟管理模块自检、采样中断模块自检和看门狗模块自检三部分；
（1）时钟管理模块自检：通过监测FPGA内部时钟管理模块的时钟锁定标志，判断时钟管理模块当前的输出时钟是否与输入时钟锁定，即FPGA的系统工作时钟是否稳定，当LOCKED置位时，表示FPGA模块的系统时钟工作正常；
（2）采样中断自检：通过内部输入管脚，回采输出给AD采样模块的采样触发中断，检测其间隔周期及有效脉冲宽度是否符合要求；
（3）看门狗自检：通过FPGA模块控制看门狗监控芯片的工作，实时监测其输出状态，当FPGA内部发生逻辑异常无法喂狗时，监控芯片计数器溢出，输出异常信号通知FPGA模块；
FPGA模块经过步骤1自检正常后，进入步骤2检测AD采样模块的供电系统；
步骤2：采样工作电源监测
通过电源监测模块检测采样工作电源，实时检测AD采样模块供电系统的输出电压状态；
在采样工作电源电压小于设定值时，AD采样模块的AD芯片无法正常工作，同时AD采样基准电压出现波动，导致采样输出无效，通过电源监测模块直接检测采样工作电源电压，当电压低于阀值时，输出采样工作电源异常信号，实现对采样工作电源的可靠监测；
FPGA模块通过步骤2检测采样工作电源正常后，进入步骤3，启动高速AD采样；
步骤3：AD高速采样
AD采样模块采用高速的AD模数转换，避免了模拟回路采样率不足导致的原始信号高频分量缺失，采样精度误差较大或采样数据不稳定等异常情况，同时可有效提高后端软件算法的实现精度；
通过FPGA模块同步并行驱动多路AD采用模块的AD转换芯片，采用百兆时钟与AD采样模块交互采样，每次监测到采样中断上升沿后，FPGA模块置位AD芯片的CNV转换信号，通知AD芯片转换缓存的输入模拟量，然后经固有的转换时间延迟后，FPGA模块监测AD芯片的BUSY繁忙指示信号，当繁忙指示信号复位后，通过SPI接口读取AD采样数据，18位的采样数据逐位输入，在每次SPI时钟的下降沿进行捕捉，在所有数据位传输完毕后，FPGA采样逻辑复位，等待下次采样过程；
AD采样结束后，FPGA模块进入步骤4，检测AD工作状态是否异常；
步骤4：AD状态监测
每次AD采样过程中，FPGA都会定时检测AD采样模块反馈的繁忙指示标志和采样完成标志，当AD芯片启动转换后，如果超过AD芯片的最大转换时间后繁忙指示标志未返回，或者超过一个采样中断后采样完成标志未置位，则认为AD采样模块工作异常；
AD状态监测完毕后，FPGA模块进入步骤5，判断是否需要输出采样异常标志；
步骤5：采样异常信号输出
当步骤1中FPGA模块自检异常，或者步骤2中采样工作电源监测异常，或者步骤4中AD工作状态监测异常时，都会通过步骤5输出采样异常告警信号；
采样出现异常时，告警信号立即输出，实时通知后端设备本次采样不可使用；在采样异常消失后，告警信号经消抖延迟后再返回。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
（1）本发明在AD采样模块连接FPGA模块，并通过电源监测模块单独监测采样工作电源的状态，若FPGA自检、AD采样模块或电源监测模块发生异常，异常信号反馈给FPGA模块，FPGA模块将采样的该信号上报外部系统，此次采集信号无效，从而有效解决现有采样防护措施未考虑采样模块内部异常对采集单元的影响、无法预防AD电源波动、模块通信异常等问题；
（2）通过FPGA时钟管理模块检测系统时钟稳定性，通过采样中断回采检测采样触发控制时刻的准确性，通过监控芯片输出检测FPGA逻辑运行异常，实现FPGA主控模块的时钟与逻辑自检；
（3）采样工作电源的电压监测模块，实时监测AD采样的电源变化，实现简单且可靠性强，能及时有效的反映采样电源的电压波动状态；
（4）在采样过程中主动检测AD芯片的工作状态，实时验证采样数据的有效性，保证AD模块采样转换和通信过程的可靠性；
（5）当所有模块异常状态消失后，告警信号经消抖后延迟返回，提升在采样异常状态不稳定时预警系统的可信度；
（6）预警系统基于高实时性的FPGA处理器与高精度的恒温晶振实现，具备较低的信号输出延时和时钟抖动，符合高采样率应用环境的需求。
附图说明
图１为本发明的流程图；
图2为采样预警系统原理图；
图3为电源监测模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例：如图1-图3所示，一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统，包括AD采样模块、FPGA模块和电源监视模块，AD采样模块和电源监视模块连接到FPGA模块， AD采样模块连接有采样工作电源，电源监视模块还连接到采样工作电源，AD采样模块用于模拟量输入信号的模数转换，同时与FPGA模块交互采样信息和AD状态信息，电源监测模块用于实时检测AD采样模块的采样工作电源电压，向FPGA模块反馈采样工作电源状态，FPGA模块具有自检模块，FPGA模块是采样预警系统的核心部分，一方面驱动AD采样模块完成模拟量采样，另一方面结合AD工作状态、采样电源状态和自身工作状态控制采样异常告警信号输出；恒温晶振负责给FPGA模块提供稳定可靠的系统时钟。
优选的，如图2所示，上述电源监视模块的电路包括OPA比较器，OPA比较器的IN+输入端通过分压电路连接到采样工作电源，OPA比较器的V+电源端连接有去耦电路，OPA比较器的OUT输出端分别通过上拉电阻R4和阻抗匹配电阻R3连接到VCC电源和FPGA模块，输出阻抗匹配电阻R3，可以稳定输出电平；输出上拉电阻R4，确保比较器输出电平正常，OPA比较器的IN-参考输入端连接到OPA比较器的REF参考端，IN-参考输入端为比较器的内部参考电压，OPA比较器通过比较输入信号IN+和IN-的电压大小，控制OUT信号输出高电平或低电平，OPA比较器V+端和V-端是比较器的工作电源输入；分压电路包括串接的电阻R1和电阻R2，一端连接采样工作电源，另一端接地，IN+输入端连接到电阻R1和电阻R2间连接点；去耦电路包括两个并联的电容C1和电容C2，一端连接VCC电源和V+电源端，另一端接地，采用C1、C2的去耦电路滤除电源噪声，当采样模块电源电压大于门槛值时，比较器OUT端子输出高电平信号，反之则输出低电平信号。
OPA比较器采用具有电压参考的TLV3011，TLV3011是一种低功耗的开漏输出比较器，具有不受约束的片上基准电压。最大静态电流5uA，单电源工作电压从1.8V到5.5V。集成了最大漂移小于100ppm/°C，在最大10nF电容负载下可以稳定工作的1.242V基准电压，可提供最大0.5mA的输出电流。TLV3011可用于小型的SOT23-6封装或SC70封装，工作温度范围从-40°C到+125°C。
优选的，上述AD采样模块采用18位的逐次逼近型模数转换器AD7982，，采样率最大1000kSPS，可实现高精度、高采样率的模数转换功能。AD7982采用2.5V单电源供电，内置一个低功耗、高速、18位无失码采样ADC、一个内部转换时钟和一个多功能串行接口端口。在转换信号上升沿，该器件对差分输入引脚之间的电压差进行采样。基准电压由外部提供，并且可以设置为电源电压。该器件的功耗和吞吐速率呈线性变化关系。支持SPI通信方式和菊花链连结模式，并提供一个可选的繁忙指示。
优选的，上述FPGA模块连接有恒温晶振，恒温晶振采用高精度恒温晶振OCXO50，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，保证了模块时序控制的精确性，以及长期工作的稳定性。
优选的，上述FPGA模块采用Xilinx的Spartan-6系列产品XC6SLX150，XC6SLX150基于45nm低功耗工艺，包含有147443个逻辑单元，4824Kb的Block RAM专用存储器和6个CMT时钟管理模块，资源丰富，运行速度快，实现了性价比与功耗的完美平衡。FPGA模块是采样预警系统的主控模块，一方面驱动AD芯片实现高速模数转换，获取模拟量采样数据，另一方面探测FPGA内部自检信号、采样电源监测信号和AD状态监测信号，并控制告警信号的输出与返回。基于FPGA的实时性与高精度的恒温晶振，提供较低延时和较小时钟抖动的采样预警信号。
实施例2：如图1-3所示，一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统的预警方法，该方法为：采样前，首先，检查FPGA模块的时钟、中断及看门狗模块工作是否正常，进行FPGA模块自检，其次，检测当前采样工作电源的电压状态，保证采样模块工作的稳定性。当AD采样模块进行高速采样后，检测AD采样模块的运行状态是否正常，最后，如果AD采样过程存在异常状态，采样工作电源的电压存在异常，通过电源监测模块采集异常信号反馈给FPGA模块，则FPGA模块输出采样异常告警信号，通知外部设备本次采样无效；具体步骤如下：
具体技术步骤如下：
步骤1：FPGA模块自检
采样开始前， FPGA模块需要检测当前自身工作状态是否正常。FPGA模块自检包括内部时钟管理模块自检、采样中断模块自检和看门狗模块自检三部分；
（1）时钟管理模块自检：通过监测FPGA内部时钟管理模块的时钟锁定（LOCKED）标志，判断时钟管理模块当前的输出时钟是否与输入时钟锁定，即FPGA的系统工作时钟是否稳定。当LOCKED置位时，表示FPGA模块的系统时钟工作正常；
（2）采样中断自检：通过内部输入管脚，回采输出给AD模块的采样触发中断，检测其间隔周期及有效脉冲宽度是否符合要求。防止由于晶振时钟偏移或内部逻辑异常导致的采样触发时刻不一致，影响AD模块的采样精度；
（3）看门狗自检：通过FPGA模块控制看门狗监控芯片的工作，实时监测其输出状态。当FPGA内部发生逻辑异常无法喂狗时，监控芯片计数器溢出，输出异常信号通知FPGA模块；
FPGA模块经过步骤1自检正常后，进入步骤2检测采样模块的供电系统；
步骤2：采样工作电源监测
通过硬件回路搭建采样工作电源监测回路，实时检测采样模块供电系统的输出电压状态；
采样模块的电源状态直接影响AD采样的可靠性。在采样工作电源电压较低时，AD芯片可能无法正常工作，同时AD采样基准电压出现波动，导致采样输出无效。通过外围电路直接检测采样工作电源电压，当电压低于阀值时，输出采样工作电源异常信号，实现对采样工作电源的可靠监测；
FPGA模块通过步骤2检测采样工作电源正常后，进入步骤3，启动高速AD采样；
步骤3：AD高速采样
采用高速的AD模数转换，避免了模拟回路采样率不足导致的原始信号高频分量缺失，采样精度误差较大或采样数据不稳定等异常情况，同时可有效提高后端软件算法的实现精度；
通过FPGA模块同步并行驱动多路AD转换芯片，采用百兆时钟与AD模块交互采样。每次监测到采样中断上升沿后，FPGA模块置位AD芯片的CNV转换信号，通知AD芯片转换缓存的输入模拟量。然后经固有的转换时间延迟后，FPGA模块监测AD芯片的BUSY繁忙指示信号。当繁忙指示信号复位后，通过SPI接口读取AD采样数据。18位的采样数据逐位输入，在每次SPI时钟的下降沿进行捕捉，在所有数据位传输完毕后，FPGA采样逻辑复位，等待下次采样过程；
AD采样结束后，FPGA模块进入步骤4，检测AD工作状态是否异常；
步骤4：AD状态监测
每次AD采样过程中，FPGA都会定时检测AD采样模块反馈的繁忙指示标志和采样完成标志。当AD芯片启动转换后，如果超过AD芯片的最大转换时间（710ns）后繁忙指示标志未返回，或者超过一个采样中断后采样完成标志未置位，则认为AD采样模块工作异常；
AD状态监测完毕后，FPGA模块进入步骤5，判断是否需要输出采样异常标志；
步骤5：采样异常信号输出
当步骤1中FPGA模块自检异常，或者步骤2中采样工作电源监测异常，或者步骤4中AD工作状态监测异常时，都会通过步骤5输出采样异常告警信号；
采样出现异常时，告警信号立即输出，实时通知后端设备本次采样不可使用；在采样异常消失后，告警信号经消抖延迟后再返回，确保采样系统输出采样的可信度；
采样告警信号可通过采集单元内部口线直接输出，也可以采样报文状态字的方式间接输出。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统，其特征在于：包括AD采样模块、FPGA模块和电源监视模块，AD采样模块和电源监视模块连接到FPGA模块，AD采样模块连接有采样工作电源，电源监视模块还连接到采样工作电源，AD采样模块用于模拟量输入信号的模数转换，电源监测模块用于实时检测AD采样模块的采样工作电源电压，向FPGA模块反馈采样工作电源状态，FPGA模块具有自检模块；一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统的预警方法为：采样前，首先，检查FPGA模块的时钟、中断及看门狗模块工作是否正常，进行FPGA模块自检，其次，检测当前采样工作电源的电压状态，保证采样模块工作的稳定性；当AD采样模块进行高速采样后，检测AD采样模块的运行状态是否正常，最后，如果AD采样过程存在异常状态，采样工作电源的电压存在异常，通过电源监测模块采集异常信号反馈给FPGA模块，则FPGA模块输出采样异常告警信号，通知外部设备本次采样无效；该方法的具体技术步骤如下：
步骤1：FPGA模块自检
采样开始前， FPGA模块检测当前自身工作状态是否正常，FPGA模块自检包括内部时钟管理模块自检、采样中断模块自检和看门狗模块自检三部分；
（1）时钟管理模块自检：通过监测FPGA内部时钟管理模块的时钟锁定标志，判断时钟管理模块当前的输出时钟是否与输入时钟锁定，即FPGA的系统工作时钟是否稳定，当LOCKED置位时，表示FPGA模块的系统时钟工作正常；
（2）采样中断自检：通过内部输入管脚，回采输出给AD采样模块的采样触发中断，检测其间隔周期及有效脉冲宽度是否符合要求；
（3）看门狗自检：通过FPGA模块控制看门狗监控芯片的工作，实时监测其输出状态，当FPGA内部发生逻辑异常无法喂狗时，监控芯片计数器溢出，输出异常信号通知FPGA模块；
FPGA模块经过步骤1自检正常后，进入步骤2检测AD采样模块的供电系统；
步骤2：采样工作电源监测
通过电源监测模块检测采样工作电源，实时检测AD采样模块供电系统的输出电压状态；
通过电源监测模块直接检测采样工作电源电压，当电压低于阀值时，输出采样工作电源异常信号；
FPGA模块通过步骤2检测采样工作电源正常后，进入步骤3，启动高速AD采样；
步骤3：AD高速采样
AD采样模块采用高速的AD模数转换；
通过FPGA模块同步并行驱动多路AD采用模块的AD转换芯片，采用百兆时钟与AD采样模块交互采样，每次监测到采样中断上升沿后，FPGA模块置位AD芯片的CNV转换信号，通知AD芯片转换缓存的输入模拟量，然后经固有的转换时间延迟后，FPGA模块监测AD芯片的BUSY繁忙指示信号，当繁忙指示信号复位后，通过SPI接口读取AD采样数据，18位的采样数据逐位输入，在每次SPI时钟的下降沿进行捕捉，在所有数据位传输完毕后，FPGA采样逻辑复位，等待下次采样过程；
AD采样结束后，FPGA模块进入步骤4，检测AD工作状态是否异常；
步骤4：AD状态监测
每次AD采样过程中，FPGA都会定时检测AD采样模块反馈的繁忙指示标志和采样完成标志，当AD芯片启动转换后，如果超过AD芯片的最大转换时间后繁忙指示标志未返回，或者超过一个采样中断后采样完成标志未置位，则认为AD采样模块工作异常；
AD状态监测完毕后，FPGA模块进入步骤5，判断是否需要输出采样异常标志；
步骤5：采样异常信号输出
当步骤1中FPGA模块自检异常，或者步骤2中采样工作电源监测异常，或者步骤4中AD工作状态监测异常时，都会通过步骤5输出采样异常告警信号；
采样出现异常时，告警信号立即输出，实时通知后端设备本次采样不可使用；在采样异常消失后，告警信号经消抖延迟后再返回。
2.根据权利要求1所述的一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统，其特征在于：电源监视模块的电路包括OPA比较器，OPA比较器的IN+输入端通过分压电路连接到采样工作电源，OPA比较器的V+电源端连接有去耦电路，OPA比较器的OUT输出端分别通过上拉电阻R4和阻抗匹配电阻R3连接到VCC电源和FPGA模块，OPA比较器的IN-参考输入端连接到OPA比较器的REF参考端。
3.根据权利要求2所述的一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统，其特征在于：分压电路包括串接的电阻R1和电阻R2，一端连接采样工作电源，另一端接地，IN+输入端连接到电阻R1和电阻R2间连接点。
4.根据权利要求2所述的一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统，其特征在于：去耦电路包括两个并联的电容C1和电容C2，一端连接VCC电源和V+电源端，另一端接地。
5.根据权利要求1所述的一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统，其特征在于：AD采样模块采用18位的逐次逼近型模数转换器AD7982。
6.根据权利要求1所述的一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统，其特征在于：FPGA模块连接有恒温晶振，恒温晶振采用恒温晶振OCXO50。
7.根据权利要求1所述的一种GIS用电子式互感器采集单元的采样预警系统，其特征在于：FPGA模块采用Xilinx的Spartan-6系列产品XC6SLX150。
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